Gli scambiatori di calore trovano applicazione anche nel settore delle energie alternative. Un’interessante applicazione sviluppata da Tempco ha riguardato l’implementazione di uno scambiatore nel banco per i test di prova di un innovativo impianto solare termico a concentrazione.
Il solare termico a concentrazione è una tecnologia che sfrutta un concentratore, o collettore solare, un dispositivo che provvede a raccogliere la radiazione solare da grandi spazi tramite pannelli riflettenti dalla studiata conformazione. Lo specifico progetto di concentratore solare parabolico assiale, nato dall’iniziativa di un gruppo di ricerca in ambito accademico nelle Marche, comportava l’esigenza di misurare l’efficienza del sistema attraverso un banco prova dotato di un adeguato scambiatore di calore che rispondesse a requisiti ben definiti: il PTC.testbench (dove PTC sta per parabolic trough collector) deve essere in grado di provare i concentratori in un ampio range di temperature (da 15 a 150°C). La macchina termica deve inoltre lavorare sia con olio diatermico sia con acqua come fluidi termovettori.
Per soddisfare le esigenze applicative, è stato costruito uno scambiatore a piastre dimensionato sulle condizioni più gravose e verificato per tutte le condizioni di carico, con piastre saldobrasate al nickel per resistere alle temperature più elevate ed evitare corrosione in presenza di acqua demineralizzata. Per farlo arrivano in aiuto progetti come EuroPaTMoS, iniziativa di ricerca europea realizzata nell’ambito del programma Horizon 2020 e condotta da 9 partner tra aziende, istituti e università, tra cui l’agenzia italiana ENEA. L’obiettivo del progetto? Riunire le competenze e le infrastrutture di test europee per accelerare l’industrializzazione dei collettori parabolici a sali fusi.
Avviato nel 2021 con un budget di oltre 3 milioni di euro, EuroPaTMoS oggi si appresta a tirare le somme, creando un collegamento stabile per ulteriori future azioni comuni di ricerca e sviluppo in questo segmento tra i paesi partecipanti. Ossia Germania, Spagna e Portogallo e Italia.
La tecnologia dei collettori parabolici a sali fusi si basa sull’attuale tecnologia commerciale degli impianti a collettori parabolici lineari ad olio, spiega il responsabile del progetto per ENEA, Walter Gaggioli, che dirige la Divisione Smart sector integration e generazione distribuita da FER. “Il progetto si propone di accelerare il trasferimento dalla ricerca e sviluppo all’implementazione commerciale riducendo i rischi tecnologici connessi all’impiego di macro-tecnologie, con un TRL 5 la cui fattibilità è già stata ampiamente dimostrata a livello di impianto pilota”.
Il progetto ha come obiettivo quello di creare un concetto di controllo del processo basato su un campo solare virtuale, da convalidare su un circuito di collettori di dimensioni reali che consenta la simulazione hardware-in-the-loop di un campo CSP completo. Inoltre sta lavorando per sviluppare e dimostrare procedure O&M per operazioni eccezionali relative ai sali fusi e progettare un tubo ricevitore ad alte prestazioni, convalidandolo nell’ambiente. In questo contesto ENEA seguirà dei test sul funzionamento di alcuni componenti critici dell’impianto al fine del loro utilizzo in circuiti a sali fusi, senza aumentare il livello di rischio tecnologico dovuto a malfunzionamenti o rotture in esercizio.
La scelta dei materiali (es. gli scambiatori di calore sono componenti fondamentali in innumerevoli processi industriali, come la propulsione navale, la raffinazione del petrolio, la climatizzazione e la produzione di energia) è cruciale per la durabilità e l’efficienza. Le soluzioni tipiche includono fascio di tubi racchiuso in un guscio cilindrico, con importanti riferimenti alle linee guida ASHRAE e alle norme come ASME Boiler & Pressure Vessel Code e TEMA per la progettazione di scambiatori a vapore e liquidi. La scelta dei materiali influisce direttamente su durata ed efficienza dello scambiatore; la pulizia e le ispezioni regolari sono fondamentali. Dalle leghe di rame al titanio, dalla criogenia all’HVAC, gli scambiatori di calore sono fondamentali in ogni settore.
La tecnologia a concentrazione di energia solare (CPS) rappresenta uno dei modi più promettenti per sfruttare e immagazzinare l’energia solare, anche se risulta essere uno dei modi più complessi. La CPS impiega una configurazione a specchio per concentrare l’energia della luce su un ricevitore e convertirla in calore, che viene quindi impiegato per processi industriali o per guidare una turbina. A differenza di altre fonti rinnovabili, quali l’energia eolica, può produrre energia in base al fabbisogno poiché può essere dotata di sistemi di accumulo dell’energia termica.
