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IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI A CICLO BINARIO: STATO DELL’ARTE
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia e dei SistemiUniversità di Pisa
Largo Lucio Lazzarino – 56126 PISA
Alessandro Franco
Corso di Laurea in
INGEGNERIA ENERGETICA
alessandro.franco@ing.unipi.it
Impianti geotermoelettrici CAMPI A VAPORECAMPI A VAPORE� Impianti piuttosto semplici dal punto di vista conc ettuale� 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 o gni MW prodotto
LIQUIDO A TEMPERATURA > 160 LIQUIDO A TEMPERATURA > 160 OOCC�Flash technology �Sistema di condensazione a liquido �Possibie combinazione con binario�Consumo specifico fluido geotermico: 10-20 kg/s per ogni MW prodotto
LIQUIDO A TEMPERATURA 100LIQUIDO A TEMPERATURA 100 – – 160 160 OOC
- Ciclo binario (ORC) è il più appropriato- Possibilità di utilizzazione condensatori ad ari a (torri evaporative a secco)- 100% rigenerazione dei pozzi- ridotte emissioni inquinanti- Consumo specifico fluido geotermico: 20-100 kg/s per ogni MW prodotto
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 ;
- 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.
Temperature inferiori a 150 °C disponibili anche ai limiti di acquiferi già largamente utilizzati
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 1966-1968 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 0.5-5 MW (più o meno è il concetto sulla base del quale si è molto sviluppato l’eolico)
Schema base di un impianto a ciclo binario
Sezione di Sezione di
scambio scambio
termicotermico
Gruppo turbina Gruppo turbina
generatoregeneratore
Pozzo di Pozzo di
produzioneproduzione
Condensatore Condensatore
e torre e torre
evaporativaevaporativa
Pozzo di Pozzo di
reiniezionereiniezione
Pompa di Pompa di
circolazionecircolazione
Livello superficiale
Impianto a ciclo binario
(progetto e ottimizzazione)
Livello del sottosuolo
Risorsa geotermica
(ricarica naturale, modello di
circolazione)
Esplorazione geotemica
(geochimica, geofisica)
Strategia di reiniezione
Approccio integrato (suolo-sottosuolo) al proge tto di impianti a ciclo binario
Nel caso del ciclo binario non è importante solo la parte
impiantistica, ma anche la caratterizzazione della risorsa
La deposizione di Sali (scaling) che causa malfunzionamento dello scambiatore
T (
°C)
Geofluid temperature profile
Working fluid profile
h (J/kg)
PP2PP1
Tgeo
Trej
3 2
1
Problemi associabili ad una cattiva caratterizzazio ne della risorsa
Cattivo funzionamento dello scambiatore in
seguito alla riduzione della temperatura della risorsa
Impianti a ciclo binario: oltre 230 per oltre 1150 MW
La tecnologia dei cicli binari è legata ad alcuni grandi produttori
Gradi di libertà• Il progetto di un impianto a ciclo binario coinvolge all’incirca 25-30 variabili• L’impianto deve essere adattato alle specifiche condizioni operative (Mgeo, Tgeo- Trein-Tamb)• Funzionamento è molto sensibile alle variazioni delle condizioni operative durante la vita utile
Principali aziende produttriciOrmatUTC PowerBarber-Nichols (ORC) Mafi-Trench (ORC) Turboden (ORC) Enex (ORC) GE Siemens (Kalina) Exorka (Kalina) Gulf CoastDeluge Inc. Linear Power Ltd.
