Energia dal calore di scarto: il primo impianto a CO₂ supercritica

La Cina ha raggiunto un nuovo traguardo nel settore delle tecnologie energetiche avanzate, connettendo alla rete il primo generatore commerciale al mondo che sfrutta anidride carbonica in condizioni supercritiche.

L’impianto, installato nello stabilimento siderurgico Shougang Shuicheng nella provincia del Guizhou, utilizza il calore residuo prodotto durante la sinterizzazione dell’acciaio per generare energia elettrica con un’efficienza superiore a quella dei tradizionali sistemi a vapore.

Il cuore dell’innovazione è proprio la CO₂ supercritica, una sostanza portata a temperature e pressioni tali da comportarsi contemporaneamente come un gas e un liquido. In questo stato, la sua densità più elevata rispetto al vapore permette di progettare turbine e circuiti molto più compatti, ma capaci di fornire la stessa potenza.

È una differenza che, a livello di ingegneria energetica, può cambiare radicalmente lo spazio necessario e i costi di installazione. L’impianto cinese è composto da due unità da 15 megawatt ciascuna e rappresenta la prima applicazione commerciale di una tecnologia che finora era stata sperimentata solo in prototipi o in contesti di ricerca.

Secondo i ricercatori del China National Nuclear Corporation, che hanno sviluppato il progetto insieme alla Jigang International Engineering and Technology, l’uso della CO₂ supercritica consente un recupero del calore di scarto fino al 50% più efficiente rispetto ai sistemi convenzionali. In pratica, si ottiene più energia senza bruciare ulteriore combustibile, semplicemente sfruttando il calore che l’industria metallurgica disperderebbe nell’ambiente. Questo aspetto rende la tecnologia particolarmente interessante non solo per la siderurgia, ma per tutti i settori ad alta intensità termica.

Il progetto ha però implicazioni che vanno oltre il recupero energetico industriale. La compattezza delle turbine a CO₂ supercritica le rende adatte a essere integrate in sistemi energetici mobili e persino in contesti spaziali, dove massa e ingombro sono variabili determinanti.

Il debutto commerciale di questa tecnologia dimostra che le soluzioni sperimentate in laboratorio possono trovare spazio nell’industria reale, ma la strada verso una diffusione su larga scala presenta ancora alcuni ostacoli. Le dimensioni relativamente contenute dell’impianto — 30 MW in totale — suggeriscono che sarà necessario affrontare sfide legate alla scalabilità. Inoltre, i materiali e le infrastrutture che devono gestire CO₂ ad alte pressioni implicano costi elevati e requisiti tecnici molto specifici.

Nonostante ciò, l’esperimento del Guizhou può essere considerato un punto di svolta. Recuperare calore di scarto significa ridurre sprechi energetici e migliorare l’impatto ambientale di settori industriali oggi difficilmente decarbonizzabili.

Anche negli USA si sperimenta un generatore a CO₂ supercritica

Un sistema simile a quello cinese è in fase di sperimentazione negli Stati Uniti. Nel 2023, in Texas, l’impianto pilota da 10 MW a biossido di carbonio supercritico è stato dichiarato «meccanicamente completo» dai partner del progetto: SwRI, GTI Energy, GE Vernova e il Dipartimento dell’Energia statunitense. L’impianto prende il nome di Supercritical Transformational Electric Power (STEP).

La prima fase di test si è conclusa a settembre 2024: l’impianto ha raggiunto la piena operatività a 500 gradi, producendo quattro megawatt di elettricità. Ora il progetto punta alla fase finale di collaudo, con l’obiettivo di arrivare a 10 MW di produzione elettrica a 715 gradi, spingendo ancora più avanti i limiti della tecnologia energetica.

Pompe di calore a CO₂ transcritica

A conclusione, vale la pena citare un recente studio accademico che tratta proprio dei cicli termodinamici basati su CO₂ trans-critica e supercritica: lo studio “The potential role of trans‑critical CO2 heat pumps within a new heating/cooling and power cycles system” esamina le condizioni operative, i parametri termodinamici e le efficienze dei fluidi in stato supercritico in cicli energetici avanzati.

Tra gli autori Livio de Santoli, Prorettore alla Sostenibilità all’Università La Sapienza di Roma, già Presidente del Coordinamento FREE ed appena nominato nel Collegio dell’Arera (Autorità di Regolazione per Energia, Reti e Ambiente).

LINK ALLO STUDIO SU SCIENCE DIRECT: https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.09.098

Lo studio valuta l’integrazione di una pompa di calore a CO₂ trans-critica nei sistemi di condizionamento con ruote essiccanti rotative, allo scopo di ridurre il calore esterno necessario per rigenerare i materiali igroscopici. Il calore di scarto della pompa di calore viene così riutilizzato nel processo di deumidificazione.

Il sistema include anche un impianto fotovoltaico per alimentare la pompa di calore. La soluzione è stata simulata in MATLAB/Simulink per una sala conferenze da 1200 m³, valutandone le prestazioni in tre città rappresentative delle principali zone climatiche italiane.

APPENDICE – CO₂ supercritica (sCO₂) – Come funziona

Portare la CO₂ allo stato supercritico

La CO₂ viene compressa e riscaldata fino a raggiungere lo stato supercritico. In questa condizione ha:

• densità simile a un liquido,
• viscosità simile a un gas,
• alta capacità di espansione.

Questo la rende un fluido ottimo per trasferire energia in turbine compatte.

Aggiunta di calore (da varie fonti)

Il fluido supercritico viene fatto passare attraverso uno scambiatore di calore, dove riceve energia da:

• impianti solari termodinamici (CSP),
• geotermia,
• calore di scarto industriale,
• combustione di biomasse o gas.

Il calore aumenta la pressione e l’energia interna della CO₂.

Espansione nella turbina a sCO₂

La CO₂ supercritica calda e ad alta pressione entra in una turbina appositamente progettata. Qui si espande molto più rapidamente del vapore acqueo, muovendo la turbina e producendo energia meccanica che un generatore trasforma in energia elettrica.

La turbina sCO₂ ha alcuni vantaggi:

• è molto più piccola rispetto a una turbina a vapore,
• ha altissimo rendimento (potenzialmente >50% in alcuni cicli),
• richiede meno manutenzione.

Recupero del calore + ricircolo (ciclo chiuso)

Dopo la turbina, la CO₂ a bassa energia passa attraverso uno scambiatore dove cede calore al fluido in ingresso (rigenerazione → aumenta il rendimento). Infine viene raffreddata e compressa per tornare allo stato iniziale.

Il ciclo è completamente chiuso: non c’è emissione di CO₂.

Perché è così promettente?

• Alta efficienza. I cicli Brayton a CO₂ supercritica hanno rendimenti potenziali del 5–10% superiori ai cicli a vapore tradizionali.
• Compattezza. Turbine e scambiatori sono molto più piccoli, utili per impianti modulari o remoti.
• Adatto a molte fonti. Funziona bene con: energia solare termica concentrata (CSP), geotermia, calore di scarto.
• Basse perdite e nessuna evaporazione. La CO₂ non cambia fase (non evapora/condensa come l’acqua), riducendo le complessità operative.

Tipi di cicli a sCO₂

I più comuni sono:

• Brayton semplice
• Recompression cycle (il più efficiente)
• Partial cooling cycle
• Allam cycle (con combustione e cattura integrata della co2)

Fonti articolo: China’s supercritical ‘steam-free’ generator connects to grid | South China Morning Post – STEP Demo: High-efficiency power generation pilot program – Ecofuturo – pagina Facebook

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