Conversione diretta MHD

8b_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA
(ultima modifica 2912/2016)
Conversione diretta MHD
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
1
Conversione diretta MHD
La Magnetoidrodinamica (Magneto hydrodynamics MHD) è la disciplina
che studia la dinamica dei fluidi elettricamente conduttivi.
Esempi di tali fluidi sono plasmi, i metalli liquidi e l’acqua salata.
La parola Magneto Hydrodynamics MHD
è derivato da:
• Magneto come campo magnetico
• Hydro come liquidi e
• Dynamics come movimento.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
2
Conversione diretta MHD
Il campo di studio della MHD è stato introdotto nel 1813 dal noto fisico e
chimico britannico Michael Faraday, e quindi sviluppato dal prof. Hannes
Alfvén, ingegnere elettrico svedese e professore universitario della Fisica del
Plasma al Royal Institute of Technology in Stockholm, che per la ricerca e
gli studi fatti sulla MHD ha Ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1970.
Michael Faraday
M. Usai
Hannes Alfvén
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
3
Conversione diretta MHD
Mediante la conversione diretta MHD è possibile realizzare un generatore in
grado di convertire l’energia termica posseduta da un combustibile direttamente
in energia elettrica senza utilizzare un generatore elettrico convenzionale.
Un sistema di conversione MHD è principalmente costituito da un motore
termico in cui
• il calore ottenuto alla temperatura superiore è parzialmente convertito in
lavoro utile e
• l'energia termica residua in uscita dal sistema MHD viene fornita agli
impianti termici convenzionali.
Come tutti i motori termici, l'efficienza termica di un convertitore MHD
aumenta
• fornendo calore alla massima temperatura ottenibile in pratica e
• cedendo l'energia residua alla temperature minima possibile.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
4
Conversione diretta MHD
• I generatori magnetoidrodinamici sono dispositivi che generano energia
elettrica mediante l'interazione di un fluido conduttore in movimento (di
solito un fluido ionizzato o plasma, oppure un metallo liquido) e un campo
magnetico.
• I generatori elettrici magnetoidrodinamici (MHD) forniscono energia elettrica
con un impatto ridotto sull'ambiente e ottimi rendimenti
• Dagli anni ‘60 molti paesi hanno intrapreso programmi di ricerca nel campo
della generazione MHD, con particolare attenzione verso l'uso del carbone,
essendo uno dei combustibili più diffusi, come fonte di energia primaria.
• Generatori MHD sono anche interessanti per la produzione di impulsi elevati
di corrente elettrica poiché hanno tempi di avviamento limitati e sono in grado
di fornire la potenza massima istantaneamente.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
5
Conversione diretta MHD
Schema del sistema di conversione MHD
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
6
Conversione diretta MHD
In figura è riportato lo schema del canale del flusso del fluido conduttore.
Il fluido viene iniettato ad alta temperatura in un condotto a sezione via via
crescente per favorire l’espansione e l’aumento di velocità.
Il flusso di un fluido conduttore è forzato tra le piastre del condotto con un'energia
cinetica e una pressione differenziale sufficienti per superare la regione interessata
da un campo magnetico B.
y
x
z
u
Schema di un generatore MHD a conduzione
M. Usai
Durante questo processo il fluido
viene
ionizzato
e
diventa
conduttore.
La ionizzazione è ottenuta;
• sia aumentando la temperatura
con sistemi termici,
• sia con la semina di sostanze
come il cesio o di vapori di
potassio, che ionizzano a una
temperatura
relativamente
bassa.
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
7
Conversione diretta MHD
Il combustibile utilizzato potrebbe essere dell'olio combustibile fornito
attraverso un serbatoio o carbone gassificato attraverso un impianto di
gassificazione del carbone, o gas naturale.
Il combustibile (carbone, olio o gas naturale) viene bruciato nel combustore
o camera di combustione. I gas caldi provenienti dalla camera di
combustione vengono quindi inseminati con una piccola quantità di metallo
alcalino ionizzato (cesio o di potassio) per aumentare la conduttività elettrica
del materiale gas.
y
B
x
z
∆V
u
Schema di un generatore MHD a conduzione
M. Usai
Il seme, generalmente carbonato di
potassio viene iniettato nella camera
di combustione. Il potassio viene
ionizzato dai gas caldi di
combustione ad una temperatura di
circa 2300°C a 2700 °C.