Binari Combinati Flash + Binario
Stati Uniti 140 10
Nuova Zelanda 10 14
Filippine 13 5
Islanda 8
Portogallo 5
Austria 3
Germania 3
Nicaragua 1 7
Oltre 80% impianti sono semplici, meno del 20% combinati
100 MW Mokai Geothermal Power Plant, New Zealand
2000, 2005
125 MW Upper Mahiao Geo- Power Plant, the Philippines
1996
57 MW Ormesa Geothermal Complex, California
1987
14 MW Sao Miguel Geothermal Power Plant, Azores Islands
1994, 1998
40 MW Heber Geothermal Power Plant, California,
1992
30 MW Puna Geothermal Power Plant, Big Island, Hawaii
1992
1999
24 MW Zumil, Guatemala 8 MW Olkarya, Kenia
2000
30 MW Steamboat Springs, Reno, Nevada
Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario
Dislocazione e caratteristiche principali degli impian ti con ciclo binarioImpianto 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
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
Altheim – Austria, 500 kW (105 °C)
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
1500–3000 Euro/KW installato
Plant and location Tgeo
(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 C5F12 1000 (500) 86 Dry
Wabuska, USA 104 RAN Isopentane 750 (600) 90 Wet
Wendel, USA 103 RAN R114 2000 (1600) 128.2 Wet
Birdsville, Australia 98-99 RAN R114
(Isopentane) 150 (120) 200 Wet
Neustadt-Glewe, GER 98-100 RAN C5F
12 230 (180) 120.8 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
Impianti che utilizzano risorse con T < 130 °C
Cicli a recupero
Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina
Due livelli di pressione Doppio Rankine Supercritici
Fluidi operativi
Devono essere fluido basso bollenti (con Tcr < Tin)
In linea di principio moltissime possibilità: - Idrocarburi (isopentano, isobutano, ecc.)- Refrigeranti (FC, HFC)- Miscele di refrigeranti
Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0,5 1 1,5 2s [kJ/ (kgK)]
T [ °C]
R134a
R152a
iso-Butane
Propane
FC318
iso-Pentane
Miglioramenti del componente turbina
Negli anni rendimento (isoentropico) di turbina è passato da 72% a 88%.Importante aumentare il rendimento di generazione: i rendimenti si moltiplicano.
Anno di installazione
Impianto Rendimento di turbina
1984 Steamboat, USA 72
1985 Ormesa, USA 75
1989 Puna, USA 78
1993 Heber, USA 83
1996 Rotokawa, NZ 84
2000 Olkaria, Kenya 88
Euler Turbine Variable Phase Turbine
netII
geo geo 0 0 geo 0
W
m [(h h ) T (s s )]η =
− − ⋅ −&
Efficienza di primo principio
Efficienza di secondo principio
Produttività dell’impianto geotermico(Consumo specifico di fluido)
geo
net
M kgMJW
β =
&
netI
geo in rej
W
m (h h )η =
−
Parametri di merito tradizionalmente presi a riferimento p er analisi di impianti a ciclo binario
I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente termodinamica; il terzo parametro può assumere anche connotazione economica
5-12%
25-45%
20-150 kg/s
Consumo specifico di fluido geotermico in alcun i casi significativi
Temperatura di sorgente (100-160°C) Temperatura di condensazione (30-40 °C)
Temperatura di scarico (70-100°C) Fluidi operativi (confronto tra 6 diversi fluidi)
0
20
40
60
80
100
120
140
160-100-40 160-70-40 130-70-40 160-70-30 150-80-40 110-80-40 130-100-40
R134a R152a
n-Butane n-Pentane
R401A R407C
β [kg/MJ]
0102030405060708090
130-100-30 130-100-40 160-70-40 160-70-30
R134a R152a
n-Butane n-Pentane
R401A R407C
0
100
200
300
400
500
600
700
30 25 20 15 10 5
Differenza tra T di condensazione e T esterna
Pot
enza
[kW
] W lorda
W pompaggio
W ventilazione
W netta
Dimensionamento del sistema di condensazione
Fattori di criticitàFattori di criticità
� Scarsi coefficienti di scambioScarsi coefficienti di scambio
� Ventilazione energeticamente onerosaVentilazione energeticamente onerosa
� Variazione della temperatura ambienteVariazione della temperatura ambiente
� Potenza sottratta fino al 30% della potenza lordaPotenza sottratta fino al 30% della potenza lorda
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
STANDARDIZZAZIONE
PROBLEMI APERTICosti di istallazione elevati (2000-4000 €/kW)
- Esplorazione e perf. 20-25%- Infrastrutture 10%- Superfici di scambio 30-40%- Impianto 25-30%
Problemi connessi con la reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione dei Sali)
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 T AGLIA
R134a
RAN RANSH
R245fa
RAN RANSH
R600a
RAN RANSH
n-pentane
RAN RANSH
130-70-30 8.8% 7.0% 10.6% 4.7% 19.0% 9.2% 13.5%
120-70-30 9.3% 7.2% 10.6% 4.7% 9.4% 6.5% 19.3%
110-70-30 9.8% 6.2% 13.8% 4.7% 14.0% 9.2% 15.6%
100-70-30 4.7% 6.7% 10.5% 3.6% 10.4% 5.0% 11.6%
Effetto utile: riduzione della superficie e dei consu mi al condensatore
Utilizzazione del principio del tubo di calore
- Single Borehole Geothermal Extraction System - Heat Pipe Turbine- Termosyphon Rankine Engine
Heat Pipe Turbine
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.
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