Centrali termoelettriche. Centrali termoelettriche con turbina a vapore. Centrali termoelettriche con motore alternativo a combustione interna

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1 Centrali termoelettriche Centrali termoelettriche con turbina a vapore Centrali termoelettriche con motore alternativo a combustione interna Centrali termoelettriche con turbogas

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4 turbina a vapore sono del tipo a ciclo chiuso rendimenti energia elettrica raramente superano il 25% per potenze al disotto dei 100 Mw, impianti taglie più grandi raggiungono rendimenti pari al 42%.

5 CARATTERISTICHE Possibilità di utilizzare qualsiasi combustibile: solido, liquido e gassoso anche biomasse di varia tipologia, provenienza e dimensione o residui solidi urbani (RSU). scarsa flessibilità in quanto a variazioni continue dei carichi e frequenti avviamenti

6 incapace di avviarsi in assenza di energia elettrica per l alimentazione degli ausiliari (pompe di circolazione, etc.). vengono utilizzate per garantire il carico di base (base-load) destinate ad un funzionamento in continuo

7 con solo i fermi necessari per la manutenzione programmata e/o straordinaria utilizzate quasi sempre a potenze molto prossime a quelle massime nominali

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9 Centrali turbogas

10 Centrali turbogas a ciclo aperto il fluido evolvente è aria la quale viene aspirata dall atmosfera compressa ed inviata in turbina dove si miscela con il combustibile

11 i prodotti della combustione sono direttamente in contatto con gli organi della macchina motrice (turbina) inutilizzabili combustibili di tipo solido con caratteristiche chimiche aggressive per i materiali delle turbine

12 già sollecitate dalle elevate temperature dei gas combusti (talvolta superiori ai 1000 C). alimentate a gas metano, vi sono impianti alimentati con combustibili liquidi quali oli densi, oli fluidi o gasolio

13 solitamente di taglia compresa fra 10 Mw sino a circa 300 Mw; caratterizzati da rendimenti (intorno al 35 %) mediamente inferiori rispetto agli impianti a vapore

14 capacità di potersi avviare, andare a regime in un tempo estremamente ridotto più flessibili nelle regolazioni utili per far fronte a carichi di punta sulle reti elettriche

15 Centrali con motore alternativo a combustione interna unità molto compatta tutte le fasi del ciclo in cui evolve il fluido avvengono nel motore il fluido di partenza è l aria che viene miscelata con un combustibile gassoso (metano, GPL) o liquido (benzina, gasolio),

16 per poi realizzare direttamente all interno del cilindro una combustione di tali sostanze (combustione interna c.i.) I prodotti della combustione ad elevata temperatura espandono nel cilindro del motore trasferiscono quindi energia alla macchina

17 I gas della combustione vengono espulsi in atmosfera ed il ciclo riparte inutilizzabili combustibili di tipo solido e quelli con caratteristiche chimiche tali da non garantire una idonea combustione

18 potenze vanno da pochi kw sino a circa 10 Mw le taglie piccole sono generalmente generatori di emergenza per lo più a gasolio,

19 taglie più grandi sono destinate a singole utenze industriali piccole reti isolate in situazioni dove la compattezza dell impianto ne privilegia l installazione

20 elevati rendimenti sino ad oltre il 40% per potenze da 3.0 Mw in su possono funzionare in maniera discontinua con fermate e partenze improvvise su richiesta dell'utenza.

21 IDONEE per tutte le utenze industriali che non lavorano a ciclo continuo e per tutte le utenze civili caratterizzate da notevoli variazioni di richiesta nell'arco del giorno e della settimana

22 Punte di carico Punte di carico Carico di base eccedenza eccedenza

23 LA COGENERAZIONE nota anche come CHP (Combined Heat and Power), è la produzione congiunta e contemporanea DI ENERGIA ELETTRICA (O MECCANICA) E CALORE UTILE a partire da una singola fonte energetica, attuata in un unico sistema integrato

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25 il calore prodotto dalla combustione non viene disperso, ma recuperato per altri usi. la cogenerazione raggiunge una efficienza superiore al 90% e questo permette di: risparmiare energia primaria salvaguardare l'ambiente diminuire le emissioni di CO 2 diminuire i costi creare nuovi posti di lavoro

26 COGENERAZIONE il calore di scarico della macchina ha livelli termici elevati può essere riutilizzato: 1. per la produzione di acqua calda, 2. vapore (in processi industriali, ecc.), 3. direttamente (fumi utilizzati per l'essiccamento), 4. oppure per produrre una ulteriore quota di energia elettrica (ciclo combinato).

