Dipartimento Energia Politecnico di Torino
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- Arrigo Grandi
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1 Produzione dell energia elettrica: PROSPETTIVE TECNOLOGICHE Andrea LANZINI Dipartimento Energia Politecnico di Torino
2 1. I nostri consumi di energia INPUT DI ENERGIA CONSUMI FINALI Flussi di energia nelle trasformazioni da risorse primarie ad usi finali (dati riferiti al 2005). Fonte: IIASA,
3 1. I nostri consumi di energia I consumi finali dell uomo comprendono per circa il 20-25% l utilizzo di energia elettrica. L elettricità è in genere prodotta attraverso la combustione di carbone o gas naturale in impianti con un ciclo a vapore, a gas o combinato gas+vapore. Centrali termo-nucleari sono anche utilizzate per la produzione elettrica. Infine vi sono le fonti rinnovabili: idroelettrico, eolico, solare fotovoltaico o a concentrazione, biomasse e geotermico. Fonte: elaborazione personale da dati storici di TERNA 2
4 2. I motori primi Definizione: i motori primi sono macchine che l uomo costruisce per poter trasformare in lavoro le fonti di energia primaria di cui dispone. In origine le fonti energetiche erano soltanto forza muscolare, acqua, vento e sole. Con il progresso tecnologico, l uomo ha imparato a gestire e sfruttare quantità di energia sempre maggiori utilizzando l energia chimica contenuta nelle fonti fonti fossili (ad esempio il carbone), ed impiegando macchine sempre più complesse e potenti (macchine a vapore, turbine, ecc.) 3
5 2. I motori primi MOTORI PRIMI MOTORI TERMICI ALIMENTATI AD ENERGIE RINNOVABILI (ACQUA, VENTO, GEOTERMIA) - Combustione esterna - Combustione interna (motori delle auto) Vite (o coclea) di Archimede 4
6 2. Cicli termodinamici I motori primi si sono poi evoluti in sistemi tecnologici sempre più complessi per poter disporre di potenze sempre maggiori. Schema di un impianto con turbina a vapore. Fonte: Carbone (coal) ed aria bruciano producendo dei fumi caldi quindi utlizzati per vaporizzare e surriscaldare acqua compressa. Il vapore ad alta temperatura viene espanso in turbina producendo energia meccanica, poi convertita in energia elettrica. 5
7 3. Conversione del combusjbile Combustione: il combustibile (carbone, gas, ecc.) brucia con il comburente (in genere aria) producendo dei fumi caldi (H2O, CO2, N2 e O2 residuo). Questi possono essere utilizzati per produrre energia meccanica in modo diretto se sono anche a pressione superiore a quella atmosferica: in questo caso si usa una turbina a gas. Impianto turbo-gas General Electric ( 6
8 3. Definizione di efficienza eleorica L efficienza di un impianto per la produzione di energia elettrica è definita come il rapporto tra l elettricità netta generata e l energia (chimica) messa a in gioco nel processo di conversione termo-elettrica. Negli impianti convenzionali, il combustibile viene bruciato con aria per produrre energia termica convertita poi in energia meccanica (attravrso turbine). Quest ultima viene poi convertita in energia elettrica attraverso una dinamo. 7
9 4. ImpianJ convenzionali: i cicli combinaj a gas naturale Fonte: 8
10 Efficienza di conversione eleoricia (%) 4. Evoluzione dell efficienza di conversione eleorica ImpianJ ibridi con celle a combusjbile GTCC = ciclo combinato a gas naturale SOFC = celle a combusjbile ad ossidi solidi IGCC = ciclo combinato a gassificazione di carbone Turbina vapore Motore a vapore Anno Fonte: Kobayashi, Y., et al., Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 2011, Vol. 48 No. 3 9
