Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

Corso di SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 19 gennaio 2023 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, utilizzare computer o telefoni cellulari 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) Un ciclo combinato opera secondo i seguenti parametri tecnico-economici: - Potenza elettrica nominale di 470 MW - Rendimento elettrico medio del 56% - Emissioni di CO 2 pari a 375 kg/MWh - Costi totali di O&M pari a 4 €/MWh - Costo del gas naturale pari a 62 €/MWh PCI Si vuole valutare l’effetto di un retrofit che aggiunga una sezione per la cattura di CO 2 post-combu- stione avente le seguenti specifiche progettuali: - L'intervento di retrofit permette di catturare il 92% della CO 2 nei fumi del ciclo combinato a pari input di gas naturale all'impianto - Il ciclo combinato con cattura della CO 2 ha un rendimento elettrico medio del 48% - Il costo del retrofit ammonta a 270 M€ che viene distribuito con un fattore di ricarico annuo (Car- rying charge factor) del 14% - I costi totali di O&M del ciclo con cattura della CO 2 sono pari a 6.5 €/MWh - Il costo per il trasporto e sequestro della CO 2 è pari a 7 €/tonn - Si chiede di determinare 1) potenza ed emissione specifica (espressa in kg CO2 /MWh) del ciclo modificato con cattura della CO 2 2) l'indice SPECCA dell'impianto modificato rispetto a quello originario 3) il costo della CO 2 evitata (espresso in €/tonn CO2 ) che caratterizza l'intervento 4) l'ammontare di CO 2 evitata annualmente dall'intervento rispetto alla soluzione convenzionale supponendo un fattore di utilizzo pari a 5500 ore equivalenti annue per l’impianto con cattura della CO 2. Si chiede poi di analizzare un utilizzo alternativo dei 270 M€ per installare panelli fotovoltaici aventi le seguenti caratteristiche: - Costo di installazione: 900 €/kW distribuito con un fattore di ricarico annuo (Carrying charge factor) del 14% - Fattore di utilizzo pari a 1200 ore equivalenti annue - Costi di O&M pari a 12.5 €/MWh 5) A quanto ammontano per questo intervento il costo della CO 2 evitata (sempre espresso in €/ton- n CO2 ) rispetto all’impianto convenzionale e la CO 2 evitata annualmente? Quesito 2 (16 punti) In un ciclo combinato la cattura della CO 2 è conseguita mediante l'introduzione di una cella a com- bustibile a carbonati fusi (MCFC) con reforming interno posta allo scarico della turbina a gas, se- condo lo schema concettuale riportato nella figura sottostante. Note le seguenti caratteristiche di progetto dell'impianto: • Portata totale di gas naturale all’impianto (flusso 1): 21 kg/s • Portata di gas naturale allo stack di cella (flusso 2): 5.3 kg/s • Composizione molare del gas naturale: CH 4: 90%, C 2H6: 7%, C 3H8: 2%, CO 2: 1% • Massa molare del gas naturale: 17.820 kg/kmol • Potere calorifico inferiore del gas naturale: 48.297 MJ/kg • Tensione di cella: 0.76 V • Potenza in CA dello stack: 140 MW • Rendimento dell’inverter CC → CA: 98% • Composizione molare del flusso di off-gas (flusso 3) CO: 29.37%, CO 2: 31.83%, H 2: 38.81% • Portata aria all'aspirazione del compressore (flusso 4): 700 kg/s • Potenza elettrica netta dell’impianto: 600 MW • Efficienza di rimozione della CO 2 dell'impianto criogenico: 88% Per semplicità si ipotizzi che tutto il CO e H 2 presenti nel residuo anodico vengano indirizzati verso il flusso di off-gas dell’impianto criogenico di separazione. Inoltre, si trascuri il contenuto di CO 2 nell’aria ambiente. È richiesto di calcolare: 1) il rendimento netto della centrale 2) la portata di CO 2 inviata a stoccaggio e l’efficienza di cattura della centrale 3) le emissioni specifiche di CO 2 della centrale (espresse in kg CO2 /MWh EL) 4) il fattore di utilizzo del combustibile nello stack di celle 5) il fattore di utilizzo di CO 2 e O 2 nello stack di celle Dati per la risoluzione del quesito: Costante di Faraday: 9.6485 x 10 7 C/kmol Massa molare aria ambiente: 28.85 kg/kmol Frazione molare O 2 nell'aria ambiente: 20.7 % ~ AC DC Anode Cathode Cryogenic CO2 purification unit gas naturalevapore alla caldaia a recuperoflusso ricco di CO2 allo stoccaggio aria off-gas 1 2 3 4