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
8
Conversione diretta MHD
Il trasferimento di energia può essere effettuato sulla base di due processi fisici:
il processo di conduzione e il processo di induzione .
1)Il processo di conduzione può utilizzare anche un campo magnetico a frequenza
bassa e costante. Le cariche elettriche q di segno contrario in movimento con
velocità u, per la Forza di Lorentz, F  q( u  B) perpendicolare alle direzioni di
campo magnetico B e alla velocità del fluido conduttore u, saranno convogliate su
due elettrodi posizionati opportunamente nelle pareti laterali del canale MHD. Il
campo può essere prodotto con magneti permanenti.
B
y
x
z
∆V
u
Schema di un generatore MHD a conduzione
M. Usai
Le forze di Lorenz saranno di segno
contrario sulle cariche di segno contrario.
Ciò comporta un
-addensamento di cariche positive ( ioni)
su un elettrodo e un
-addensamento di cariche negative
( elettroni) sull’elettrodo opposto, creando
una differenza di potenziale tra i due
elettrodi ∆V e un campo elettrico Ey
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
9
Generatore e Motore MHD elementare a conduzione
Se si collegano gli elettrodi a un carico attraverso un circuito elettrico, il carico sarà
attraversato dalla corrente i che si richiude trasversalmente nel plasma (nella
direzione y con densità Jy ).
Questa corrente, a sua volta soggetta al campo di induzione B, determinerà la Forza
elettro-magnetica di reazione Fm = J x B, diretta secondo l’asse x in direzione
opposta, che rallenta il flusso del plasma. Si può affermare che l'energia cinetica
posseduta dal plasma in movimento con velocità u attraverso il campo magnetico B,
viene convertita in energia elettrica:
Energia cinetica  Energia elettrica : Generatore (Dinamo) al plasma
Il processo può essere invertito facendo circolare una corrente di densità Jy
attraverso il plasma, in presenza di un campo magnetico B trasversale.
La conseguente Forza elettro-magnetica Fm = Jy x B accelera il plasma
imprimendogli una velocità u. In questo modo l’energia elettrica del plasma
attraversato da una densità di corrente Jy viene convertita in energia cinetica.
Energia Elettrica  Energia cinetica: Motore al Plasma
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
10
Conversione diretta MHD
Il processo di conversione della energia rallenta e raffredda il plasma.
Durante il loro funzionamento i generatori MHD a gas tipicamente riducono la
temperatura della sostanza conduttiva da:
temperature del plasma di [2500 ÷ 3000 K)]→ a poco più di [1500 ÷ 2000 K].
Quelli a metallo liquido lavorano a temperature più basse:
temperature inferiori a 2000 K in ingresso. (0 k =-273,15°C)
La quantità di Energia che può essere estratta è proporzionale:
• all’ area della sezione trasversale del tubo A
• all’intensità del campo magnetico B
• alla conduttività del fluido σ
• alla velocità del flusso conduttivo u.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
11
Configurazione di un generatore MHD elementare.
Generatore di Faraday continuo
Gli elementi essenziali di un generatore MHD semplificato realizzato con un
magnete permanente (B= cost), sono riportati in figura.
Condotto all’interno del quale
è convogliato il gas ionizzato
che possiede energia termica e
cinetica
Circuito elettrico che collega il carico (Load)
Anodo
(ricevitore di elettroni )
∆V
y
z
i
x
Catodo
(emettitore di elettroni )
Magnete permanete che genera
il campo magnetico B
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
12
Conversione diretta MHD
Quindi il principio alla base della produzione di energia MHD è semplice: un gas
caldo elettricamente conduttore, prodotto ad alta pressione dalla combustione di
un combustibile fossile e accelerato da un ugello a velocità u, viene iniettato in un
canale e sottoposto a un intenso campo magnetico B trasversale.
