• cicli supercritici a CO2
• cicli transcritici a CO2
• offshore
• sensitività
• waste heat recovery

Il recupero e l’utilizzo dei gas di scarico dei cicli di produzione di potenza è una tematica di interesse crescente, poiché permette di aumentare l’energia ottenuta da processi che coinvolgono combustibili fossili. In questo lavoro sono stati analizzati tre impianti di alimentazione per le piattaforme petrolifere nelle acque norvegesi. I tre complessi di piattaforme presi in considerazione si chiamano Troll, Ormen Lange ed Aasta Hansteen, sono situati lontano dalla costa, risultando sistemi isolati dal punto di vista energetico. Le specifiche fondamentali per questo tipo di applicazione sono un’elevata potenza specifica e la compattezza dei componenti, per questo gli impianti installati sono turbine a gas GE LM-2500+. Le condizioni dei gas esausti variano in funzione del carico richiesto dalla piattaforma stessa, ma in ogni caso risultano interessanti per il recupero di calore. Considerate le specifiche richieste e le caratteristiche della sorgente di calore i cicli innovativi che utilizzano anidride carbonica come fluido operativo sono un candidato interessante. In questi impianti l’anidride carbonica viene portata in condizioni supercritiche in modo da sviluppare caratteristiche termodinamiche vantaggiose ai fini di produrre potenza. Dal momento che si tratta di una tecnologia non particolarmente consolidata sono state analizzate diverse configurazioni di ciclo possibili, fra queste sono state selezionate le tre che più rispettano i requisiti di ingombro: supercritico rigenerato (SRC), transcritico rigenerato (TRANS), supercritico parzialmente riscaldato (P-HEAT). Come tutti i cicli termodinamici questi producono lavoro scambiando calore con due sorgenti a diversa temperatura secondo i principi della termodinamica. Lo studio delle caratteristiche della sorgente calda e quindi dei gas esausti non è interesse di questo lavoro. L’acqua del mare viene usata come sorgente a bassa temperatura e sulle sue caratteristiche è stata impostata un’analisi di sensitività. La temperatura dell’acqua dipende dalle coordinate geografiche e dalla profondità di pompaggio, per questo in ogni sito sono state analizzate le temperature superficiali e a diverse profondità attenendosi ad un gradiente di temperatura. Le configurazioni degli impianti selezionati sono state riportate sul software Aspen Hysys per poterne eseguire il design e massimizzare la potenza netta ottenuta. Le taglie degli impianti variano da 6,7 MW fino a 9,7 MW. Successivamente per ogni ciclo ed ogni profondità sono state monitorate le potenze richieste dalla pompa necessaria a fornire l’acqua di raffreddamento, le dimensioni degli scambiatori, i rendimenti di primo principio. Inoltre, sono state scelte una profondità ed una temperatura media fra quelle analizzate per riportare le curve di scambio termico dei vari scambiatori ed effettuare un paragone fra le dimensioni delle turbine delle tre tipologie di ciclo. In base ai risultati così ottenuti è stato possibile scegliere la combinazione di impianto e profondità di pompaggio più adatta per ogni sito. Le configurazioni sono state selezionate in funzione della potenza netta e dell’accettabilità delle dimensioni degli scambiatori. In generale si è osservato che il raffreddamento con acqua superficiale è la tecnologia più adatta con gli SRC dal momento che le dimensioni degli scambiatori sono comunque contenute e che la potenza diminuisce all’aumentare della profondità di pompaggio. Anche la potenza dei P-HEAT è massimizzata con pompaggi superficiali, ma in questo caso gli scambiatori possono raggiungere dimensioni non accettabili per le piattaforme. Il migliore compromesso in termini di dimensione degli scambiatori e potenza prodotta è raggiunto pompando l’acqua di raffreddamento a media profondità. Per la configurazione transcritica invece, l’aumento della profondità di prelievo dell’acqua di raffreddamento consente un miglioramento sia delle performance termodinamiche che nelle dimensioni: la riduzione di temperatura dell’acqua di mare a profondità maggiori consente di operare a temperature di condensazione inferiori rispetto al pompaggio superficiale con un conseguente miglioramento nelle performance del ciclo ed una riduzione delle superfici di scambio. Infine, è stata effettuata un’analisi exergetica dei tre candidati per capire come la distruzione di exergia venga distribuita fra i vari componenti dei cicli.