Gli attuali serbatoi in acciaio contenenti i sali fusi utilizzati negli impianti CPS sono dispendiosi e spesso inaffidabili poiché le loro piastre d’acciaio e i cavi di saldatura si corrodono e ad alte temperature appaiono crepe. Inoltre, con il passare del tempo i basamenti in argilla si depositano, permettendo la fuoriuscita dei sali fusi. I nuovi serbatoi a sali fusi di TANKRETE possono essere sia di forma cilindrica che a prisma e sono provvisti di un sistema di fondazione coibentato realizzato con calcestruzzi termici brevettati. All’interno della fondazione sono presenti camere d’aria per limitare la perdita di energia. Grazie al suo spessore e alla sua rigidità risulta più stabile e resistente alla corrosione, afferma Ramirez. La progettazione ha attirato l’interesse dei principali attori del settore energetico tra cui le aziende cinesi Supcon e Power China, l’azienda danese Aalborg e le aziende spagnole Acciona e Abengoa. Ramirez è stato invitato a presentare i serbatoi in occasione della conferenza CSP Focus Innovation che si svolgerà a ottobre. Inoltre, i serbatoi potrebbero essere utilizzati al di fuori del settore CPS, in qualsiasi impianto che faccia uso di processi termodinamici ad alte temperature, e potrebbero essere inseriti in fabbriche di qualsiasi dimensione, installati sia fuori terra che interrati, persino se sono già in funzione.
«Grazie alle nostre “unità di potenza” è possibile accumulare energia termica da utilizzare in altri processi», afferma Ramirez. I reattori a sali fusi (Molten Salt Reactors, MSR) sono una tipologia di reattore avanzato (cosiddetto di IV generazione). Sebbene il concetto non sia nuovo, gli MSR hanno attirato rinnovata attenzione dall’industria nucleare in concomitanza con l’affacciarsi sulla scena dei reattori modulari di piccola taglia (SMR). Questi reattori, pur annoverando alcune caratteristiche più che desiderabili, non hanno mai sfondato sulla scena della produzione di energia elettrica, in particolare per l’incertezza regolatoria e per difficoltà nell’instaurare la filiera di alcune componenti. L’incertezza regolatoria è anche dovuta ad alcune criticità dell’utilizzo di combustibile liquido anche dal punto di vista della proliferazione, ovvero del possibile uso del combustibile nucleare per scopi bellici.
I principali punti forti di un MSR sarebbero l’efficienza e la sicurezza: il reattore opererebbe a temperature molto più elevate dei reattori tradizionali, consentendo la produzione, oltre che di maggiore energia elettrica per unità di potenza termica, anche di calore industriale utilizzabile per svariati processi. Di contro, la pressione di operatività del reattore sarebbe più bassa, riducendo di molto il rischio di esplosioni chimiche in caso di incidente e quindi limitando le possibilità di dispersione di radionuclidi in atmosfera in situazioni incidentali. Inoltre, molti concetti di MSR presenterebbero la caratteristica per cui il combustibile si espande all’aumentare della temperatura, divenendo meno reattivo e quindi stabile in caso di situazioni incidentali: questa automodulazione della potenza è una caratteristica molto appetibile anche per inserire il reattore in reti con presenza di energia rinnovabile intermittente che quindi richiedono capacità di bilanciamento del carico (load following).
Un’altra caratteristica di sicurezza sarebbe la presenza di un “tappo” termosensibile che in caso di temperature troppo elevate si apre automaticamente facendo drenare tutto il combustibile in dei serbatoi sub-critici dove la reazione di fissione si estingue. Inoltre, i reattori a sali fusi possono in principio usare combustibile di provenienza diversa, non solo uranio ma anche torio fertile e prodotti transuranici quali quelli presenti nel combustibile esausto dei reattori tradizionali, caratteristica questa che li renderebbe potenzialmente più economici e anche in grado di contribuire al riciclaggio dei rifiuti nucleari prodotti da altre tipologie di reattore, riducendone quindi la radioattività a lungo termine e le difficoltà di stoccaggio.
L’economicità di questi reattori è però l’aspetto più controverso: se da un lato le caratteristiche sopra menzionate, unitamente alla caratteristica del combustibile fuso sono un potenziale vantaggio economico, d’altro lato alcune complessità intrinseche e ancora irrisolte, come l’elevata corrosione che si sviluppa nei materiali e le costose operazioni di manutenzione della parte chimica dell’impianto, che tuttavia è radioattiva, costituiscono l’altra faccia della medaglia capace di vanificare ogni vantaggio.
Il primo MSR commerciale potrebbe vedere la luce in Cina: la tigre asiatica lavora a un reattore a sali fusi alimentato a torio dal 2011 e il reattore dimostrativo da ~100 MW dovrebbe entrare in funzione nel 2024. Sul fronte invece dei reattori modulari a sali fusi, è invece la canadese Terrestrial Energy ad essere allo stadio più avanzato, ovvero quello di pre-licensing presso l’autorità nucleare canadese per il suo IMSR.
