Dispensa del corso di SISTEMI ENERGETICI. Argomento: Sistemi Energetici (parte 1)

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1 Dispensa del corso di SISTEMI ENERGETICI Argomento: Sistemi Energetici (parte 1) Prof. Pier Ruggero Spina Dipartimento di Ingegneria

2 Sommario Forme di energia e loro conversione Introduzione: diagrammi termodinamici e ciclo di Carnot Sistemi energetici a vapore Turbogas Impianti a ciclo combinato gas/vapore Motori alternativi a combustione interna Sistemi energetici cogenerativi

3 Forme di energia e loro conversione Elettromagnetica Chimica Termica Atomica Meccanica Energia solare Biomasse e rifiuti Combustibili Energia geotermica Gradienti termici naturali Nucleare Energia eolica Energia idraulica Maree Moto ondoso radiolisi fissione e fusione sistemi eliotermici sistemi di combustione Energia Termica Energia Meccanica Motori primi a ciclo termodinamico Sistemi frigo ad assorbimento motori eolici e idraulici Energia Frigorifera sistemi fotovoltaici celle a combustibile macchine elettriche Energia Elettrica sistemi TPV, termoionici e termo-elettrici Sistemi frigo a compressione termolisi reformer Idrogeno elettrolisi

4 Introduzione

5 Ciclo di Carnot (motore)

6 Diagramma termodinamico {T,s} del vapore d'acqua

7 Diagramma termodinamico {h,s} del vapore d'acqua

8 Sistemi energetici a vapore d'acqua

9 Schema di cicli a vapore

10 Schema di cicli a vapore

11 Ciclo a vapore con spillamenti

12 Evoluzione degli impianti a vapore - Subcritici: p v 167 bar, T s 540 C - Supercritici: p v 250 bar, T s 540 C - Ultrasupercritici: p v 300 bar, T s 620 C - Tendenza: p v 350 bar, T s 700 C

13 Evoluzione degli impianti a vapore

14 Evoluzione degli impianti a vapore

15 Componenti degli impianti a vapore

16 Componenti degli impianti a vapore Caldaia a tubi d'acqua

17 Componenti degli impianti a vapore Turbina a vapore

18 Regolazione dell'impianto a vapore

19 Cicli Rankine a fluido organico (ORC - Organic Rankine Cycle)

20 Diagramma termodinamico {T,s} del vapore d'acqua

21 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici

22 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici Punto critico H 2 O: T c = 374 C = 647 K P c = 22.1 MPa = 221 bar nome tipologia MW T c p c v c [kg/kmol] [K] [bar] [m 3 /kmol] Propano alcano Butano alcano Benzene aromatico Toluene aromatico R134a alogenato R123 alogenato

23 Alcani R-290 Propano C 3 H 8 H H H H C C C H H H H R-600 Butano C 4 H 10 H H H H H C C C C H H H H H

24 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici Properties of Saturated Liquid and Saturated Vapor of Butano Volume, Enlbalpy, Enlropy, Temp, Pressure, m 3 /kg kj/kg kj/(kg K) K MPa Liquid Vapor Liquid Vapor Liquid Vapor

25 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici

26 Aromatici Benzene Toluene H CH 3 H C C C H H C C C H H C C C H H C C C H H H

27 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici Properties of Saturated Liquid and Saturated Vapor of Toluene Volume, Entbalpy, Entropy, Temp, Pressure, m 3 /kg kj/kg kj/(kg K) K MPa Liquid Vapor Liquid Vapor Liquid Vapor

28 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici

29 Alogenati R-123 2,2-dicloro-1,1,1-trifluoroetano C 2 HF 3 Cl 2 F Cl F C C H F Cl R-134a 1,1,1,2-tetrafluoroetano C 2 H 2 F 4 F F F C C H F H

30 Diagramma termodinamico {T,s} di alcuni fluidi organici Properties of Saturated Liquid and Saturated Vapor of R134a Volume, Enthalpy, Entropy, Temp, Pressure, m 3 /kg kj/kg kj/(kg K) K MPa Liquid Vapor Liquid Vapor Liquid Vapor

