Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello dell'11 luglio 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) In un ciclo combinato la cattura della CO 2 è conseguita mediante l'introduzione di una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) allo scarico della turbina a gas, secondo lo schema concettuale riportato nella figura sottostante. Le caratteristiche della cella sono le seguenti: • portata di gas naturale alimentata (flusso 1 in figura) pari a 4 kg/s • fattore di utilizzo del combustibile pari al 70% • tensione di cella pari a 0.68 V • rendimento faraidico unitario • rendimento convertitore CC/CA pari a 0.95 Noto che • la turbina a gas ha potenza elettrica di 270 MW e rendimento del 38% • la turbina a vapore ha potenza elettrica pari a 190 MW • l'assorbimento elettrico di tutti gli ausiliari ammonta complessivamente a 35 MW È richiesto di calcolare: 1) la potenza elettrica (in corrente alternata) generata dalla cella 2) potenza elettrica netta e rendimento dell'impianto 3) l'efficienza di cattura della CO 2 conseguita dall'impianto 4) le emissioni specifiche di CO 2 della centrale (espresse in kg CO2 /MWh EL) 5) il valore di SPECCA rispetto a un ciclo combinato avente efficienza pari al 58.5% Caratteristiche gas naturale Composizione molare: CH 4 C 2H6 CO 2 N 2 91 % 6 % 2 % 1 % Massa molare, kg/kmol Potere calorifico inferiore, MJ/kg 17.52 46.44 ~ AC DC Anode Cathode Air separation unit gas naturalevapore alla caldaia a recupero Caldaia a ossigeno flusso ricco di CO2 allo stoccaggio ossigeno aria 1 Quesito 2 (10 punti) In un impianto di produzione idrogeno da gas naturale il syngas all'uscita dal reattore WGS viene raffreddato in una serie di scambiatori recuperando calore fino alla temperatura di 110°C. Noto che: • la portata di syngas alimentato al reattore WGS è pari a 20 kg/s • le condizioni del syngas all'uscita del WGS sono 32 bar e 420°C; • la composizione del syngas uscente dal reattore WGS è riportata nella tabella sottostante • le perdite di carico nel processo di raffreddamento sono pari a 2 bar: • il calore specifico della frazione secca del syngas è da assumersi pari a 2.9 kJ/kg-K; • il calore specifico del vapore è da assumersi pari a 2 kJ/kg-K. È richiesto di calcolare il calore recuperato nel processo di raffreddamento. Supposto che il syngas così raffreddato venga successivamente trattato in un PSA avente efficienza di se- parazione dell'idrogeno pari all'89%, si chiede di calcolare la potenza termica (su base PCI) della corrente di off-gas uscente dal PSA. Frazione molare nel syngas Massa molare, kg/kmol PCI, MJ/kg CH 4 CO CO 2 H 2 H 2O N 2 3.4 % 2.7 % 12.1 % 54.6 % 27.0 % 0.2 % 16 28 44 2 18 28 50.01 10.10 ------ 119.95 ------ ------ Massa molare, kg/kmol: 12.632 Proprietà dell'acqua 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 110 1.434 461.4 1.419 0.001052 2691.1 7.238 1.209