Franco Ferrara 2009 - Italian version Ne · Variabili progettuali rilevanti di un impianto a ciclo...
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Dipartimento di Energetica “L. Poggi”Largo Lucio Lazzarino – 56126 PISA
Alessandro Franco
Ferrara, 23 Settembre 2009
Corso di Laurea in
INGEGNERIA ENERGETICAAlessandro Franco
PROGETTAZIONE OTTIMIZZATI DI IMPIANTI A CICLO BINARIO PER CAMPI GEOTERMICI A MEDIA E BASSA ENTALPIA
Struttura della presentazione- Risorse geotermiche (breve classificazione)
- Utilizzazione delle risorse geotermiche per la generazione elettrica
- Tecnologia dei cicli binari: stato dell’arte
- Criteri e linee guida per la progettazione di impianti a ciclo binario
- Ottimizzazioni e analisi di sensibilità
- Analisi dettagliata di alcune soluzioni impiantistiche
- Conclusioni
Premessa
L’utilizzazione delle risorse geotermiche a media entalpia utilizzando la tecnologia dei cicli binari suscita molto interesse per la possibilità di
- utilizzare un elevato numero di campi geotermici non diversamente utilizzabili- conferire un carattere di reale “rinnovabilità” alla risorsa geotermica- non produrre emissioni inquinanti- non richiedere risorse di acqua
Risorse geotermiche
Potenza installata (MW)
State 1990 1995 2000 2005 2007
USA 2775 2816 2228 2564 2687
Filippine 891 1227 1909 1930 1968
Indonesia 145 310 590 797 992
Messico 700 753 755 953 953
Italia 545 632 785 790 810
World 5832 6833 7972 8933 9732
Si hanno quattro tipi di risorse geotermiche: idrotermali, geopressurizzate, rocce calde(hot dry rock) e magma. Solamente le risorse idro-termali sonoutilizzate a livello commerciale.
Disponibilità: è disponibile 365 giorniall’anno per 24 ore al giorno
Il trend della generazione geotermoelettrica è di crescita non forte ma costante
Breve rassegna sugli impianti geotermoelettriciCAMPI A VAPORECAMPI A VAPORE
Impianti piuttosto semplici dal puntodi vista concettualeNel mondo solo 6: Geysers (CA), Italia (Larderello) Iceland, Indonesia, Nuova Zelanda)Sistema di condensazione a liquidoImpatti ambientali elevati (CO2, H2S, inquinamento termico)
LLIQUIIQUIDDO A TO A TEEMPERATURA MPERATURA OOLTRELTRE 160160O O CCFlash : Sistema di condensazione a liquido Possibilità di combinazione flash - binario
PROBLEMI APERTIElevati costi di istallazione (2000-4000 €/kW)
- Esplorazione e perf. 20-25%- Infrastrutture 10%- Superfici di scambio 30-40%- Impianto 25-30%
Reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione sali)
LLIQUIDO CON TEMPERATURAIQUIDO CON TEMPERATURA 100100O O -- 160160O O
- Ciclo binario (ORC) è il più appropriato- Possibilità di utilizzazione condensatori adaria (torri evaporative a secco)- 100% rigenerazione dei pozzi- ridotte emissioni inquinanti
Tipo di impianto Potenza
installata
(%)
Dry steam 2545 28Single flash 3294 37Double flash 2293 26
Binario/Combinato 682 8Back pressure 119 1
TOTAL 8933 100
Vaporizz.-Surr
Vapore ad alta pressione
Preriscaldatore
Vapore a bassa pressione
Turbina
Pozzo direiniezione
Pozzo di prelievo
Pompa
Condensatore
Liquido a bassa T
Condensatore ad aria
Pompa di circolazione fluido ausiliario
Recipiente
Vaporizz.-Surr
Vapore ad alta pressione
Preriscaldatore
Ventilatore
Vapore a bassa pressione
Turbina
Pozzo direiniezione
Pozzo di prelievo
Pompa
Liquido a bassa T
Torre evaporativa
Pompa circolazione acqua
Pompa di circolazione fluido ausiliario
Condensatore
Water cooled binary plants Air cooled binary plants
Impianti a ciclo binario
Per risorse geotermiche ad acquadominante con temperature inferioria 160°C, la tecnologia dei cicli binario anche ORC (Organic Rankine Cycle) è quella più indicata
Tra gli impianti a ciclo binario risultano particolarmente interessanti quelli con sistema di condensazione a secco che possono essere utilizzati in qualunque contesto con ridotti impatti ambientali e rigenerazione completa del fluido.
