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rapporti - Deliverable

Studio di soluzioni impiantistiche per l’incremento dell’efficienza elettrica delle microturbine a gas

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Studio di soluzioni impiantistiche per l’incremento dell’efficienza elettrica delle microturbine a gas

L’attività consta di un’analisi delle soluzioni per l’incremento dell’efficienza elettrica delle microturbine a gas. Tra i diversi lavori presenti in letteratura, si è deciso di focalizzare l’attenzione su tre delle possibili alternative: cicli IBC (Inverted Brayton Cycle), cicli umidificati ed impiego di materiali ceramici.

 

Le tecnologie per la cogenerazione di piccola taglia si stanno sempre più sviluppando. Rispetto ai motori a combustione interna, che in questo ambito costituiscono la tecnologia più diffusa, le microturbine a gas garantiscono una vita operativa maggiore, tuttavia a parità di taglia (centinaio di kW) presentano un rendimento elettrico confrontabile e piuttosto modesto (~30%). Tali impianti garantiscono un effettivo risparmio di energia primaria rispetto alla generazione separata solamente nel caso di un esercizio in assetto cogenerativo, dove il calore residuo dei gas di scarico viene impiegato in misura significativa per il soddisfacimento dei fabbisogni di un’utenza termica. L’incremento del rendimento elettrico e del rendimento globale d’impianto amplierebbero la tipologia delle utenze per le quali la cogenerazione di piccola taglia risulterebbe vantaggiosa; ciò vale in particolare per i settori residenziale e terziario, per i quali la natura discontinua e/o stagionale del profilo di domanda di calore limita fortemente l’applicazione delle tecnologie oggi disponibili. Alla luce dell’importanza di tale tema, èstata condotta un’analisi degli studi mirati all’incremento dell’efficienza elettrica delle microturbine a gas. Tra i diversi lavori presenti in letteratura, si è deciso di focalizzare l’attenzione su tre soluzioni: realizzazione di cicli IBC (Inverted Brayton Cycle), cicli umidificati ed impiego di materiali ceramici per incrementare la temperatura d’ingresso in turbina. Le prime due soluzioni, indipendentemente dalla tecnologia adottata, permettono di incrementare l’efficienza elettrica di 3-5 punti percentuali nei migliori casi. L’impiego di materiali ceramici rappresenta invece, seppur sempre in via teorica, l’unica soluzione per il raggiungimento di un rendimento più elevato, tale da rendere conveniente un utilizzo continuo, anche in peridi di domanda di calore bassa o nulla. E’ stato successivamente sviluppato in ambiente Thermoflex® un modello della microturbina TurbecT100 come quella presente all’interno della Test Facility di RSE. Il modello èstato successivamente validato grazie a dati sperimentali raccolti durante campagne sperimentali nei precedenti periodi di Ricerca di Sistema. Il funzionamento della macchina è stato simulato sia a carico  noominale sia a carico parziale e sono state verificate le prestazioni dell’unitànel caso di iniezione di acqua/vapore. Sfruttando il modello sviluppato, è stato inoltre possibile simulare l’impiego di materiali ceramici per la realizzazione dei componenti più critici della microturbina (espansore e rigeneratore) ed indagare come l’incremento della temperatura d’ingresso in turbina (TIT) conduca ad una differente ottimizzazione della configurazione impiantistica.

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