Gli impianti ORC, acronimo di Organic Rankine Cycle, rappresentano una delle tecnologie più innovative e versatili nel campo della generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Basati sul ciclo Rankine, utilizzano fluidi organici come fluido di lavoro e sono progettati per convertire energia termica a bassa temperatura in energia elettrica, offrendo una soluzione efficiente e sostenibile per diverse applicazioni industriali.

Durante la progettazione degli impianti ORC, è fondamentale comprendere il funzionamento del ciclo termodinamico su cui si basano e le caratteristiche dei fluidi organici utilizzati. Questi fluidi, rispetto all’acqua o al vapore, consentono infatti di ottimizzare il rendimento dei processi di produzione, rendendo gli impianti ORC ideali per il recupero del calore dai processi industriali e dalle biomasse.

La scelta dei componenti dell’impianto e la loro configurazione rivestono quindi un ruolo cruciale per garantire sostenibilità e prestazioni elevate. I moderni software di progettazione per l’impiantistica industriale, come quelli sviluppati da ESAin, permettono di simulare e ottimizzare ogni fase del ciclo ORC, dalla previsione del fluido di lavoro alla configurazione dei vari componenti, quali scambiatori di calore e condensatori. Tra le soluzioni disponibili è possibile richiedere anche un software per l’impiantistica industriale personalizzato, per avere a disposizione un programma che riesca ad adattarsi alle esigenze specifiche di ogni impianto, incluse le diverse tipologie di impianti ORC.

In questo articolo, esploreremo nel dettaglio il principio di funzionamento degli impianti ORC e le diverse applicazioni industriali, analizzando come questa tecnologia possa contribuire a migliorare l’efficienza energetica e a ridurre l’impatto ambientale.

Cos’è il ciclo di Rankine

Il ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico chiuso utilizzato principalmente per la conversione di energia termica in energia meccanica, che può successivamente essere trasformata in energia elettrica. Il ciclo prende il nome dall’ingegnere scozzese William John Macquorn Rankine, uno dei pionieri nel campo della termodinamica.

Il ciclo di Rankine è alla base del funzionamento delle centrali termoelettriche tradizionali, dove viene impiegato un fluido di lavoro, solitamente acqua o vapore, che passa attraverso quattro fasi principali: compressione adiabatica, riscaldamento isobarico, espansione adiabatica e raffreddamento isobarico.

Durante il processo, il fluido di lavoro viene inizialmente compresso da una pompa, aumentando la sua pressione. Successivamente, viene riscaldato in una caldaia dove assorbe calore, trasformandosi in vapore ad alta pressione. Il vapore così prodotto si espande in una turbina, dove la sua energia viene convertita in lavoro meccanico. Infine, il fluido, ora a bassa pressione, viene raffreddato in un condensatore, tornando allo stato liquido per completare il ciclo.

Il ciclo di Rankine tradizionale, pur essendo altamente efficiente in molte applicazioni, presenta limitazioni quando si tratta di recuperare calore a bassa temperatura. Per superare queste limitazioni, viene impiegato un fluido organico diverso dall’acqua.

Cosa si intende per Organic Rankine Cycle

L’Organic Rankine Cycle (ORC) è una variante del ciclo di Rankine tradizionale che utilizza un fluido organico come mezzo di lavoro al posto dell’acqua o del vapore. I fluidi organici sono scelti in base alle loro proprietà termofisiche, che consentono di operare a temperature e pressioni più basse rispetto al ciclo Rankine convenzionale. 

Questo rende il ciclo ORC particolarmente adatto per applicazioni che coinvolgono fonti di calore a bassa entalpia, come il calore di scarto industriale, la biomassa, il solare termodinamico e l’energia geotermica. 

Inoltre, l’Organic Rankine Cycle trova una delle sue applicazioni più efficaci negli impianti di cogenerazione (Cogeneration Rankine Cycle) dove viene utilizzato per generare simultaneamente energia elettrica e calore a partire da una singola fonte di energia. L’utilizzo di un fluido organico ad alto peso molecolare, caratterizzato da un punto di evaporazione più basso rispetto al vapore acqueo, permette di sfruttare sorgenti a bassa temperatura, che possono essere utilizzati per attivare microturbine per la produzione di energia elettrica.

Il principio di funzionamento degli impianti ORC è simile a quello del ciclo di Rankine: il fluido organico viene pompato a una pressione più elevata, riscaldato per trasformarsi in vapore, espanso in una turbina per generare energia meccanica e infine condensato per ricominciare il ciclo. Tuttavia, la scelta di fluidi organici con punti di ebollizione più bassi e migliori caratteristiche di trasferimento del calore permette al sistema di sfruttare in modo efficiente fonti di calore che sarebbero altrimenti inadatte per un ciclo Rankine tradizionale.

Questa tecnologia offre diversi vantaggi, tra cui una maggiore efficienza energetica, una ridotta usura delle apparecchiature e una maggiore versatilità nella scelta delle fonti di calore. Gli impianti ORC sono quindi particolarmente apprezzati in settori industriali dove è cruciale recuperare energia da fonti altrimenti inutilizzabili, contribuendo a garantire una produzione sostenibile e la riduzione delle emissioni di CO2.

Come funzionano gli impianti ORC

Gli impianti ORC (Organic Rankine Cycle) operano attraverso un ciclo termodinamico simile al ciclo Rankine tradizionale ma ottimizzato per temperature più basse. Questi sistemi sono composti da diversi componenti che lavorano per garantire un funzionamento efficiente e continuo dell’impianto. 

Di seguito sono elencati i principali componenti utilizzati e le fasi operative di un impianto ORC:

• Pompa per il fluido organico. Il fluido organico viene inizialmente pompato a una pressione elevata: la pompa utilizzata viene generalmente azionata da un motore elettrico caratterizzato da una velocità di rotazione variabile. Questa operazione prepara il fluido per l’assorbimento di calore nelle fasi successive.

• Scambiatore di calore. Il fluido pressurizzato passa attraverso uno scambiatore di calore, dove assorbe energia termica dalla fonte di calore disponibile (ad esempio, calore di scarto industriale o l’energia geotermica). Gli scambiatori di calore sono generalmente a fascio tubiero e possono variare in dimensioni e geometria.

• Turbina. Questo componente espande il fluido organico e permette di convertire la sua energia in lavoro meccanico. La turbina è collegata a un generatore elettrico, generalmente accoppiato all’albero della turbina, che trasforma a sua volta il lavoro meccanico in energia elettrica.

• Condensatore. Dopo l’espansione nella turbina, il vapore viene raffreddato e condensato tornando allo stato liquido. Questa fase avviene nel condensatore, dove il fluido organico rilascia il calore residuo, spesso recuperato per altre applicazioni (come il riscaldamento). Generalmente i condensatori utilizzati in queste fasi sono ad aria, perché permettono di ridurre il consumo di acqua e l’utilizzo dei componenti necessari al suo trattamento. Infine il fluido organico viene reimmesso nella pompa per ricominciare il ciclo.

Gli impianti Organic Rankine Cycle, grazie a questo processo operativo, sono in grado di generare energia elettrica in modo efficiente, rappresentando una soluzione versatile per la produzione di energia sostenibile.

Gli impianti ORC sono infatti utilizzati per un’ampia gamma di applicazioni industriali: dallo sfruttamento delle risorse geotermiche sopra i 90°C alla generazione di energia elettrica da biomasse, fino al solare termodinamico (CSP) e alla generazione di energia elettrica dal recupero del calore prodotto dai processi industriali, da motori e da turbine a diesel o a gas.

 

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