27 cogenerazione

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30 La cogenerazione

31 COGENERAZIONE è necessario che l'energia termica disponibile possa essere utilizzata nel ciclo produttivo dello stabilimento in cui essa si colloca. localizzazione degli impianti di cogenerazione in prossimità delle aree produttive limiti alle dimensioni delle macchine utilizzate in quanto l'energia termica non può essere trasportata a grandi distanze in modo economico.

32 MACCHINE DISPONIBILI motori alternativi, a ciclo Otto e Diesel, da cui viene recuperato il calore : 1. del circuito di raffreddamento del motore 2. dell'olio a bassa temperatura (da 50 a 90 C) 3. e quello dei gas di scarico ad alta temperatura (circa C);

33 TURBOGAS i gas di scarico in gran volume e ad alta temperatura: producono il calore richiesto in una caldaia a recupero, oppure vengono utilizzati direttamente in processo, come ad esempio nei processi di essiccamento;

34 TURBINE A VAPORE turbine alimentate con vapore surriscaldato, che dopo aver attraversato la turbina producendo energia elettrica viene scaricato a bassa pressione per alimentare le utenze termiche;

35 RENDIMENTI Considerando il rendimento globale del sistema (energia termica ed energia elettrica prodotta rispetto a quella introdotta come combustibile) si ha: turbina a vapore 80-90% turbogas 70-85% motori alternativi 65-90%

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37 IMPIANTI COMBINATI combinano il ciclo termodinamico di impianti a combustione interna (turbogas, Cicli Otto o Diesel) sfruttando le alte temperature di combustione ed utilizzando poi l'energia termica dei gas scaricati quale energia in ingresso di un ciclo a vapore.

38 IMPIANTI COMBINATI Unfired Cycle Exhaust Fired Cycle

39 Unfired Cycle la caldaia per la produzione di vapore sfrutta esclusivamente l'energia termica posseduta dai gas esausti in uscita dalla turbina o dal motore alternativo

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41 IMPIANTO COMBINATO TURBOGAS-VAPORE

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43 IMPIANTI TURBOGAS Rendimento (sino al 56%). la potenza elettrica della sezione a gas è ampiamente superiore a quella vapore per 2/3 dal turbogas per 1/3 dal turbovapore

44 MOTORI ALTERNATIVI rendimenti complessivi elevati (anche 54%), ma l'energia elettrica che si ottiene deriva per oltre il 90% dal motore alternativo, Non molto convenienti

45 TIPOLOGIE DI IMPIANTI COMBINATI GAS/VAPORE Exhaust Fired Cycle se i gas esausti vengono utilizzati come comburente nei bruciatori della caldaia per la produzione vapore. la potenza elettrica della sezione a gas e quella a vapore si equivalgono

46 IMPIANTO CONVENZIONALE IMPIANTO COMBINATO

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48 SPAGNA

49 Jules Verne: L'Isola Misteriosa "...Io credo che l'acqua sarà un giorno usata come combustibile poiché l'idrogeno e l'ossigeno che la costituiscono, usati separatamente o insieme, forniranno un inesauribile sorgente di calore e luce..."

50 IDROGENO generatore di acqua, l elemento più leggero (Circa 14,4 volte più leggero dell aria) l elemento più abbondante dell universo Principale costituente delle stelle presente nel sole per circa il 90%

51 nella crosta terrestre si trova allo stato combinato, con carbonio, ossigeno ed altri elementi è uno dei principali costituenti del mondo vegetale e animale.

52 gas incolore, inodore e praticamente insolubile in acqua; dopo l elio è il gas più difficile da liquefare; ottimo combustibile, libera energia formando solo acqua : H 2 + 1/2O 2 H 2 O + energia è il combustibile col più alto potere calorifico superiore.

