In un impianto moderno investire nel risparmio energetico significa non solo minor consumo di energia, ma anche minor spreco, favorendo trasformazioni e recuperi tra le diverse forme di energia impiegate.
Per recuperare quell’energia che normalmente viene dissipata nei sistemi tradizionali, l’utilizzo di espansori rappresenta un’opzione all’avanguardia: questa soluzione consente di recuperare dal 100% di energia termica l’85% di energia elettrica, mentre le tecniche convenzionali di produzione di elettricità convertono solo il 35% dell’energia primaria.
Spesso nelle industrie chimiche di processo una notevole quantità di energia viene sprecata nelle valvole di controllo della pressione, dove i fluidi ad alta pressione devono subire una riduzione della pressione. A seconda di vari fattori tecnici ed economici, può essere possibile trasformare questa energia in energia meccanica che può essere utilizzata per azionare un generatore elettrico o un’altra macchina.
Nel caso di fluidi incomprimibili (liquidi) questo si ottiene utilizzando turbine idrauliche, mentre per i fluidi comprimibili (gas) si impiegano espansori. Esistono molti tipi diversi di espansori in base alla geometria e tipologia di applicazione (vedi figura seguente a titolo di esempio).

Pistone turboespansore. I turboespansori a pistone e a pistone rotante funzionano prendendo gas ad alta pressione e convertendo la sua energia immagazzinata in energia rotazionale attraverso un albero motore.
Turboespansori a trascinamento. I turboespansori a trascinamento sono costituiti da una cavità concentrica con speciali alette a forma di “paletta”, fissate alla periferia dell’elemento rotante. Sono progettati in modo molto simile a una ruota idraulica, ma la cavità concentrica aumenta gradualmente in sezione trasversale dall’ingresso all’uscita, consentendo l’espansione del gas.
Turboespansore radiale. I turboespansori radiali sono progettati con prese d’aria a flusso assiale e uscite a flusso radiale, in modo tale che il gas venga espanso radialmente attraverso la girante della turbina. Allo stesso modo, le turbine a flusso assiale espandono il gas attraverso la ruota della turbina ma la direzione del flusso rimane parallela all’asse di rotazione.

Applicazioni particolari dei turbo espansori
Sono numerose le applicazioni di questo genere che hanno lo scopo di recuperare energia: i turboespansori si trovano tipicamente nei seguenti tipi impianti:
Gas di petrolio liquefatto (GPL)
Liquidi di gas naturale (GNL)
Sistemi di controllo del punto di rugiada (DPC)
Gas naturale liquefatto (GNL)
Riduzione e regolazione della pressione
Da una funzione di riduzione della pressione, gli espansori possono essere utilizzati anche per sostituire una valvola Joule-Thomson (J-T), nota anche come “valvola di strozzamento”. Questo è particolarmente utile nei processi criogenici volti a ridurre la temperatura del gas.
Nei casi in cui vi sia un limite inferiore alla temperatura del gas in uscita (ad esempio, nelle stazioni di scarico della pressione) è aggiunto un riscaldatore impiegato per controllare l’energia termica del gas. Quando un preriscaldatore è posto a monte dell’ingresso dell’espansore, parte dell’energia fornita al gas viene recuperata anche nell’espansore, aumentandone così la potenza erogata. In alcune configurazioni nelle quali è essenziale il controllo della temperatura, per garantire un controllo più rapido in uscita è possibile installare un secondo post riscaldatore dopo l’espansore.
Di seguito un esempio di impianto in cui gli espansori sono essere utilizzati anche per sostituire una valvola Joule-Thomson (J-T).

Recupero di energia nell’espansione del gas metano
Nell’industria del gas, valvole di riduzione decomprimono il gas naturale per fornirlo alle reti di distribuzione: l’energia del gas in pressione può essere utilmente recuperata mediante espansione in turbine accoppiate ad alternatori, ottenendo, in questo modo, elettricità. Il turboespansore è la macchina motrice che consente il recupero dell’energia potenziale e cinetica posseduta dal gas naturale prima dell’espansione (vedi schema sottostante).
Nei metanodotti il gas viene trasportato a pressioni elevate (40-70 bar), ma nei luoghi di distribuzione deve essere decompresso (2-20 bar). Riduttori e regolatori di pressione compiono una regolazione del gas fino alla pressione desiderata, mantenendola costante al variare della portata (in caso di elevati salti di pressione è inoltre necessario preriscaldare il gas). L’energia meccanica di pressione posseduta dal gas viene tutta dissipata in calore. Tale energia può invece essere ampiamente recuperata facendo espandere il gas in una turbina capace di generare potenza meccanica, nonostante sia necessario spendere maggiore energia termica per il preriscaldamento.
Mediante l’espansione si è in grado di recuperare, per ogni chilo di gas fluente, un’energia meccanica pari a un’identica quantità di energia termica, al netto del rendimento degli scambiatori.
Il rendimento della trasformazione è almeno raddoppiato rispetto alle tradizionali macchine termiche o centrali termoelettriche, grazie al recupero dell’energia spesa a monte, che altrimenti andrebbe perduta. Il bilancio energetico è positivo e l’impatto ambientale minimizzato, dato che non sono richiesti consumi di combustibile pregiato per la produzione di elevate temperature, come nelle centrali termoelettriche, necessitando solo di un riscaldamento a 80-90° (facilmente ottenibile da residui energetici di basso pregio, o tramite caldaie, teleriscaldamento o cogenerazione).
I turboespansori possono essere accoppiati con un secondo generatore di potenza come una cella a combustibile o un generatore di combustione a combustibile convenzionale. Questo generatore secondario produce calore di scarto che può essere utilizzato per compensare l’effetto di raffreddamento del turboespansore. Come è evidente, questa simbiosi tra il turboespansore e il generatore secondario aumenta notevolmente l’efficienza netta dell’intero sistema.

FONTI:
Sebastiano Giardinella, Edwin Diaz, Freddie Sarhan and Scott Sakakura , “Improve energy efficiency using expanders” Chemengonline, April 1, 2021
Giardinella, S., Chung, K., López, D., and Ávila, M., “Improve Energy Efficiency using Hydraulic Power Recovery Turbines” Chem. Eng., June 2017.
http://www.turbinde.eu/