ITMI20120221A1 - Impianto e metodo per l'aumento dell'efficienza nella produzione di energia elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE della domanda di brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo "Impianto e metodo per l’aumento dell’efficienza nella produzione di energia elettrica"

La presente invenzione si riferisce ad un impianto e ad un metodo per l’aumento dell’efficienza nella generazione di energia elettrica mediante turbina a vapore.

In particolare, l’impianto à ̈ del tipo con caldaia di produzione del vapore che viene alimentata con materiale combustibile.

Nella tecnica sono noti impianti per la produzione di energia elettrica nei quali un fluido (solitamente acqua) à ̈ surriscaldato mediante una opportuna caldaia a combustione fino allo stato di vapore per potere azionare con esso una turbina connessa ad un alternatore elettrico, o turboalternatore. Il fluido, passata la turbina, viene ricondensato e inviato nuovamente alla caldaia per ripetere il ciclo. Si realizza così il cosiddetto ciclo Rankine. Vari sistemi sono stati proposti per aumentare l’efficienza del processo. Ad esempio, à ̈ nota la cosiddetta “rigenerazione†mediante spillamento di vapore, la quale consiste nel sottrarre una parte dell’energia alla turbina, impiegando una parte del calore del fluido presente entro la turbina per riscaldare il fluido stesso dopo la ricondensazione, così da aumentare l’entalpia del fluido all’ingresso della caldaia.

In sostanza, lungo la turbina sono presenti uno o più spillamenti che estraggono parte del vapore e lo inviano a scambiatori di calore disposti sul circuito a valle del condensatore principale e che riscaldano così il fluido nel circuito di ritorno alla caldaia. Il vapore spillato si miscela poi con il fluido in uscita dal condensatore principale, così da mantenere chiuso il circuito del fluido.

La rigenerazione aumenta l’efficienza del ciclo, ma sottrae comunque parte dell’energia alla turbina.

Inoltre, le esigenze dell’impianto reale impongono l’utilizzo del vapore per alimentare anche altre utenze interne od esterne. Possono perciò esserci molti “spillamenti†, tanti quanti gli utenti interni o esterni all’impianto, e questi utenti possono essere altri macchinari oppure, nella maggior parte dei casi, scambiatori di calore utilizzati per riscaldare altri fluidi (aria, fumi esausti, oli, ecc.) utili al funzionamento dell’impianto con tutte le sue parti accessorie.

Nella tecnica sono anche noti impianti solari termodinamici a concentrazione, nei quali il surriscaldamento del fluido per movimentare la turbina à ̈ ottenuto mediante opportuna concentrazione dei raggi solari. Come ben noto, tali impianti hanno l’ovvia limitazione della nonprogrammabilità della fonte primaria di energia, vale a dire il sole. Per ridurre l’impatto negativo della disponibilità di sole, agli impianti solari termodinamici à ̈ stato anche proposto di abbinare una caldaia ausiliaria a combustibile tradizionale fossile (gas metano, olio) o a fonte alternativa rinnovabile (biomasse e/o rifiuti) e sistemi di accumulo del calore prodotto, così da garantire una continuità produttiva all’impianto.

In tali impianti noti, la sorgente principale à ̈ perciò la fonte solare tramite un impianto solare termodinamico a concentrazione in abbinamento ad un ciclo ORC (Organic Rankine Cycle) per la produzione di energia elettrica e l’utilizzo di altri combustibili nella caldaia ausiliaria serve unicamente per compensare l'assenza di energia solare e garantire un minimo di produzione di energia elettrica e/o calore anche in condizioni di basso irraggiamento solare.

Tali tipi di impianti combinati sono perciò in genere semplicemente realizzati come abbinamento di un normale impianto solare e un normale impianto a combustibile, funzionanti uno in alternativa all’altro a seconda delle condizioni di irraggiamento solare.

La gestione di simili impianti à ̈ però complicata, soprattutto per la necessità di gestire un accumulo di calore in quantità sufficiente. Inoltre, l’efficienza dell’impianto non à ̈ sempre soddisfacente.

Scopo generale della presente invenzione à ̈ fornire un metodo e un impianto per la produzione di energia elettrica basato principalmente su una turbina a vapore con riscaldamento del fluido mediante una caldaia a combustione, ma con efficienza del ciclo migliorata grazie all’impiego di un opportuno impianto solare. In particolare, la caldaia può bruciare vantaggiosamente biomasse o rifiuti per ridurre l’impatto ambientale in termini di risorse energetiche.

In vista di tale scopo si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un impianto per la produzione di energia elettrica comprendente una caldaia a combustibile, nella quale un fluido à ̈ riscaldato per produrre vapore, una turbina connessa ad un generatore elettrico e alla quale à ̈ inviato tale vapore, un gruppo condensatore che ricondensa il fluido in uscita dalla turbina per essere inviato nuovamente alla caldaia, il fluido di ritorno nel percorso dal gruppo condensatore alla caldaia attraversando un gruppo di preriscaldamento, caratterizzato dal fatto che il gruppo di preriscaldamento riceve calore da spillamenti di vapore dalla turbina e da un campo solare termodinamico.

