Tabella 5 – Tipologie di macchine assorbimento/adsorbimento per la produzione di energia frigorifera da calore recuperato temperatura generazione [°C]
temperatura acqua refrigerata [°C]
COPf
-
-
,-,
H-NH
-*
<
,
doppio effetto LiBr-H
-
>,
H-NH
-
-
,-,
silica gel
-
-
,-,
Tecnologia assorbimento singolo effetto LiBr-H
adsorbimento
*sul mercato recentemente vi sono macchine che operano anche con acqua a °C
Figura 4 – COP in funzione del salto termico condensatore-evaporatore per i modelli in commercio []
devono ricercare prodotti appositamente sviluppati per l’alta temperatura. Negli ultimi anni si è riscoperto un interesse verso le pompe di calore ad alta temperatura [] e sono sempre maggiori anche le proposte di prodotti di questo tipo, con COP via via crescenti. Oggi vi sono almeno produttori che offrono complessivamente oltre modelli di pompe di calore in grado di operare oltre a °C in mandata. I valori di COP medio è circa , considerando un salto termico medio di K, con un fattore di Carnot compreso fra il e il % [] (Figura ). I refrigeranti impiegati, oltre all’Ra, sono l’ammoniaca, l’Rfa e l’Rze, con compressori a vite, pistoni o centrifughi []; in alcuni casi i cicli sono a doppio stadio. Interessanti sono le applicazioni con pompe di calore a CO laddove l’obiettivo sia riscaldare acqua in ingresso a temperatura inferiore a °C, sfruttando le tipiche caratteristiche super critiche del refrigerante CO. Non vanno per altro dimenticate le pompe di calore ad assorbimento e i trasformatori di calore. La situazione dei costi di energia elettrica e del gas naturale in ambito industriale consentono di fare alcune considerazioni: • se il costo del gas naturale prevede l’applicazione di accisa industriale, per avere tempi di ritorno inferiori a - anni è necessario avere una combinazione ottimale di ore di esercizio e COP ottenibile, per cui è preferibile operare a temperature dell’acqua riscaldata non molto superiori a °C; • nel caso al contrario di soggetti energivori (imprese a forte consumo di energia ai sensi del D.M. dicembre ), è possibile avere invece in particolari per i soggetti in categoria VAL, prezzi dell’energia elettrica molto competitivi e tali da rendere favorevole un maggiore uso dell’energia elettrica per la produzione di energia termica. È chiaro che, come avviene anche nell’ambito degli impianti di trigenerazione, è anche possibile produrre energia frigorifera dal calore recuperato, attraverso macchine ad assorbimento o adsorbimento.
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Le applicazioni più classiche con macchine ad assorbimento a bromuro di litio e acqua richiedono temperature almeno di °C per operare, con un COP frigorifero dell’ordine di ,-,; tale calore può derivare da uno qualsiasi dei recuperi fino ad ora descritti; alcune macchine ad assorbimento sono appositamente progettate per uno scambio diretto fumi-generatore. Con calore disponibile a temperature più elevate è possibile produrre energia frigorifera anche a temperature negative o inferiori a °C con cicli ad assorbimento ad ammoniaca (COP frigorifero in questo caso pari a circa , - , in funzione delle temperature e portate). Le macchine ad adsorbimento invece accettano anche temperature inferiori, pur consentendo di operare con temperature anche di °C ma con COP frigorifero inferiore; si tratta di applicazioni meno diffuse e i prodotti sul mercato non sono molti. In Tabella un riquadro riassuntivo delle diverse tecnologie.
Recupero di energia termica nell’industria per la produzione di energia elettrica Talvolta, nel sito dove è possibile il recupero, non vi è una richiesta di energia termica bensì di energia elettrica: è quindi possibile utilizzare il calore recuperato in opportuni sistemi di conversione di energia per coprire (totalmente o in parte) questa richiesta elettrica. Di seguito vengono descritte le due tecnologie industrialmente più significative, ovvero i sistemi ORC e i generatori termoelettrici. Altre tecnologie, come ad esempio motori Stirling, cicli Kalina e generatori termoionici, non vengono approfondite in questa sede in quanto la loro diffusione nell’industria è molto limitata.
Sistemi ORC I sistemi ORC (acronimo di Organic Rankine Cycle) sono una soluzione efficiente per lo sfruttamento di flussi di calore a medio-bassa temperatura (tra e °C). La produzione di potenze in questi sistemi è basata sul ciclo termodinamico di Rankine operato da un fluido organico (Figura ), che prende il posto dell’acqua utilizzata nelle tradizionali centrali elettriche a vapore operanti a
temperature massime di oltre °C. I fluidi organici normalmente utilizzati appartenente alle categorie dei refrigeranti (es. R-a, R-fa) e degli idrocarburi (es. isobutano, propano) []. I principali vantaggi nell’utilizzo dei fluidi organici rispetto all’acqua nelle applicazioni di recupero termico, ovvero quando la sorgente termica è basso contenuto entalpico, sono: • l’aumento dell’efficienza del ciclo termodinamico, ovvero un’efficienza maggiore nella conversione del calore in potenza meccanica (elettrica) rispetto all’utilizzo dell’acqua a parità di temperatura massima. Questo perché le temperature dal fluido di recupero non permetterebbero il surriscaldamento nel ciclo a vapore, necessario per motivi tecnologici e di efficienza; • l’aumento della quantità del calore disponibile che viene assorbita dal fluido organico rispetto all’acqua grazie a un migliore accoppiamento termico tra sorgente e fluido operativo, favorito dalle caratteristiche fisiche dei fluidi organici (Figura ). I sistemi ORC per applicazioni di piccola o media potenza sono costituiti (Figura , sinistra) da una pompa (centrifuga o volumetrica, P), uno o più scambiatori primari per il riscaldamento e l’evaporazione del fluido organico (EVAP), uno o più espansori (volumetrici o turbine, E), un condensatore (COND) e un “cold drum” (CD) per la compensazione delle dilatazioni termiche negli avviamenti/ spegnimenti. Per motivi di sicurezza (esempio recupero da gas di combustione) tra lo scambiatore primario e la sorgente termica può essere interposto un circuito intermedio di olio diatermico
