Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 1° settembre 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 (10 punti) Una centrale a vapore a ciclo combinato genera 570 MW di potenza elettrica, ha un rendimento elettrico netto del 60% e viene alimentata con gas naturale avente le seguenti proprietà:  Composizione molare: CH 4: 88%, C 2H6: 4.5%, C 3H8: 3.2%, C 4H10: 2.3%, CO 2: 1%, N 2: 1%  Massa molare: 18.89 kg/kmol  Potere calorifico inferiore: 47.50 MJ/kg L'aggiunta di una sezione di cattura post-combustione mediante ammine garantisce un'efficienza di cattura pari al 91% ma comporta i seguenti consumi:  potenza elettrica pari a 35 MW per l'azionamento degli ausiliari di impianto (compreso il com- pressore della CO 2 separata);  energia termica per la rigenerazione delle ammine in ragione di 3.6 MJ per kg di CO 2 catturata. Il calore viene fornito sotto forma di vapore estratto al crossover della turbina a vapore alle se- guenti condizioni: p=6 bar, h=3050 kJ/kg, s=7.353 kJ/kg-°C, che viene rilasciato dal reboiler in condizioni di liquido saturo alla pressione di 2 bar e quindi inviato al condensatore. Noti i seguenti parametri operativi della sezione di bassa pressione della turbina a vapore:  pressione di condensazione, bar: 0.04  rendimento isoentropico: 0.90  rendimento organico: 0.99  rendimento elettrico: 0.988 Ipotizzando che l'input di combustibile alla turbina a gas resti invariato, è richiesto di calcolare:  la riduzione della potenza elettrica generata dalla turbina a vapore conseguente all'estrazione della portata necessaria alla rigenerazione delle ammine,  l'emissione specifica di CO 2 (espressa in kg CO2 /MWh) delle centrali rispettivamente senza e con cattura della CO 2,  l'indice SPECCA dell'impianto con cattura della CO 2 in riferimento a quello senza cattura della CO 2. Condizioni dell'H 2O alla saturazione liquido vapore T, °C p, bar h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg h, kJ/kg s, kJ/kg-K v, m 3/kg 120.2 2.0 504.7 1.530 0.001061 2706 7.127 0.8857 29.0 0.04 121.4 0.4224 0.001004 2554 8.473 34.79 Dati per la risoluzione del quesito Massa molare CO 2: 44 kg/kmol Quesito 2 (18 punti) Si consideri il sistema basato su una celle a combustibile SOFC riportato nella figura sottostante. Il sistema ha le seguenti caratteristiche:  Tensione delle singole celle, V: 0.76  Potenza dello stack, kW: 65220  Portata di gas naturale alimentato, kg/h: 8100 Composizione molare Massa molare, kg/kmol CH 4 CO CO 2 C 2H6 H 2 H 2O Gas naturale 17.890 0.8900 0.0000 0.0250 0.0850 0.0000 0.0000 Ingresso anodo (punto B) 21.815 0.1297 0.0460 0.2622 0.0000 0.2002 0.3619 Uscita anodo (punto C) 23.866 0.0000 0.0596 0.2881 0.0000 0.1388 0.5135 Entalpia di formazione, MJ/kmol -74.87 -110.54 -393.52 -84.67 0.00 -241.83 Si chiede di valutare:  La portata massica della corrente di ricircolo  Il fattore di utilizzo del combustibile della cella (cioè considerando il singolo passaggio nella cella)  Il fattore di utilizzo globale del combustibile del sistema (cioè rispetto alla portata di gas natura- le entrante nel sistema)  La variazione di temperatura subita dal syngas nella reazione di pre-reforming (fra punto A e punto B). Dati per la risoluzione del quesito: Costante di Faraday: 9.6485x10 7 C/kmol Massa molare O: 16 kg/kmol Calore specifico syngas: 2 kJ/kg-°C Eiettore Catodo Anodo Pre-reformerSOFC gas naturale corrente di ricircoloaria B C A