Turbine a CO2 potrebbero portare a balzo di efficienza nella produzione di energia elettrica
Albuquerque, USA – I ricercatori dei Sandia National Laboratories si stanno muovendo verso la fase dimostrativa di un nuovo sistema di turbine a gas per la generazione di energia molto promettente, che potrebbe aumentare l’efficienza di conversione da energia termica ad elettrica fino al 50 per cento. Questo significherebbe un miglioramento del 50 per cento di efficienza per le centrali nucleari dotate di turbine a vapore, o un miglioramento del 40 per cento per le normali turbine a gas. Il sistema è inoltre molto compatto, il che significa che i costi di istallazione sarebbero relativamente bassi. Possibile un importante aumento dell’efficienza di centrali nucleari, termiche e a solare termico.
La ricerca si concentra sulle turbine a ciclo Brayton ad anidride carbonica supercritica (S-CO2, uno stato ad alte pressione e temperatura dell’anidride carbonica che lo rende simile ad un liquido), che in genere dovrebbero essere utilizzate per la produzione di energia elettrica dall’energia termica e dal nucleare, compresi i reattori di prossima generazione. L’obiettivo è infine di sostituire le turbine a ciclo Rankine a vapore, che hanno minore efficienza, sono corrosive ad alta temperatura e occupano 30 volte più spazio a causa della necessità di turbine molto grandi e condensatori per disperdere il vapore in eccesso. Le turbine a ciclo Brayton potrebbero produrre 20 megawatt di energia elettrica da un sistema con un volume più piccolo di quattro metri cubi.
L’anidride carbonica supercritica (S-CO2), è uno stato ad alte pressione e temperatura dell’anidride carbonica che la rende simile ad un liquido ma con caratteristiche di viscosità simili ad un gas.
Il ciclo di Brayton, dal nome di George Brayton, originariamente funzionava riscaldando l’aria in uno spazio ristretto per poi rilasciarla in una particolare direzione. Lo stesso principio è usato oggi nei motori a reazione.
“Questa macchina è fondamentalmente un motore a reazione al lavoro su un liquido caldo,” ha detto Steve Wright, il ricercatore principale del gruppo. “C’è un enorme interesse industriale e scientifico in sistemi a CO2 supercritica per la produzione di energia utilizzando tutte le potenziali fonti di calore, tra cui solare, geotermico, combustibili fossili, biocarburanti e nucleare”.
I laboratori Sandia dispongono attualmente di due sistemi (cicli) in fase di test con CO2 supercritica. (Il termine “ciclo”, o “loop” deriva dalla forma assunta dal fluido di lavoro che compie ogni circuito). Un ciclo di produzione di energia elettrica si trova ad Arvada, Colorado, sede del contraente Barber Nichols Inc., dove è in funzione producendo circa 240 kilowatt di energia elettrica dal marzo del 2010. Ora il sistema è in fase di aggiornamento e si prevede che verrà spedito a Sandia quest’estate.
Un secondo sistema, che si trova presso i Sandia Laboratories ad Albuquerque, viene utilizzato per la ricerca di attriti durante la compressione su cuscinetti, guarnizioni, ecc. per studiare l’effetto dell’anidride carbonica supercritica su di essi, in quanto ha la densità di un liquido, ma ha molte delle proprietà di un gas.
I prossimi passi prevedono di continuare a sviluppare e gestire il questi sistemi di piccole dimensioni per identificare le caratteristiche chiave e le tecnologie. I risultati dei test, in particolare la sua compattezza, efficienza e scalabilità per grandi sistemi, porranno le basi, eventualmente, della costruzione e della commercializzazione di un impianto dimostrativo industriale a 10 MW di elettricità.
Un sistema concorrente, studiato sempre presso i Sandia Laboratories e che utilizzano le turbine Brayton con elio come fluido di lavoro, è progettato per funzionare all’incredibile temperatura di circa 925 °C e si prevede che possa produrre energia elettrica dal 43 per cento al 46 per cento di efficienza. Al contrario, la CO2 supercritica con ciclo Brayton offre la stessa efficienza dei sistemi Brayton ad elio, ma ad una temperatura notevolmente più bassa (250-300 C). L’apparecchiatura a S-CO2 è anche più compatta di quella ad elio, che a sua volta è più compatta rispetto al ciclo a vapore convenzionale.
Per fare un confronto, un sistema a CO2 supercritica è quasi due volte più efficiente di un motore a benzina (che trasforma circa il 25 per cento di calore). Per efficienza si intende la percentuale di energia contenuta nel calore che può essere trasformata in energia di lavoro, quindi in rotazione della turbina e poi in energia elettrica attraverso un generatore collegato. Non c’è da stupirsi di un valore come il 50% (o 75% nel caso del motore a benzina) di calore sprecato, le leggi della termodinamica non consentono per principio di fare meglio.
