I cicli combinati a combustione esterna – Externally Fired Combined Cycles (EFCC) – presentano, rispetto ai cicli termici convenzionali, una maggiore efficienza, richiedono minori costi di realizzazione ed offrono la possibilità d’impiego di combustibili meno pregiati, anche di origine non fossile, limitandone comunque l’impatto ambientale. In particolare, essi sono cicli combinati gas vapore nei quali il fluido evolvente nella turbina a gas è aria riscaldata a temperatura elevata in uno scambiatore alimentato da gas di combustione prodotti da un combustore esterno come schematizzato in Fig. 1. HEFGV COM C TT GEGE Carbone Residui 1400 °C600 °C120 °C 1250 °C 600 °C 570 °C 240 MWe130 MWe Fig.1. Schema di un ciclo combinato a combustione esterna. L’elemento chiave dei cicli EFCC è rappresentato dallo scambiatore di calore. Infatti, le leghe metalliche per impieghi ad alta temperatura rappresentano una buona soluzione fino a poco meno di 1000°C, mentre a temperature superiori ai 1200-1400°C o più, le uniche soluzioni possibili sono rappresentate dai materiali ceramici, in principio sia di tipo monolitico che composito. I materiali ceramici monolitici possiedono eccellenti proprietà meccaniche ad elevate temperature, unitamente ad una buona resistenza ai fenomeni erosivi, corrosivi ed ossidativi ma hanno lo svantaggio di avere un comportamento a rottura di tipo fragile che ne sconsiglia generalmente l’impiego a causa del rischio di rotture a catena di componenti. Al contrario, i materiali ceramici compositi (CMC) esibiscono miglior duttilità, maggior resistenza a shock termici e ad impatti, affidabilità, un peso ridotto ed elevata resistenza specifica mentre i principali problemi inerenti alla loro utilizzazione in questo settore sono relativi ai costi dei materiali e in alcuni casi alla permeabilità ai gas. Infatti, la richiesta che i componenti abbiano una vita media superiore a 20000-30000 ore anche in presenza di gas di combustione aggressivi chimicamente esclude gran parte dei CMC disponibili sul mercato ed in particolare quelli realizzati a partire da fibre di allumina, mullite e zirconia e riduce la possibile scelta a due CMC. Questi sono materiali SiC/SiC (fibre e matrice in carburo di silicio) e C/CSiC (fibre il carbonio e matrice carbonio e carburo di silicio). Poiché le fibre di carbonio mantengono ottime caratteristiche meccaniche fino a 2500°C, hanno buona resistenza a shock termico, elevata conducibilità termica, elevato calore specifico e bassa velocità di erosione, e costi al chilogrammo notevolmente inferiori a quelli di fibre di carburo di silicio di analoghe proprietà, esse potrebbero rappresentare la soluzione ottimale a patto che siano protette opportunamente dall’ossigeno o da altri agenti corrosivi. Le attività concernenti gli impianti EFCC, entrambe condotte nell’ambito di due progetti europei, si sono articolate su due filoni. Il primo inerente allo sviluppo e alla caratterizzazione di materiali CMC

per la realizzazione di componenti di uno scambiatore di calore ceramico esercibile a temperature ultra alte (>1400 °C) oltre che alla messa a punto di tecniche di giunzione dei componenti stessi. Il secondo filone ha riguardato la predisposizione di un circuito sperimentale per la verifica dei processi più critici nei cicli combinati a combustione esterna ed in particolare lo scambio termico ad alta temperatura, la combustione e il trattamento fumi. Un ulteriore obiettivo ha riguardato lo sviluppo di un progetto di riferimento per dimostrare l’applicabilità della combustione esterna ai cicli combinati. In particolare in questo contesto, è stata messa a punto da CESI una metodologia per la giunzione permanente di componenti realizzati in CMC a base C/CSiC. È stato progettato, realizzato ed utilizzato un sistema sperimentale atto a valutare la tenuta in pressione delle giunzioni nelle condizioni d’esercizio. Infine, per poter effettuare un controllo della qualità delle giunzioni realizzate, è stata sviluppata ed utilizzata con successo su alcuni dei tubi giuntati una metodologia termografica di controllo non distruttivo basata sulla valutazione della resistenza termica della giunzione stessa. Il circuito sperimentale predisposto è costituito da uno scambiatore metallico ed uno ceramico (realizzato con un monolitico avanzato) operanti ad alta temperatura, alimentati da un combustore adiabatico, in grado di realizzare anche una purificazione preventiva dei fumi. L’attività è stata completata con l’esecuzione dello studio di un ciclo dimostrativo basato sull’accoppiamento dei componenti sviluppati con una turbina a gas di piccola taglia per la produzione di elettricità, al fine di verificare l’integrazione del sistema. Link al documento di riferimento: A3-021917.doc