Studio della sinergia tra energia solare ed energia geotermica in impianti ibridi ORC
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- Erico Ruggeri
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1 Studio della sinergia tra energia solare ed energia geotermica in impianti ibridi ORC Marco Astolfi, Luca Nome Xodo relatore
2 Sommario Introduzione: contesto e obiettivi dello studio Analisi tecnica: Identificazione dell impianto di base Studio dell accoppiamento geotermico + solare Simulazione istantanea dell impianto Simulazione su base annuale Analisi economica Risultati e conclusioni Attività di progetto
3 Introduzione: contesto e obiettivi del lavoro Impianti solari Costi molto elevati Necessità di accumulo Sovradimensionamento del ciclo di potenza Basso fattore di utilizzo Impianti geotermici Costi competitivi ORC per taglie piccole Basse temperature del ciclo, quindi ridotti η I ma elevati η II Fattore di utilizzo elevato Impianti ibridi geotermico+solare Si aggiunge un campo di specchi parabolici lineari e uno scambiatore nel ciclo di potenza a valle dello scambiatore primario Sfruttamento continuo del ciclo di potenza, quindi miglior fattore di utilizzo senza necessità di accumulo Abbattimento dei costi a fronte di rendimenti comunque elevati
4 Introduzione: contesto e obiettivi del lavoro Perché la sinergia solare + geotermico Esistono molte zone in cui si ha buon irraggiamento e fonti geotermiche
5 Identificazione dell impianto di base Il ciclo Rankine a fluido organico Fonte geotermica: Tmax=150 C, p=10 bar, m =100 kg/s, T min,rein = 70 C Ciclo di lavoro fluido:r134a: m =151,7 kg/s, p max =55 bar, T max =145 C Prestazioni Rendimento di primo principio limitato Rendimento di secondo principio buono Elevato fattore di recupero T [ C ] % 20% 40% 60% 80% 100% Q % P el 4,605 MW Q geo 32,68 MW η I 13,98 % η II 57,09 % η sistema 13,60 % T out,geo 72,81 C 9 4
6 Identificazione dell impianto di base L impianto ibrido Due possibili effetti utili: Aumento di rendimento (temperatura massima del ciclo) Aumento di potenza (portata di fluido di lavoro elaborata) ' T [ C ] ' s [ kj/kg K ]
7 Studio dell accoppiamento geotermico + solare Off-Design del ciclo di potenza Con l aggiunta solare cambiano le condizioni di esercizio Si limita la potenza a doppia della nominale: P el =9,2 MW Viene imposta la costanza di: Sezione critica della turbina Superficie degli scambiatori La turbina lavora a rendimento variabile per differenti condizioni di carico I coefficienti di scambio termico negli η/η rif scambiatori variano con la portata come anche le perdite di carico K is /K is,rif Macchi, E. and Perdichizzi, A. Theoretical prediction of the off-design performance of axial-flow turbines. (1977)
8 Studio dell accoppiamento geotermico + solare T max variabile T max =160 C All aumentare della temperatura massima: Il ciclo si distorce La quota di calore proveniente dal geotermico (scambiatore primario) diventa sempre meno rilevante rispetto a quella da solare T [ C ] T [ C ] ' % 20% 40% 60% 80% 100% Q % % 20% 40% 60% 80% 100% Q % 4' T [ C ] T [ C ] T max =270 C ' s [ kj/kg K ] 4' s [ kj/kg K ] 4 6 6
9 Studio dell accoppiamento geotermico + solare L impianto ibrido: mappa di funzionamento 80% Δm R134a 60% 40% 20% TIT [K] 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% % 20% 40% 60% 80% 100% 120% Qsec [MW] T amb =15 C Δ Max pressure 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% ΔQsec [MW]
10 Studio dell accoppiamento geotermico + solare L impianto ibrido: confronto tra le logiche η add 19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 160% ΔQ sec [MW] Esiste una portata ottima per ogni temperatura Il rendimento solare è decrescente per temperatura massima crescente Conviene lavorare ad elevate portate e basse temperature nei limiti della possibilità di smaltimento del calore Ad alte portate e basse temperature si ha T geo,rein <70 C
11 Studio dell accoppiamento geotermico + solare Il campo solare: tipologia e layout Si introduce un campo di specchi parabolici lineari, all interno del cui tubo ricevitore scorre olio diatermico. La sua estensione è ottimizzata attraverso un analisi economica.
12 Studio dell accoppiamento geotermico + solare Il campo solare: modello di funzionamento e validazione Campo specchi a rendimento di raccolta T tube T moil Q conv o/t Q rad t/g Q rad g/a Q conv t/g Q conv g/a variabile con posizione del sito, irraggiamento e temperatura ambiente T glass Perdite di puntamento, ottiche e termiche T amb 35 mm 57 mm Q sun
13 Simulazione su base oraria Scelta dei siti di locazione dell impianto Imperial - California San Diego - California Punta Raisi (PA) - Italia Pisa - Italia
14 Simulazione su base oraria Correzione sulla temperatura ambiente La temperatura ambiente influenza: Rendimento del collettore Pressione di condensazione È necessario dunque introdurre una correzione di potenza basata sulla temperatura istantanea dell aria ambiente (legata alla T max del ciclo) P el /P el@15 C Tmax Tmax Tmax Tmax Tmax Tmax T T=150 C T=150 C T T=165 T=165 T T=180 T=180 T T=195 T=195 T T=210 T=210 T T=225 T= T aria [ C]
15 Simulazione su base oraria Analisi oraria: metodologia Per la simulazione oraria dell impianto è necessario un procedimento iterativo. I parametri di input sono: Sito di locazione Istante di riferimento Superficie di specchi Scambiatore solare L iterazione avviene sui parametri m olio, η coll e T vetro, con la portata d olio scelta al fine di rendere massima la potenza prodotta.
