IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI A CICLO BINARIO: STATO DELL ARTE. Alessandro Franco

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1 IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI A CICLO BINARIO: STATO DELL ARTE Alessandro Franco Dipartimento di Ingegneria dell Energia e dei Sistemi Università di Pisa Largo Lucio Lazzarino PISA alessandro.franco@ing.unipi.it Corso di Laurea in INGEGNERIA ENERGETICA

2 Impianti geotermoelettrici CAMPI A VAPORE Impianti piuttosto semplici dal punto di vista concettuale Nel mondo solo 6: es. Geysers (CA), Larderello Sistema di condensazione a liquido Impatti ambientali elevati (CO2, H2S, inquinamento termico) Consumo specifico fluido geotermico: 2-4 kg/s per ogni MW prodotto LIQUIDO A TEMPERATURA > 160 O C Flash technology Sistema di condensazione a liquido Possibie combinazione con binario Consumo specifico fluido geotermico: kg/s per ogni MW prodotto LIQUIDO A TEMPERATURA O C - Ciclo binario (ORC) è il più appropriato - Possibilità di utilizzazione condensatori ad aria (torri evaporative a secco) - 100% rigenerazione dei pozzi - ridotte emissioni inquinanti - Consumo specifico fluido geotermico: kg/s per ogni MW prodotto

3 Impianti a ciclo binario (ORC) Utilizzazione di campi geotermici ad acqua dominante a temperature relativamente basse (< 150 C ), accessibili a quote inferiori ai 1000 m con attività perforative di minore entità; La ricerca riguarda i due aspetti: esplorazione e caratterizzazione della risorsa, ottimizzazione impiantistica - Messa a punto di nuove tecniche di indagine geologica e di modellazione del comportamento del serbatoio; Temperature inferiori a 150 C disponibili anche ai limiti di acquiferi già largamente utilizzati - Sviluppo di impianti di taglie medio-piccola (0.1-1 MW) che possano essere prodotti a livello industriale ( mass produced ) ed in grado di adattarsi in maniera abbastanza buona a varie condizioni.

4 Impianti a ciclo binario La tecnologia dei cicli binari è sicuramente quella più recentemente applicata nell ambito della geotermia (anche se i primi impianti sperimentali sono del in Russia Il ciclo binario rappresenta il primo tentativo di approccio industriale (mass production) al problema della geotermia di potenza, soprattutto grazie ad alcuni aziende che si sono specializzate nel settore (es. ORMAT). La tecnologia Flash era stata sostenuta principalmente da due multinazionali giapponesi (Fuji Electric e Mitsubishi). Si comincia ad applicare una idea di modularità dei sistemi (sia scambiatori rigenerativi, sia sistemi di condensazione). Le differenti taglie impiantistiche possono essere ottenute sommando sistemi di taglia medio piccola dell ordine di MW (più o meno è il concetto sulla base del quale si è molto sviluppato l eolico)

5 Schema base di un impianto a ciclo binario Gruppo turbina generatore Sezione di scambio termico Condensatore e torre evaporativa Pozzo di produzione Pompa di circolazione Pozzo di reiniezione

6 Approccio integrato (suolo-sottosuolo) al progetto di impianti a ciclo binario Livello superficiale Impianto a ciclo binario (progetto e ottimizzazione) Nel caso del ciclo binario non è importante solo la parte impiantistica, ma anche la caratterizzazione della risorsa Esplorazione geotemica (geochimica, geofisica) Strategia di reiniezione Livello del sottosuolo Risorsa geotermica (ricarica naturale, modello di circolazione)

7 Problemi associabili ad una cattiva caratterizzazione della risorsa T geo Cattivo funzionamento dello scambiatore in seguito alla riduzione della temperatura della risorsa T ( C) 3 2 Working fluid profile Geofluid temperature profile PP2 PP1 T rej 1 h (J/kg) La deposizione di Sali (scaling) che causa malfunzionamento dello scambiatore

8 Impianti a ciclo binario: oltre 230 per oltre 1150 MW Binari Combinati Flash + Binario Stati Uniti Nuova Zelanda Filippine 13 5 Islanda 8 Portogallo 5 Austria 3 Germania 3 Nicaragua 1 7 Oltre 80% impianti sono semplici, meno del 20% combinati La tecnologia dei cicli binari è legata ad alcuni grandi produttori Principali aziende produttrici Ormat UTC Power Barber-Nichols (ORC) Mafi-Trench (ORC) Turboden (ORC) Enex (ORC) GE Siemens (Kalina) Exorka (Kalina) Gulf Coast Deluge Inc. Linear Power Ltd. Gradi di libertà Il progetto di un impianto a ciclo binario coinvolge all incirca variabili L impianto deve essere adattato alle specifiche condizioni operative (M geo, T geo - T rein -T amb ) Funzionamento è molto sensibile alle variazioni delle condizioni operative durante la vita utile

