Turbina Tesla: riscopriamo l’espansore per la micro generazione di energia

Negli ultimi anni la ricerca sulla turbina di Tesla si è intensificata a causa dell’interesse del settore energetico verso la generazione distribuita. Si tratta di un metodo di produzione di energia attraverso unità di autoproduzione di piccole dimensioni. La speranza è quella di applicare queste macchine ai sistemi organici o per recuperare l’ energia dai flussi in pressione.

La turbina Tesla

Inventata da Nikola Tesla nel 1913, la turbina omonima sfrutta l’effetto dello strato limite di un fluido e dell’aderenza alla parete. Il fluido, scorrendo nelle vicinanze di una superficie, tende a rallentare. Questa riduzione di energia cinetica implica un trasferimento alla superficie stessa, da cui si genera una coppia meccanica motrice che fa ruotare la turbina. Le turbine tradizionali sfruttano la differenza di pressione che si ottiene dallo scorrimento di un fluido in prossimità delle palette. La turbinaTesla invece è priva di palette e genera energia dall’attrito tra il fluido e il rotore. Una turbina Tesla consiste in una serie di dischi lisci, con ugelli che fanno muovere il fluido sul bordo del disco. Il passaggio del fluido fa muoveri i dischi, che poi a loro volta fanno ruotare l’albero motore. Questo movimento rotatorio può essere utilizzato in vari modi, dall’alimentazione di pompe, soffianti e compressori fino alla corsa di automobili e aeroplani. Tesla affermò infatti che la turbina è il motore rotativo più efficiente e dal design più semplice mai progettato.

L’invenzione

Il lavoro dell’ingegnere Tesla, che portò poi al brevetto, partì dalla realizzazione di un primo prototipo che ne spiegasse il funzionamento. In seguito, a causa dell’avvento delle turbine a gas, questa tecnologia non trovò impiego fino al 1950. L’originalità dell’invenzione di Tesla consiste nell’assenza di pale di cui viene fornito il rotore della maggior parte delle turbine. La turbina di Tesla utilizza una invece una proprietà del fluido, la sua viscosità. La struttura della turbina Tesla consente di ottenere un moto laminare, senza formazione di vortici, che sono uno dei problemi da affrontare nella progettazione di turbine. Un altro vantaggio è la semplicità del design, poiché il rotore è costituito solo da dischi ed è piuttosto robusto. La turbina ideata da Tesla aveva un’efficienza fino al 92% e poteva essere mossa anche da vapore misto con liquido. Veniva applicata sia per impianti a vapore esistenti sia a impianti progettati ad hoc, che consentivano di raggiungere le prestazioni migliori.

Turbina Tesla e ciclo ORC

Negli ultimi anni l’interesse principale della ricerca nel settore energetico riguarda la sostenibilità della produzione. Per mitigare gli effetti del riscaldamento globale è fondamentale garantire la riduzione dei consumi. Una delle strategie principali per ottenere questo risultato è il recupero di energia. Da molti processi infatti risulta un calore di scarto a bassa temperatura che normalmente verrebbe rilasciato nell’ambiente. Un’idea recente è quella di utilizzarlo per alimentare un ciclo Rankine organico (ORC), che sta diventando una tecnologia leader per le applicazioni a bassa potenza. A differenza di un ciclo Rankine tradizionale, l’ORC non utilizza vapore, ma un fluido organico con alto peso molecolare e basse temperature di cambiamento di fase, inferiori a quelle dell’acqua. Questo permette la produzione di energia elettrica anche a partire da fonti di calore a temperatura media e bassa. Per esempio, possono essere utilizzati sistemi solari o geotermici, ma anche, più di frequente, si recuperano cascami termici di processi industriali.

Le prestazioni della turbina Tesla

L’efficienza dell’espansore in un ciclo ORC condiziona le prestazioni dell’intero sistema. Ciascuna tecnologia ha un campo di applicazione ottimale. Le turbine assiali sono adatte per applicazioni di grande potenza (>500 kW), mentre turbine radiali si prestano alle applicazioni di media potenza (50-500 kW). Per i sistemi di piccola taglia invece esistono diverse tecnologie, principalmente basate su espansori volumetrici. La prospettiva per la turbina Tesla è l’applicazione ai sistemi ORC o al recupero di energia dai flussi in pressione, attualmente dissipati con valvole. L’obiettivo della ricerca attuale è raggiungere un rendimento minimo di espansione del 60%. In questo modo è possibile lavorare con un espansore efficiente e al tempo stesso economico. Possibili applicazioni della turbina Tesla sono quindi

• ciclo ORC accoppiato a sistemi solari o geotermici
• recupero di energia da un fusso di aria compressa
• sostituzione della valvola di laminazione in gasdotti o impianti di refrigerazione