Sempre secondo l'invenzione si à ̈ anche pensato di realizzare un metodo per la produzione di energia elettrica mediante turbina a vapore in un impianto comprendente una caldaia a combustibile nella quale un fluido à ̈ riscaldato per produrre vapore, una turbina connessa ad un generatore elettrico e alla quale à ̈ inviato tale vapore, un condensatore che ricondensa il fluido in uscita dalla turbina per inviarlo nuovamente alla caldaia, nel quale il fluido di ritorno fra turbina e caldaia à ̈ riscaldato mediante una combinazione comandata di scambi termici di vapore spillato dalla turbina e di fluido riscaldato da un campo solare, nel senso di impiegare, in sostituzione almeno parziale agli spillamenti, il calore che à ̈ prodotto dal campo solare quando esso à ̈ sufficientemente irraggiato.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriveranno di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica di un primo impianto di generazione di energia elettrica realizzato secondo l’invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista schematica di una seconda realizzazione di un impianto secondo l’invenzione.

Con riferimento alle figure, in figura 1 Ã ̈ mostrato un impianto per la produzione di energia elettrica, indicato genericamente con 10, realizzato secondo l'invenzione.

Tale impianto 10 comprende un gruppo o caldaia a combustione 11 per la produzione di vapore mediante la combustione di un adatto combustibile in arrivo da una sorgente 12. La combustione riscalda un adatto fluido fino allo stato di vapore mediante un adatto scambiatore 13. Il fluido vettore à ̈ vantaggiosamente acqua.

Vantaggiosamente, il combustibile può essere biomassa.

Nel caso di una caldaia che brucia prodotti solidi, quali ad esempio la tradizionale biomassa da scarti vegetali, la caldaia può comprendere noti sistemi 34, 35 (ad esempio scarichi con nastri trasportatori di avvio a zone di stoccaggio e rimozione) per l’evacuazione delle ceneri. Tali sistemi possono anche ricevere le ceneri e gli inquinanti solidi recuperati dal gruppo 28 e scaricati in 36.

Specialmente nel caso di biomassa, la sorgente di combustibile 12 può vantaggiosamente comprendere un silos 38 di stoccaggio del combustibile e, se desiderato, anche un silos a piedini 37 che lo alimenta.

In particolare, la biomassa di filiera in genere arriva all’impianto già in pezzi di piccole dimensioni oppure intera e viene stoccata per un breve periodo di tempo nel silos 37. Se necessario, la pezzatura del combustibile viene poi ulteriormente ridotta con mezzi noti. Successivamente la biomassa viene movimentata e trasportata, ad esempio con l’utilizzo di nastri trasportatori e/o coclee e/o elevatori a tazze, fino al silos 38 che funge da polmone per il caricamento del forno.

Utilizzando sistemi pneumatici o meccanici, quali ad esempio pistoni o coclee, (non mostrati essendo di tecnica nota e facilmente immaginabili dal tecnico) la biomassa viene caricata nel forno, dove viene bruciata grazie all’apporto dell'aria comburente calda immessa in una o più sezioni della camera di combustione.

Il forno può essere del noto tipo dotato di una griglia semovente o un letto fluido che garantiscono, nella maggior parte delle applicazioni, la miscelazione ottimale tra combustibile e comburente e permettono anche di scaricare agevolmente le ceneri residue della combustione convogliandole verso le apposite tramogge di scarico.

Nel caso di combustibile formato da rifiuti urbani, in genere può essere più vantaggioso lo stoccaggio in una fossa molto capiente, anziché in un silos, da cui i rifiuti sono prelevati e caricati nel forno per essere bruciati.

Il gruppo di combustione comprende un forno di combustione che produce fumi caldi (ad esempio, circa 800-1000°C) che attraversano lo scambiatore 13 (generatore di vapore).

Il vapore in uscita dallo scambiatore 13 viene inviato, tramite un condotto 14 ad una turbina 15 che aziona un generatore elettrico 16 per alimentare una linea elettrica 17. Dall’uscita 18 della turbina il fluido viene inviato in un apposito gruppo condensatore 19 alla cui uscita 20 si ha il fluido condensato che viene inviato nuovamente allo scambiatore 13 attraverso un condotto di ritorno 21, così da chiudere il ciclo.

Il gruppo condensatore 19 può essere ad esempio dei noti tipi ad acqua, in particolare con torri evaporative, o ad aria

Fra l’uscita 20 del condensatore 19 e il ritorno 21 allo scambiatore della caldaia à ̈ presente un gruppo di preriscaldamento 22, il quale riscalda il fluido di ritorno mediante una opportuna serie di spillamenti 23 (ad esempio quattro spillamenti).

Al gruppo di preriscaldamento 22 à ̈ anche connesso un circuito di fluido 24 che à ̈ riscaldato mediante un campo solare 25 (vale a dire una distesa di noti dispositivi per la produzione di fluido riscaldato dall’irraggiamento solare), vantaggiosamente del tipo a concentrazione e dimensionato per produrre un’adeguata quantità di calore, come sarà chiaro nel seguito.

