Il Colibrì – Svantaggi

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

La modalità free piston è caratterizzata da un’escursione variabile della parte mobile, ma il funzionamento è possibile solo se l’escursione supera il valore minimo necessario per l’attivazione delle luci di immissione e scarico.
Per ottenere buoni rendimenti è necessario lavorare con un ciclo termodinamico stretto e questo significa che una parte dell’escursione avviene grazie all’inerzia dinamica della parte mobile dell’espansore e la frequenza di pulsazione minima dipende dalle pressioni operative.
La regolazione della corsa può essere fatta sia agendo sulle pressioni operative sia modulando il carico presente sull’alternatore. In questo caso il controllo del carico non svolge la funzione di preservare il rendimento come nelle turbine, ma quella di imbrigliare la frequenza di pulsazione entro i limiti di funzionamento.
L’espansore adiabatico free piston non è auto avviante perché è altamente improbabile che in condizioni di riposo le luci risultino aperte.
L’avviamento può essere comunque realizzato in diversi modi e quello più semplice si basa sull’invio di un impulso elettrico all’alternatore lineare.
L’oscillazione della parte mobile fa spostare il centro di massa del dispositivo e questo determina la comparsa di vibrazioni meccaniche che devono essere gestite.
Un posizionamento verticale dell’espansore offrirebbe indiscutibili vantaggi per quanto riguarda la gestione delle vibrazioni, ma potrebbero nascere delle difficoltà per lo scarico delle eventuali condense all’interno delle camere.

Il Colibrì – Punti di Forza

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

L’espansore volumetrico adiabatico può essere dimensionato per erogare qualunque valore di potenza elettrica. Questo significa che è possibile fare in modo che il fabbisogno termico per il suo funzionamento risulti allineato con la portata della sorgente di calore.
Uno dei punti forza dell’espansore è la possibilità di funzionare efficacemente anche in presenza di pressioni modeste. Tale aspetto si ripercuote positivamente a livello termico in quanto le temperature coinvolte sono minori. Il funzionamento con ciclo Rankine a bassa pressione rende accessibile lo sfruttamento di un insieme molto numeroso di sorgenti di calore.
La sigillabilità dell’impianto rende possibile l’adozione di un composto organico come fluido di lavoro. Questo permette di avere pressioni di funzionamento ottimali anche con temperature della sorgente calda di soli 80°C-100°C.
Il rendimento termomeccanico dell’espansore è pressoché indipendente dalla frequenza di funzionamento.

In Italia il prezzo dell’energia elettrica per l’utente finale varia fra 0,10€/kWh e 0,25€/kWh. Questo significa che un generatore da 1kW produce energia elettrica per un controvalore che oscilla fra 0,10 e 0,25 euro per ogni ora di funzionamento.
Considerando le caratteristiche costruttive dell’espansore adiabatico free piston si ritiene verosimile ipotizzare un prezzo finale di circa 0,50 euro per watt di potenza elettrica, ma non si esclude che si possa raggiungere anche il valore di 0,10€/W. Questo significa che un espansore da 1kW dovrebbe costare da 100 a 500 euro.
Al prezzo di 0,50€/W servono 205 giorni di operatività per produrre un pari valore di energia elettrica.

Il Colibrì – Campi di Applicazione

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

L’espansore volumetrico adiabatico free piston è un dispositivo versatile in quanto può essere alimentato con qualunque tipologia di fluido compresso in fase aeriforme.
Quando il fluido è gassoso sono assenti le transizioni di fase liquido-vapore e il ciclo termodinamico sottostante è quello di Brayton. Tuttavia, essendo il bilancio energetico con i gas poco favorevole, è verosimile che la loro possibilità di impiego rimanga una mera curiosità accademica.
Molto più interessanti sono le applicazioni in cui l’espansore viene alimentato con vapore compresso e in questo caso il ciclo coinvolto è quello di Rankine.
Nella modalità free piston la destinazione d’uso per eccellenza è la generazione di energia elettrica a partire da una fonte di calore.
Qualunque sorgente termica, in grado di fornire il calore richiesto per il processo di vaporizzazione in un ciclo Rankine anche a bassa pressione, diventa potenzialmente sfruttabile grazie a questo dispositivo.
Una delle sorgenti di calore più appetibili individuate è quella geotermica in zone termali.
Nel settore industriale esistono poi moltissime realtà produttive i cui processi di lavorazione sono associati a cascami termici che potrebbero essere sfruttati per produrre dell’energia elettrica.
In ambito domestico l’unica sorgente termica significativa è quella dell’impianto di riscaldamento dell’abitazione, ma in questo caso il costo del combustibile rende obbligatorio l’assetto cogenerativo e la parte del calore ottenuto dalla combustione che non viene convertito in energia elettrica resta disponibile per la funzione di riscaldamento.
Il vincolo cogenerativo viene a mancare qualora le abitazioni non siano raggiunte dal gestore elettrico nazionale.
Nell’autotrazione è da valutare la possibilità di sfruttamento del calore dei gas di scarico per migliorare il rendimento complessivo del mezzo e ridurre i consumi di carburante.

Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Per poter essere sfruttato ai fini della generazione di energia elettrica, l’espansore deve essere completato dall’alternatore lineare. Per questo componente esistono varie configurazioni possibili. Una di esse ad esempio usa un gruppo mobile a magneti permanenti contrapposti che il movimento del pistone fa entrare e uscire da una serie di avvolgimenti. La figura che segue ne rappresenta un modello tridimensionale.

Indipendentemente dalla configurazione adottata per l’alternatore lineare, è fondamentale che il dimensionamento sia bilanciato rispetto alle caratteristiche dell’espansore.
Gli aspetti da considerare sono molteplici e la frequenza di funzionamento è certamente uno dei parametri più importanti di cui tener conto. Le prestazioni di un alternatore lineare migliorano sensibilmente all’aumentare dalla frequenza operativa per questo motivo si ritiene prioritario puntare ad un funzionamento a frequenza elevata dell’espansore. Si noti che la frequenza di pulsazione dell’espansore può essere controllata regolando il carico sull’alternatore.

Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

A titolo di esempio si riportano i risultati dell’analisi per un caso specifico di funzionamento dell'espansore che si ritiene comunque sufficientemente rappresentativo per una valutazione delle prestazioni coinvolte.

OSSERVAZIONI

Con una temperatura operativa calda di 180°C che permette di avere vapore saturo alla pressione di 10bar e in presenza di scarico atmosferico, il rendimento teorico di conversione termomeccanica dell’espansore adiabatico risulta del 12,2%.
Poiché il rendimento di Carnot alle stesse condizioni di temperatura (T_calda=179,9°C e T_fredda=99,6°C) vale il 17,7% significa che il motore estrae il 68,9% del massimo teorico.
Sempre a titolo di confronto, il rendimento del ciclo Rankine alle stesse condizioni è pari al 16,6%. In questo caso l’espansore adiabatico ne riesce ad estrarre il 73,5%.
Il lavoro utile per ciclo è di 21,6J, un valore modesto per un motore a vapore di 100cm³ di cilindrata che opera con alimentazione a 10bar.
Si tenga comunque presente che la potenza sviluppata, cioè il lavoro fatto nell'unità di tempo, dipende linearmente dalla frequenza di funzionamento.
Considerando le caratteristiche costruttive del dispositivo è ragionevole ipotizzare che siano tranquillamente accessibili pulsazioni di almeno 50Hz (3000rpm) e in questo caso la potenza risulterebbe amplificata di 50 volte (21,6J · 50Hz = 1080W).

Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Di seguito viene proposta una sequenza di fotogrammi che illustra in dettaglio la dinamica del movimento.

Per quanto appena visto, il volume delle due camere cambia nel tempo e lo stesso accade alla pressione. Riportando i vari punti in un piano cartesiano P-V si ottiene una figura simile a quella sottostante. Si tenga presente che le dimensioni e la forma del grafico dipendono da vari fattori fra cui fluido di lavoro, frequenza di funzionamento, pressioni e temperature operative, cilindrata e rapporto di compressione dell’espansore.

Il grafico mostra che sono presenti 6 trasformazioni:
1) adiabatica AB in colore rosso
2) isocora BC in colore celeste
3) isobara CFC in colore fucsia
4) adiabatica CD in colore blu
5) isocora DA in colore verde
6) isobara AEA in colore fucsia
La pressione al punto A (P_A) è la pressione all'immissione, mentre la pressione al punto C (P_C) è la pressione allo scarico.
Al punto A la luce di immissione si chiude e la pressione è al suo valore massimo P_A.
Dal punto A al punto B avviene un processo di espansione adiabatica che provoca un abbassamento della pressione fino al valore P_B.
Affinché il ciclo generi lavoro utile deve essere rispettata la condizione P_B>P_C come mostrato nel diagramma. Per questo motivo il rapporto di espansione (V_B/V_A) non è arbitrario, ma dipende delle condizioni operative previste.
Al punto B la luce di scarico si apre e la pressione si porta al valore presente allo scarico, cioè P_C.
Poiché il pistone arriva al punto C con una velocità non nulla, procederà ancora per un po’ nella stessa direzione per poi fermarsi e invertire il verso del moto.
Il volume della camera aumenta fino al valore V_F e poi ritorna al valore V_C mentre la pressione resta fissa al valore P_C.
Al punto C la luce di scarico si chiude e la pressione è al suo valore minimo P_C.
Dal punto C al punto D avviene un processo di compressione adiabatica che provoca un aumento della pressione fino al valore P_D.
Se la pressione di partenza dell'adiabatica di compressione (P_C) è più bassa della pressione finale (P_B) dell'adiabatica di espansione, la pressione alla fine della compressione adiabatica (P_D) sarà minore della pressione all'inizio dell'espansione adiabatica (P_A) (questo è sempre vero nell'ipotesi di trasformazioni reversibili, ma potrebbe non esserlo nel caso reale cioè in presenza di irreversibilità dei processi).
Al punto D la luce di immissione si apre e la pressione si porta al valore presente all'immissione (P_A).
Poiché il pistone arriva al punto A con una velocità non nulla, procederà ancora per un po’ nella stessa direzione per poi fermarsi e invertire il verso del moto.
Il volume della camera diminuisce fino al valore V_E e poi ritorna al valore V_A mentre la pressione resta fissa al valore P_A e il ciclo riprende con l’espansione adiabatica AB.

