Ciclo Rankine Organico, una vecchia tecnologia a servizio del futuro
Aggiornamento: 24 gen 2021
Il ciclo Rankine Organico, noto anche con l'acronimo ORC (Organic Rankine Cycle), è tornato a suscitare un grande interesse sia nel mondo industriale che della ricerca. Il merito di questo successo è dovuto principalmente ai progressi che la tecnologia ha raggiunto negli ultimi anni e alla possibilità di essere utilizzato nell'ambito della generazione di energia a partire da fonti di calore a bassa temperatura.
Come molto spesso succede nel processo di sviluppo di una tecnologia, anche nel caso dell'ORC è servito del tempo prima di poter sfruttare a pieno le sue potenzialità. La prima applicazione di rilievo nel campo dei fluidi organici si ebbe nel 1853 ad opera di M. Du Trembley. A partire dai primi anni del 900´ lo sviluppo dei motori volumetrici a vapore portò allo studio dei sistemi ORC. Tuttavia, il rapido progredire nella progettazione dei motori a combustione interna fece in modo che l’interesse verso questo tipo di tecnologia venisse meno. A partire dagli anni 80´, grazie soprattutto alla scoperta di nuove tipologie di fluidi organici, nacquero numerose aziende che si concentrarono sulla progettazione di impianti ORC. Molte di queste sono ormai leader mondiali. Tra le più famose: Ormat, Turboden, Exergy e GMK.
Il Ciclo Rankine Organico è un’alternativa al più famoso ciclo Rankine a vapore (SRC) tradizionalmente utilizzato per la produzione d'energia. La principale differenza tra i due sistemi risiede nel tipo di fluido di lavoro al suo interno. Al posto dell’acqua, l'ORC utilizza un fluido organico avente elevato peso molecolare e basse temperature di ebollizione. I fluidi organici utilizzabili sono molti e sono ancora oggi
oggetto di ricerca per migliorarne l'efficienza e l'affidabilità, anche in relazione alle temperature delle fonti di calore utilizzate. Queste caratteristiche rendono l'ORC un sistema ideale per il recupero di calore da sorgenti aventi un range di temperature medio-basse molto ampio (60°C-400°C). Rispetto agli SRC, inoltre, l’ORC mostra alcuni vantaggi quali: piccole dimensioni, basso costo di costruzione e mantenimento, alta affidabilità, basso impatto ambientale e soprattutto possibilità di utilizzo con numerose fonti di energia rinnovabile.
I componenti principali dell’impianto sono: pompa, evaporatore, turbina e condensatore. Il funzionamento può essere sintetizzato nelle seguenti fasi:
La pompa innalza la pressione del fluido organico e lo invia all'evaporatore.
L'evaporatore grazie al calore in eccesso ricevuto dalla specifica applicazione trasforma il fluido organico in vapore.
Una volta all'interno della turbina il fluido organico si espande mettendo in moto le pale della turbina ed il generatore elettrico ed esso connesso, in questo modo si produce elettricità.
Il fluido organico passa infine dal condensatore che lo riporta allo stato liquido e lo rimanda alla pompa dove il ciclo ricomincia.
I campi di applicazione di questa tecnologia spaziano in tutto il settore dell'energia. Ad oggi gli impianti principali, in funzione o oggetto di studi, riguardano:
➔ Impianti Geotermici: questo tipo di impianti sfrutta il calore presente in alcuni punti degli strati più profondi del sottosuolo e che può essere riportato in superficie perforando il terreno. Il calore estratto dal pozzo geotermico può quindi essere utilizzato come fonte di calore per alimentare un impianto ORC a basse temperature.
➔ Impianti Fotovoltaici: l’energia solare è considerata una delle più promettenti fonti di energia rinnovabile, in quanto è inesauribile, non inquina ed è disponibile ovunque. Le radiazioni solari scaldano il fluido che passa attraverso i collettori. Anche in questo caso, specialmente quando si ha a che fare con impianti di piccole dimensioni, l’ORC è un sistema affidabile per la produzione di energia.
➔ Impianti a Biomasse: Il settore delle biomasse è oggi al quarto posto per quantità di energia prodotta, fornendo circa il 10% dell’energia mondiale richiesta. Il calore in eccesso generato dalla combustione può essere successivamente convertito in energia elettrica tramite l’utilizzo di un impianto ORC.
➔ Recupero del calore dai gas di scarico dei motori: In media, due terzi dell’energia presente nel combustibile viene dissipata dai motori a combustione interna sotto forma di calore, principalmente attraverso gas di scarico. In questo caso l'ORC deve essere compatto e leggero in modo da poter essere inserito all'interno del veicolo.
➔ OTEC: La conversione dell’energia termica degli oceani è una tecnologia che permette di estrarre potenza sfruttando il gradiente termico naturale degli oceani. In altre parole, l’energia solare intrappolata nello strato più esterno del mare viene convertita in energia elettrica tramite l’impiego di un impianto ORC.
Le potenzialità offerte da questo sistema sono dunque evidenti e con il tempo, in ottica di ridurre le emissioni di CO2, il suo utilizzo potrà estendersi a nuovi scenari.
Articolo a cura di: Giuliano La Gaipa