53 L idrogeno non è tossico, né corrosivo eventuali perdite dai serbatoi non causano problemi di inquinamento è meno infiammabile della benzina. la sua temperatura di autoaccensione è di circa 550 C, contro i C dei carburanti

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56 IDROGENO gas industriale di primaria importanza combustibile nelle missioni spaziali. impiego nelle celle a combustibile

57 L idrogeno non è una fonte di energia E un vettore energetico bisogna prima produrlo da altre fonti può essere prodotto in modi diversi e da differenti fonti di energia Alcune tecnologie sono già affermate, mentre per altre occorrono ancora notevoli sforzi di ricerca e sviluppo

58 PRODUZIONE Elettrolisi dell acqua Steam reforming del gas metano Ossidazione parziale di idrocarburi Gassificazione del carbone Gassificazione e pirolisi delle biomasse Altri metodi

59 PRODUZIONE Reforming idrocarburi 67 % principalmente gas naturale Elettrolisi 3 % Gassificazione 30 % Altri metodi Foto conversione (energia solare) dell H 2 O mediante alghe e batteri in fase di studio

60 H 2 O H 2 (energia chimica) Energia elettrica ½ O 2

61 Elettrolisi dell acqua

62 1 litro H 2 O 6,299 kwh el Energia elettrica 1,358 m³ H 2 4,41 kwh di energia chimica 0,679 m³ O 2

63 Schema della produzione di idrogeno da fonte solare per via termochimica

64 H2

65 FORMA GASSOSA Compressione Trasporto Stoccaggio Distribuzione

66 FORMA LIQUIDA Liquefazione Trasporto Stoccaggio Distribuzione

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68 Paragone tra idrogeno liquido e gassoso

69 IDROGENODOTTI (GAS) Analoghi ai gasdotti Tecnologie esistenti non ottimizzate per idrogeno Interessante per piccole distanze (< 80 km); oltre vi è necessità di stazioni di compressione

70 Le attuali reti per GN possono essere convertite per l idrogeno

71 Vantaggioso per grosse quantità (> m 3 /h): bassi costi operativi Esistono reti di distribuzione fra impianti 720 km in USA km in Europa ad Arezzo, il 30 aprile 2008, è stato inaugurato il primo idrogenodotto al mondo realizzato in area urbana

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73 L idrogeno compresso, rappresenta la soluzione più conveniente per basse produzioni e brevi distanze L idrogeno liquido è da preferirsi per basse produzioni e lunghe distanze I gasdotti rappresentano la soluzione più economica per alte produzioni o lunghe distanze Gli idruri sono una soluzione da adottare solo per brevi distanze

74 IDROGENO COMPRESSO Metodo più semplice ed economico Alte pressioni ( bar) per compensare bassa densità energetica peso ed ingombro dei serbatoi Nuovi materiali (Resistenti ad alte pressioni e più leggeri) Problemi di sicurezza

75 IDROGENO LIQUEFATTO Portare e mantenere H2 a -253 C Necessità di super contenitori isolanti Alto tasso di evaporazione Pericoloso Molto costoso

76 Tecniche di Stoccaggio dell Idrogeno (I) Stoccaggio in bombole ad alta pressione bar Sono disponibili bombole con pressione pari a 350 bar già si parla però di pressioni ancora superiori attorno ai 700 bar.

77 Tecniche di stoccaggio dell Idrogeno (II) Stoccaggio in forma liquida a 253 C a 2-3 bar. I problemi di isolamento termico oggi sono stati completamente superati. Un esempio di estrema funzionalità è il serbatoio della BMW 750h,

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79 Tecniche di accumulo dell Idrogeno (III) L idrogeno può legarsi chimicamente con diversi metalli, formando idruri che sono in grado di intrappolare l idrogeno, a pressioni relativamente basse la modalità più sicura di accumulo dell idrogeno. Il problema maggiore è il peso del serbatoio e la attuale scarsa capacità di accumulo

80 UTILIZZO 1. Sistemi di generazione stazionaria Celle a combustibile Turbine 2. Sistemi per trasporto Celle a combustibile Motori a combustione interna 3. Usi industriali

81 IL PROBLEMA L H 2 deve essere immagazzinato in sistemi ad elevata sicurezza (passiva se possibile) di costo ragionevole di lunga durata a prestazioni costanti nel sistema dei trasporti, ulteriori richieste sono: elevata energia disponibile per unità di volume elevata energia disponibile per unità di massa