Anche se i due processi che avvengono durante la fase di immissione e durante quella di scarico sono stati identificati come isocori, dal punto di vista termodinamico rientrano nella categoria delle trasformazioni isoentalpiche. Tale informazione è determinante per impostare correttamente il calcolo del rendimento teorico del ciclo.
Per questo tipo di espansore non è possibile individuare una relazione semplice che permetta di calcolare le grandezze fisiche di interesse in quanto le energie in gioco, il lavoro utile e il rendimento dipendono fortemente dai parametri operativi e dal dimensionamento dell’espansore.

Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Nell’immagine che segue è rappresentato un modello tridimensionale di una configurazione free piston a doppia camera.

Il modulo è composto da 5 blocchi:
1) in colore verde la parte mobile in cui due pistoni di potenza sono vincolati fra loro da uno stelo il cui ingrossamento è un terzo pistone di diametro inferiore
2) in colore grigio il cilindro con una zona centrale di diametro ridotto che permette l’accoppiamento con il pistoncino dello stelo
3) in colore rosso il collettore di alimentazione
4 e 5) in colore blu i due collettori di scarico

Il pistoncino dello stelo svolge la duplice funzione di creare due camere distinte e gestire l’immissione di fluido compresso per ognuna di esse.
Sul cilindro sono presenti tre serie di fori. Quelli nella porzione centrale sono le luci di immissione del fluido compresso e vengono attivate dal pistoncino dello stelo. Le due serie disposte lateralmente costituiscono le luci di scarico e ciascuna di esse viene attivata dal corrispondente pistone di potenza.

Il dimensionamento dei vari componenti permette la sincronizzazione della luce di immissione di una camera con la luce di scarico dell’altra. Il fluido all’interno di ciascuna camera compie il medesimo ciclo termodinamico e la geometria costruttiva fa in modo che i due cicli risultino costantemente in opposizione di fase.
Nell’immagine proposta sopra, la camera di sinistra è in fase di scarico mentre quella di destra è in fase di immissione.

Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE I

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Nel ciclo Rankine il fluido di lavoro subisce un processo di vaporizzazione in cui passa dalla stato liquido allo stato aeriforme e un processo di condensazione in cui il fluido ritorna alla stato liquido. Il primo processo richiede l’immissione di calore mentre il secondo rilascia calore che deve essere smaltito.
Per essere sfruttabile ai fini di una conversione da energia termica in lavoro utile è indispensabile che i due processi avvengano a pressioni differenti e tale condizione implica che le due transizioni si realizzino a temperature diverse, più calda per la vaporizzazione e più fredda per la condensazione.
Il ciclo Rankine permette di separare fisicamente le zone in cui avvengono le due variazioni di fase: un serbatoio caldo in cui avviene la vaporizzazione del fluido pressurizzato e un serbatoio freddo che ospita la condensazione del fluido depressurizzato.
Il fluido pressurizzato passa dal serbatoio caldo al serbatoio freddo in fase aeriforme e ritorna alla camera calda in fase liquida.
Il primo processo è spontaneo e con un opportuno dispositivo che sfrutti l’espansione del fluido si estrae lavoro sotto forma di energia meccanica che a sua volta può essere ulteriormente convertita in energia elettrica.
Il secondo processo, cioè la pressurizzazione del liquido, non è spontaneo e richiede lavoro ovvero immissione di energia meccanica nel sistema.
Il seguente schema a blocchi illustra graficamente i concetti appena esposti.

