Le turbomacchine: quale futuro
Riportiamo qui l'editoriale di F. Martelli uscito sulla Newsletter di Ottobre 2016 della rivista La Termotecnica. A questo link la newsletter completa.
di F. Martelli - Le turbomacchine: quale futuro
Se guardiamo all’attuale panorama delle attività di ricerca e sviluppo, sia a livello nazionale che europeo, le tematiche delle “Turbomacchine” o più in generale le aree “Power Generation e Propulsion”, non sembrano ricevere molta attenzione. Concentreremo la nostra attenzione su un concetto un po’ allargato di Turbomacchina, quello che, con una dizione un po’ antica, chiamiamo Macchina a Fluido e che consente di includere anche tutti gli apparati di combustione, ovvero la conversione dalla fonte primaria.
Il nuovo programma della Comunità Europea Horizon 2020 (con un budget di 78,6 miliardi di euro) ha completamente modificato la propria struttura, ora articolata in piloni: “Excellent Science, Industrial Leadership, Social Challanges”. Al suo interno le problematiche di innovazione e sviluppo nella Generazione di Potenza e dei sistemi di Propulsione vengono declinate sotto tematiche molto più ampie quali, ad esempio, nel primo pilone “Future and Emerging Technologies (FET)“ (3,5% dell’intero H2020 budget) , oppure nel secondo “Innovation in SME“ (0,8% del budget ) e nel terzo pilone “Secure, clean and efficient Energy” (7,7% del Budget). Anche se è ragionevole pensare che all’interno delle sezioni citate esistano spazi per ricerca ed innovazione nel campo delle turbomacchine, è facile constatare che le nuove tecnologie in campo informatico e le problematiche legate alla sostenibilità ambientale abbiano un ruolo determinante. Ad esempio si consideri che nei progetti finanziati dalla Comunità sotto la voce “Secure, clean and efficient Energy” nel call 2014, un 25% è andato alle Energie rinnovabili, un 35% è andato alle “Smart Grid, Smart Cities, Energy strorage“ e solo un 15% circa a “Energy efficiency”. Qui le nostre turbomacchine, o meglio le Macchine a fluido, potrebbero avere cittadinanza, e spazi più ampi.
Da una prima lettura di questi dati, si potrebbe desumere uno scarso interesse verso queste tecnologie (turbomacchine e sistemi di conversione convenzionali), ed un crescente interesse per quelle emergenti – quali la Information Technology – che consentono di diffondere, comunicare informazioni, di prevedere, pianificare, ottimizzare tutta una serie di attività umane e sociali (si pensi alle smart cities/smart grid). Tutto ciò è quanto mai giustificato dalla necessità di gestire sistemi sempre più complessi e interconnessi, ma non ci deve far dimenticare che, comunque, l’energia è il supporto di tutti i sistemi informatici (si ricordi il famoso diavoletto di Maxwell) ed essa, ancora per molto tempo, sarà disponibile all’utente finale attraverso trasformazioni che coinvolgono le macchine a fluido. Dei 23.322 TWh di energia elettrica generata nel mondo nel 2013, oltre il 94% è prodotto per via convenzionale (Fossil Fuel, Nucleare, Idroelettrico) che richiede gli apparati di cui qui si tratta. Una curiosità: si stima che tutti i cellulari/smarphone nel mondo (circa 3 miliardi) consumino annualmente 2-6 TWh, circa lo 0,02% della produzione mondiale di energia elettrica! L’altro grande progetto Europeo, Clean Sky 2 per il trasporto aereo (1,8 miliardi di euro) si prefigge di raggiungere gli obiettivi proposti da ACARE, quali la riduzione delle emissioni inquinanti anche attraverso la miglior efficienza dei sistemi di propulsione, la riduzione del “noise” e il miglioramento della sicurezza e della gestione del traffico aereo. In questo contesto, particolare attenzione è posta sul miglioramento degli aero-engines (basati ancor oggi su sistemi tipo turbina a gas), sul versante della efficienza, dell’utilizzo di combustibili innovativi e a bassa emissione di CO2, della riduzione del noise, e della loro affidabilità. Queste tematiche son declinate sia sul versante fluidodinamico dell’apparato di propulsione e della sua integrazione con l’intero ”Air Frame”, sia su quello dei materiali e delle loro tecnologie di produzione. Anche se la prospettiva appare indirizzata su propulsori ad azionamento elettrico, la problematica del propulsore rimane ancora tutta nel campo della fluidodinamica della turbomacchina.