100 MW Mokai Geothermal Power Plant, New Zealand
2000, 2005
125 MW Upper Mahiao Geo-Power Plant, the Philippines
1996
57 MW Ormesa Geothermal Complex, California
1987
14 MW Sao Miguel Geothermal Power Plant, Azores Islands
1994, 1998
40 MW Heber Geothermal Power Plant, California,
1992
30 MW Puna Geothermal Power Plant, Big Island, Hawaii
1992
1999
24 MW Zumil, Guatemala 8 MW Olkarya, Kenia
2000
30 MW Steamboat Springs, Reno, Nevada
Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario (~ 800 MW in 2007)
Dislocazione e caratteristiche principali degli impianti con ciclo binarioImpianto Luogo Gross capacity (MWe) Tipo di impianto Sistema di controllo termico
Miravalles 5 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
Zunil Guatemala 28.6 Binary Dry
Olkaria III Kenya 12 Binary Dry
Puna 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
Blundell Utah (USA) 11 Binary Dry
Impianti Binari o Combined con taglie fra 90 MW e 100 kW (di difficile censimento)
Year ofinstallation
Plant Turbine isentropicefficiency
1984 Steamboat, USA 72
1985 Ormesa, USA 75
1989 Puna, USA 78
1993 Heber, USA 83
1996 Rotokawa, NZ 84
2000 Olkaria, Kenya 88
Wet422900R124Hirn145Kutahya-Simav, Turkey
Wet/Dry57.9400R134aRankine74Chena Hot Spring, Alaska
Wet34.31750IsopentaneRankine104Wabuska, CA, USA
Dry861000C5F12Rankine106Altheim, Austria
Dry691000IsopentaneRankine110Nagqu, China
Wet531700NH3-H2OKalina124Husavik, Iceland
Wet/Dry14.71000IsobutaneRankine130Otake, Japan
Wet501000R114Rankine140Nigorikawa, Japan
Cooling towerConsumospecifico
[(kg/s)/MW]
Potenzalorda(kWe)
FluidooperativoCicloTgeo(ºC)Locazione impianto
Piccoli impianti a ciclo binario con caratteristiche particolari
Uno dei dati più interessanti è l’incremento della efficienza isoentropica delle turbine
- La progettazione di un impianto a ciclo binario è difficilmente standardizzabileLe risorse hanno caratteristiche molto variabili (Temperatura e pressione del serbatoio, composizione chimica del fluido geotermico)
Variabili progettuali rilevanti di un impianto a ciclo binarioLe variabili progettuali di un impianto a ciclo binario sono molteplici: esse comprendono
- temperatura di sorgente- le temperature di rienizione (legata alla composizione di sali disciolti) - temperatura di condensazione (legata alla temperatura ambiente)- fluido operativo (criogenico, refrigerante di sintesi o miscela di refrigeranti),- ciclo di recupero (Rankine, Hirn, 2 livelli di pressione, ecc.) - progetto degli scambiatori rigenerativi, - sistema di condensazione (nel caso dei sistemi di condensazione ad aria
tipo di ventilazione e tipologie di superfici di scambio),
Progettazione ottimizzata di un impianto a ciclo binario?