Conformemente Legge di Lorentz, F  q( u  B) si genera un campo elettrico
E  F/q  (u  B) che agisce nella direzione perpendicolare al flusso di gas e
al campo magnetico.
Le pareti del canale parallele al campo magnetico e quindi normali al campo
elettrico, vengono utilizzate come elettrodi che, se collegati a un circuito esterno,
consentono di fornire corrente ad un carico. Le altre pareti sono isolanti.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
13
Conversione diretta MHD
Il sistema MHD costituisce un motore endotermico*,
comprendente una espansione del gas
da alta pressione (nella fase iniziale di compressione )
↓
a bassa pressione (nella fase finale di decompressione)
in un modo simile a quello impiegato in un
turbogeneratore gas convenzionale.
*Nei motori endotermici (m.e.t.) l’energia termica è prodotta mediante combustione di sostanze liquide o gassose.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
14
Struttura di base di un generatore MHD
Pareti del canale elettricamente isolanti
B
Pareti del canale elettricamente conduttrici
Il campo magnetico può essere generato anche con due bobine , disposte come in
figura . Con esse è inoltre possibile ottenere un generatore di tensione alternata,
facendo circolare una corrente alternata nelle bobine.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
15
Conversione diretta MHD
I sistemi MHD sono classificati in due tipi.
1) Sistema a ciclo aperto
2) Sistema a ciclo chiuso
a) con apporto del sistema di gas inerte
b) a metallo liquido
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
16
Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
descritto a grandi linee nella slide a pag.6
Per ottenere la corrente alternata
Fumi
Impianto di recupero del seme
Semina con
Carbonato di potassio
Depuratore
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
17
Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
Semina con
Carbonato di potassio
In questo schema a ciclo aperto si
effettua il recupero del calore dei
gas esausti e lo utilizza per:
•
il preriscaldamento del
combustibile
e
• per la trasformazione dell’acqua
in gas in ciclo chiuso di un
impianto tradizionale a turbina a
gas .
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
18
Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
Per raggiungere le temperature elevate richieste, viene utilizzata aria
compressa per bruciare il carbone nella camera di combustione, a una
temperatura che deve essere di almeno 1100 °C. La temperatura di
preriscaldamento può essere sensibilmente ridotta se l'aria viene
arricchita con ossigeno. Infine se, per la combustione del combustibile,
si utilizzata solo ossigeno compresso il preriscaldamento non è
necessario o notevolmente ridotto. In questo caso il costo aggiuntivo di
ossigeno può essere bilanciato dal risparmio sul preriscaldamento.
Il fluido caldo pressurizzato che lavora
nel combustore scorre attraverso un
u
ugello convergente-divergente.
In questo modo il gas esce dall'ugello
e entra nell'unità generatore MHD
ad una velocità elevata u.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
19
Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
Il generatore MHD è principalmente costituito da un canale
divergente, situato a valle dell’ugello convergente-divergente costituito
da una lega metallica resistente al calore, con raffreddamento esterno ad
acqua.
Il gas caldo si espande attraverso il campo magnetico B generato da
potenti magneti o bobine. Il movimento degli elettroni nel plasma
costituisce una corrente elettrica.
Su due elettrodi posizionati opportunamente nelle pareti laterali del canale
MHD sotto l’effetto delle forze elettromagnetiche si concentrano le cariche
elettriche. I due elettrodi possono richiudersi su un carico generando il
passaggio di una corrente in direzione y.
Con questo effetto, il campo magnetico agisce sulla corrente MHD
generato e produce una tensione nella direzione del flusso Ex del fluido
di lavoro.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
20
Conversione diretta MHD
2) Sistema a ciclo chiuso
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
21
Conversione diretta MHD
2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
1) Ciclo di riscaldamento esterno
3) Ciclo acqua e vapore
2) Ciclo MHD del gas vettore del’Argon o Elio
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
22
Conversione diretta MHD
2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
In un sistema a ciclo chiuso il gas trasportato lavora come in un ciclo
termodinamico Brayton-Joule. In un sistema a ciclo chiuso (ciclo 2 dello
schema) il gas ( Argon o Elio) viene compresso e successivamente scaldato
attraverso uno scambiatore di calore, a pressione sostanzialmente costante.