Quanto fin qui riportato, vuole individuare e sottolineare come la ricerca nel campo delle macchine a fluido abbia ancor oggi ampi spazi e motivazioni, anche se non appare in modo esplicito nelle linee di indirizzo dei grandi piani di ricerca nazionale ed europea. Va inoltre notato che molte delle innovazioni che attengono alle tematiche delle energie rinnovabili hanno un forte legame con le problematiche fluidodinamiche delle nostre macchine; si pensi a tutto il campo delle turbine eoliche, o all’utilizzo di biocombustibili fortemente richiesti nei sistemi di generazione di potenza o di propulsione. Le problematiche legate all’uso di questi nuovi combustibili impattano fortemente nella fluidodinamica dei sistemi di combustione che sono strettamente connessi alle turbomacchine. Se veniamo ad osservare come questa ricerca possa contribuire positivamente anche al tanto auspicato risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni di CO2 dobbiamo prima di tutto considerare la molteplicità di piccole turbomacchine (pompe, ventilatori ecc.) presenti in molteplici apparati di uso corrente nel comparto residenziale. Se consideriamo che circa un terzo degli usi finali di energia è nel settore cosiddetto “usi civili”, modesti incrementi di efficienza di detti apparati possono dare contributi importanti a livello globale. Queste migliorie sono ottenibili anche nelle piccole e medie imprese, spesso fornitrici di tali prodotti a basso valore aggiunto, e per questo poco incentivati alla ricerca di efficienza, grazie alla maggiore disponibilità di strumenti di analisi e progettazione avanzati basati sul CFD (Computational Fluid Dynamics).
Si comprende allora come anche settori di nicchia, per la loro apparente marginalità rispetto ai grandi impianti, possano vivere di proficui rapporti con università/ centri di ricerca che offrono quelle competenze adeguate alle necessità delle piccola industria che non può sempre essere attrezzata per utilizzare al meglio i tool di progetto. Queste opportunità di ricerca, insieme ad altre attività di punta, sono state messe in evidenza in un’interessante giornata di studio sulle turbomacchine organizzata dal Coordinamento dei Professori di Macchine e Sistemi Energetici insieme all’Università di Bergamo nel luglio scorso.
Il panorama della ricerca italiana nel settore, sviluppato in 10 sedi universitarie, ha messo in evidenza un’ampia varietà di attività di ricerca sia sperimentali che numerico-modellistiche; molte di queste, in stretta collaborazione con il mondo industriale nazionale e inserite in importanti progetti di ricerca europei che coinvolgono le principali industrie del settore Energetico ed Aeronautico. È stato interessante rilevare come, oltre le classiche attività di progettazione/ottimizzazione di turbomacchine per varie tipologie di fluido (macchine idrauliche, turbine a gas e refrigerazione di HP, fan e compressori ecc. ), siano emerse attività, competenze e strutture sperimentali dedicate a tematiche di nicchia, quali lo studio del fouling, dell’erosione delle componenti di macchina anche per macchine eoliche off shore, dei piccoli apparati di sovralimentazione ed altri ancora. Tutte le problematiche presentate hanno mostrato un forte legame col mondo industriale, sia attraverso la partecipazione a consorzi di progetti europei (molti di area aeronautica), sia attraverso contratti diretti con le industrie stesse. La presenza di alcuni dei maggiori player nazionali quali GE, nella sua doppia veste di Oil & Gas e Avio, e Ansaldo hanno evidenziato l’interesse a consolidare rapporti di collaborazione già esistenti, e anche a meglio comprendere le realtà che si muovono nel panorama universitario nazionale. Anche altri partner industriali (Turboden e Nicotra) hanno collaborato a rendere più stimolanti le presentazioni, offrendo interessanti spunti di riflessione sulle problematiche tipiche delle proprie produzioni. L’evento è stato sponsorizzato anche da Euroturbo (European Turbomachinery Society), associazione europea che si prefigge di disseminare la cultura scientifica proprio nel settore delle turbomacchine attraverso un congresso biennale ETC che ormai ha raggiunto la 12^ edizione (la prima nel 1995 a Erlangen). Il Congresso offre un palcoscenico ben