Programma Corso di SISTEMI ENERGETICI Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale AA. 2012/13

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1 Programma Corso di SISTEMI ENERGETICI Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale AA. 2012/13 Introduzione al corso Descrizione del programma del corso e delle modalità di esecuzione della prova finale. Richiami sui diagrammi termodinamici Diagramma T-s ed h-s del vapor d'acqua: trasformazioni isoterme, isoentropiche, isobare, isocore, isoentalpiche, curve a titolo costante. Formula per la valutazione del lavoro lungo una trasformazione isoentropica. Impianti termici con turbina a vapore Impianto a vapore con ciclo a condensazione. Schema di layout e principali componenti: generatore di vapore, turbina a vapore, condensatore, serbatoio di accumulo, pompa di estrazione della condensa, pompa di alimentazione della caldaia. Combustibili impiegati negli impianti a vapore: considerazioni. Tracciamento del ciclo di funzionamento ideale sul diagramma T-s. Principali stati fisici. Definizione di ciclo di Hirn e di ciclo di Rankine. Impianto a vapore con ciclo a condensazione: espressione del rendimento termodinamico ideale, considerazioni energetiche. Definizione del rendimento del generatore di vapore, perdite energetiche in caldaia. Potenza ideale e reale in turbina. Potenza meccanica e netta all'albero. Potenza elettrica dell'impianto. Espressione del rendimento di impianto. La condensazione: bilancio termico del condensatore. Considerazioni energetiche. Portata di raffreddamento. Impianto a vapore con surriscaldamento: schema di layout, rappresentazione del ciclo termodinamico di riferimento sul diagramma T-s. Espressione del rendimento termodinamico. Impianto a vapore con risurriscaldamento intermedio: schema di layout, rappresentazione del ciclo termodinamico di riferimento sul diagramma T-s. Espressione del rendimento termodinamico. Impianto a vapore con ciclo rigenerativo: influenza della rigenerazione sul rendimento termodinamico. Grado di rigenerazione. Calcolo della pressione di spillamento. Rendimento termodinamico di un impianto a vapore con N spillamenti. Impianto a vapore con 3 spillamenti: schema di layout, rappresentazione del ciclo termodinamico di riferimento sul diagramma T-s. Espressione del rendimento termodinamico. Bilancio energetico degli scambiatori di calore. Calcolo delle portate spillate.

2 Impianti termici con turbina a gas Introduzione allo studio dei gruppi turbogas: schema di layout dell'impianto base e descrizione dei principali componenti. Il ciclo di Brayton: ipotesi semplificative e tracciamento del ciclo sul diagramma T-s dell'aria. Condizione di autosufficienza nel caso ideale e reale. Presentazione dei campi applicativi caratteristici dei gruppi turbogas: utilizzo in impianti fissi e come sistemi per la trazione in ambito terrestre, navale ed aeronautico. Problematiche di funzionamento tipiche dei vari campi applicativi. Gruppo turbogas con recupero di calore: schema di layout dell'impianto, rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s dell'aria. Scambiatore di calore a recupero. Salti di temperatura al rigeneratore e efficienza di scambio termico. Ciclo con post-combustione Gruppi turbogas per la produzione di energia elettrica: la regolazione del carico. Regolazione della potenza erogata variando le condizioni di aspirazione (pressione e temperatura) e la sezione di passaggio all'aspirazione del compressore. Regolazione della potenza erogata variando il regime di rotazione ed il lavoro utile specifico. Valutazioni energetiche e confronto tra le principali modalità di regolazione del carico utilizzabili nell'esercizio dei gruppi turbogas. Gruppi turbogas su due assi. Ciclo con compressione frazionata. Altre varianti al ciclo di Brayton. Definizione dei diversi schemi di impianti e rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s dell'aria. Impianti combinati gas-vapore Impianto combinato gas-vapore: schema di layout. Topper e bottomer. La caldaia a recupero (H.R.S.G.). Rappresentazione del ciclo complessivo di funzionamento sul diagramma T-s. Diagramma di scambio termico dell'h.r.s.g.; tracciamento delle curve di raffreddamento dei gas e di riscaldamento dell'acqua; valutazione delle potenze termiche scambiate attraverso i vari fasci tubieri. Determinazione per via grafica della temperatura dei gas in uscita dall'h.r.s.g. Definizione dell'efficienza di scambio termico dell'h.r.s.g. Espressione del rendimento di impianto. Influenza dei principali parametri sul rendimento di impianto. Definizione della temperatura limite all ingresso dell HRSG in funzione della temperatura minima consentita per il rilascio dei fumi in atmosfera. Impianto combinato gas-vapore con post-combustione: schema di layout. Rappresentazione del ciclo complessivo di funzionamento dell'impianto sul diagramma T-s. Confronto con l'impianto combinato gas-vapore base. Tracciamento del diagramma di scambio termico dell'h.r.s.g.: valutazione grafica della temperatura di scarico dei fumi e confronto con il caso dell'impianto combinato gas-vapore base. Impianto combinato gas-vapore a due livelli di pressione di vaporizzazione: schema di layout. Rappresentazione del ciclo complessivo di funzionamento dell'impianto sul diagramma T-s. Diagramma di scambio termico dell'h.r.s.g. Confronto con l'impianto combinato gas-vapore base.