Il campo solare non à ̈ ulteriormente descritto o mostrato nei dettagli, essendo facilmente immaginabile dal tecnico esperto alla luce della spiegazione qui fatta. In genere esso può avere specchi piani od opportunamente sagomati, eventualmente orientabili per rendere più efficace la tecnologia, mediante i quali la luce del sole viene riflessa e concentrata su uno o più tubi all’interno dei quali scorre un fluido termovettore (ad esempio, acqua, olio diatermico, sali di sodio e potassio, ecc). La tubazione concentra l’energia che viene trasmessa al fluido termovettore, che si riscalda e trasporta il calore verso l’utilizzo (eventualmente attraverso un opportuno scambiatore per la cessione del calore ad un altro fluido di trasporto).

I fumi caldi che escono dalla caldaia dove avviene la combustione sono vantaggiosamente trattati (ad esempio con urea e calce) per ridurre le concentrazioni di inquinanti, e sono depolverati (tramite elettrofiltri e/o filtri a maniche) prima e/o dopo la sezione con lo scambiatore 13 in cui si concentra lo scambio termico fumi-acqua.

In particolare, i fumi di combustione escono in 26 dalla caldaia e attraversano un gruppo 27 di trattamento dei fumi il quale comprende un noto gruppo 28 di abbattimento degli inquinanti prima dell’emissione di fumi attraverso un camino 29. Il gruppo 28 può anche vantaggiosamente comprendere un sistema 30 che preriscalda l’aria che viene aspirata dall'esterno e inviata alla caldaia, attraverso condotti 31, per partecipare alla combustione.

Sempre vantaggiosamente, i fumi, prima di raggiungere il camino 29, possono anche attraversare un ulteriore scambiatore 32 per concorrere al riscaldamento del fluido del campo solare 25, per i motivi che saranno chiariti nel seguito.

L’impianto 10 prevede anche un sistema di controllo 40 che gestisce i vari parametri di funzionamento. Tale sistema di controllo à ̈ vantaggiosamente realizzato con un sistema elettronico a logica cablata o a microprocessore opportunamente programmato e riceve informazione da opportuni sensori (ad esempio di temperatura, pressione, ecc.) per controllare con opportuni attuatori (ad esempio, elettrovalvole, motori elettrici, ecc.) le varie parti dell’impianto. Un tale sistema di controllo à ̈ in sé di tecnica nota e facilmente immaginabile dal tecnico esperto alla luce della descrizione qui fatta dell’impianto e del suo funzionamento. Tale sistema di controllo non sarà perciò descritto o mostrato nei dettagli.

In particolare, secondo uno degli aspetti dell’invenzione, il sistema di controllo gestisce anche il funzionamento del gruppo di preriscaldamento 22 controllando (come sarà chiaro nel seguito) il riscaldamento, mediante gli spillamenti 23 e il campo solare 25, del fluido di ritorno alla caldaia, così da impiegare, quando possibile, il campo solare in sostituzione totale o parziale agli spillamenti. Ciò à ̈ stato trovato aumentare notevolmente l’efficienza media dell’impianto rispetto ad un impianto tradizionale, poiché quando il campo solare à ̈ irraggiato consente un notevole aumento di entalpia del fluido diretto alla caldaia, pure mantenendo ridotta o anche annullando la sottrazione di energia dalla turbina a causa degli spillamenti. Il sistema di controllo modifica però l’entità degli spillamenti dalla turbina in base alla produzione di fluido caldo da parte del campo solare, così da mantenere i parametri di funzionamento del gruppo di preriscaldamento entro prestabiliti parametri di efficienza del ciclo, impiegando al mimino gli spillamenti.

Ad esempio, il sistema di controllo può operare per mantenere nel gruppo di preriscaldamento previsti salti termici grazie al calore apportato dagli spillamenti e/o dal fluido vettore proveniente dal campo solare, con una preferenza per l’impiego del calore prodotto dal campo solare.

Con una adeguata progettazione del campo solare (come ora facilmente immaginabile dal tecnico), in condizioni di massimo irraggiamento solare il riscaldamento prodotto dal campo solare può essere sufficiente all’ottimizzazione del ciclo Rankine senza alcuna necessità di impiegare il calore degli spillamenti, che così possono essere chiusi completamente. Inoltre, come sarà maggiormente chiaro nel seguito, anche gli spillamenti per la produzione del calore necessario ai sistemi ausiliari dell’impianto possono essere sostituiti o integrati dal circuito a riscaldamento solare. Il campo solare 25 interviene quindi come importante supporto all’impianto che produce energia elettrica mediante la caldaia a combustione, ma non à ̈ direttamente impiegato per la produzione di energia elettrica, ma solo per la produzione di calore ausiliario al ciclo principale.

Tuttavia, grazie ai principi dell'invenzione vi à ̈ una sinergica trasmissione di calore tra i due sistemi, la quale può essere vantaggiosamente anche biunivoca, con però un rapporto di dipendenza che non vincola la continuità di produzione di energia elettrica.

Da un lato il calore prodotto dal campo solare à ̈ impiegato per aumentare l’efficienza di rigenerazione nel ciclo Rankine del sistema principale a caldaia con combustibile, dall'altro il calore residuo nei fumi di combustione (che in un normale impianto a combustione verrebbe perso con l’evacuazione dei fumi perché di bassa qualità) può essere vantaggiosamente recuperato grazie allo scambiatore 32 e può partecipare al riscaldamento del fluido vettore del campo solare (specialmente in condizioni di irraggiamento basso o nullo, ad esempio di notte, quando la temperatura del fluido vettore diviene più bassa di quella dei fumi).

