Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 24 settembre 2013 Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 3) Il punteggio dei singoli esercizi si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 4) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 6) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della com- prensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a cor- redo. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi. Il punteggio minimo per l'am- missione all'orale è 16/30. 5) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. Quesito 1 (16 punti) Si consideri il processo di gassificazione a letto trascinato rappresentato nello schema della figura sottostante in cui il reattore viene alimentato con uno slurry di acqua e polverino di carbone. Noto che:  Lo slurry viene alimentato a 25°C, ha portata pari a 60 kg/s ed è composto (in massa) per il 60% di carbone e per il 40% di acqua liquida  La frazione massica delle ceneri nel carbone è pari al 12%  Il potere calorifico inferiore del carbone (tal quale) è pari a 26.2 MJ/kg  Il flusso di ossigeno viene alimentato a 160°C con una portata pari a 30 kg/s  Le ceneri sono estratte dalla base del gassificatore alla temperatura di 350°C  All'uscita del gassificatore il syngas viene raffreddato ricircolando una portata di syngas pari a 80 kg/s  Il syngas cooler riduce la temperatura della corrente di syngas da 900 a 330°C generando una portata pari a 108 kg/s di vapore saturo a 320°C a partire da acqua alle condizioni T=300°C p=120 bar Trascurando la potenza del compressore di ricircolo del syngas e supponendo che il calore speci- fico del syngas sia costante al variare della temperatura, è richiesto di calcolare la "cold gas effi- ciency" (su base PCI) del processo. Dati per la risoluzione del quesito: calore specifico dell'ossigeno: 0.92 kJ/kg calore specifico delle ceneri: 2.1 kJ/kg liquido vapore T p h s v h s v °C bar kJ/kg kJ/kg-K m 3/kg kJ/kg kJ/kg-K m 3/kg 25 0.03170 104.8 0.367 0.001003 2546.5 8.557 43.34 180 10.03 763.2 2.140 0.001127 2777.2 6.584 0.1939 300 85.88 1344.8 3.255 0.001404 2749.6 5.706 0.02166 320 112.84 1462.1 3.449 0.001499 2700.7 5.537 0.01548 330 128.58 1525.7 3.552 0.001561 2666.2 5.442 0.01298 T=900°C GAS QUENCH T=330°C ceneri slurry ossigeno Quesito 2 (10 punti) Un veicolo elettrico necessita per avanzare di un'energia alle ruote pari a 0.6 MJ/km. È richiesto di determinare le emissioni di CO 2 secondo l'approccio dell'analisi WTW supponendo che l'energia elettrica venga prodotta da gas naturale. Noto che:  il rendimento del sistema di trazione (motore trasmissione) è pari al 90%  il rendimento di stoccaggio delle batterie è pari al 92%  le perdite della rete di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica sono pari al 9% dell'e- nergia immessa  il rendimento di produzione elettrica della centrale è pari al 54%  le emissioni di CO 2 della filiera di estrazione e trasporto del gas naturale sono pari a 0.5 kg per Sm 3 reso all'utenza  il fattore di emissione del gas naturale è pari a 0.056 kg CO2 /MJ PCI Confrontare queste emissioni rispetto a quelle di un veicolo tradizionale che percorre 23 km con un litro di gasolio sapendo che l'emissione di CO 2 della fase "well to tank" è pari a 16 g CO2 /MJ PCI . Dati per la risoluzione del quesito:  PCI del gas naturale: 8250 kcal/Sm 3  densità del gasolio: 840 kg/m 3  contenuto di carbonio in massa del gasolio: 0.86  PCI del gasolio: 36.5 MJ/litro