Elevato costo d’impianto 2000-4000 €/kW per:
•elevate superfici di scambio
•scarsa produttività del fluido geotermico
• Ottimizzazione ciclo termodinamico (Livello di sistema)
• Ottimizzazione apparati di scambio termico (Livello di componente)
( )( )
ln ⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠=
−
inin rein o
rein
o in o
TT T T TExQ T T
( )
( )
ln
ln
⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠=⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠
inin rein o
rein
inoin o o
o
TT T T TExTEx T T T T
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
50 60 70 80 90 100 110T re in
E x / E x o
Tin = 16 0 °C
T in = 150 °CT in = 14 0 °C
T in = 13 0 °C
T in = 12 0 °CT in = 110 °C
0
0 ,0 5
0 ,1
0 ,15
0 ,2
0 ,2 5
0 ,3
50 6 0 70 8 0 9 0 10 0 110T re in
E x/ Q oTin = 16 0 °CT in = 150 °CT in = 14 0 °CT in = 13 0 °C
T in = 12 0 °CT in = 110 °C
Variabili del problema di ottimizzazione
Temperatura della sorgente (source temperature) = Tin
Temperatura di reiniezione (reinjection or rejection temperature) = Trein
Temperatura ambiente di riferimento (reference temperature) = T0
Cicli a recupero (recovery cycle)Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina
Rankine Recuperated Hirn Recuperated Supercritical
Fluidi operativi (working fluid)Devono essere fluido basso bollenti (con Tcr < Tin)
In linea di principio moltissime possibilità: - Idrocarburi (isopentano, isobutano, ecc.)- Refrigeranti (FC, HFC)- Miscele di refrigeranti
Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero
1
10
100
0 100 200 300 400 500 600 70h [ kJ/ kg ]
p [ bar]
R134a
R152a
iso-But ane
Propane
FC318
iso-Pent ane
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0,5 1 1,5 2s [ kJ/ ( kgK) ]
T [ °C ]
R134a
R152a
iso-But ane
Propane
FC318
iso-Pent ane
netII
geo in 0 0 in 0 geo
Wm [(h h ) T (s s )]
η =− − ⋅ −
Efficienza di primo principio(First Law efficiency)
Efficienza di secondo principio(Second Law efficiency)
Produttività dell’impianto geotermico(Specific consumption of geothermal brine) geo
net
M kgMJW
β ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦
netI
geo in rej
Wm (h h )
η =−
Parametri di merito per analisi di impianti a ciclo binario
I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente termodinamica; il terzo parametro può invece assumere anche una connotazione
economica
Strategia per la progettazione ottimizzata
Sorgenti analizzate: Campi ad acqua dominante con temperatura fra 160 e 100 °C, reiniezione nell’acquifero a 90, 80 e 70 °C.
Condizioni Operative: Condensazione a 30, 20 e 10 °C
Consumo specifico di fluido geotermico in alcuni casi significativiTemperatura di sorgente (100-160°C) Temperatura di condensazione (30-40 °C)
Temperatura di scarico (70-100°C) Fluidi operativi (sono stati testati 36 fluidi operativi)
0
20
40
60
80
100
120
140
160-100-40 160-70-40 130-70-40 160-70-30 150-80-40 110-80-40 130-100-40
R134a R152a
n-Butane n-Pentane
R401A R407C
β [kg/MJ]
0102030405060708090
130-100-30 130-100-40 160-70-40 160-70-30
R134a R152an-Butane n-PentaneR401A R407C
Analisi exergetica
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Irein
IcondISTIRHEWfansWpumpWnet
160-70-40 130-70-40160-100-40160-70-30
Ex [%]
Case 1: Tgeo=
160°C T rej = 70°C
Working fluid Rankine Rankine with superheater Optimized solution β ηI ηII β ηI ηII β ηI ηII
(kg/MJ) (%) (%) (kg/MJ) (%) (%) (kg/MJ) (%) (%) R134a1 31.1 8.42 31.98 26.79 9.74 37.11 23.61 11.09 42.11
R152a1 28.2 9.28 35.7 23.39 11.20 42.50 23.29 11.24 42.69
Isobutane2 27.7 9.45 35.9 29.8 8.79 33.30 24.03 10.91 41.43