Quindi il gas compresso si espande nel generatore MHD, e la sua pressione e
temperatura decadono. Dopo aver lasciato il generatore, di calore viene
estratto dal gas da un dispositivo di raffreddamento, questa è la fase di
smaltimento del calore del ciclo. Infine, il gas viene ricompresso e rimesso
nel circuito per essere nuovamente riscaldato attraverso lo scambiatore di
calore con il ciclo di riscaldamento esterno (ciclo 1 dello schema).
Poiché il gas utilizzato non viene disperso nell’atmosfera, esso può essere scelto
più costoso, come l’Argon o l’ Elio, con caratteristiche fisiche più avanzate che
consentono di ottenere una miglior ionizzazione e una migliore conduzione
elettrica.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
23
Conversione diretta MHD
2.a ) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
Il sistema completo presenta complessivamente 3 cicli distinti, ma
interdipendenti.
1) Il ciclo di riscaldamento esterno.
Il carbone viene gassificato e il gas viene bruciato nel combustore per
fornire calore. I prodotti della combustione dopo aver attraversato l'aria
preriscaldata e il purificatore vengono scaricati nell'atmosfera. Poiché il
sistema di combustione è separato dal fluido di lavoro, lo sono così anche
le cenere e fumi. In questo impianto il problema di estrarre il materiale
seme dalle ceneri volanti non si pone. I gas combustibili sono utilizzati
per preriscaldare l'aria di combustione in entrata e poi trattati come ceneri
volanti mediante la rimozione del biossido di zolfo***, se necessario
prima dello scarico in atmosfera, attraverso un camino.
***Le emissioni di biossido di zolfo derivano dai processi di combustione che utilizzano
combustibili di tipo fossile (gasolio, olio combustibile, carbone), in cui lo zolfo è presente come
impurità.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
24
Conversione diretta MHD
2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
2) Ciclo MHD del gas vettore del’Argon o Elio
Nello scambiatore di calore primario, questo calore viene trasferito da un gas
vettore del ciclo MHD : argon o elio.
Il ciclo 2) è il ciclo MHD. Il gas argon caldo viene seminato con il cesio e il
fluido di lavoro risultante viene fatto passare attraverso il generatore MHD ad
alta velocità. La corrente continua su generatore MHD viene convertita in
corrente alternata dall'inverter e viene quindi immessa nella rete.
3) Ciclo acqua e vapore
Infine utilizzando un altro scambiatore con il terzo ciclo vapore-acqua, si
possono azionare le turbine a vapore, accoppiate al rotore di un alternatore, o a
un compressore.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
25
Conversione diretta MHD
2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido
Metallo vapore
Miscelatore gas-liquido
flusso bifase :
• metallo liquido e
• gas inerte come vettore
Separazione del metallo liquido
dal gas di trasporto
ugello
Metallo liquido
M. Usai
Verso un impianto a vapore tradizionale
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
26
Conversione diretta MHD
2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido
L’evoluzione della tecnologia per i generatori MHD ha portato all’impiego di
un metallo liquido come fluido motore. Sebbene il metallo liquido costituisca
una soluzione interessante per la sua elevata conducibilità elettrica anche a
basse temperature, esso però, in quanto incomprimibile, non può essere
utilizzato direttamente come fluido di lavoro termodinamici.
I sistemi MHD a metallo liquido hanno caratteristiche interessanti dal punto di
vista del funzionamento della macchina elettrica, ma sono limitati in
temperatura dalle proprietà dei metalli a circa 1250 K (circa 975 ° C, o 1.800 °
F); essi competono con vari sistemi di conversione dell'energia esistenti in
grado di operare nello stesso intervallo di temperatura.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
27
Conversione diretta MHD
2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido
Un sistema MHD a metallo liquido si ottiene quando si utilizza in
sostituzione di un gas, un metallo liquido e un gas inerte come ottimo
vettore: flusso bifase.