3 Impianti cogenerativi Definizione dei principali indici caratteristici: Indice di Risparmio Energetico (IRE), Indice di Risparmio (IR), coefficiente di utilizzo (ηu), Indice Elettrico (Iel), Indice di Risparmio Economico (IREC). Campi applicativi degli impianti cogenerativi. Impianti cogenerativi con turbine a gas: schema di layout e rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s. Impianti cogenerativi con turbina a vapore in contropressione. Schema di layout e rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s del vapor d'acqua. Impianti cogenerativi con turbina a vapore in derivazione. Schema di layout e rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s del vapor d'acqua. Impianti combinati cogenerativi: Schema di layout e rappresentazione del ciclo di funzionamento sul diagramma T-s del vapor d'acqua. Impianti cogenerativi con motori a combustione interna alternativi. Aspetti normativi della Cogenerazione. Il panorama energetico Impiego delle fonti energetiche, efficienza nel processo di conversione dell energia e sviluppi futuri. Confronto fra la situazione in Italia, in Europa e nel resto del mondo. Fonti energetiche rinnovabili Introduzione. Classificazione delle fonti rinnovabili. Incentivazione alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili: i certificati verdi, la tariffa omnicomprensiva e il conto energia. Fonti energetiche rinnovabili: Biomasse Definizione di biomassa. Pro e contro degli impianti di conversione dell energia a biomassa. Influenza dell approvvigionamento della biomassa sulla progettazione dell impianto. Quadro generale delle diverse tipologie di biomassa, dei processi di trasformazione delle biomasse e dei sistemi energetici utilizzati. Introduzione ai processi biochimici per la trasformazione delle biomasse. Il processo di digestione anaerobica: principali fasi coinvolte (Idrolisi, Acidogenesi, Acetogenesi, Metanogenesi), composizione del bio-gas, parametri limitanti o inibenti del processo. Classificazione dei processi di digestione anaerobica e descrizione dei principali tipi di digestore: reattore completamente miscelato, a due stadi, a fasi separate, plug-flow e batch. Sistemi di post-trattamento del bio-gas e possibili utilizzi del digestato. Il processo di fermentazione alcolica. Principali tipologie di biomassa impiegate. Il bio-idrogeno. Il processo di combustione: descrizione delle principali fasi della combustione della biomassa solida: essicazione, pirolisi, gassificazione e ossidazione. Combustibili da biomassa comunemente impiegati per il processo di combustione: legno (diverse forme in cui viene utilizzato), residui e prodotti agricoli e agroalimentari, oli vegetali e CDR. Trattamento dell RSU per ottenere il CDR e resa in termini di potere calorifico inferiore. Principali tecnologie per la combustione: combustori a letto fisso (a griglia, cigar burner, underfeed stoker), a letto fluido (a letto bollente, BFB, e ricircolante, CFB), per polverino, a tamburo