82 Ci sono due modi per far funzionare una automobile con idrogeno: motore a combustione diretta di idrogeno celle a combustibile con motore elettrico

83 motore a combustione

84 USO DIRETTO L'idrogeno può essere stoccato a bordo del veicolo in forma liquida ad una temperatura di -253 C (serbatoi a doppia parete, ove viene fatto il vuoto) Oppure Sotto forma gassosa ad alta pressione (in bombole molto robuste)

85 SVANTAGGI DELL H 2 LIQUIDO maggiore complessità del sistema, non solo a bordo del veicolo ma anche a terra, per la distribuzione ed il rifornimento costo energetico della liquefazione circa il 30% del contenuto energetico del combustibile, contro un valore compreso tra il 4% ed il 7% per l idrogeno compresso.

86 CELLE A COMBUSTIBILE Sistemi elettrochimici capaci di convertire l energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.

87 CELLE A COMBUSTIBILE funziona in modo analogo ad una batteria consuma sostanze provenienti dall esterno ed è quindi in grado di funzionare ininterrottamente finché al sistema viene fornito combustibile (idrogeno) ed ossidante (ossigeno o aria).

88 H 2 Energia elettrica (energia chimica) (corrente continua) Calore ½ O 2 H 2 O

89 ELETTROLISI ACQUA CELLE A COMBUSTIBILE

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92 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO l idrogeno (all anodo) viene scisso da un catalizzatore di platino in elettroni e protoni (ioni idrogeno): I protoni passano attraverso la membrana si combinano con l ossigeno e gli elettroni producendo acqua. Gli elettroni, che non possono attraversare la membrana, passano dall anodo al catodo attraverso un circuito esterno

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94 IMPIEGHI DELLE FC 1. Trazione per veicoli 2. Alimentazione di reti elettriche (per case, condomini, ospedali) 3. impieghi portatili (telefoni cellulari, computer).

95 Percorso di 400Km Un auto convenzionale consuma circa 24 Kg di carburante Un auto a combustione a idrogeno consuma 8 Kg di idrogeno Un auto a cella a combustibile consuma 4 Kg di idrogeno

96 Il problema nell uso dell idrogeno per le macchine è che occupa troppo spazio 4 kg H 2 immagazzinati come: MgNiH 4 LaNi 5 H 6 H 2 liquido H 2 (200 bar)

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99 Progetto IRIBUS: motore da 150 kw 9 bombole da 140 litri; autonomia 12 ore; velocità massima 60km/h

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101 ALIMENTAZIONE CON COMBUSTIBILI

102 Veicoli con motori a celle a combustibile pro Emissioni quasi zero Buone prestazioni (autonomia, accelerazione) Alta efficienza Bassi costi di manutenzione (rispetto ai motori a combustione interna)

103 contro Stoccaggio a bordo dell idrogeno Sicurezza e normativa infrastrutture

104 21 settembre 2007 L'Eni ha inaugurato il nuovo distributore di idrogeno a Mantova. Progetto Zero Regio, finanziato dalla Commissione Europea. due pompe per H 2 a 350 bar per servire la flotta di tre Fiat Panda Hydrogen della Regione Lombardia,

105 Eco-stazione Agip multienergy di Mantova

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107 Problemi di ingombro Fiat 600

108 La posizione dei costruttori di veicoli ad idrogeno

109 CENTRALE ELETTRICA

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111 Un auto ibrida è una vettura che è spinta da due motori, uno termico, che può essere alimentato a benzina o a gasolio, ed uno elettrico

112 Il propulsore a combustione interna ha due compiti 1. trasformare l energia chimica del carburante in energia cinetica 2. caricare la batteria del motore elettrico. Il motore elettrico ha due compiti 1. aiutare il propulsore a c.i. a spingere il veicolo 2. Recuperare energia in rilascio e in frenata

113 rallentamento della vettura è affidata al motore elettrico che opponendosi alla rotazione delle ruote, trasforma l energia cinetica in elettrica che viene immagazzinata in una apposita batteria. A basse velocità e nella partenza da fermo, questa energia viene sfruttata per spingere l auto senza far intervenire il propulsore termico

114 tempo velocità