Introduzione: il ruolo cruciale del recupero termico a bassa entalpia nella produzione di energia sostenibile

La conversione del calore residuo industriale in energia elettrica rappresenta una leva strategica per l’efficienza energetica, soprattutto in settori ad alta intensità termica come cementifici, raffinerie e produzione di carta. Il ciclo Rankine organico (ORC) a bassa entalpia emerge come soluzione tecnologica privilegiata per sfruttare fonti termiche comprese tra 80°C e 180°C, caratteristiche dei flussi tipicamente non recuperabili con cicli convenzionali. Il Tier 1 fornisce i principi base del trasferimento termico e termodinamica applicata; il Tier 2, qui approfondito, analizza la progettazione e l’integrazione precisa del sistema ORC, con focus su metodologie operative, selezione fluidi e ottimizzazione di ogni componente. Questa guida, ispirata al Tier 2, fornisce un percorso esperto e dettagliato per massimizzare il rendimento energetico e la sostenibilità economica degli impianti.

Analisi e caratterizzazione del calore residuo: parametri critici per la validità ORC

La fattibilità di un sistema ORC dipende da una caratterizzazione rigorosa del calore residuo: temperatura, portata volumetrica, variabilità stagionale e pressione. Strumenti come termocoppie calibrate, flussimetri a ultrasuoni e analisi termogravimetrica consentono di tracciare un profilo termico affidabile. Per il Tier 2, si stabilisce che la temperatura minima operativa del fluido organico deve superare i 100 °C a 1 bar per garantire efficienza e stabilità termica, evitando il rischio di vaporizzazione prematura o condensazione non desiderata. Un esempio pratico: un impianto termico di carta-pasta con flusso di 1,2 MW a 140 °C rivela la necessità di scambiatori a placche in titanio per resistere alla corrosione da sali e acidi presenti nei gas di scarico, con superficie ottimizzata di 48 m² per massimizzare scambio termico senza surriscaldamento localizzato. La variabilità stagionale della portata richiede sistemi di pre-riscaldamento tramite accumulo termico o configurazioni a doppia fase per evitare perdite di carico e carichi insufficienti in inverno.

Selezione avanzata del fluido organico: criteri tecnico-operativi e impatto sul rendimento

La scelta del fluido organico è il fulcro del successo di un ciclo ORC a bassa entalpia. Parametri chiave includono temperatura di bollicita, entalpia di vaporizzazione, pressione operativa, stabilità termica e impatto ambientale (GWP, ODP). Secondo il Tier 2, fluidi come R245fa e R600a dominano per temperature medie (120–160 °C): R245fa offre equilibrio tra efficienza e sicurezza, con bassa infiammabilità e buona stabilità; R600a, con punto di ebollizione inferiore, si adatta a temperature sotto i 100 °C con minore stress termico, ma richiede compressori a vite progettati per bassi regimi. Cruciale è la simulazione termodinamica con strumenti come REFPROP o CoolProp per valutare perdite per attrito, formazione di depositi e degradazione.
Un protocollo Tier 2 prevede cicli di vita simulati di 1000 passaggi termici, con soglia critica di ossidazione < 0,5% dopo 5 anni operativi. Per migliorare la flessibilità, si consiglia l’uso di miscele, come R245fa/R123, che ampliano l’intervallo funzionante e consentono un controllo dinamico della pressione di condensazione, ottimizzando il lavoro espansivo e il rendimento complessivo. L’adozione di fluidi a basso GWP è inoltre obbligatoria per conformità alle normative europee (F-Gas Regulation).

Progettazione del ciclo Rankine organico: fasi dettagliate e ottimizzazione componentistica

1. Fase 1: evaporazione nel generatore di vapore
   Controllo preciso della temperatura di superficie (1–1,5 bar) e pressione di saturazione massimizza la frazione di calore convertito. L’ottimizzazione include l’uso di tubi alettati o piastre a getto per incrementare il coefficiente di scambio termico (target 3000–5000 W/m²·K), riducendo il tempo di permanenza e prevenendo accumuli di depositi.
2. Fase 2: espansione nel turbogeneratore
   Selezione di turbine a vite o a palette con rapporto di espansione 5:1–10:1 e rapporto di espansione variabile per mantenere efficienza isentropica >70% anche a flussi ridotti. Componenti con bassa perdita di carico e tolleranza a particolato sono essenziali.
3. Fase 3: condensazione nel condensatore
   Condensazione forzata con raffreddamento ad aria o acqua, mantenendo pressione < 0,1 bar per massimizzare il gradiente termico. Utilizzo di scambiatori a superficie estesa con materiali resistenti (titanio, acciaio inox) garantisce durabilità e trasferimento efficiente.
4. Fase 4: pompaggio del liquido
   Pompe a vite a controllo variabile riducono il consumo ausiliario energetico; il monitoraggio continuo della pressione e portata previene cavitazioni e inefficienze.
5. Fase 5: riciclo e controllo fluido
   Filtrazione continua con sistemi a carica continua e stoccaggio in serbatoi sigillati con monitoraggio di purezza e livello. La manutenzione predittiva riduce fermi non pianificati.

“La selezione accurata del fluido e l’ottimizzazione termo-meccanica sono il 70% del successo operativo di un impianto ORC.” – Esperto energetico italiano, 2023