Utilizzando una quantità di calore residuo dei fumi che altrimenti andrebbe persa, il calore recuperato si trasforma in energia elettrica con sensibili benefici in termini di rendimento complessivo dell’impianto a combustione. Questo apporto diventa più significativo specialmente nelle ore a cavallo tra il giorno e la notte.

Il recupero di calore allunga anche l’arco temporale giornaliero di esercizio dell’impianto solare. Infatti, al ritorno dell’irraggiamento la maggiore temperatura iniziale del fluido vettore del campo solare accorcia i tempi di attivazione dell’intero sistema, vale a dire i tempi necessari per raggiungere una temperatura del fluido scaldato dal campo solare che permetta la soddisfacente parzializzazione degli spillamenti per sfruttare il campo solare per l'efficace riscaldamento del fluido di ritorno dalla turbina verso la caldaia. Analogamente, all’abbassamento dell’irraggiamento il recupero di calore dai fumi ritarda la discesa della temperatura del fluido vettore del campo solare al di sotto del valore minimo necessario per alimentare adeguatamente la rigenerazione e le altre utenze asservite all’impianto. Grazie ai principi dell'invenzione, l’aumento dell’arco temporale di sfruttamento del sistema solare per la rigenerazione può essere nell’ordine di 1,5 ore (con riferimento a 8 ore/giorno). Si ottiene perciò circa un 20% in più di disponibilità annua del calore prodotto dall’impianto solare termodinamico, senza la necessità di sistemi di accumulo che sono in genere necessari negli impianti solari tradizionali.

La caldaia a combustione funge da accumulatore per l’impianto solare termodinamico e per giunta senza ulteriore consumo di risorse o limitazioni per l’impianto solare. Infatti, l’impianto a combustione può ricevere tutto il calore generato dall’impianto solare senza necessità di limitarlo per garantire l’accumulo da utilizzare per prolungarne il funzionamento, come invece succede negli impianti tradizionali esistenti.

Il circuito primario del campo solare diviene anche un sistema di utilizzo del calore residuo del ciclo principale di generazione di corrente mediante la caldaia a combustione.

Si vede perciò come la sinergia fra i due sistemi à ̈ realmente bidirezionale. La sinergia garantisce un aumento sensibile del rendimento complessivo dell’impianto a combustione. Questo e altri vantaggi saranno ancora più evidenti nel seguito.

Il gruppo di preriscaldamento che sfrutta gli spillamenti e il fluido caldo del campo solare può naturalmente essere realizzato in vari modi, con più scambiatori in serie o in parallelo.

In figura 2 à ̈ mostrata una realizzazione di un impianto 110 secondo l'invenzione con una struttura del gruppo di scambio che à ̈ stata trovata particolarmente vantaggiosa.

Elementi dell'impianto di figura 2 che sono simili a quelli dell’impianto di figura 1 saranno per semplicità indicati con la stessa numerazione impiegata in figura 1.

L'impianto 110 comprende perciò il gruppo di riscaldamento a combustione 11, come già sopra descritto, che produce il vapore (ad esempio, con temperatura e pressione fra i 400°C e 40 bar e i 500°C e 65 bar) mediante la combustione di un adatto combustibile (vantaggiosamente biomassa) in arrivo dalla sorgente 12.

Il circuito di uscita 14 trasporta il vapore prodotto dal gruppo di combustione fino alla turbina 15 che aziona il generatore elettrico 16 per alimentare la linea elettrica 17. All’uscita 18 dalla turbina il fluido viene raffreddato grazie al gruppo condensatore 19 e il fluido condensato viene inviato dall’uscita 20 nuovamente allo scambiatore 13 attraverso il condotto di ritorno 21, così da chiudere il ciclo dopo essere passato attraverso il gruppo di preriscaldamento 22 al quale giunge il fluido vettore riscaldato dal campo solare 25 e gli spillamenti23.

Vantaggiosamente, nella realizzazione mostrata in figura 2, il gruppo condensatore 19 comprende uno condensatore 50 e torri di raffreddamento 51. Il condensatore 50 scambia calore fra il fluido principale in uscita dalla turbina e un fluido secondario che viene raffreddato nelle torri 51.

Il fluido principale in uscita dal condensatore viene avviato (preferibilmente mediante una pompa 52) attraverso un opportuno insieme di scambiatori che formano il gruppo di preriscaldamento 22.

Nella vantaggiosa realizzazione mostrata nella figura 2, sono previsti quattro spillamenti di vapore 23 collegati a rispettivi primi scambiatori 53, 54, 55 che sono attraversati dal fluido di ritorno diretto alla caldaia.