16 Analisi economica Risultati: produttività dell impianto (S=60000 m 2 ) Imperial - CA San Diego - CA Energy production [MWh] Punta Raisi (PA) Geo Solar Total Annual Incident Energy [MWh/m2] Pisa Mean annual efficiency η solar field Capacity factor η ORC η S2E Solar Total Imperial % 15.14% 8.58% 31.03% 61.84% San Diego % 16.68% 9.39% 25.37% 62.21% Palermo % 16.44% 9.06% 24.59% 68.28% Pisa % 16.80% 8.81% 20.11% 71.06%
17 Analisi economica Analisi economica: assunzioni Si valuta il costo dell energia aggiuntiva sull investimento aggiuntivo (Capital Charge, CCR=15%, 10%) Si vuole valutare la superficie ottima economica di specchi Costi fissi: Costo della pompa aggiuntiva (65000 ) Costi variabili: Costo del campo specchi e O&M (2% del costo campo specchi) Costo dello scambiatore proporzionale al calore scambiato, quindi alla superfici di specchi Costo differenziale dell alternatore proporzionale alla potenza massima prodotta LS-2 /m 2 /m 2 Mix economico Specchio Flabeg Thick Glass Miro 2 Ricevitore Luz Black Chrome 52,5 34,7 Solel Supporto LS Solargenix Montaggio e altro 65,7 59 Totale [ /m 2 ] ,7
18 Analisi economica Analisi economica: assunzioni Costi dello scambiatore e dell alternatore soggetti ad effetti di scala: E necessario un dimensionamento di base dello scambiatore, a potenza termica fissata. Si dimensiona a Q=20 MW, che corrisponde a (per Maggio, ore 12): S 0 =35000 m 2 S 0 =40000 m 2 per Imperial, CA, USA per San Diego, CA, USA S 0 =50000 m 2 per Punta Raisi (PA), Italia S 0 =70000 m 2 per Pisa (PI), Italia. Nella simulazione la superficie dello scambiatore varierà con la superficie S di specchi associata. Analogamente si considera il costo dell alternatore come: C 0 = P 0 =2.5 MW
19 Analisi economica Risultati: costo dell energia aggiuntiva Il costo dell energia è fortemente influenzato dal costo del campo specchi ma anche dal sito in cui si pone l impianto, in termini di irraggiamento e Costo Energia [ /MWh] Pisa Pisa 15 C Palermo Palermo 15 C San Diego San 15 C Imperial Imperial 15 C di temperatura ambiente E importante lavorare con superfici tali da non incorrere in una limitazione di potenza Per siti molto caldi si può pensare ad una condensazione ad acqua o ad umido, per mitigare gli effetti dovuti alla temperatura ambiente Costo Energia [ /MWh] CCR=15% CCR=10% S specchi [m 2 ] Produzione Elettrica [MWh] S specchi [m 2 ]
20 Analisi economica Risultati: Si confronta l impianto ibrido con un impianto solare equivalente, che non può sfruttare gratuitamente un motore esistente Si ipotizza costo del ciclo di potenza pari a 2500 /kw Si effettua l analisi in condizioni di pari superficie degli specchi: S=60000 m 2 Si tenga presente (report ENEA) un costo dell energia per impianto a ciclo Rankine a vapor d acqua da 50 MW con olio diatermico pari a 214 /MWh, con sali fusi pari a 361 /MWh. Additional energy cost [ /MWh] Solar field ORC power block Total (Hybrid) Total (stand-alone) ratio Imperial % San Diego % Palermo % Pisa %
21 Analisi economica Analisi di sensitività: costo dell impianto Il costo dell energia è per più del 70% composto del costo del campo solare: si può pensare ad un analisi di sensitività sul costo del campo specchi Costo Energia [ /MWh] S specchi [m 2 ] Pompa Alternatore Scambiatore O&M Specchi Additional energy cost /MWh] Pisa Palermo San Diego Imperial Solar field cost [ /m 2 ]
22 Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni e sviluppi futuri Per una completa analisi del problema bisogna tener conto di un ulteriore valorizzazione dell energia, in quanto essa è prodotta in ore piene per 5 giorni su sette, intermedie e vuote per i restanti due. Esiste un ottimo nei costi, ma è poco pronunciato; d altra parte bisogna considerare lo spazio disponibile nei pressi della fonte geotermica Un impianto di questo tipo sembra promettente per taglie medio-piccole, per taglie grandi Rankine tradizionale Si può pensare ad uno studio su parametri del ciclo (pressione e temperatura) e fluido organico per ottimizzarlo non sul solo geotermico ma su una condizione intermedia.
23 Progetto di ricerca Progetto di ricerca Il Dipartimento di Energia è coinvolto in un accordo quadro con Enel e Turboden; Costruzione e messa in esercizio di un impianto sperimentale alla sede Enel Ricerca di Livorno. Scambiatore vapore/r134a Condensatori LUVE Motore ORC Serbatoio H 2 O addolcita Gruppo pompe Nome relatore
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