Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 2 ottobre 2012 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 considera- zione. 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 comprensibilità della calligra- fia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a corredo. Il punteggio finale verrà nor- malizzato in base ai risultati medi. Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. 5) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. Quesito 1 (16 punti) Una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC) è alimentata all'anodo con una portata di 500 kg/h di syngas avente la composizione riportata in tabella e 400 kg/h di vapore. Frazione molare nel syngas Massa molare, kg/kmol Ar CO CO 2 H 2 H 2O N 2 2.2 % 48.5 % 7.1 % 23.0 % 15.8 % 3.4 % 39.94 28 44 2 18 28 Massa molare, kg/kmol: 21.84 Noto che: • la temperatura dei flussi allo scarico della cella è pari a 900°C • la composizione allo scarico del lato anodico risulta in equilibrio alla temperatura di 900°C rispetto alla reazione di water gas shift, secondo la relazione: () 807 . 1 T 1961 p pp p log K log O 2 H CO2 H 2 CO 10 p 10 − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅ = dove T è espressa in K. • la tensione di cella è pari a 0.73 V • la potenza elettrica resa dalla cella alla rete (in CA) è pari a 250 kW • il rendimento del convertitore CC/CA è pari a 0.95 Si chiede di determinare: 1) il rapporto vapore/carbonio in ingresso al lato anodico della cella 2) il fattore di utilizzo del combustibile 3) la concentrazione di CO 2 (su base secca) allo scarico del lato anodico Quesito 2 (10 punti) Si valutino le emissioni di CO 2 (espresso in g CO2 /km) secondo l'approccio "well to wheel" lungo tutta la filiera di produzione, trasporto, distribuzione e utilizzo del combustibile, per un veicolo ibrido spinto da un motore a ciclo Otto alimentato a gas naturale compresso. Le specifiche del gas naturale distribuito sono riportate nella tabella sottostante. Per la fase "well to tank" schematizzata nella figura sottostante si considerino le seguenti assunzioni: − Fase di estrazione e lavorazione: emissione di 4 g di CO 2 per MJ di gas naturale immesso nel gasdotto per il trasporto su lunga distanza − Fase di trasporto: il gas naturale è trasportato via gasdotto. La relativa emissione di CO 2 deriva dal un consumo di 1.5 GJ di energia meccanica per tonnellata di gas inviato al sistema di distribuzione. L'energia meccanica è pro- dotta utilizzando lo stesso gas naturale in turbine a gas aventi rendimento pari al 35%. − Fase di distribuzione: nessun consumo energetico ed emissione di CO 2 correlati a questa fase. − Compressione del gas naturale: emissione di 2.8 g di CO 2 per MJ di gas naturale introdotto nel serbatoio del veicolo. Il consumo associato alla fase "tank to wheel" è pari a 2.7 kg di gas naturale per 100 km Frazione molare CH 4 C 2H6 C3H8 CO 2 N 2 0.900 0.065 0.015 0.010 0.010 Massa molare, kg/kmol: 17.73 Potere calorifico inferiore (PCI), MJ/kg: 47.57 Estrazione e lavorazione Input dal pozzo Trasporto Distribuzione Compres- sione Veicolo