IL RUOLO CHIAVE DELLA PROGETTAZIONE DEL COMPRESSORE NEI SISTEMI DI POTENZA A CO2 SUPERCRITICA

The growing focus on emissions and energy savings is driving research increasingly towards technologies related to energy efficiency or heat recovery from existing systems. Among these technologies, supercritical CO2 cycles stand out particularly as they are ideally suited for heat recovery in cascade systems or from low to medium temperature heat sources due to their high efficiency, low cost, and very compact size. The use of supercritical CO2 in Brayton-Joule cycles offers, in addition to performance and practicality advantages, technical design challenges, as the compressor's proper functioning requires operation near the critical point. This condition renders traditional design methods ineffective due to the significant changes in fluid characteristics near this point. This thesis will discuss the operation of the Brayton-Joule cycle for electricity production, analyzing its functionality and the use of SCO2 (supercritical CO2) compared to the most commonly used working fluids today. The aim is to better understand the advantages and challenges associated with SCO2. Special attention will be given to the critical issues related to compressors in systems using SCO2 and possible solutions to address them. The final goal is to present a mathematical model suitable for the sizing and design of an SCO2 compressor, accounting for the differences in behavior and challenges discussed in the thesis.

La crescente attenzione sui temi delle emissioni e del risparmio energetico sta portando la ricerca a concentrarsi sempre di più su tecnologie legate all’efficientamento energetico o al recupero termico da impianti già esistenti. Tra queste tecnologie spiccano particolarmente i cicli a CO2 supercritica che si prestano in maniera ottimale al recupero di calore in impianti a cascata o da fonti di calore a bassa o media temperatura grazie alla loro alta efficienza, basso costo e dimensioni molto compatte. L’utilizzo di CO2 supercritica in cicli brayton joule presenta, oltre a vantaggi legati a prestazioni e praticità, delle difficoltà tecniche di progettazione in quanto per il corretto funzionamento del compressore è necessario operare vicino al punto critico, condizione che rende il metodo classico di progettazione del design non efficace visto i rilevanti cambiamenti delle caratteristiche del fluido all’avvicinarsi a tale punto. In questa tesi si discuterà del funzionamento del ciclo brayton joule per la produzione di energia elettrica, del suo funzionamento, si analizzerà poi l’utilizzo della SCO2 (CO2 supercritica) confrontandola con i fluidi di lavoro più utilizzati ad oggi per capire più nel dettaglio quali sono i vantaggi e le problematiche che comporta. Verrà poi posta particolare attenzione sulle criticità legate al compressore per impianti utilizzanti SCO2 e su delle possibili soluzioni a quest'ultime. L'obbiettivo finale è poi presentare un modello matematico adatto al dimensionamento ed il design di un compressore a SCO2 che tenga conto delle differenze nel comportamento e problematiche che verrranno affrontate nella tesi.