Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 2 febbraio 2015 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) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 4) 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. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "ri- provato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (15 punti) Una portata di 150 kg/h di gas naturale viene pre-riformata con una portata di vapore di 300 kg/h dando luogo a una corrente di syngas (la cui composizione è assegnata in tabella) che viene ali- mentata all'anodo di una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) con reforming interno. La composizione misurata in uscita dall'anodo è anch'essa riportata in tabella. Frazione molare, % Ingresso anodo Uscita anodo Massa molare, kg/kmol CH 4 CO CO 2 H 2 H 2O 23.0 3.0 2.45 20.0 51.55 0.7 1.1 48.21 8.8 41.19 16 28 44 2 18 Massa molare, kg/kmol 15.277 29.223 Noto che:  la tensione della cella è pari a 0.74 V  il potere calorifico del gas naturale è pari a 47 MJ/kg È richiesto di calcolare: 1) la potenza elettrica prodotta in corrente continua dallo stack 2) il rendimento elettrico dello stack rispetto all'input di gas naturale 3) il fattore di utilizzo del combustibile Dati per la risoluzione del quesito: Costante di Faraday, C/kmol: 9.6485x10 7 Quesito 2 (13 punti) Una caldaia industriale genera vapore bruciando biomassa. Noto che:  L'umidità, definita come frazione massica di H 2O liquida su biomassa totale, è pari al 30%  Il PCI della frazione secca della biomassa è pari a 17.5 MJ/kg  Rendimento di caldaia pari al 70%, valutato rispetto al PCI della biomassa umida al 30%  Le emissioni di CO 2 connesse alla filiera di produzione della biomassa sono pari a 46 kg per tonnellata di biomassa umida approvvigionata all’impianto  Il costo della biomassa è pari a 65 € per tonnellata di biomassa umida al 30% È richiesto di calcolare l’emissione specifica di CO 2 (espressa in kg CO2 /MWh TH) risultante dalla filie- ra di produzione di calore da biomassa. Si chiede di valutare il costo della CO 2 evitata (espresso in €/tonn CO2 ) in relazione al costo del combustibile, rispetto a una caldaia avente rendimento pari al 92% e alimentata da gas naturale avente le seguenti caratteristiche:  Composizione molare: CH 4: 83.5%, C 2H6: 7.9%, C 3H8: 2%, C 4H10: 0.7%, C 5H12: 0.17%, C 6H14: 0.13%, CO 2: 0.3%, N 2: 5.3%  Massa molare gas naturale: 18.91 kg/kmol  PCI del gas naturale: 44.95 MJ/kg  Costo del gas naturale: 0.25 €/Nm 3 (condizioni normali: 0°C, 101325 Pa) Dati per la risoluzione del quesito  Massa molare CO 2: 44 kg/kmol  Calore di evaporazione della H 2O a 25 °C: 2441.7 kJ/kg