31 Temperatura [K] Cicli termodinamici is is Entropia [kj/(kg K)]

32 Temperatura [K] Cicli termodinamici ' is is Entropia [kj/(kg K)]

33 Temperatura [K] Ciclo termodinamico e circuito termico is is Entropia [kj/(kg K)]

34 Temperatura [K] Ciclo termodinamico e circuito termico Vantaggi del fluido organico rispetto al vapor d acqua 2is Entropia [kj/(kg K)] 9 5is 5 Possibilità di sfruttare sorgenti di calore a bassa temperatura ( C) Basse pressioni di vaporizzazione, anche per condizioni prossime a quelle critiche Modesti salti entalpici da sfruttare ed elevati pesi molecolari del fluido di lavoro, con conseguente possibilità di utilizzo di turbine con basso numero di stadi (anche uno solo) e dalle velocità di rotazione ridotte (accoppiamento diretto al generatore elettrico) Tempi di avviamento rapidi

35 ORC - Esempi Fluido vettore: olio diatermico a C Rigeneratore per recuperare parte del contenuto entalpico non sfruttato in turbina Esempio di ORC alimentato a biomasse e con impiego CHP civile

36 ORC - Esempi

37 ORC - Esempi

38 ORC - Esempi Sistema automatico di alimentazione del combustibile 1. Silos/bacino di raccolta 2. Rullo trasportatore 3. Iniettore

39 ORC - Esempi Caldaia per biomassa ad olio diatermico 1.Caldaia a griglia mobile o a insuflaggio a vortice 2. Recuperatore 3. Condotto di scarico 4. Filtro ciclone e Ventilatore

40 ORC - Esempi Circuito primario - olio diatermico 1. Recuperatore 2. Andata olio diatermico ( C) 3. Evaporatore 4. Pompa 5. Ritorno olio diatermico

41 ORC - Esempi Circuito secondario (modulo ORC) - fluido organico 1. Evaporatore 2. Mandata vapore Fluido organico ( C) 3. Turbogeneratore 4. Scarico vapore fluido organico (90 C) 5. Condensatore 6. Pompa

42 ORC - Esempi Circuito secondario (modulo ORC) - fluido organico 1 Economizzatore 5 Pompa 9 Uscita acqua di condensazione 2 Condensatore 6 Pre-riscaldatore 10 Ingresso olio diatermico 3 Turbina 7 Evaporatore 11 Uscita olio diatermico 4 Generatore elettrico 8 Ingresso acqua di condensazione

43 ORC - Esempi Circuito dell acqua di raffreddamento 1. Condensatore 2. Acqua calda alle utenze (80-90 C) 3. Acqua fredda (60 C)

44 Moduli ORC Costo: Euro/kW e

45 Moduli ORC

46 Applicazioni ORC Può essere conveniente soprattutto con biomassa solida e syngas Possibilità di recupero di calore scaricato da motori (ciclo combinato)

47 ORC di piccola taglia Recentemente proposti ORC di taglie inferiori a 200 kw FreePower FP120 Potenza termica ingresso kw 742 Potenza elettrica lorda kw 130 Potenza elettrica netta kw 120 Rendimento elettrico netto % 16 Temperatura IN C 280 Temperatura OUT C 136 Potenza termica scaricata kw 612 Temperatura acqua per cogen C 64 Temperatura fumi C 457

48 ORC di piccola taglia Recentemente proposti ORC di taglie inferiori a 200 kw Dimensioni package: 3.9 x 2.2 x 1.3 m Peso package : 3000 kg

49 ORC di piccola taglia Recentemente proposti ORC di taglie inferiori a 200 kw Potenza termica ingresso acqua kw 542 Potenza elettrica lorda kw N/A Potenza elettrica netta kw 50 Rendimento elettrico netto % 9 Temperatura IN C Slow energy - Green Machine Potenza termica ingresso fumi kw 592 Potenza elettrica lorda kw N/A Potenza elettrica netta kw 50 Rendimento elettrico netto % 8.4 Temperatura fumi C 350 Temperatura fumi: 200 C 500 C

