CE 2020 | GEOHEX: Materiali avanzati e test di performance per scambiatori geotermici di nuova generazione
GEOHEX è un progetto europeo che mira a rivoluzionare le tecnologie per gli scambiatori di calore impiegati negli impianti geotermici, riducendone i costi e migliorandone efficienza, resistenza alla corrosione e capacità anti-scaling. L’obiettivo è superare le limitazioni imposte dall’uso di leghe speciali come inox e titanio, materiali robusti ma costosi e spesso vulnerabili ai depositi minerali della salamoia geotermica. La strategia GEOHEX si basa sull’impiego di acciai al carbonio a basso costo rivestiti con nanocoating avanzati, capaci di incrementare le prestazioni termiche e ridurre fenomeni di fouling.
All’interno del consorzio, Spike ha avuto un ruolo centrale nella progettazione e realizzazione delle tre piattaforme di test destinate a misurare l’effettiva efficacia dei materiali e dei rivestimenti innovativi in condizioni reali di scambio termico, sia in fase singola sia in condensazione ed evaporazione.
Perché servono nuovi materiali per gli scambiatori geotermici
Gli scambiatori di calore sono tra i componenti più critici e costosi di un impianto geotermico. I geofluidi ad alta temperatura causano fenomeni di corrosione e incrostazione, con conseguente perdita di efficienza, aumento dei costi di manutenzione e necessità di frequenti pulizie. Gli attuali materiali a elevata resistenza chimica hanno però bassa conducibilità termica e un costo molto elevato. GEOHEX affronta il problema sviluppando superfici nanostrutturate che aumentano la superficie attiva di scambio e controllano bagnabilità, rugosità e comportamento del fluido nelle fasi di condensazione ed ebollizione.
Il contributo di Spike: tre piattaforme di test per validare materiali e rivestimenti
Spike ha progettato e realizzato tre test rig completi, per scambio termico in singola fase (WP2), condensazione (WP3) ed evaporazione (WP4), necessari per caratterizzare le prestazioni delle superfici nanoporose sviluppate nel progetto. Queste infrastrutture sono state concepite per riprodurre in laboratorio condizioni equivalenti a quelle operative di un impianto geotermico, con controllo accurato di temperatura, pressione, portata e qualità del fluido.
La progettazione ha richiesto lo sviluppo di scambiatori personalizzati, circuiti multipli indipendenti (salamoia geotermica, acqua refrigerata e fluidi organici tipo R134a), sistemi di acquisizione dati ad alta frequenza e componenti ottici per l’osservazione diretta dei fenomeni di condensazione e nucleazione delle bolle.
Single-phase test rig: valutazione dell’efficienza termica con brina geotermica reale
Il banco prova WP2 riproduce le condizioni operative di un preheater ORC, con brina fino a 200 °C e fluidi organici in controcorrente. Spike ha sviluppato uno scambiatore compatto in acciaio inox 316 con piastre sostituibili da 100×100 mm, sulle quali vengono applicati i rivestimenti GEOHEX. Il sistema consente di misurare variazioni minime delle prestazioni grazie all’elevata precisione dei sensori e alla stabilità termica del circuito; i primi test di collaudo mostrano un comportamento regolare e ripetibile del coefficiente di scambio termico.
Condensation test rig: osservare il passaggio da dropwise a filmwise
Il banco WP3 è stato progettato per studiare il comportamento della condensa su superfici trattate. Il design, composto da una camera cilindrica con doppio vetro di ispezione, permette l’osservazione diretta del processo tramite videocamera ad alta velocità. L’obiettivo è verificare se i nanocoating favoriscono la condensazione a goccia (dropwise), decisamente più efficiente rispetto alla filmwise. La geometria consente prove sia con piastra verticale sia orizzontale, permettendo ai ricercatori di correlare la dinamica della condensa alle caratteristiche del rivestimento.
Boiling test rig: studio della dinamica delle bolle
Nel banco WP4, Spike ha realizzato un sistema analogo per osservare il fenomeno di ebollizione nucleata. Il fluido R134a evapora direttamente sulla piastra rivestita e la telecamera interna registra formazione, distacco e crescita delle bolle. Questi dati consentono di valutare l’influenza della microstruttura del coating sui meccanismi di nucleazione e transizione verso l’ebollizione a film, informazioni essenziali per progettare materiali più performanti negli evaporatori ORC.
Una piattaforma completa per il testing scientifico e industriale
Gli impianti progettati da Spike rappresentano il cuore sperimentale di GEOHEX: permetteranno ai partner di confrontare fino a 70 superfici diverse, valutare stabilità, resistenza a corrosione e scaling, e quantificare il miglioramento del coefficiente di scambio termico ottenuto grazie ai nanocoating. Le prime prove di avviamento mostrano un’elevata stabilità dei parametri e la capacità delle piattaforme di generare dati affidabili a supporto degli sviluppi successivi del progetto.
GEOHEX e Spike: materiali avanzati per scambiatori più efficienti e meno costosi
Il contributo di Spike al progetto GEOHEX dimostra l’importanza di un approccio integrato tra ingegneria di sistema, progettazione sperimentale e tecnologie di superficie. Le piattaforme realizzate permettono di trasformare la ricerca sui materiali in risultati misurabili e replicabili, accelerando la validazione industriale dei nuovi rivestimenti. GEOHEX punta così a rendere gli impianti geotermici più competitivi, riducendo i costi, migliorando l’efficienza degli ORC e ampliando le possibilità di sfruttamento di risorse geotermiche di bassa e media entalpia.
Design and development of three test facilities to evaluate heat transfer performances of advanced and low cost materials and coatings for geothermal application
76th Conference of the Italian Thermal Machines Engineering Association [ATI 2021], 15-17 September 2021, Rome, Italy