il motore - spin

Smart Cities and Communities
Decreto Direttoriale n°84/Ric del 2 marzo 2012
Idee progettuali per le «Smart Cities and Communities» nelle Regioni Convergenza (Puglia, Sicilia, Calabria e Campania),
progetti di ricerca dedicati allo sviluppo di Città Intelligenti
SINERGREEN - SMARGREEN
Il progetto SINERGREEN (Smart Intelligent Green Energy) è finanziato dal Fondo
Europeo di Sviluppo Regionale (FESR) e dal MIUR nell’ambito del Programma
Operativo Nazionale PON “Ricerca e Competitività 2007–2013”. Il progetto è una
componente del cluster S.R.S. (SINERGREEN-RES NOVAE-SEM) e ha l’obiettivo di
combinare opportunamente l’impiego di energia proveniente da fonti rinnovabili
con l’applicazione di una rete di nuove tecnologie in ambito energetico ed
informatico (la cosiddetta smart grid) al fine di rendere ottimale l’utilizzo di tali
risorse, contribuendo così a ridurre i costi energetici e contenere l'impatto
ambientale.
SINERGREEN si configura a sua volta come la convergenza di due progetti di
ricerca e sviluppo denominati SINERGRID (Smart Intelligent Energy Community
Grid) e SMARGREEN (Smart & Green Energy). Questi progetti, pur mantenendo la
propria autonomia funzionale, si integrano in modo complementare nella
definizione di soluzioni tecnologiche e gestionali smart in campo energetico.
IL CONTRIBUTO DI SPIN-OFF CINFAI
Il sottoprogetto SMARGREEN riguarda un innovativo
sistema di produzione di energia da solare
termodinamico che consente di trasformare energia
solare in energia elettrica in maniera potenzialmente
pulita grazie all’abbinamento a due diversi sistemi a
combustione esterna: un dimostratore di motore di
Stirling e un motore di tipo ORC (Organic Rankine
Cycle). Il sistema considera anche la parte di
stoccaggio nell’ottica di un utilizzo dell’energia
accumulata in surplus.
Spin-off CINFAI ha avviato le sue attività nel contesto del
progetto Sinergreen-Smargreen, fornendo consulenza
scientifica e tecnica per l’allestimento del dimostratore
Stirling (sotto illustrato)
nell’area sperimentale e
coordinando la fase di sperimentazione stessa presso il
Campo Prove dell’Università degli Studi di Enna Kore.
A valle della fase di sperimentazione, Spin-off CINFAI sta
seguendo ulteriori attività di ricerca e approfondimento
(analisi delle misure, elaborazione dati e modellistica) in vista
sia delle proiezioni dei risultati ottenuti su iniziative che
traguardano l’Expo “Future Energy” di Astana (2017) sia di
possibili sviluppi imprenditoriali.
Campo Prove di Enna Kore: il sistema prototipale sperimentale
IL SISTEMA SOLARE TERMODINAMICO DIFFUSO
IL CAMPO SOLARE
Il sistema di produzione di energia è caratterizzato dalla
presenza di vari componenti:
• un campo solare con collettori termici per la captazione
dell’energia rinnovabile del Sole ;
• un generatore di acqua calda, per la produzione di 550
kWt/h alla temperatura di 95°C +/- 5% ed alla pressione di
1 bar ;
• un turbogeneratore prototipale per la produzione di
energia elettrica per una potenza di 50 kWel (un motore di
tipo ORC e uno di tipo STIRLING);
• una torre evaporativa;
• un compressore d’aria per i cuscini dei serbatoi inerziali;
• un sistema per il monitoraggio ed il telecontrollo;
• un quadro elettrico di controllo e comando.
Il campo solare termodinamico è composto da due
collettori parabolici con dimensioni in lunghezza di 26,06
ml, in larghezza di 2,37 ml ed in altezza di 2,55 ml,
montati su una struttura di sostegno in acciaio zincato a
caldo.