9 Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario MW Ormesa Geothermal Complex, California 30 MW Puna Geothermal Power Plant, Big Island, Hawaii 125 MW Upper Mahiao Geo- Power Plant, the Philippines MW Zumil, Guatemala 8 MW Olkarya, Kenia 30 MW Steamboat Springs, Reno, Nevada , , MW Heber Geothermal Power Plant, California, 14 MW Sao Miguel Geothermal Power Plant, Azores Islands 100 MW Mokai Geothermal Power Plant, New Zealand

10 Dislocazione e caratteristiche principali degli impianti con ciclo binario Impianto Luogo Gross capacity (MWe) Tipo di impianto Sistema di controllo termico Miravalles 5 Costa Rica (18) Combined cycle (Binary) Wet Leyte Filippine (61) Combined cycle (Binary) Wet Mak-Ban Filippine (15.7) Combined cycle (Binary) Wet/Dry Sao Miguel Azzorre (Portogallo) 16 Binary Dry Pico Vermelho Azzorre (Portogallo) 11.5 Binary Dry Mokai Nuova Zelanda (18) Combined cycle (Binary) Dry Rotokawa Nuova Zelanda 13.5 Binary Wet Wairakei Nuova Zelanda (15) Combined cycle (Binary) Dry Zunil Guatemala 28.6 Binary Dry Olkaria III Kenya 12 Binary Dry Puna Hawaii (USA) (30) Combined cycle (Binary) Dry Heber (SIGC) California (USA) 40 Binary Wet East Mesa California (USA) 89.4 Binary (five plants) Wet Casa Diablo (Mammoth) California (USA) 42 Binary (three plants) Dry Steamboat Spring Nevada (USA) 34 Binary Dry Salt Wells Nevada (USA) 14 Binary Dry Soda Lake Nevada (USA) 12 Binary Dry Stillwater Nevada (USA) 15.3 Binary Dry Stillwater 2 Nevada (USA) 48 Binary Dry Blundell Utah (USA) 11 Binary Dry Impianti Binari o Combined con taglie fra 10 e 90 MW

11 Molte soluzioni proposte potrebbero adattarsi alle varie condizioni Impianto Olkaria 3 Kenya, 12 MW (250 C) Chena, Alaska USA, 200 kw (74 C) Leader del settore, realizza tutti gli impianti Solo piccole taglie Impianto Rispetto a altre tecnologie il ciclo binario risente della grande varietà delle condizioni a contorno per cui ogni applicazione va studiata come un caso a se stante con evidenti penalizzazioni sui costi Altheim Austria, 500 kw (105 C) Euro/KW installato

12 Impianti che utilizzano risorse con T < 130 C Plant and location T geo (ºC) Cycle Working fluid Gross capacity (kwe) Specific brine consumption [(kg/s)/mw] Cooling tower Husavik, Iceland 124 Kalina NH3-H2O 2030 (1700) 53 Wet Unternhaching, GER 122 Kalina NH3-H2O 4000.(3400) 44.2 Wet Bruchsal, GER 120 Kalina NH3-H2O 610 (550) 51,8 Wer Empire, USA 118 RAN Isopentane 1200 (1000) 90.8 Dry Fang, Thailand 116 RAN Isopentane 300 (175) 47.4 Wet Nagqu, China 110 RAN Isopentane 1300 (1000) 69 Dry Bad Blumau, Austria 110 RAN Isopentane 250 (180) 120 Dry Wineagle (Susanville), USA 110 RAN Isobutane 750 (600) 105 Dry Altheim, Austria 106 RAN C 5 F (500) 86 Dry Wabuska, USA 104 RAN Isopentane 750 (600) 90 Wet Wendel, USA 103 RAN R (1600) Wet Birdsville, Australia RAN R114 (Isopentane) 150 (120) 200 Wet Neustadt-Glewe, GER RAN C 5 F (180) Wet Chena Hot Spring, USA 74 RAN R134a 250 (210) 57.9 Wet/Dry Esiste già oggi un numero rilevante di impianti a ciclo binario che utilizzano risorse a temperature inferiori a 130 C

13 Cicli a recupero Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina Due livelli di pressione Doppio Rankine Supercritici Fluidi operativi Devono essere fluido basso bollenti (con T cr < T in ) In linea di principio moltissime possibilità: - Idrocarburi (isopentano, isobutano, ecc.) - Refrigeranti (FC, HFC) - Miscele di refrigeranti