Vantaggiosamente, il fluido di ritorno attraversa un primo scambiatore di bassa pressione 53, un secondo scambiatore di bassa pressione 54 e un terzo scambiatore di alta pressione 55, scambiando calore con il vapore in arrivo da uno spillamento 23 che à ̈ rispettivamente sempre più verso l’ingresso della turbina. Un altro spillamento (vantaggiosamente intermedio fra gli spillamenti dell’ultimo e del penultimo scambiatore) alimenta direttamente un degasatore 56 per mantenerlo vantaggiosamente ad una pressione costante e garantire una temperatura del fluido all'uscita del degasatore pari, ad esempio, a circa 120°C.

I valori di temperatura dipenderanno dal dimensionamento degli scambiatori e dagli spillamenti operati. Ad esempio, nel caso di acqua come fluido di caldaia à ̈ stato trovato vantaggioso che il vapore spillato dalla turbina permetta il preriscaldo dell’acqua di ritorno con valori di riferimento per i ∆T degli scambiatori 52, 53, 55 che sono da 40°C a 60°C nel primo scambiatore, da 60°C a 90°C nel secondo scambiatore e (dopo l’innalzo a 120°C grazie al degasatore) da 120°C a 190°C nel terzo scambiatore. Fra degasatore 57 e scambiatore 55 à ̈ preferibilmente presente una ulteriore pompa 57 per assicurare la corretta circolazione del fluido. Vantaggiosamente, il vapore spillato, dopo avere passato gli scambiatori e avere ceduto il calore al fluido di ritorno, viene immesso nel condensatore 50 nel caso dell’uscita dagli scambiatori 53 e 54, e nel degasatore 56 nel caso dell’uscita dallo scambiatore 55.

In serie ai primi scambiatori 53, 54, 55 sono inserite rispettive derivazioni 58, 59, 60 che deviano il flusso di fluido anche verso rispettivi secondi scambiatori o scambiatori ausiliari 61, 62, 63 che scambiano calore con il fluido primario che scorre nel campo solare. Ad esempio, si può facilmente dimensionare il campo solare per avere, al massimo irraggiamento, il fluido primario riscaldato ad una temperatura nell’intorno di 300°.

Come si vede sempre in figura 2, il fluido di ritorno alla caldaia può anche attraversare alla fine un economizzatore di bassa temperatura 68 che sfrutta il calore ancora relativamente elevato dei fumi in uscita dalla caldaia.

Vantaggiosamente, il fluido per la caldaia à ̈ acqua e quello primario del campo solare à ̈ olio diatermico. Si farà perciò nel seguito riferimento a tali fluidi, anche se resta inteso che altri adatti fluidi possono essere impiegati a seconda delle specifiche esigenze di impianto.

Essendo sufficiente una temperatura non superiore ai 400°C per effettuare il riscaldamento dell’acqua di processo, nell’impianto solare à ̈ possibile usare olio diatermico, che à ̈ sicuramente preferibile ai sali impiegati nei tradizionali impianti solari ad alta temperatura e che comportano di solito non pochi aggravi operativi (approvvigionamento, stoccaggio e gestione). Naturalmente, come sopra accennato si potranno anche impiegare altri fluidi vettori, a seconda delle preferenze, e del dimensionamento dello specifico impianto. Non sono perciò comunque esclusi i sali o l’acqua, anche se l’olio diatermico à ̈ un fluido sufficientemente capace per questa applicazione e lo si preferisce ai sali e all’acqua.

Ad esempio, rispetto all’acqua l’olio garantisce maggiore stabilità operativa alle pur sempre relativamente alte temperature (300°C, come riferimento) e basse pressioni (10 bar come riferimento) che sono vantaggiosamente impiegate in un impianto secondo l'invenzione. Con l'olio si eliminano perciò le problematiche operative legate alle condizioni di cambio fase dei fluidi e quindi alle conseguenti necessità di controllo dell’impianto.

Inoltre, gli scambiatori acqua demineralizzata/olio diatermico non sono componenti critici.

Nelle massime condizioni di irraggiamento del campo solare 25, gli scambiatori 61, 62, 63 garantiranno al fluido di ritorno alla caldaia gli stessi salti di temperatura prodotti dagli spillamenti, permettendo così al sistema di controllo di chiudere gli spillamenti di vapore dalla turbina mediante opportune valvole comandate 41, con conseguente aumento di energia elettrica prodotta a parità di condizione di vapore in ingresso alla turbina. I secondi scambiatori 61, 62, 63 sono qui vantaggiosamente pensati in serie ai rispettivi primi scambiatori 53, 54, 55, ma potrebbero anche essere disposti in parallelo, come facilmente immaginabile dal tecnico, ma ciò imporrebbe un controllo della portata dell’acqua che passa in essi in funzione della temperatura impostata a valle del gruppo di preriscaldamento.

Con la disposizione in serie, invece, la regolazione della temperatura del fluido di ritorno alla caldaia può essere concentrata anche solo nello scambio termico nei primi scambiatori, tramite la parzializzazione dell’apertura degli spillamenti in funzione della temperatura in uscita dai corrispondenti secondi scambiatori e acqua/olio rispetto al set di temperatura desiderato.

Vantaggiosamente, il sistema di controllo 40 può essere programmato per dare la precedenza alla parzializzazione degli spillamenti di maggior valore energetico ovvero, nel caso in esame, a partire da quello in corrispondenza dello scambiatore 55.