I collettori sono stati installati in modo tale da evitare
ombreggiamenti reciproci e pertanto ciascuno di essi in
larghezza occupa uno spazio pari a circa 4,75 ml; lo
spazio libero tra le due file garantisce altresì lo spazio di
manovra per la manutenzione dei collettori stessi.
Gli specchi sono in vetro temprato e caratterizzati da un
sistema di movimentazione per l’inseguimento solare in
maniera tale da massimizzare la resa di captazione
solare durante l’intero arco della giornata. In caso di
forte vento è previsto l’abbassamento verso terra degli
specchi in modo da evitare rotture, posizione utilizzata
anche per pulire gli specchi.
Specchi solari (particolare)
Specchi solari (retro)
LA SPERIMENTAZIONE CON LA PAL
Campo Prove
Campo Prove (in primo piano) e impianto di illuminazione
(in secondo piano)
L’attività di sperimentazione, svolta in collaborazione con
il Comune di Enna, ha visto l’implementazione di un
impianto di illuminazione stradale, non energivoro
(lampade a LED), dotato di idoneo sistema di telemetria
per poter monitorare in real-time le armature stradali e i
relativi consumi.
La sperimentazione sul Sistema Solare Termodinamico
diffuso ha permesso di raggiungere interessanti risultati
per quanto concerne la produzione di energia da fonte
rinnovabile in sistemi di piccola taglia. Notevoli sono
inoltre i vantaggi ambientali che l’impianto consente di
raggiungere: l’apporto di energia da fonte rinnovabile
consente un risparmio significativo di energia da fonte
fossile e quindi una riduzione delle emissioni di gas
climalteranti.
Motore di tipo ORC (Organic Rankine Cycle)
Il dimostratore di Stirling
Il dimostratore Stirling utilizzato per la
sperimentazione in campo è composto da tre parti
principali:
- il focolare, dotato di sistema per recupero e scambio
termico;
- il motore vero e proprio, che riceve calore dal
focolare e lo cede ad un circuito di acqua calda;
- uno scambiatore a recupero termico,
economizzatore per la maggiore produzione di acqua
calda.
Principio di funzionamento del sistema cogenerativo Stirling
Nel focolare, la fiamma prodotta da gas metano (o da altro combustibile),
genera il flusso di aria calda a circa 1000–1200 °C, che va a lambire lo
scambiatore caldo del motore. In tal modo, il gas di ciclo (elio) all’interno dei
cilindri viene portato a temperature comprese fra 600 e 800 °C. La potenza
termica di energia primaria in ingresso prodotta dal gas metano (al focolare)
è di circa 200 kWt, l’energia elettrica prodotta dal motore è di circa 35 kWe,
mentre l’energia termica recuperata (ceduta dal motore e dal recuperatore
al gas del focolare) è di circa 150 kWt. La temperatura dell'acqua calda in
uscita dal sistema, e inviata al dissipatore/aerotermo, è compresa tra 50 e
85 °C.
Vista d’insieme focolare, motore, recuperatore
IL FOCOLARE
Sistema focolare: vista d’insieme (in alto a destra e
sinistra), lato motore Stirling (in basso a sinistra),
lato bruciatore (in basso a destra)
Il sistema focolare è costituito da un forno
rivestito da refrattari per il contenimento della
fiamma e dei gas ad alte temperature (900–1250
°C). Nella camera di combustione, gli scambiatori
del motore vengono lambiti dai gas caldi
combusti. Per cedere al motore il calore alla
massima temperatura disponibile, il forno è
dotato di un opportuno sistema di scambio
rigenerativo: i fumi in uscita vanno a preriscaldare l’aria comburente che arriva nella
camera di combustione già oltre i 500 °C e poi
con la combustione raggiunge i 1200 °C.