50 Micro cicli Rankine Genlec - Energetix (UK) ORC espansore tipo scroll P e = 1 kw e, P th = 10 kw th

51 Micro cicli Rankine Cogen Microsystem (Australia) H 2 O espansore tipo scroll P e = kw e P th = kw th

52 Micro cicli Rankine Otag (Germania) H 2 O espansore volumetrico P e = 2.1 kw e, P th = 16 kw th In commercio dal

53 Turbogas

54 Diagramma termodinamico {h,s} dell'aria

55 Diagramma termodinamico {h,s} dell'aria Punto critico aria: T c = K = C P c = 3.77 MPa = 37.7 bar

56 Diagramma termodinamico {h,s} dell'aria

57 Diagramma termodinamico {h,s} dell'aria

58 Schema di una turbina a gas

59 Ciclo turbogas semplice ideale

60 Ciclo turbogas semplice reale f 2 CC 3 M C T TP U 1 N 4

61 Immagini di turbine a gas reali

62 Componenti delle turbine a gas

63 Componenti delle turbine a gas

64 Ciclo turbogas semplice reale - γ lim per l'autosufficienza 16 g lim g = 16 T ic = 288 K = 15 C T it = 4608 K = 4335 C g = 2 2 T ic = 288 K = 15 C T it = 576 K = 303 C a = 1.4, b = h pc = h pe b a = 2.6, b = 28.3

65 0.60 h th h pc = 0.90 h pe = 0.90 Ciclo turbogas semplice reale - η th = f (L th ) a = 2.8, b = 37 a = 2, b = g = 4 g = 5 g = 6 T ic = 288 K = 15 C g = 4 -> T it = 1152 K = 879 C g = 5 -> T it = 1440 K = 1167 C g = 6 -> T it = 1728 K = 1455 C L * th 1.8

66 Prestazione del ciclo semplice

67 Temperatura massima di una turbina a gas

68 Raffreddamento delle pale della turbina

69 Cicli complessi rigenerazione (R) Efficienza Ciclo con recupero termico TIT = 950 C TIT = 850 C Ciclo senza recupero Rapporto di compressione

70 Cicli complessi rigenerazione (R) Efficienza Ciclo con recupero termico TIT = 950 C TIT = 850 C Ciclo senza recupero Rapporto di compressione

71 Cicli complessi rigenerazione (R) Efficienza Ciclo con recupero termico TIT = 950 C TIT = 850 C Ciclo senza recupero Rapporto di compressione

72 Cicli complessi compressione interrefrigerata (IC) Rolls-Royce WR-21 (ICR)

73 Cicli turbogas complessi espansione interriscaldata (RH) (RH)

74 Cicli turbogas complessi altri

75 Mappe di prestazione del compressore 1.05 (h isc )* (N/ (T 01 ) 0.5 )*= (p /p )* Surge Line (N/ (T ) 0.5 )*= (m (T ) 0.5 /p )* a

76 Mappe di prestazione della turbina 1.4 (p 03 /p 04 )* (N/ (T 03 ) 0.5 )*= (N/ (T 03 ) 0.5 )* = (m t (T 03 ) 0.5 /p 03 )* (h )* ist 1.05

77 Accoppiamento compressore-turbina 1.2 (p /p )* Surge Line (T 03 ) max 0.9 (T 03 ) min 0.8 T (N/ (T ) 0.5 )*= (m (T ) 0.5 /p )* a

78 Accoppiamento compressore-turbina 1.2 (p /p )* Surge Line (N/ (T ) 0.5 )*= (m (T ) 0.5 /p )* a

79 Influenza del punto di funzionamento (potenza utile)

80 Influenza della temperatura ambiente

81 Turbine a gas sul mercato

82 Prestazioni di turbine a gas in esercizio

83 Impianti a ciclo combinato gas-vapore

84 Ciclo combinato a 1 livello di pressione

85 Ciclo combinato con post-combustione

86 Ciclo combinato a 2 livelli di pressione

87 Ciclo combinato a 2 livelli di pressione h otg = h ov = 0.98 h thtg e h thv h tot h tot

88 Ciclo combinato a 3 livelli di pressione

89 Rendimento dei cicli combinati