11 5. ProspeYve tecnologiche Attualmente gli impianti convenzionali (centrali termoelettriche) hanno raggiunto efficienze elettriche fino al 60% con cicli combinati a gas naturale, ed oltre il 40% con impianti integrati di gassifificazione del carbone + ciclo combinato. Nei prossimi decenni, efficienze ancora più alte potranno essere raggiunti con impianti ibridi a celle e combustibile e ciclo combinato. Le celle a combustibile ( fuel cell ) generano elettricità attraverso un «ossidazione lenta» del combustibile che non comporta organi in movimento e combustione diretta. Tale conversione elettrochimica permette conversioni elettriche dell energia chimica del combustibile in ingresso molto elevate (>70%) 10
12 5. Carbone pulito : gassificazione Il carbone, anzichè essere bruciato, viene gassificato producendo un gas di sintesi (syngas) ricco in idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO) che può essere convertito in energia elettrica attraverso un ciclo combinato ad alta efficienza. Fonte: processo di gassificazione della Shell 11
13 5. ImpianJ integraj di gassificazione a ciclo combinato Fonte: ENEA 12
14 5. ImpianJ integraj di gassificazione a ciclo combinato Co-produzione di energia elettrica, idrogeno e chemicals da carbone Fonte: ENEA 13
15 5. Le celle a combusjbile (fuel cells) Le celle a combustibile sono generatori in cui avviene un ossidazione elettrochimica di un combustibile per produrre elettricità. Illustrazione grafica originale della Pila di Volta (Volta, 1800). Si tratta probabilmente del primo generatore di tensione elettrochimico. La pila era costituita da una serie di dischi in zinco e rame, rispettivamente, (gli elettrodi) separati da un tessuto imbevuto in acqua acidificata (che fungeva invece da elettrolita). Fuel Cell Group - Dip. Energia 14
16 5. Le celle a combusjbile (fuel cells) Principio di funzionamento delle celle a combustibile: l aria esterna rifornisce il catodo della pila a combustibile. Gli ioni ossigeno sono separati e trasferiti all elettrodo anodico, dove ossidano il combustibile. La corrente ionica attraversao l elettrolita è compensata da una corrente elettrica che fluisce su un circuito esterno.. EleOricità 𝐻 2 + 1/2 𝑂 2 𝐻 2 𝑂 𝐶𝑂+ 1/2 𝑂 2 𝐶𝑂 2 Raffreddamento ad aria Fonte: Bloomenergy (funzionamento di una cella ad ossidi 15 solidi)
17 5. CombusJbili per le fuel cells IDROGENO GAS NATURALE (metano) C SOFC CLEAN- UP C MCFC Internal reforming (direct or indirect) DESOLFOR. VAPOR. BIOGAS (bio- metano) COMBUSTIBILI LIQUIDI (metanolo, etanolo, bio- diesel etc.) C PAFC C PEMFC FUEL Reforming, WGS PROCESSOR & CO clean- up 16
18 5. Gli impianj ibridi a celle a combusjbile Schema di un impianto ibrido con celle a combustibile di taglia 200 kwe accoppiato ad una micro-turbina. Efficienze elettriche fino al 54-55% già dimostrate. Fonte: Kobayashi, Y., et al., Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 2011, Vol. 48 No. 3 17
19 5. ImpianJ a fuel cells alimentaj a biogas BIOGAS (da substraj organici di scarto) GENERAZIONE DI DISTRIBUZIONE ED UTILIZZO ENERGIA ELETTRICA DI ENERGIA ELETTRICA, CALORE E H2 Fonte: 2013 US National Renewable Energy Lab (Workshop Proceedings, 18 NREL/BK )
20 5. Caso studio: impianto trigenerajvo di Irvine, CA Le prospettive tecnologiche sono sempre più orientate verso impianti multi-prodotto. Si tratta di un estensione del concetto di cogenerazione (ovvero co-produzione di energia elettrica e calore) verso impianti in grado di produrre simultaneamente elettricità, un vettore energetico o chemical utile (H2, metanolo, ammoniaca, ecc.) ed infine calore. Biogas da digestione anaerobica di fanghi viene convertito in elettricità, calore ed idrogeno nell impianto dell Orange County OCSD (Irvine, CA). Per la produzione elettrica si utlizza un generatore a celle a combustibile a carbonati fusi (Fuel Cell Energy). L H2 viene utilizzato per la mobilità locale in auto a FC. Fonte: june2012_biogas_workshop_brouwer.pdf 19
21 5. UJlizzo del biogas in SOFC con ri- ujlizzo della CO2 Fonte: Progetto Europeo SOFCOM ( 20
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