Il gas di trasporto è pressurizzato e riscaldato nel passaggio attraverso
uno scambiatore di calore all'interno della camera di combustione.
Il gas caldo viene quindi incorporato nel metallo liquido sodio
generalmente caldo per formare il fluido di lavoro: flusso bifase .
Quest'ultimo quindi è costituito da bolle di gas uniformemente disperse
in un volume approssimativamente uguale di sodio liquido. Il fluido di
lavoro viene introdotto nel generatore MHD attraverso un ugello nei
modi usuali. Il gas di trasporto consente al fluido conduttore elettrico di
raggiungere l'alta velocità richiesta.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
28
Conversione diretta MHD
2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido
Dopo il passaggio attraverso il generatore MHD, il metallo liquido viene
separato dal gas di trasporto. Il metallo liquido in uscita ancora caldo
viene dunque convogliato verso uno scambiatore di calore per produrre
il vapore necessario per azionare una turbina a gas tradizionale. Il gas di
trasporto viene raffreddato, compresso e riportato nella camera di
combustione per riscaldarsi e miscelarsi con il metallo liquido
recuperato. La temperatura del fluido di lavoro è di solito intorno 800 °C
come il punto di ebollizione di sodio.
A bassa temperatura di funzionamento, gli altri sistemi di conversione
MHD possono essere vantaggioso dal punto di vista materiale, ma il
rendimento termico massimo è più basso. Un possibile compromesso
potrebbe essere quella di utilizzare litio liquido, con un punto di
ebollizione vicino 1300 °C. Sebbene il litio conduttore elettrico è molto
più costoso di sodio, le perdite in un sistema chiuso sono minori.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
29
Generatori MHD a metallo liquido: LMMHD
In molti generatori MHD si usano metalli liquidi come fluidi conduttori (come
mercurio, sodio, potassio); in tal caso si parla di Magnetoidrodinamica dei
metalli liquidi, LMMHD.
In queste sostanze, la mobilità degli elettroni è considerevolmente ridotta, dato
che si tratta di liquidi: pertanto, il parametro di Hall assume valori tali per cui si
può dire che nei liquidi il campo elettrico di Hall e tutte le sue conseguenze
possano essere trascurate.
I metalli liquidi sono caratterizzati da una conducibilità molto più elevata di
quella dei gas o dei plasmi, anche a temperature relativamente contenute e
per questo aspetto sono preferibili.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
30
Conducibilità elettrica dei fluidi e di alcuni metalli solidi
A parte i plasma ad altissima
temperatura, i fluidi che conducono
meglio l’elettricità sono i metalli
liquidi, per i quali la conducibilità è
prossima a quella del mercurio.
Si noti come la conducibilità del
mercurio: 106 risulti comunque 60
volte inferiore a quella del rame allo
stato solido: 6 107.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
31
Generatori MHD a metallo liquido: LMMHD
I generatori MHD sono, sostanzialmente, dei canali in cui il metallo liquido
scorre all’interno di un campo magnetico, dando vita ad una distribuzione
di corrente in una direzione perpendicolare sia al campo che alla velocità.
Finora abbiamo esaminato diverse geometrie del canale e diverse
configurazioni degli elettrodi; esistono anche altri tipi di generatori,
ciascuno con la sua struttura di campo magnetico.
Nei generatori a conduzione, le correnti elettriche indotte sono raccolte
direttamente tramite elettrodi a diretto contatto con il metallo liquido.
Questo potrebbe dare luogo a problemi di corrosione sugli elettrodi qualora
si usino sostanze aggressive.
Nei generatori ad induzione, la corrente elettrica è creata, come in un
trasformatore, dall’accoppiamento magnetico tra un circuito primario (gli
avvolgimenti dell’induttore) e un circuito secondario (il metallo liquido =
circuito indotto).
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
32
Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
Nella descrizione del generatore di Faraday continuo avevamo ricavato il
valore teorico del rendimento elettrico, che andava a coincidere con il fattore
di carico.
