Sistemi solari a ciclo Rankine con fluido organico (ORC) per applicazioni residenziali

I sistemi a ciclo Rankine con fluido organico sono sviluppati nell’ambito del progetto europeo Innova Microsolar

di Luca Cioccolanti

In Europa il settore civile è responsabile di circa il 40% del consumo energetico totale e del 36% delle emissioni di CO2 [1]. Per questo motivo negli anni l’Unione Europea ha emanato una serie di direttive volte a migliorare l’indice di prestazione energetica degli edifici agendo sia a supporto di azioni mirate ad interventi sull’involucro che alla fornitura di energia. Tra le tecnologie a più alta efficienza energetica i sistemi cogenerativi e trigenerativi possono rivestire un ruolo fondamentale nel processo di riduzione delle emissioni di CO2 del settore residenziale. Tuttavia, sebbene anche i sistemi cogenerativi (CHP) e trigenerativi (CCHP) di piccola scala abbiano un potenziale molto interessante in questa direzione [2], la loro adozione è stata finora piuttosto limitata per ragioni essenzialmente economiche. Infatti, la convenienza economica di un sistema di micro-CHP o CCHP dipende fortemente dallo scenario in cui tali sistemi si trovano ad operare (domanda energetica dell’utenza asservita, tariffe elettriche e dei combustibili, incentivazioni…).

Al fine di raggiungere gli ambiziosi obiettivi fissati dall’Accordo di Parigi, una quota crescente di fonti energetiche rinnovabili (FER) è stata introdotta negli ultimi anni nel mix di generazione di energia, grazie a nuove normative e ai sussidi. Le tecnologie di micro-CHP o CCHP basate su fonti rinnovabili potrebbero così concorrere a garantire una maggiore sicurezza dell’approvvigionamento energetico, parallelamente ad una fornitura più affidabile, pulita e meno soggetta a speculazioni.

Nonostante i motori a combustione interna siano la tecnologia di micro-CHP o CCHP più consolidata e diffusa, alcuni avanzamenti tecnologici si rendono necessari per il loro funzionamento continuativo quando alimentati da combustibili a fonte rinnovabile. In ambito residenziale, la tecnologia a fonte rinnovabile più largamente utilizzata per la produzione di energia termica è attualmente rappresentata dal solare termico grazie alla facilità di installazione e alla buona efficienza di conversione raggiunta nel caso dei sistemi a tubi evacuati. Tuttavia, al fine di promuovere la diffusione dei sistemi di micro-CHP e CCHP in ambito residenziale si rendono necessarie tecnologie solari capaci di raggiunge temperature più elevate che in abbinamento ai sistemi a ciclo Rankine con fluido organico (ORC) possano convertire efficacemente l’energia solare incidente in energia elettrica e termica di media/bassa temperatura.

Per questo motivo, nel corso degli ultimi anni numerosi ricercatori hanno concentrato i loro sforzi nello studio e nello sviluppo di sistemi solari ORC di piccola scala al fine di rendere tale tecnologia più efficiente e adattabile al settore residenziale. In Italia, ad esempio Baccioli et al. [3] hanno svolto analisi numeriche per valutare le prestazioni energetiche di un’unità ORC alimentata da un sistema solare a bassa concentrazione. Lo studio ha permesso di valutare la producibilità del sistema per tre diverse località in Italia (a differenti latitudini) impiegando una strategia di controllo dell’espansore volumetrico a velocità variabile al fine di operare in assenza di sistema di accumulo. Manfrida et al. [4], invece, hanno concentrato la loro attenzione sui sistemi di accumulo in cambiamento di fase in abbinamento ad impianti solari a più elevata concentrazione. Ma soprattutto, Taccani et al. [5] hanno realizzato e analizzato sperimentalmente le prestazioni di un sistema ORC alimentato da collettori parabolici lineari aventi complessivamente una superficie captante di 100 m2. Il sistema ORC dotato di espansore scroll e impiegante R245fa come fluido di lavoro ha raggiunto un’efficienza elettrica lorda dell’8% operando a temperature di evaporazione piuttosto ridotte e dell’ordine degli 85°C.

In questo contesto si inserisce il progetto europeo Innova Microsolar coordinato dall’Università di Northumbria di Newcastle (UK) e all’interno del cui consorzio figurano 2 SME Italiane e l’Università eCampus. Il progetto mira a sviluppare un innovativo sistema di micro-cogenerazione basato su tecnologia ORC per applicazioni domestiche o piccole civili. L’energia elettrica è prodotta per mezzo di un’unità ORC da 2kWe/18kWt la quale riceve calore a temperatura dell’ordine dei 250°C grazie ad un impianto solare a concentrazione basato su riflettori lineari di Fresnel realizzati dalla società italiana Elianto srl. L’impianto di generazione è, inoltre, dotato di un sistema di accumulo del calore realizzato con materiale in cambiamento di fase al fine di garantire la produzione di energia termica ed elettrica anche in assenza di radiazione solare per un intervallo di tempo di circa 3-4 ore. Infine, un sistema di controllo intelligente realizzato da S.TRA.TE.G.I.E. srl permette la gestione del sistema integrato anche da remoto tramite tecniche hardware-in-the-loop e la sua interazione con l’utenza asservita.

A seguito delle criticità legate all’epidemia di SARS-CoV-2 e ad alcuni aspetti tecnologici, il progetto ha richiesto un’estensione e terminerà nel Giugno del 2022. L’impianto è ora in fase di collaudo e di sperimentazione ad Almatret (Spagna) al fine di verificare le prestazioni e l’affidabilità del sistema al variare della stagionalità. I primi test ad ottobre 2021 hanno dimostrato la capacità dell’unità ORC di raggiungere le prestazioni di targa: è stata ottenuta una potenza di 2 kWe con una velocità di rotazione dell’espansore di 45’000 rpm. Nel successivo mese di novembre, invece, il limitato irraggiamento non ha consentivo di raggiungere i valori nominale ma ha comunque mostrato la buona adattabilità dell’unità ORC a differenti condizioni ambientali.

Nei prossimi mesi il sistema verrà testato per valori di irraggiamento superiori e periodi più prolungati con l’obiettivo finale di garantire circa il 60% dell’energia richiesta da un’utenza domestica media così da contribuire in maniera significativa alla decarbonizzazione del settore residenziale.

Bibliografia

1. Buildings – European Commission n.d. https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/buildings.
2. Comodi G, Cioccolanti L, Renzi M. Modelling the Italian household sector at the municipal scale: micro-CHP, renewables and energy efficiency. Energy 2014:68. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.055.
3. Baccioli A, Antonelli M, Desideri U. Dynamic modeling of a solar ORC with compound parabolic collectors: annual production and comparison with steady-state simulation. Energy Convers Manag 2017. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.06.025.
4. Manfrida G, Secchi R, Stańczyk K. Modelling and simulation of phase change material latent heat storages applied to a solar-powered Organic Rankine Cycle. Appl Energy 2016;179:378–88. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.135.
5. Taccani R, Obi JB, De Lucia M, Micheli D, Toniato G. Development and experimental characterization of a small scale solar powered Organic Rankine Cycle (ORC). Energy Proc 2016;101:504–11. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.064.