n-Pentane2 29.73 8.80 33.45 31.2 8.39 31.87 24.66 10.71 40.65
R401A1 30.31 8.64 32.82 25.74 10.17 38.63 24.47 10.70 40.63
R407C1 38.7 6.76 25.7 33.97 7.70 29.27 26.31 10.02 38.05 1 Optimized solution: Supercritical cycle 2 Optimized solution: Dual pressure level Rankine cycle
Il sistema di condensazione ad aria
Fattori di criticitFattori di criticitàà
Scarsi coefficienti di scambioScarsi coefficienti di scambio
Ventilazione energeticamente onerosaVentilazione energeticamente onerosa
Variazione della temperatura ambienteVariazione della temperatura ambiente
0
100
200
300
400
500
600
700
30 25 20 15 10 5
Differenza tra T di condensazione e T esterna
Pote
nza
[kW
] W lorda
W pompaggio
W ventilazione
W netta
Dimensionamento del sistema di condensazione
• La combinazione temperatura di sorgente (Tin) -temperatura di rieniezione (Trein) -temperatura di condensazione (Tcon) resta l’elemento più importante: consumi specifici variabili fino a 5 volte
• Cicli di recupero semplici (spesso non vale la pena il ricorso asoluzione più complicate come quella supercritica)
• Fluido operativo: variabile importante, ma meno di altre. Per ogni fluido si trova un ciclo adatto.
• Lo scambio termico è fondamentale per la progettazione di un impianto a ciclo binario: il sistema di condensazione ha un notevole impatto anche sulla prestazione termodinamica
• Difficoltà di standardizzazione tecnologica per variabilità:
Analisi dei risultati
TemperaturaTemperatura
Condizioni climaticheCondizioni climatiche
Composizione chimicaComposizione chimica
Una soluzione da approfondire bene: il ciclo rigenerativo
Binario tradizionale Binario rigenerativo (recuperated)
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
Analisi di sensibilità: temperatura di sorgente e di reiniezione(analisi di un sistema con potenza netta 500 kW)
Sorgente 150 – 70 °C, temp. di condens. 30 °C Sorgente 120 – 70 °C, temp. di condens. 30 °C
Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
30
40
50
60
70
Por
tata
di f
uido
geo
term
ico
(
0
10
20
30
40
50
60Sorgente 120 – 90 °C, temp. di condens. 30 °C
Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen
0
10
20
30
40
50
60Sorgente 110 – 80 °C, temp. di condens. 30 °C
Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen
Analisi di sensibilità: temperatura di condensazione
Sorgente 150 – 70 °C, Temp. di condens. 20 °C Sorgente 100 – 70 °C, Temp. di condens. 20 °C
Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen
Sorgente 100 – 70 °C, Temp. di condens. 10 °C
Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen05
101520253035404550
05
101520253035404550
05
101520253035404550
Il ciclo rigenerativo risulta piuttosto interessante soprattutto con fluido
R245fa (HFC)
-Possibilità di standardizzare il sistema- Possibilità di ridurre le dimensioni del
sistema di condensazione
Conclusioni
Gli impianti a ciclo binario con raffreddamento ad aria sono una tecnologia moltointeressante e sostenibile per l’utilizzazione di risorse geotermiche ad acqua dominantese possono essere raggiunti livelli accettabili di produttività ed efficienza.
La generazione elettrica sembra essere quasi sempre conveniente se T > 150 °C.Non sembra quasi mai conveniente 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 unacombinazione ottimale fluido-ciclo che permette di ottenere risultati simili. Non sembraquasi mai conveniente l’uso miscele di refrigeranti (cicli Kalina) e raramente quello di configurazioni di recupero di tipo ipercritico. Molto interessante sembra essere il ricorso a configurazioni di tipo rigenerativo.