Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 1 luglio 2014 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 (12 punti) Si considerino i seguenti 4 impianti per generazione elettrica: 1) Ciclo combinato a gas naturale – NGCC 2) Ciclo combinato a gas naturale con cattura della CO 2 – CC-CCS 3) Centrale a carbone con caldaia ultrasupercritica – USC 4) Centrale a carbone con cattura della CO 2 – USC-CCS Le caratteristiche tecniche ed economiche degli impianti sono riportate nella tabella sottostante. È richiesto di calcolare il costo della CO 2 evitata e l'indice SPECCA degli impianti CCS rispetto a quelli convenzionali alimentati con il medesimo combustibile. È richiesto infine di valutare quale impianto risulta economicamente conveniente installare in corri- spondenza dei due seguenti scenari alternativi:  Presenza di una carbon tax sulle emissioni di CO 2 in atmosfera pari a 40 €/tonn CO2  Possibilità di vendere CO 2 per EOR al prezzo di 40 €/tonn CO2 NGCC CC-CCS USC USC-CCS Rendimento, % 59 49 44 35 Emissioni CO 2, kg/MWh 370 42 760 85 Costo dell'energia elettrica, €/MWh 53 70 47 73 Quesito 2 (16 punti) Un impianto a ciclo combinato con cattura della CO 2 impiega una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) con reforming interno allo scarico della turbina a gas secondo lo schema concettuale riportato nella figura sottostante. Le caratteristiche del sistema sono i seguenti:  portata di gas naturale alimentata all'anodo (flusso 1 in figura) pari a 4.8 kg/s  composizione molare del gas naturale: CH 4: 88.6%, C 2H6: 7.3%, C 3H8: 0.9%, CO 2: 1.7%, N 2: 1.5%.  la massa molare del gas naturale è pari a 17.93 kg/kmol  portata del flusso alimentato al catodo pari a 600 kg/s  composizione molare del flusso alimentato al catodo: Ar: 0.9%, CO 2: 5.4%, H 2O: 9.6%, N 2: 72.5%, O 2: 11.6%.  la massa molare del flusso alimentato al catodo è pari a 28.48 kg/kmol  la concentrazione molare di CO 2 allo scarico del lato catodico della cella è pari all'1.5%  tensione di cella pari a 0.7 V  rendimento faraidico unitario  rendimento convertitore CC/CA pari a 0.95 È richiesto di valutare: 1) la potenza erogata in corrente alternata dalla cella 2) il fattore di utilizzo dell'ossigeno con cui funziona la cella 3) il fattore di utilizzo del combustibile con cui funziona la cella ~ AC DC Anodo Catodo Unità separazione aria gas naturalevapore alla caldaia a recupero Caldaia a ossigeno flusso ricco di CO2 allo stoccaggio ossigeno aria 1