Modellistica e controllo di un impianto ibrido a turbina a gas integrata con un ricevitore solare per la produzione di energia elettrica

Despite the attention toward solar thermal power generation systems is grown up in the last decade, the hybrid open solar Brayton cycle remains a underrated but promising technology. In particular, only few small size projects have been made operative, but have demonstrated the feasibility of using a solar tower to heat the pressurized air flow of a gas turbine. The porpose of this thesis is to investigate the integration of a solar energy receiver into a standard gas-turbine power plant. Due to the random characteristics of the solar energy production, such integrated plant leads to peculiar control problems requiring specific configurations. The thesis presents the plant model and discusses the main control issues.

Obiettivo di questa Tesi è stato quello di studiare il sistema di controllo per un impianto per la produzione di energia elettrica, solare termodinamico a concentrazione integrato con una turbina a gas. Preliminarmente è stato necessario determinare le caratteristiche di dell'impianto e costruirne il modello matematico. In particolare sono stati scelti e dimensionati, il tipo di turbina a gas, il tipo di ricevitore solare, il tipo e le dimensioni del campo specchi, della torre solare. Nonostante l'attenzione verso il solare termodinamico per la generazione di energia elettrica sia in crescendo negli ultimi anni, l'utilizzo di un ciclo Brayton ibrido solare-gas rimane un'opzione sottovalutata, ma molto promettente. In questi impianti l'aria all'uscita del compressore di un turbogas è inviata ad un ricevitore collocato in cima ad una torre, dove un sistema di eliostati posti a terra riflette e concentra la radiazione solare. L‘aria riscaldata nel ricevitore ad una temperatura di circa 800-900°C è condotta nella camera di combustione del turbogas, ulteriormente riscaldata fino a 1300-1400°C con l'iniezione di combustibile (ad esempio il gas naturale o il biogas) ed infine espansa in turbina, producendo così potenza elettrica con un con un risparmio di combustibile pari a circa il 40 %. Il ciclo termodinamico è paragonabile a quello di un turbogas tradizionale e così è anche il rendimento di primo principio, sebbene leggermente peggiorato dalle perdite di carico aggiuntive dovute alle tubazioni da e verso la torre e del ricevitore solare stesso. L‘iniezione di combustibile in camera di combustione permette di mantenere la potenza elettrica generata costante, anche se la radiazione solare varia nel tempo o è totalmente assente (per esempio di notte). In questo modo vengono minimizzati i disturbi sulla rete elettrica a cui è connesso l'impianto, a differenza della più tradizionale tecnologia fotovoltaica la cui intrinseca imprevedibilità di generazione è spesso causa di instabilità per la rete. Complicando la configurazione dell‘impianto si possono ottenere ulteriori vantaggi. L'installazione di un sistema di accumulo termico è in grado di mantenere elevata la temperatura d'ingresso in camera di combustione e allungare il periodo di produzione con risparmio di combustibile anche oltre il tramonto. Inoltre il calore disponibile all'uscita dalla turbina, sotto forma di gas di scarico caldi, può essere utilizzato per alimentare un ciclo a vapore a recupero e incrementare ulteriormente il rendimento totale, oppure per far funzionare l'impianto in assetto cogenerativo alimentando ad esempio un processo di dissalazione o altri processi industriali. A differenza delle altre tecnologie solari termiche a concentrazione che utilizzano un ciclo Rankine per produrre energia elettrica, un ciclo ibrido Brayton ha la possibilità di utilizzare il flusso termico solare con più efficienza, senza circuiti intermedi, quindi a pari potenza prodotta, il campo specchi, che è il componente più costoso di una centrale solare, può essere ridimensionato. Dato che il fluido termovettore è aria compressa, la temperatura massima del ricevitore solare non è limitata, a differenza degli impianti solari che lavorano con sali fusi o olio diatermico, anche se per aumentare il necessario scambio termico sono richieste ampie superfici di scambio o l'utilizzo di costosi ricevitori volumetrici. Inoltre, dato che nella configurazione a ciclo semplice il consumo di acqua è praticamente nullo, questa tecnologia può essere installata anche in territori aridi e desertici, dove l'irradiazione solare annua è molto elevata, ma c'è scarsità di acqua. Infine i tempi di avviamento di un impianto turbogas sono molto brevi 3 (nell'ordine di 20 minuti) e permettono di avviare l'impianto solo quando è presente la radiazione solare e di spegnerlo quando essa viene a mancare. I primi prototipi di turbine a gas ibride risalgono all'inizio degli anni 2000, quando fu avviato il progetto SOLGATE alla Plataforma Solar di Almeria. A questo progetto, che dimostrò la realizzabilità della tecnologia, seguirono la costruzione in Israele dell'―AORA's solar flower tower‖, che è il primo impianto costruito, l'avvio del progetto PEGASE in Francia, che è il primo prototipo capace di produrre più di 1 MWe, e il futuro avviamento del progetto SOLUGAS, che sarà il più grosso impianto di questo tipo mai realizzato. In quest'ottica si inserisce il progetto qui proposto, il cui scopo consiste nello studio di soluzioni tecniche per la produzione di energia elettrica da un impianto turbogas ibrido gas-solare di taglia ritenuta commercialmente conveniente (50 MWe). In particolare obiettivo di questa Tesi è stato quello di studiare il sistema di controllo dell‘impianto. Il primo passo è consistito nel determinare le caratteristiche dell'impianto in cui il sistema di controllo dovrà funzionare. In particolare sono stati scelti e dimensionati, il tipo di turbina, il tipo di ricevitore solare in cui l'aria viene riscaldata ed il tipo e le dimensioni del campo specchi, della torre solare e dei tubi di collegamento.