La portata del fluido principale del campo solare (vantaggiosamente olio diatermico) potrà essere l’unica variabile in funzione dell’irraggiamento. Vantaggiosamente, il fluido principale del campo solare (messo in movimento da opportune pompe 64, 65) attraversa anche lo scambiatore 32 (preferibilmente grazie ad un ventilatore di circolazione 66) così che avvenga uno scambio di calore fra tale fluido e i fumi.

Sfruttando il calore residuo dei fumi di scarico in uscita dal camino (che altrimenti andrebbe inutilmente perso) tale scambiatore 32 permette di riportare il fluido principale del campo solare, anche in condizioni di irraggiamento basso o nullo, ad una temperatura relativamente elevata (ad esempio, di circa 90°C, considerando che mediamente i fumi in uscita dal camino hanno in genere una temperatura di circa 130°C). In questo modo sarà possibile scaldare il fluido di ritorno verso la caldaia negli scambiatori 61 e 62 anche durante la notte, quando non à ̈ disponibile energia dal sole. Vantaggiosamente, lo scambiatore 32 à ̈ preferibilmente posizionato per scambiare calore con i fumi a valle di tutti i sistemi di trattamento fumi e depolverizzazione in modo da ridurre al minimo il rischio di condense acide (corrosione tubazioni) o intasamento dei fasci tubieri (aggravio del ∆p). E’ consigliabile comunque prevedere uno scambiatore in acciaio inossidabile o equivalente materiale idoneo.

Inoltre, può essere vantaggiosamente predisposta una linea 67 di ricircolo gestita anch’essa dal sistema di controllo 40 che di notte bypassa il campo solare e porta il fluido primario del campo solare dall'uscita dello scambiatore 32 all'ingresso degli scambiatori 61, 62, evitando dispersioni termiche nel campo solare stesso. Il passaggio attraverso la linea di ricircolo sarà vantaggiosamente comandato opportunamente dal sistema di controllo 40 all’abbassarsi della temperatura del fluido sotto la temperatura di riscaldamento con i fumi a causa della riduzione dell’irraggiamento. Vantaggiosamente, può anche essere prevista una stazione (in sé nota e perciò non mostrata nei dettagli) di rilancio dell’olio prima e/o dopo lo scambiatore 32, con relativo serbatoio per regolare le variazioni di carico degli impianti, così da evitare inutili perdite di carico qualora il fluido non passi attraverso il campo solare.

Mediante opportune valvole comandate, vantaggiosamente tutti e quattro gli scambiatori 32, 61, 62, 63 potranno anche essere by-passabili singolarmente (sia lato acqua che lato olio) a comando del sistema di controllo 40 per permettere una regolazione più flessibile. Ad esempio, à ̈ vantaggioso che lo scambiatore 63 sia bypassabile quando la temperatura del fluido principale del campo solare scende sotto la temperatura che si vuole ottenere come temperatura finale del fluido di ritorno alla caldaia. Infatti, la regolazione dell’integrazione tra il sistema solare e il sistema a combustione deve garantire una gestione sicura del loro interfacciamento, senza scambi inopportuni di calore fra i sistemi. Ad esempio, qualora l’impianto a combustione non fosse operativo o subisse un fermo improvviso, il fluido principale dell’impianto solare non dovrebbe scambiare calore con l’acqua di ritorno alla caldaia dato che le condizioni di lavoro di questa si allontanano dai valori di progetto (ad esempio con rischio di un cambio fase acqua-vapore pericoloso). Non potendo agire in modo repentino sulle temperature in essere (raffreddamento lento della caldaia) à ̈ preferibile impedire lo scambio di calore tramite la chiusura/apertura di opportune valvole che devino opportunamente i fluidi di scambio.

Il calore dei fumi può anche essere sfruttato vantaggiosamente per riscaldare l’aria da inviare alla caldaia. A tale scopo l’aria à ̈ aspirata mediante ventilatori 69 e inviata a scambiatori 70, 71 per essere riscaldata dal flusso di fumi diretti dalla caldaia al camino.

Il sistema di trattamento dei fumi può comprendere anche un elettrofiltro 36, un reattore a calce 72 e un filtro a maniche 73, opportunamente disposti in serie lungo il percorso dei fumi, secondo sistemi in sé sostanzialmente noti di abbattimento degli inquinanti nei fumi di combustione.

A questo punto à ̈ chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati, proponendo un innovativo impianto e un innovativo metodo per l’aumento dell’efficienza nella produzione di energia grazie all’integrazione di un impianto solare termodinamico e un impianto con caldaia a combustibile. Grazie alla sinergia fra i due sistemi impiegati si compensano gli svantaggi dei singoli sistemi e si migliora il rendimento del sistema complessivo. Questa soluzione permette di impiegare impianti solari con tecnologia CSP (Concentrating Solar Power) di bassa potenzialità termica (ad esempio da 1-10 MWt) in impianti a combustione di medie dimensioni (ad esempio, 50 MWt) che hanno rendimenti di generazione o cogenerazione decisamente più alti rispetto ai cicli ORC accoppiati direttamente al campo solare. Ciò permette di sfruttare in modo più efficiente il calore generato mediante l’utilizzo degli specchi concentratori.