4 rotante e a due stadi. Taglie caratteristiche di ciascuna tipologia di combustore. Accenno alle emissioni inquinanti e alle ceneri prodotte dal processo di combustione delle biomasse e relativi sistemi di abbattimento. La co-combustione. Il processo di gassificazione: descrizione delle principali fasi della gassificazione della biomassa. Descrizione delle principali tipologie di gassificatori: a letto fisso (downdraft, updraft, cross-current, open-core) e a letto fluido. I prodotti della gassificazione: composizione del syn-gas e dei contaminanti (particolati, tar, composti dell azoto dello zolfo e del cloro). Sistemi di post-trattamento del syn-gas. Il processo di pirolisi: descrizione delle principali fasi della pirolisi della biomassa. Principali tipologie di impianti. La piro-gassificazione. Utilizzo integrato dei diversi sistemi di trasformazione delle biomasse. Fonti energetiche rinnovabili: Energia Solare Caratteristiche dell'energia solare, stima della disponibilità di energia solare, sistemi di captazione, impieghi termici dell energia solare, la conversione fotovoltaica, impianti fotovoltaici. Fonti energetiche rinnovabili: Energia Idroelettrica Stima delle risorse idriche, classificazione, schemi di impianto, soluzioni tecnologiche, rendimenti. Fonti energetiche rinnovabili: Energia Eolica Caratteristiche dell energia eolica, stima della disponibilità di energia eolica per un sito, aerogeneratori e centrali eoliche. Calcolo del coefficiente di prestazione di un aerogeneratore.

5 ESERCITAZIONI: Esercitazione: Impianti termici con turbina a vapore Calcolo degli stati fisici e del rendimento termodinamico di un impianto a vapore a ciclo Rankine. Influenza della pressione di condensazione. Esercitazione: Impianti termici con turbina a vapore Calcolo degli stati fisici e del rendimento termodinamico di un impianto a vapore a ciclo Hirn. Influenza della risurriscaldamento: calcolo degli stati fisici e del rendimento. Esercitazione: Impianti termici con turbina a vapore Calcolo degli stati fisici e del rendimento termodinamico di un impianto a vapore a ciclo Hirn con 3 spillamenti. Esercitazione: Impianti termici con turbina a gas Calcolo delle prestazioni di un gruppo turbogas. Esercitazione: Impianti combinati gas-vapore Calcolo delle prestazioni di un impianto combinato gas-vapore ad un solo livello di pressione. Esercitazione: Impianti cogenerativi Calcolo delle prestazioni di un impianto combinato gas-vapore ad due livelli di pressione più surriscaldatore per applicazioni cogenerative. SEMINARI: Ing. Arturo Tornaboni Iren Rinnovabili "Impianti a biogas: le scelte strategiche. la breve distanza fra il successo e il fallimento" Martedì 28 Maggio ore VISITE: Impianto Turbogas Gruppo Iren via Hiroshima 5 Reggio Emilia Martedì 7 Maggio ore Impianti EN.CORR e CAT Via Pio La Torre, Correggio (RE) Martedì 21 Maggio ore

6 TESTI CONSIGLIATI Negri di Montenegro G., Bianchi M., Peretto A.,Sistemi energetici e loro componenti, Pitagora Editrice, Bologna. Lozza G., Turine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, Bologna. Sandrolini S., Naldi G., Macchine (Vol. 1) - Fluidodinamica e termodinamica delle turbomacchine, Pitagora Editrice, Bologna, Sandrolini S., Naldi G., Macchine (Vol. 2) - Le turbomacchine motrici e operatrici, Pitagora Editrice, Bologna, Sandrolini S., Naldi G., Macchine (Vol. 3) - Gli impianti motori termici e i loro componenti, Pitagora Editrice, Bologna, Cantore G., Macchine, Esculapio Editore, Bologna, 1999.