Il valore effettivo del rendimento, però, sarà più basso, a causa
• delle perdite per effetto Joule all’interno del fluido,
• delle perdite per attrito e
• delle perdite dovute alle particolari distribuzioni di velocità in
corrispondenza delle estremità del traferro magnetico.
Tra le suddette perdite, quelle preponderanti sono legate all’effetto Joule; esse
possono essere ridotte aumentando il valore dell’induzione magnetica, a parità
di carico.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
33
Generatori per metalli liquidi a conduzione
In figura si osservano alcune curve del rendimento η in funzione del fattore di
carico indicato con la lettera F, per diversi valori del numero di Hartmann (che
rappresenta una misura di quanto siano intense le forze elettromagnetiche nel
fluido):
• tutte le curve passano per lo zero a
vuoto (la potenza elettrica è nulla
perché non c’è corrente)
• passano per lo zero in cto-cto (la
potenza elettrica è nulla perché non c’è
tensione),
• l’inviluppo dei massimi unisce tutti
punti in cui il fattore di carico è tale per
cui la resistenza esterna uguaglia la
resistenza interna.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
34
Generatori per metalli liquidi a conduzione
(mercurio, sodio, potassio)
Le perdite alle estremità potrebbero essere combattute isolando elettricamente le
pareti del condotto all’ingresso e all’uscita dal magnete.
Se il campo magnetico trasversale è costante nel tempo B=cost, → la tensione di
uscita del generatore V sarà continua e di valore molto basso, a causa dell’elevata
conducibilità interna del metallo liquido; si potrebbe pensare di usare un’induzione
variabile nel tempo per ottenere direttamente corrente alternata, ma questa
eventualità non è stata approfondita dal punto di vista sperimentale.
I generatori a conduzione possono funzionare in condizioni di autoeccitazione:
• all’avviamento si sfrutta il campo magnetico residuo Br nel nucleo
ferromagnetico, e
• quando la velocità supera un valore critico uc , la corrente prodotta comincia ad
aumentare sensibilmente, garantendo un adeguato bilancio energetico tra le forze
elettromagnetiche e le varie perdite.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
35
Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
L’autoeccitazione è molto importante per i sistemi elettrici di bordo, ad esempio in
campo spaziale.
Andamento temporale della velocità del fluido all’avviamento u e
della corrente elettrica prodotta I.
u
I
u [ms]
I [kA]
t =t*
M. Usai
t [s]
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
36
Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
I generatori a conduzione sono facilmente adattabili per lavorare con miscele
bifase.
Le miscele di gas (aria o azoto) e metalli liquidi fondenti (PB-Sn o Na-K)
permettono di realizzare la conversione diretta MHD grazie alla conducibilità del
liquido, insieme alla compressione MHD.
Ciò si ottiene creando una sospensione di bolle di gas in una matrice di metallo
liquido che assicura la continuità elettrica del flusso fluido.
Se il rapporto tra le portate in peso di metallo e gas è elevato,
↓
il gas disperso nel liquido viene espanso e compresso, dai sistemi MHD con una
trasformazione praticamente isoterma per effetto del trasferimento del calore,
contenuto nel liquido, allo stesso gas durante la variazione di pressione.
Ciò consente di generare energia in forma diretta, attraverso un ciclo
termodinamico ad alto rendimento ( Ericsson) anche con temperature della
sorgente calda abbastanza limitate.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
37
Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
La sezione trasversale del canale deve essere progettata in modo da controllare
l’evoluzione del grado di vuoto e quindi la sezione non sarà costante e sarà
variabile.
Il sistema è simile ad una pompa elettromagnetica, dove però il condotto di
trasporto del fluido risulta convergente o divergente in quanto la velocità
media del fluido bifase rimane costante e varia solamente la sua pressione,
cioè il suo volume per effetto della compressione o espansione della frazione
di gas contenuta nella miscela.
La continuità elettrica tra gli elettrodi è assicurata dalla matrice del fluido bifase
nella quale è disperso il gas.
