2 - Università degli Studi di Cagliari

Centrali termoelettriche
Centrali termoelettriche
con turbina a vapore
Centrali termoelettriche
con motore alternativo a
combustione interna
Centrali termoelettriche con turbogas
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%.
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
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
con solo i fermi necessari per la
manutenzione
programmata e/o straordinaria
utilizzate quasi sempre a potenze
molto prossime
a quelle massime nominali
Centrali turbogas
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
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
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
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
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
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),
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
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
potenze vanno da
pochi kw sino a circa 10 Mw
le taglie piccole sono
generalmente generatori di
emergenza per lo più a
gasolio,
taglie più grandi sono destinate a
singole utenze industriali
piccole reti isolate
in situazioni dove
la compattezza dell’impianto
ne privilegia l’installazione
• 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.
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
Punte di carico
Punte di carico
Carico di base
eccedenza
eccedenza
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
• 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 CO2
• diminuire i costi
• creare nuovi posti di lavoro
COGENERAZIONE
•
•
1.
2.
3.
4.
il calore di scarico della macchina ha
livelli termici elevati
può essere riutilizzato:
per la produzione di acqua calda,
vapore (in processi industriali, ecc.),
direttamente (fumi utilizzati per
l'essiccamento),
oppure per produrre una ulteriore
quota di energia elettrica (ciclo
combinato).
cogenerazione
La cogenerazione
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.
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 400-500°C);
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;
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;
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%
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.
IMPIANTI COMBINATI
• Unfired Cycle
• Exhaust Fired Cycle
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
IMPIANTO COMBINATO TURBOGAS-VAPORE
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
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
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
IMPIANTO
CONVENZIONALE
IMPIANTO
COMBINATO
SPAGNA
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......."
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%
nella crosta terrestre si trova allo
stato combinato,
• con carbonio,
• ossigeno
• ed altri elementi
• è uno dei principali costituenti
del mondo vegetale e animale.
• 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 :
H2 + 1/2O2 → H2O + energia
è il combustibile col
più alto potere calorifico superiore.
• 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 230-500 °C dei
carburanti
IDROGENO
• gas industriale di primaria
importanza
• combustibile nelle missioni
spaziali.
• impiego nelle celle a
combustibile
•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
PRODUZIONE
• Elettrolisi dell’acqua
• Steam reforming del gas metano
• Ossidazione parziale di idrocarburi
• Gassificazione del carbone
• Gassificazione e pirolisi delle
biomasse
• Altri metodi
PRODUZIONE
• Reforming idrocarburi 67 %
– principalmente gas naturale
• Elettrolisi
3%
• Gassificazione
30 %
• Altri metodi
– Foto conversione (energia solare) dell’
H2O mediante alghe e batteri
• in fase di studio
H 2O
H2
(energia chimica)
Energia elettrica
½ O2
Elettrolisi dell’acqua
1 litro
H2O
6,299
kWhel
1,358 m³ H2
4,41 kWh di
energia chimica
Energia
elettrica
0,679 m³ O2
Schema della produzione di idrogeno da fonte solare per via termochimica
H2
FORMA GASSOSA
Compressione
Trasporto
Stoccaggio
Distribuzione
FORMA LIQUIDA
Liquefazione
Trasporto
Stoccaggio
Distribuzione
Paragone tra idrogeno liquido e gassoso
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
Le attuali reti per GN possono essere
convertite per l’idrogeno
•Vantaggioso per grosse quantità (> 500.000
m3/h): bassi costi operativi
•Esistono reti di distribuzione fra impianti
720 km in USA
1.500 km in Europa
•ad Arezzo, il 30 aprile 2008, è stato
inaugurato il primo idrogenodotto al mondo
realizzato in area urbana
•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
IDROGENO COMPRESSO
• Metodo più semplice ed economico
• Alte pressioni (250-350 bar) per compensare bassa
densità energetica
• peso ed ingombro dei serbatoi
• Nuovi materiali (Resistenti ad alte pressioni e più
leggeri)
• Problemi di sicurezza
IDROGENO LIQUEFATTO
•
•
•
•
•
Portare e mantenere H2 a -253 °C
Necessità di super contenitori isolanti
Alto tasso di evaporazione
Pericoloso
Molto costoso
Tecniche di Stoccaggio dell’Idrogeno (I)
Stoccaggio in bombole ad alta pressione
200-250 bar
Sono disponibili
bombole con
pressione pari a 350 bar
già si parla però di pressioni ancora
superiori attorno ai 700 bar.
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,
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
UTILIZZO
1. Sistemi di generazione stazionaria
•Celle a combustibile
•Turbine
2. Sistemi per trasporto
•Celle a combustibile
•Motori a combustione interna
3. Usi industriali
IL PROBLEMA
L’H2 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
Ci sono due modi per far funzionare
una automobile con idrogeno:
•motore a combustione diretta
di idrogeno
•celle a combustibile con motore elettrico
motore a combustione
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)
SVANTAGGI DELL’H2 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.
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.
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).
H2
(energia chimica)
Energia elettrica
(corrente continua)
Calore
½ O2
H 2O
ELETTROLISI
ACQUA
CELLE A
COMBUSTIBILE
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
IMPIEGHI DELLE FC
1. Trazione per veicoli
2. Alimentazione di reti elettriche
(per case, condomini, ospedali)
3. impieghi portatili (telefoni
cellulari, computer).
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
Il problema nell’uso dell’idrogeno
per le macchine è che occupa troppo spazio
4 kg H2
immagazzinati come:
MgNiH4
LaNi5H6
H2 liquido
H2 (200 bar)
Progetto IRIBUS:
• motore da 150 kW
• 9 bombole da 140 litri;
• autonomia 12 ore;
• velocità massima 60km/h
•
ALIMENTAZIONE CON
COMBUSTIBILI
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)
contro
Stoccaggio a bordo dell’idrogeno
Sicurezza e normativa
infrastrutture
21 settembre 2007 L'Eni ha inaugurato
il nuovo distributore di idrogeno a Mantova.
Progetto Zero Regio, finanziato dalla
Commissione Europea.
due pompe per H2 a 350 bar per servire la flotta
di tre Fiat Panda Hydrogen della Regione
Lombardia,
Eco-stazione Agip multiEnergy di Mantova
Problemi di ingombro
Fiat 600
La posizione dei costruttori di veicoli ad idrogeno
CENTRALE ELETTRICA
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
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
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
velocità
tempo