Analisi prestazionale di impianti di potenza per lo sfruttamento di risorse geotermiche ad alta e media entalpia

In this work, I have analyzed the performances of the main technologies for geothermal power generation. After an introduction on the origins and classifications of geothermal sources and an overview of the various types of plants existing today, I have made a performance analysis of the plants with the aid of Aspen Plus, a simulation software. I studied three direct power plant: single flash, double flash and single flash with carbon dioxide separation at the exit from the well. Analysis shows that high concentrations of carbon dioxide and low temperatures of the fluid penalize single flash, in these conditions is better to use the other two plants. The main disadvantage of direct cycles is that the geothermal fluid comes into direct contact with the engines of the plant, and there may be the risk of release of polluting gases into the environment. Therefore, I have analyzed a binary system with the work cycle, in this case an organic Rankine cycle, coupled to a closed geothermal loop. I studied three types of ORCs: simple saturated steam, recuperative, and two pressure levels. I have analyzed different working fluids in order to determine which one behaves better at the various temperatures of the geothermal fluid (110 ° C, 130 ° C, and 150 ° C). Finally, I studied two innovative plants: a flash-ORC hybrid system and an Enhanced Geothermal System. In the first plant, hot geothermal liquid from the flash is the heat source for an ORC, thus increasing the power and efficiency of the entire system. In the EGS plant, the carbon dioxide from a USC plant warms up inside a hot dry rock well, therefore enters in a gas turbine and then becomes a heat source for a standard ORC.

In questo lavoro vengono studiate le prestazioni delle principali tecnologie per la generazione di potenza da pozzi geotermici. Dopo una introduzione sulle origini e classificazione delle fonti geotermiche e una panoramica sulle varie tipologie di impianto oggi esistenti, è stata fatta un’analisi prestazionale degli impianti con l’ausilio del software di simulazione Aspen Plus. Gli impianti a ciclo diretto presi in considerazione sono stati: a singolo flash, a doppio flash, a singolo flash con separazione della CO2 all’uscita dal pozzo. Dalle analisi risulta che il singolo flash sia molto penalizzato ad alte concentrazioni di anidride carbonica e basse temperature del fluido, condizione nelle quali è meglio utilizzare gli altri due impianti. Il principale svantaggio dei cicli diretti è il contatto diretto tra il fluido geotermico e le macchine dell’impianto, inoltre può esserci il rischio di rilascio di gas inquinanti nell’ambiente. Sono stati quindi analizzati degli impianti binari in cui il ciclo di lavoro, in questo caso un organic Rankine cycle, è accoppiato al fluido geotermico che circola in un sistema chiuso, senza rischio di perdite in ambiente. Sono stati presi in considerazione tre tipologie di ORC: semplice a vapore saturo, recuperativo, e a due livelli di pressione. L’analisi è stata fatta per diversi fluidi di lavoro allo scopo di stabilire quale si comporti meglio alle varie temperature del fluido geotermico (110°C, 130°C, 150°C). Infine sono stati studiati due impianti innovativi: un impianto ibrido flash-ORC nel quale il liquido geotermico uscente dal flash ancora molto caldo viene raffreddato fornendo calore ad un ORC, incrementando così la potenza e il rendimento dell’intero impianto; e un Enhanced Geothermal System nel quale l’anidride carbonica proveniente da un impianto USC è usata come fluido vettore di calore all’interno di un pozzo hot dry rock, la CO2 calda viene prima fatta espandere in una turbina a gas e quindi raffreddata in un impianto ORC standard.