Inoltre, la caldaia a combustione funge da accumulatore di calore per l’impianto solare termodinamico rilasciando calore allo stesso per aumentarne la capacità produttiva. Eliminando il ciclo ORC e anche i sistemi di accumulo normalmente presenti nella classica configurazione degli impianti solari a concentrazione si ottiene una semplificazione dell’impianto solare e una riduzione dell’ingombro di impianto.

A titolo di esempio del maggiore rendimento ottenibile con un impianto secondo l’invenzione, si consideri un impianto di medie dimensioni, che brucia biomassa legnosa con potenzialità termica di 50MWt ed elettrica di 15MWe e con rendimento elettrico lordo del 30%, con integrato un impianto solare termodinamico con superficie disponibile di 30000m² e una potenzialità termica massima dell’impianto solare (irraggiamento pari a 1000Wh/m²) di 8MWt.

Nel caso di massimo irraggiamento (≈1000Wh/m²), a parità di consumo di biomassa e produzione di vapore dell’impianto a biomasse, l’apporto energetico dell’impianto solare a concentrazione garantisce una extra produzione di 1MWe, dovuta alla chiusura contemporanea di tre spillamenti di turbina, e un incremento del rendimento dell’impianto a biomasse di 2 punti percentuali.

Infatti, la maggiore produzione di energia elettrica ottenibile usando il calore messo a disposizione dall’impianto solare termodinamico à ̈ pari a 1MWe e ciò significa che, considerando pari a 8MWt il massimo contributo di calore disponibile nell’olio diatermico, il rendimento di trasformazione à ̈ pari a 12,5%.

Un tradizionale impianto solare termodinamico con ciclo ORC con turbina da 1,5MWe e aerocondensatore ha invece un rendimento netto, in condizioni nominali, pari a circa 11%.

Confrontando le due soluzioni si vede come esista un cospicuo vantaggio (nell'ordine del 10% di rendimento elettrico nel caso esaminato) grazie all'utilizzo del ciclo Rankine dell’impianto a combustione per trasformare in energia elettrica il calore prodotto dall’impianto solare termodinamico, a parità di potenzialità termica di quest’ultimo.

Inoltre, se ad esempio si realizza un impianto del tipo sopra descritto in una area geografica con irraggiamento annuo pari ad esempio a 1700kWh/m² e lo si confronta con un impianto classico solo termodinamico solare (con ORC e sistemi di accumulo) di identiche dimensioni e potenzialità termica, si ottiene che la producibilità di energia elettrica annua dell’impianto solare termodinamico integrato nell’impianto a combustione, secondo l'invenzione, à ̈ di 3,5 Gwh/anno mentre la producibilità annua dell'impianto solare termodinamico in versione classica sarebbe di 2,5 Gwh/anno.

Eliminando il ciclo ORC e i sistemi di accumulo e sostituendoli con una serie di scambiatori, che hanno costi decisamente inferiori, si ottiene una elevata riduzione sia dei costi di investimento (ad esempio, nell’intorno del 20% del totale) sia dei tempi di realizzazione, rispetto ad un sistema di produzione solare termodinamico tradizionale. Inoltre i costi di gestione e manutenzione sono ovviamente minori, data l’assenza di importanti macchinari (turbine, condensatori,ecc.) altrimenti necessari.

In sostanza, con l'impianto sopra descritto secondo l’invenzione si ha una differenza di 1000 MWh/anno che consente una efficienza complessiva aumentata di almeno il 40% e con un risparmio sull’investimento del 20%. Realizzando un controllo remoto dell’impianto solare, anche il numero di operatori nel sito si riduce: di fatto gli stessi operatori dell’impianto a combustione potranno gestire l’impianto solare come se fosse un ulteriore componente dell’impianto a combustione stesso.

Inoltre, grazie all’impiego dell’impianto solare per riscaldare il fluido di ritorno dell’impianto a combustione per la generazione di corrente elettrica, e non per la diretta generazione di vapore da inviare alla turbina, à ̈ possibile lavorare a temperature più basse di quelle necessarie nei tradizionali impianti solari a concentrazione per la produzione di energia elettrica.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Ad esempio, l'esatta forma, dimensione, numero di passaggi dei fluidi, materiali di costruzione saranno scelti in fase di progettazione a seconda delle temperature e, soprattutto, delle pressioni in gioco, come à ̈ facilmente immaginabile dal tecnico esperto.

Inoltre, nella descrizione sopra fatta di un impianto secondo l’invenzione, si à ̈ preferito impiegare il calore residuo dei fumi per riscaldare il fluido principale del campo solare in condizioni di irraggiamento basso o nullo. Una soluzione alternativa può anche essere quella di dotare il forno di un sistema di raffreddamento degli organi di movimentazione del combustibile (ad esempio le griglie) in cui il fluido termo vettore sia il fluido principale del campo solare.