Il passaggio chiave di tutto lo schema è costituito dall’estrazione dell’energia meccanica durante l’espansione del fluido pressurizzato in fase aeriforme: l’espansore volumetrico adiabatico trova applicazione in questo stadio.
Dal punto di vista meccanico il dispositivo è assimilabile al classico sistema pistone/cilindro. Delle valvole a luce sul cilindro e un’opportuna conformazione del pistone determinano l’immissione del fluido compresso in prossimità del Punto Morto Superiore (PMS) e lo scarico del fluido espanso in prossimità del Punto Morto Inferiore (PMI). I diversi valori di pressione fra il movimento di andata e quello di ritorno determinano un lavoro netto positivo per ogni ciclo di funzionamento.
Pur essendo possibile impiegare la stessa soluzione valvolare in configurazioni dotate di biella e manovella, questo approccio è stato tralasciato in quanto si ritiene più favorevole il bilancio complessivo associato alla modalità free piston.
Le configurazioni free piston sono costruttivamente più semplici e non soffrono del problema dell’usura causata dalle forze laterali tipiche dei sistemi biellati. Un alternatore lineare che riceve il movimento dal pistone dell’espansore provvede alla conversione dell’energia meccanica in energia elettrica. Nel free piston l’innovazione tecnologica incontra l’essenzialità costruttiva.

Il Colibrì – Contesto Commerciale

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

L’attuale listino energetico impone agli impianti di generazione elettrica svincolati dall’uso di combustibili nobili (come il gas naturale, il gasolio, la benzina e il GPL) un costo di investimento inferiore a 1 euro per ogni watt di potenza erogata per risultare competitivi.
Perciò, anche se in linea teorica qualunque sorgente termica potrebbe essere sfruttata per produrre energia elettrica, in pratica è necessario che l’operazione sia economicamente conveniente.
Attualmente la turbina a vapore costituisce l’unico esempio di macchina termica che soddisfa i requisiti economici, ma soffre di alcuni limiti di impiego.
Per quanto riguarda la potenza elettrica, la taglia minima è di circa 100kW perché al di sotto di questa soglia il costo della macchina diventa eccessivo.
Le pressioni di alimentazione sono dell’ordine di un centinaio di bar con temperature del fluido che possono raggiungere i 550°C. Questo rende gli impianti intrinsecamente pericolosi e la loro gestione deve essere affidata a personale qualificato.
Alla pericolosità dell’impianto si aggiunge inoltre la rumorosità del funzionamento.
La necessità di operare a pressioni e temperature elevate vincola l’impiego con sorgenti termiche ad alta entalpia.
Esistono tuttavia impianti a turbina di tipo ORC (Organic Rankine Cycle) che permettono di lavorare anche con sorgenti di calore a minore entalpia, ma sempre con potenze elettriche e pressioni elevate.
Dal punto di vista termodinamico il rendimento di una turbina è strettamente correlato alla sua velocità di rotazione e cala rapidamente quando la velocità si discosta dal valore ottimale. Questo rende indispensabile la presenza di un sistema di controllo che moduli il carico al fine di preservare le prestazioni.

Il Colibrì – Descrizione dell’Idea

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Il prezzo attuale dell’energia impone agli impianti di generazione elettrica, svincolati dall’uso di combustibili nobili (come il gas naturale, il gasolio, la benzina e il GPL), un costo di investimento inferiore a 1 euro per ogni watt di potenza erogata.
La necessità da soddisfare, per un futuro successo commerciale, è quindi quella di realizzare un sistema estremamente economico che sia anche durevole nel tempo.
In questo panorama emerge l’idea di un dispositivo di espansione di tipo alternativo, dimensionabile in funzione della potenza da erogare e con una meccanica essenziale caratterizzata dalla presenza di un’unica parte mobile.
La versatilità del ciclo Rankine a bassa pressione unita alla scalabilità dell’espansore ne fanno spaziare il campo di impiego dal settore industriale a quello domestico.
Per le grandi potenze elettriche la sovrapposizione alla nicchia delle turbine è solo parziale in quanto le minori pressioni necessarie per il funzionamento permettono di prelevare l’energia termica anche da sorgenti a bassa entalpia come ad esempio la geotermia presso zone termali e i cascami di calore. In altre parole questa tecnologia rende sfruttabili, ai fini della produzione di energia elettrica, sorgenti termiche altrimenti inutilizzate.
In ambito domestico, cioè per le piccole potenze elettriche (0,1kW-3kW), può trovare impiego in assetto cogenerativo nell’impianto di riscaldamento dell’abitazione in quanto ha l’ambizione di poter diventare la prima apparecchiatura economicamente conveniente ad apparire sul mercato.

Il Colibrì – Contesto Commerciale
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