Nei cicli di produzione dell’energia elettrica, per ridurre le emissioni inquinanti, è necessario raggiungere elevati livelli di efficienza energetica.

L’elettrificazione permetterà di ottenere, entro il 2050, la neutralità climatica solo attraverso la produzione di energia elettrica con basse emissioni inquinanti.

La transizione energetica, dalle fonti energetiche primarie di natura fossile come il carbone, il petrolio e il gas, verso una produzione sostenibile di elettricità sfruttando le fonti rinnovabili, permetterà di ridurre le emissioni di gas a effetto serra.

A fronte dell’aumento della domanda globale di elettricità, solo una produzione di energia elettrica sostenibile, con cicli a elevata efficienza energetica, può essere il binomio perfetto per ottenere la neutralità climatica.

Negli USA, un consorzio industriale formato dal Southwest Research Institute (SWRI), il GTI Energy, il GE e il dipartimento dell’energia degli stati Uniti, ha inaugurato l’innovativo progetto STEP Demo, per la produzione di energia con basse emissioni inquinanti.

Nella centrale dimostrativa ad alta efficienza, realizzata a San Antonio nel Texas, è stata prodotta energia elettrica con anidride carbonica supercritica, utilizzata come fluido di lavoro.

Con un costo di centocinquantacinque milioni di dollari, ottenuti con un finanziamento concesso dal consorzio industriale e un accordo di cooperazione da centoventiquattro milioni di dollari dal National Technology Laboratory, è stato realizzato l’impianto in grado di produrre dieci Mega-Watt di potenza elettrica.

Il progetto, per la produzione di energia elettrica, permetterà di sviluppare una tecnologia con elevata efficienza energetica e basse emissioni inquinanti.

CO₂ supercritica, efficienza energetica con emissioni ridotte

La CO₂ supercritica è una forma di anidride carbonica che si trova in uno stato fisico intermedio, tra il gassoso e il liquido.

Alle condizioni standard di temperatura e pressione dell’anidride carbonica, che corrispondono rispettivamente a trentuno gradi centigradi e 72,8 atmosfere, è possibile individuare i singoli stati fisici della CO₂.

Con valori di temperatura e pressione superiori alle condizioni standard, l’anidride carbonica assume uno stato gassoso, caratterizzata da densità simile a quella di una sostanza liquida.

In queste condizioni, con temperatura e pressione molto elevate, l’anidride carbonica assume lo stato tipico della CO₂ supercritica.

Il fluido, particolarmente stabile, economico e non infiammabile, può essere utilizzato come fluido di lavoro nel ciclo termodinamico Brayton, per la produzione di energia elettrica.

Con emissioni inquinanti notevolmente ridotte, rispetto al ciclo termodinamico Rankine che prevede l’utilizzo di combustibili fossili, per riscaldare l’acqua utilizzata come fluido di lavoro, la CO₂ supercritica garantisce elevata efficienza energetica.

Produzione di energia elettrica con emissioni ridotte

La centrale dimostrativa, per la produzione di energia elettrica di San Antonio, utilizza la CO₂ supercritica come fluido di lavoro per attivare la turbina, collegata meccanicamente al generatore elettrico.

La CO₂, in condizioni standard di temperatura e pressione, è stoccata allo stato gassoso in appositi serbatoi.

Utilizzando le fonti energetiche rinnovabili, come il solare a concentrazione al posto delle fonti energetiche primarie di natura fossile, è possibile aumentare i valori di temperatura e pressione dell’anidride carbonica, ottenendo CO₂ supercritica.

Il fluido di lavoro, ottenuto con ridotte emissioni inquinanti e con elevata efficienza energetica, assume uno stato fisico simile a un gas e con densità caratteristica di un liquido.

Stoccata in serbatoi ad alta pressione, la CO₂ supercritica permette d’immagazzinare enormi quantità di energia meccanica.

Utilizzata per la produzione di energia elettrica, con elevata efficienza energetica ed emissioni inquinanti ridotte, la CO₂ supercritica ad alta pressione è convogliata in una turbina.

L’espansione del fluido di lavoro attiva il movimento rotatorio della turbina che, meccanicamente connessa con un generatore elettrico, produce energia elettrica con elevata efficienza energetica e basse emissioni inquinanti.

Una tecnologia sostenibile con elevato rendimento

Con centocinquantacinque milioni di dollari d’investimento, erogati sia dal consorzio industriale formato dal Southwest Research Institute (SWRI), il GTI Energy, il GE e il dipartimento dell’energia degli stati Uniti sia dal National Energy Technology Laboratory, la costruzione dell’impianto sperimentale è stata avviata nel 2018.

L’impianto di San Antonio nel Texas, concluso nel 2020, può essere considerato il sito per la produzione di energia elettrica, con anidride carbonica supercritica, più grande al mondo.

Con il ciclo Brayton, che prevede l’utilizzo della CO₂ supercritica come fluido di lavoro, l’impianto garantisce un’efficienza energetica del dieci percento superiore rispetto agli impianti termo-elettrici, basati sul ciclo termodinamico Rankine.

Sostituendo le fonti energetiche fossili con le fonti rinnovabili, necessarie per raggiungere i valori di temperatura e pressione idonei per ottenere l’anidride carbonica supercritica, si ottiene sia la riduzione delle emissioni inquinanti sia un aumento dell’efficienza energetica nella produzione di energia elettrica.