Più in generale, ogni sezione di raffreddamento all’interno dell’impianto potrebbe essere impiegata allo scopo di riscaldare il fluido principale del campo solare, anche in modalità d’uso con doppio fluido termo vettore che utilizzi ad esempio olio diatermico e in parallelo, ad esempio, aria. Il concetto può anche essere estremizzato fino a pensare di condensare il vapore di scarico turbina in un condensatore ad olio o ad acqua e olio. Tutte queste varianti sono comunque ora facilmente immaginabili dal tecnico grazie alla descrizione dell’invenzione qui fatta e possono essere comprese nell'ambito dell'invenzione, anche se l'impiego dei fumi resta preferito per i vantaggi di semplicità ed efficienza che comporta.

Resta inteso che la condizione minima per la scelta del punto ottimale per la realizzazione dello scambio à ̈ solitamente data dal ∆T tra le fonti (calda e fredda); indicativamente preferibilmente superiore a 50°C.

Nel caso di fermo dell’impianto a combustione, il calore generato dall’impianto solare termodinamico può essere anche utilizzato, con opportune predisposizioni facilmente immaginabili dal tecnico, per contribuire al raffrescamento/riscaldamento dei locali.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto (10, 110) per la produzione di energia elettrica comprendente una caldaia a combustibile (11), nella quale un fluido à ̈ riscaldato per produrre vapore, una turbina (15) connessa ad un generatore elettrico (16) e alla quale à ̈ inviato tale vapore, un gruppo condensatore (19) che ricondensa il fluido in uscita dalla turbina per essere inviato nuovamente alla caldaia, il fluido di ritorno nel percorso dal gruppo condensatore (19) alla caldaia attraversando un gruppo di preriscaldamento (22), caratterizzato dal fatto che il gruppo di preriscaldamento (22) riceve calore da spillamenti di vapore (23) dalla turbina e da un campo solare termodinamico (25).
2. 2. Impianto secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il gruppo di preriscaldamento (22) per ricevere calore comprende primi scambiatori (53, 54, 55) per lo scambio termico fra il fluido di ritorno e gli spillamenti di vapore (23) e secondi scambiatori (61, 62, 63) per lo scambio termico fra il fluido di ritorno e il campo solare.
3. 3. Impianto secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i primi e i secondi scambiatori sono disposti in serie fra loro.
4. 4. Impianto secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere valvole (41) di controllo degli spillamenti e un sistema (40) di controllo dell’impianto che à ̈ connesso a dette valvole (41) nel senso di comandare la riduzione dell'entità degli spillamenti (23) dalla turbina all’aumento del riscaldamento del fluido per mezzo dello scambio termico con il campo solare.
5. 5. Impianto secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il campo solare (25) ha un circuito di fluido termo vettore primario che attraversa i detti secondi scambiatori (61, 62, 63), lungo il circuito essendo presente un ulteriore scambiatore (32) di riscaldamento di tale fluido termo vettore primario mediante scambio termico con i fumi di combustione provenienti dalla caldaia (11).
6. 6. Impianto secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che à ̈ presente una linea (67) di ricircolo comandato del detto fluido termo vettore primario per escludere a comando il passaggio di tale fluido attraverso il campo solare (25).
7. 7. Impianto secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i primi scambiatori comprendono uno primo scambiatore di bassa pressione (53), uno secondo scambiatore di bassa pressione (54) e un terzo scambiatore di alta pressione (55), con ciascuno scambiatore che scambia con uno spillamento (23) sempre più verso l’ingresso della turbina.
8. 8. Impianto secondo rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il vapore spillato dalla turbina e che passa nel primo e nel secondo scambiatore viene immesso nel condensatore (50).
9. 9. Impianto secondo rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che un ulteriore spillamento (23) alimenta un degasatore (56) disposto fra secondo e terzo scambiatore.
10. 10. Impianto secondo rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il vapore spillato dalla turbina e che passa nel terzo scambiatore (55) viene immesso nel degasatore (56).
11. 11. Impianto secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la caldaia comprende un forno di combustione di biomasse per il riscaldamento, mediante i fumi prodotti, del fluido da inviare alla turbina.
12. 12. Metodo per la produzione di energia elettrica mediante turbina a vapore in un impianto comprendente una caldaia a combustibile nella quale un fluido à ̈ riscaldato per produrre vapore, una turbina connessa ad un generatore elettrico e alla quale à ̈ inviato tale vapore, un condensatore che ricondensa il fluido in uscita dalla turbina per inviarlo nuovamente alla caldaia, nel quale il fluido di ritorno fra turbina e caldaia à ̈ riscaldato mediante una combinazione comandata di scambi termici di vapore spillato dalla turbina e di fluido riscaldato da un campo solare, nel senso di impiegare, in sostituzione almeno parziale agli spillamenti, il riscaldamento che à ̈ prodotto dal campo solare quando esso à ̈ sufficientemente irraggiato.
13. 13. Metodo secondo rivendicazione 12, nel quale il campo solare riscalda il fluido di ritorno mediante un proprio fluido termovettore primario, tale fluido termovettore primario venendo a sua volta riscaldato, almeno quando il campo solare à ̈ irraggiato per un valore di irraggiamento minore di una quantità prestabilita e/o quando la temperatura del fluido termovettore scende al di sotto di un valore prefissato, mediante il calore residuo nei fumi di combustione in uscita dalla caldaia, così da mantenere almeno uno stabilito valore di temperatura minimo di tale fluido termovettore primario.