Un secondo scambiatore a recupero è installato
sul flusso fumi in uscita, in modo da abbassare
ulteriormente la loro temperatura e recuperare
energia termica, ad esempio per il riscaldamento
di acqua per un’eventuale utenza termica.
IL MOTORE
Vista del motore lato scambiatore
caldo
Il motore ha una configurazione di tipo ALFA, a 4 cilindri con
doppio effetto, dotato di un particolare cinematismo che
mantiene pressoché costante a 90° lo sfasamento fra uno
stantuffo e l’altro. Gli stantuffi vengono utilizzati a doppio effetto
con un collegamento di tipo serie; fra uno stantuffo e l’altro è
inoltre installato il sistema di raffreddamento del gas in
compressione ed il sistema di rigenerazione del calore. Al suo
interno è presente elio compresso a pressioni di circa 15 bar nelle
parti fredde e di circa 40 bar nelle parti calde.
Il rendimento della macchina ideale, tenendo conto della
presenza del rigeneratore, è quello di un ciclo di Carnot. Tuttavia
nel ciclo reale di Stirling il rendimento è inferiore a quello ideale a
causa degli effetti di attrito (tra pistoni e cilindri), di conduzione di
calore (attraverso le pareti dei cilindri o del rigeneratore),
dell’impossibilità di ottenere due isocore o della non completa
restituzione del calore assorbito da parte del rigeneratore.
Schema di funzionamento
Criterio di funzionamento del motore
Gli stantuffi vanno a comprimere ed espandere il gas di ciclo; la differenza di lavoro fra queste due trasformazioni viene ceduta all’albero
motore e successivamente al generatore elettrico. Nel seguito sono descritte le fasi di ciclo svolte dal motore.
1. Espansione
Partendo dalla condizione di gas caldo e già compresso,
nell’espanderlo, il maggior lavoro viene ottenuto se il gas rimane
alla temperatura più alta possibile: poiché l’espansione tende a
raffreddare il gas, occorre che quest’ultimo sia riscaldato per
mantenere la temperatura costante, corrispondente alla più alta
disponibile. Attraverso lo scambiatore caldo il gas viene riscaldato
durante l’espansione, di conseguenza lo stantuffo viene messo in
movimento sotto l’azione della spinta motrice.
2. Rigenerazione con raffreddamento del gas e riscaldamento del
rigeneratore
A fine espansione, il gas caldo a bassa pressione deve essere
preparato per la successiva fase di compressione: l’opportuno
movimento degli stantuffi fa sì che venga spostato dal cilindro caldo
a quello freddo passando attraverso il rigeneratore. Quest’ultimo
consiste in una massa metallica con opportuna capacità termica,
che viene riscaldata dal gas caldo in transito, provocando pertanto
una diminuzione di temperatura sullo stesso gas. In questa fase non
si hanno particolari spinte sugli stantuffi.
Motore a 4 cilindri a doppio effetto
3. Compressione
Il modo di comprimere un gas con il minor lavoro viene ottenuto
quando lo stesso gas viene tenuto alla temperatura più bassa
possibile. Essendo la compressione un processo che tende a
riscaldare il gas, occorre pertanto che nel comprimere si vada a
raffreddare, mantenendo la temperatura costante. Il gas, alla
temperatura più bassa disponibile (quella di scambio con l’acqua di
raffreddamento del motore), viene compresso dal cilindro nello
scambiatore freddo. In questa fase lo stantuffo cede lavoro di
compressione al gas.
4. Rigenerazione con riscaldamento del gas e raffreddamento del
rigeneratore
A fine compressione il gas attraversa il rigeneratore verso il cilindro
caldo, trovandosi il rigeneratore nello stato di caldo viene
raffreddato ed il gas compresso riscaldato. In questa fase non si
hanno particolari spinte sugli stantuffi. A fine rigenerazione, il gas si
trova nella fase calda e compressa, può pertanto ripetere il ciclo
con la fase di espansione già descritta.
Dettaglio dei cilindri del motore
Laboratorio mobile