Un sistema di generazione a energia solare recupera l’energia fredda per produrre elettricità e calore
L’aumento della domanda di elettricità, la limitatezza delle riserve di combustibili fossili e le preoccupazioni ambientali hanno motivato il passaggio alle fonti di energia rinnovabili. Tuttavia, uno dei maggiori problemi posti dalle tecnologie di energia rinnovabile, come quella solare, riguarda il fatto che l’energia viene generata quando il sole splende. La notte e il cielo coperto possono interrompere la fornitura. Inoltre, l’energia radiante emessa dal sole manifesta una bassa densità energetica e, pertanto, il suo utilizzo pratico richiede collettori solari di grandi dimensioni.
Un sistema integrato che risolve i problemi di intermittenza ed efficienza
I concentratori a cilindro parabolico, un tipo di collettori solari termici, costituiscono attualmente uno dei dispositivi più economici per produrre energia dal sole. Possono fornire efficacemente calore utile a temperature comprese tra 50 e 400 gradi Celsius. Questa energia termica può essere convertita in energia elettrica utilizzando uno dei cicli di potenza più versatili ed efficienti: il ciclo di Rankine organico (ORC). Questo ciclo termodinamico chiuso, insieme ai concentratori a cilindro parabolico e ai sistemi di stoccaggio dell’energia termica, fornisce la flessibilità necessaria per gestire il carattere intermittente dell’energia solare. «Nel contesto del progetto SO-LNG-ORC, abbiamo studiato la progettazione e il funzionamento ottimali di un sistema ORC combinato con collettori solari termici e l’accumulo di calore sensibile per superare l’intermittenza dell’energia solare», spiega Haoshui Yu, ricercatore coinvolto in SO-LNG-ORC. Il progetto è stato finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie. «Abbiamo sviluppato un sistema ORC integrato che utilizza sia l’energia solare che l’energia fredda immagazzinata nel gas naturale liquefatto (GNL). I dissipatori criogenici come il GNL possono migliorare ulteriormente l’efficienza dell’ORC utilizzando l’energia fredda, che altrimenti viene sprecata durante la rigassificazione», spiega Yu.
Ottimizzazione delle prestazioni del sistema attraverso le simulazioni
I ricercatori hanno effettuato simulazioni per determinare il design ottimale del sistema di accumulo dell’energia termica a due serbatoi e le temperature più adatte dei serbatoi di accumulo caldo e freddo. Inoltre, hanno studiato le portate massiche ottimali del fluido termovettore, che determinano sia la temperatura del fluido circolante sia il calore assorbito dal collettore solare termico. Sono stati condotti anche test per identificare i fluidi termovettori più adatti per il recupero dell’energia fredda dal GNL. «Se il sistema ORC utilizza contemporaneamente l’energia solare e l’energia fredda del GNL, il fluido termovettore ottimale può essere diverso. Anche la configurazione del sistema può diventare più complicata, coinvolgendo cicli a cascata o paralleli», osserva Yu. Il sistema ORC azionato dall’energia solare ha generato una produzione di energia stabile per tutto il giorno. «Grazie all’ottimizzazione basata sulla simulazione, l’efficienza del sistema della centrale ORC proposta che utilizza il toluene come fluido termovettore è aumentata dal 17,9 % al 24,8 %.», osserva Yu. L’ORC che recupera il calore di scarto (energia fredda) ha dimostrato prestazioni migliori rispetto a quelle dell’ORC standard. «Siamo stati i primi a esplorare la sinergia tra un sistema ORC con energia solare e l’energia fredda immagazzinata nel GNL», sottolinea Yu. «I risultati del progetto apriranno la strada a sistemi energetici altamente efficienti e redditizi, ma che presentano pochi rischi e un basso impatto ambientale.» Il sistema proposto è descritto nell’articolo «Optimal design and operation of an Organic Rankine Cycle (ORC) system driven by solar energy with sensible thermal energy storage», pubblicato nella rivista scientifica Energy Conversion and Management, sottoposta a revisione paritaria. Inoltre, l’articolo di conferenza intitolato «Performance comparison of organic Rankine cycle (ORC) and CO2 cycle for simultaneous utilization of liquefied natural gas (LNG) cold energy and solar energy», del 2021, ha messo a confronto le prestazioni del ciclo ORC e del ciclo CO2 utilizzando l’energia fredda del GNL e l’energia solare.
Parole chiave
SO-LNG-ORC, GNL, energia fredda, energia solare, fluido termovettore, gas naturale liquefatto, elettricità, intermittenza, ciclo di Rankine organico
