to get the file - Distretto Energie Rinnovabili

IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI A CICLO
BINARIO: STATO DELL’ARTE
Alessandro Franco
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia e dei Sistemi
Università di Pisa
Largo Lucio Lazzarino – 56126 PISA
[email protected]
Corso di Laurea in
INGEGNERIA ENERGETICA
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 OC
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 100 – 160 OC
- 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: 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
Gruppo turbina
generatore
Sezione di
scambio
termico
Condensatore
e torre
evaporativa
Pozzo di
produzione
Pompa di
circolazione
Pozzo di
reiniezione
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)
Problemi associabili ad una cattiva caratterizzazione della risorsa
Tgeo
Geofluid temperature profile
T (°C)
Cattivo funzionamento
dello scambiatore in
seguito alla riduzione della
temperatura della risorsa
PP2
3
PP1
2
Trej
Working fluid profile
1
h (J/kg)
La deposizione di Sali (scaling) che causa
malfunzionamento dello scambiatore
Impianti a ciclo binario: oltre 230 per oltre 1150 MW
Stati Uniti
Binari
Combinati
Flash +
Binario
140
10
Nuova Zelanda
10
14
Filippine
13
5
Islanda
8
Portogallo
5
Austria
3
Germania
3
Nicaragua
1
La tecnologia dei cicli binari
è legata ad alcuni grandi
produttori
7
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.
Oltre 80% impianti sono semplici, meno del 20% combinati
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
Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario
1987
57 MW Ormesa Geothermal
Complex, California
1999
1992
30 MW Puna Geothermal Power
Plant, Big Island, Hawaii
1996
125 MW Upper Mahiao GeoPower Plant, the Philippines
2000
24 MW Zumil, Guatemala
1992
40 MW Heber Geothermal Power
Plant, California,
8 MW Olkarya, Kenia
1994, 1998
14 MW Sao Miguel Geothermal
Power Plant, Azores Islands
30 MW Steamboat Springs,
Reno, Nevada
2000, 2005
100 MW Mokai Geothermal Power
Plant, New Zealand
Dislocazione e caratteristiche principali degli impianti con ciclo binario
Luogo
Gross capacity (MWe)
Tipo di impianto
Sistema di controllo termico
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
Guatemala
28.6
Binary
Dry
Kenya
12
Binary
Dry
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
Utah (USA)
11
Binary
Dry
Impianto
Miravalles 5
Zunil
Olkaria III
Puna
Blundell
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)
Leader del settore, realizza tutti gli impianti
Impianto
Altheim – Austria, 500 kW (105 °C)
Chena, Alaska – USA, 200 kW (74 °C)
Solo piccole taglie
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
Impianti che utilizzano risorse con T < 130 °C
Plant and location
Tgeo
Cycle
(ºC)
Husavik, Iceland
124
Kalina
Unternhaching, GER
122
Bruchsal, GER
Working
fluid
Gross
Specific brine
capacity
consumption
(kWe)
[(kg/s)/MW]
Cooling
tower
53
Wet
Kalina
NH3-H2O 2030 (1700)
NH3-H2O 4000.(3400)
44.2
Wet
120
Kalina
NH3-H2O
610 (550)
51,8
Wer
Empire, USA
118
RAN
Isopentane 1200 (1000)
90.8
Dry
Fang, Thailand
116
RAN
Isopentane
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
Birdsville, Australia
98-99
RAN
Neustadt-Glewe, GER
98-100
RAN
Chena Hot Spring, USA
74
RAN
300 (175)
R114
2000 (1600)
R114
150 (120)
(Isopentane)
C5F12
230 (180)
R134a
250 (210)
128.2
Wet
200
Wet
120.8
Wet
57.9
Wet/Dry
Esiste già oggi un numero rilevante di impianti a ciclo binario che utilizzano
risorse a temperature inferiori a 130 °C
Cicli a recupero
Rankine
Due livelli di pressione
Hirn (Rankine surr)
Doppio Rankine
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
Kalina
Supercritici
Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero
200
T [ °C ]
180
160
140
120
100
R134a
80
R152a
60
iso-Butane
40
Propane
20
FC318
iso-Pentane
0
0
0,5
1
1,5
2
s [kJ/ (kgK)]
Miglioramenti del componente turbina
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
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
Parametri di merito tradizionalmente presi a riferimento per analisi di
impianti a ciclo binario
ηI =
Efficienza
di primo principio
Efficienza
di secondo principio
ηII =
Wnet
m geo (h in − h rej )
& geo [(h geo
m
Produttività dell’impianto geotermico
(Consumo specifico di fluido)
Wnet
− h 0 ) − T0 ⋅ (s geo − s 0 )]
β=
M& geo
Wnet
 kg

 MJ 
5-12%
25-45%
20-150 kg/s
I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente
termodinamica; il terzo parametro può assumere anche connotazione economica
Consumo specifico di fluido geotermico in alcuni casi significativi
Temperatura di sorgente (100-160°C)
Temperatura di condensazione (30-40 °C)
Temperatura di scarico (70-100°C)
140
120
β [kg/MJ]
100
Fluidi operativi (confronto tra 6 diversi fluidi)
R134a
R152a
n-Butane
n-Pentane
R401A
R407C
80
60
40
20
0
160-100-40
160-70-40
130-70-40
160-70-30
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
130-100-30
130-100-40
150-80-40
110-80-40
130-100-40
R13 4 a
R15 2a
n-B u tan e
n -P e ntan e
R40 1 A
R40 7C
160-70-40
160-70-30
Dimensionamento del sistema di condensazione
700
Potenza [kW]
600
500
W lorda
400
W pom paggio
300
W ventilazione
200
W netta
100
0
30
25
20
15
10
5
Differenza tra T di condensazione e T esterna
Fattori di criticità
Scarsi coefficienti di scambio
Ventilazione energeticamente onerosa
Variazione della temperatura ambiente
Potenza 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
PROBLEMI APERTI
Costi di istallazione elevati (20004000 €/kW)
- Esplorazione e perf. 20-25%
- 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)
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
Effetto utile: riduzione della superficie e dei consumi al condensatore
R134a
RAN
R245fa
R600a
RANSH
RAN
RANSH RAN
130-70-30
8.8%
7.0%
10.6%
120-70-30
9.3%
7.2%
110-70-30
9.8%
100-70-30
4.7%
n-pentane
RANSH
RAN
RANSH
4.7%
19.0%
9.2%
13.5%
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%
Heat Pipe Turbine
Utilizzazione del principio del tubo di calore
- Single Borehole Geothermal Extraction System
- Heat Pipe Turbine
- Termosyphon Rankine Engine
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.