14 Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero T [ C] R134a R152a iso-butane Propane FC318 iso-pentane 0 0,5 1 1,5 2 s [kj/ (kgk)]

15 Miglioramenti del componente turbina Anno di installazione Impianto Rendimento di turbina 1984 Steamboat, USA Ormesa, USA Puna, USA Heber, USA Rotokawa, NZ Olkaria, Kenya 88 Negli anni rendimento (isoentropico) di turbina è passato da 72% a 88%. Importante aumentare il rendimento di generazione: i rendimenti si moltiplicano. Euler Turbine Variable Phase Turbine

16 Parametri di merito tradizionalmente presi a riferimento per analisi di impianti a ciclo binario Efficienza di primo principio η = I W net m (h h ) geo in rej 5-12% Efficienza di secondo principio η II = Wnet m & [(h h ) T (s s )] geo geo 0 0 geo % Produttività dell impianto geotermico (Consumo specifico di fluido) M& β geo = W net kg MJ kg/s I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente termodinamica; il terzo parametro può assumere anche connotazione economica

17 Consumo specifico di fluido geotermico in alcuni casi significativi Temperatura di sorgente ( C) Temperatura di condensazione (30-40 C) Temperatura di scarico ( C) Fluidi operativi (confronto tra 6 diversi fluidi) β [kg/mj] R134a n-butane R401A R152a n-pentane R407C R134a R152a n-butane n-pentane R401A R407C

18 Dimensionamento del sistema di condensazione Potenza [kw] W lorda W pom paggio W ventilazione W netta Differenza tra T di condensazione e T esterna Scarsi coefficienti di scambio Fattori di criticità Ventilazione energeticamente onerosa Variazione della temperatura ambiente Potenza sottratta fino al 30% della potenza lorda

19 Costi degli impianti a ciclo binario I costi aumentano in maniera significativa con riduzione della temperatura di sorgente: maggior incidenza del lavoro geologico ed effetti di scala PROBLEMI APERTI Costi di istallazione elevati ( /kw) - Esplorazione e perf % - Infrastrutture 10% - Superfici di scambio 30-40% - Impianto 25-30% STANDARDIZZAZIONE Problemi connessi con la reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione dei Sali)

20 Il ciclo binario rigenerativo Binario tradizionale Binario rigenerativo Con inserimento del rigeneratore si potranno aumentare i rendimenti termodinamici di primo e secondo principio e rendere meno sensibile il sistema alle condizioni al contorno (temperatura della sorgente ed esterna variabili nel tempo). POSSIBILE STANDARDIZZAZIONE DI SISTEMI DI PICCOLA TAGLIA

21 Effetto utile: riduzione della superficie e dei consumi al condensatore R134a RAN RANSH R245fa RAN RANSH R600a RAN RANSH n-pentane RAN RANSH % 7.0% 10.6% 4.7% 19.0% 9.2% 13.5% % 7.2% 10.6% 4.7% 9.4% 6.5% 19.3% % 6.2% 13.8% 4.7% 14.0% 9.2% 15.6% % 6.7% 10.5% 3.6% 10.4% 5.0% 11.6%

22 Heat Pipe Turbine Utilizzazione del principio del tubo di calore - Single Borehole Geothermal Extraction System - Heat Pipe Turbine - Termosyphon Rankine Engine

23 Conclusioni Gli impianti a ciclo binario con raffreddamento ad aria sono una tecnologia molto interessante e sostenibile per l utilizzazione di risorse geotermiche ad acqua dominante se possono essere raggiunti livelli accettabili di produttività ed efficienza. La generazione elettrica sembra essere quasi sempre conveniente se T > 150 C. E da valutare se la temperatura della sorgente è < 130 C e se la temperatura di reinizione è >100 C. I consumi degli ausiliari sono troppo elevati. Le forti differenze, in termini di temperatura, pressione e composizione chimica del fluido geotermico, rendono gli impianti a ciclo binario poco adatti a standardizzazioni Gli aspetti impiantistici non sono i soli a dover essere considerati. Attenzione anche alla caratterizzazione della risorsa ed alle capacità di rigenerazione del pozzo. L ottimizzazione è però un elemento chiave per il successo di questi impianti visto che si possono apprezzare miglioramenti anche del 30-40% rispetto a soluzioni convenzionali. Per ogni combinazione temperatura di sorgente-temperatura di reinizione vi è una combinazione ottimale fluido-ciclo che permette di ottenere risultati simili. Non sembra quasi mai conveniente l uso miscele (Kalina) e raramente quello di configurazioni di tipo ipercritico. Molto interessante può essere il ricorso a configurazioni di tipo rigenerativo.