qualificato e riconosciuto sia da Scopus che da ISI Web of Science, per la presentazione degli ultimi sviluppi della ricerca e innovazione nel settore. La partecipazione è cresciuta nel tempo, allargandosi anche ai ricercatori extraeuropei, a dimostrazione dell’interesse suscitato. La prossima edizione (ETC12) si terrà a Stoccolma dal 3 al 7 aprile 2017 e promette di ospitare un notevole numero di presentazioni di qualità e interesse. Recentemente, sempre nella logica di consolidare e meglio perseguire gli obiettivi di diffusione della cultura scientifica e di cooperare alla competitività della ricerca e dello sviluppo industriale nel campo della termo-fluidodinamica delle Turbomacchine, l’associazione ha lanciato un nuovo giornale scientifico “Open Access”: “International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power”, che entro fine anno vedrà il suo primo numero. L’Associazione Euroturbo, che coinvolge importanti industrie del settore, partecipa a un progetto europeo, E_CAERO2, con altre cinque società scientifiche, volto a stabilire una piattaforma europea dell’aerospazio, Aerospace Europe “AE”, ove tutti i contributi più importanti delle attività di ricerca in campo aeronautico e spaziale, possano avere visibilità e offrire una piattaforma di comunicazione interattiva. Seppure, com’è evidente, il settore di competenza di Euroturbo è più ampio del solo Aerospace, il parziale ricoprimento con la totalità delle tematiche di ”Aerospace Europe” offre indubbi vantaggi nella possibilità di seguire le attività di frontiera, specie in campo aeronautico. Quest’osservatorio ci consente di seguire alcune tematiche di innovazione che val la pena ricordare proprio perché sommessamente sottese dai principali leader industriali. Ci piace qui ricordarle perché possono rappresentare uno stimolo e un suggerimento anche per le brillanti giovani energie che è stato possibile ammirare nel Work Shop citato.
Riportiamo solo due tematiche che ci sembrano molto di frontiera e su cui ci risulta un notevole attivismo di ricerca:
La “virtual Gas Turbine” si propone di organizzare un sistema di Codici di modellazione dei vari componenti; tale sistema dovrà consentire una interazione diretta degli stessi Codici così da prevedere con accuratezza le prestazioni dell’intera macchina. In questo contesto di più lungo periodo, l’attenzione è focalizzata oggi sulla modellazione integrata dell’interazione combustore-stadi di alta pressione di turbina, problematica che è stata presentata come un case study per la “AE” platform. Questa problematica propone varie sfide: la modellazione di flussi in condizioni di Mach molto diversi e in grado di cogliere accuratamente le proprietà del fluido e delle specie presenti; capacità di cogliere le scale di fenomeni fra loro molto diverse; modellazione della turbolenza compatibile con le necessità industriali, ma anche di accuratezza; modellazione di fenomeni “multi physics”, quali scambio termico, interazione termica solido-fluido, reazioni e trasporto particelle, raffreddamento.
La “Pressure Gain Combustion” si propone di sviluppare apparati in grado di sostituire alla fase di combustione isobara dell’impianto di turbina a gas, una combustione quasi-isocora secondo il ciclo di Humphrey. Questa innovativa tecnologia, già proposta da Zeldovic negli anni ‘40’, nel 2009 è stata riconosciuta come valida anche dalla “ US Defence Advance Research Agency” e ritenuta di potenziale impatto positivo (dal 10 al 30% di risparmio sul Fuel Consumption) anche da Rolls-Royce e GE. Essa propone molte sfide sia sul versante della modellazione sia su quello sperimentale, necessario per validare le simulazioni ma più ancora per dimostrare la fattibilità della tecnologia delle possibili soluzioni adottate. Differenti opzioni sono infatti sul tappeto per realizzare questa trasformazione quasi isocora in un processo continuo quale quello di turbina a gas.
In conclusione, dopo questa breve carrellata sulle attività nel settore senza con questo pretendere di aver esaurito l’ampia casistica di attività, possiamo dire che le attività di ricerca e sviluppo nel settore delle macchine a fluido, turbomacchine e apparati connessi, sono ancora molto vive e attive e, parafrasando Popper, il loro “futuro è aperto”.