Per massimizzare il rendimento del convertitore conviene che i condotti di
espansione o compressione siano realizzati in materiale ceramico per evitare
le perdite di corrente attraverso il contenitore del flusso fluido.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
38
Generatori MHD a metallo liquido: induzione
Questo tipo di macchina lavora con un campo magnetico mobile, la cui
direzione è perpendicolare all’asse del flusso, e che scorre nella stessa
direzione del metallo liquido.
•Gli avvolgimenti primari sono connessi ad una rete polifase e
•l’energia elettrica passa dal metallo liquido (avvolgimento secondario)
alle bobine di eccitazione senza contatto diretto, per induzione
elettromagnetica.
•A parte la geometria lineare, il principio di funzionamento di questa
macchina è abbastanza simile a quello di un generatore asincrono.
•La sezione del canale può essere rettangolare o anulare.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
39
Generatori per metalli liquidi a induzione a geometria rettangolare
Nella geometria rettangolare o lineare , nei casi in cui la temperatura e la
corrosività del metallo liquido sono limitate, si aggiungono due barre laterali
metalliche ad elevata conducibilità, per assicurare che le correnti elettriche
indotte circolino in direzione normale al flusso, migliorando l’efficienza di
conversione della potenza meccanica in elettrica.
us
u
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
40
Generatori a metallo liquido a induzione: geometria anulare
La figura mostra la geometria anulare, dove le
bobine sono circolari e avvolte attorno al tubo
esterno. Il metallo liquido scorre nella cavità anulare
tra la parte magnetica esterna, contenente le cave, e
il nucleo circolare interno, che serve a diminuire la
riluttanza magnetica del circuito.
In questo caso
• le correnti indotte scorrono in direzione
azimutale,
• le linee di forza del campo magnetico sono
radiali,
• quindi le forze elettromagnetiche agiscono
assialmente.
Questa geometria è quella usata per le pompe del
sodio nei reattori nucleari a fertilizzazione veloce.
Essa gode di una completa simmetria assiale, che
permette di evitare le barre conduttrici laterali
menzionate con la geometria rettangolare.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
Induced current
Fluid flow
41
Generatori MHD a metallo liquido: induzione
Gli effetti delle estremità possono avere una notevole influenza, se non si
presta la dovuta attenzione alla progettazione degli avvolgimenti primari.
Studi recenti hanno dimostrato che, quando una distribuzione della corrente
non uniforme nella lastra primaria si combina con una spaziatura non
uniforme delle cave, si possono raggiungere valori elevati dell’efficienza.
La configurazione anulare non è sempre praticabile tecnicamente; infatti,
quando la temperatura del metallo liquido è troppo elevata, il nucleo interno
perde le sue proprietà magnetiche, e il campo risulta notevolmente distorto.
Nonostante il rendimento di conversione sia inferiore (dell’ordine del 50%
per macchine di grossa taglia), questo tipo di generatori ha il vantaggio
importante di produrre una tensione di uscita alternata.
Come nel caso a conduzione, è possibile il funzionamento in autoeccitazione.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
42
Conversione diretta MHD
Pregi e difetti
Dalla teoria della termodinamica è ben noto che la massima efficienza di un
ciclo dipende solo dal rapporto fra la temperatura massima e quella minima
(rendimento teorico di Carnot).
Gli attuali dispositivi di conversione energetica (turbogeneratori) sfruttano
diversi tipi di sorgenti di calore: chimica, nucleare, solare, geotermica, ecc…
ciascuno dei quali ha una sua temperatura di riferimento.
Le sorgenti di calore possono raggiungere anche temperature molto elevate, ma
quelle alle quali si può operare la conversione energetica sono limitate dalle
temperature massime sopportabili dalle strutture con le quali si è realizzato il
sistema.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
43
Esempio:
Mentre esistono sorgenti termiche anche fino a 3000 K, gli attuali
turbogeneratori possono operare economicamente a temperature più basse,
intorno ai 1800-1900 K , a causa dei notevoli stress sia meccanici che termici
cui sono sottoposte le palettature delle turbine.
Diminuire questo divario migliorerebbe sicuramente l’efficienza
termodinamica, contribuendo ad un migliore sfruttamento delle risorse naturali
e ad una diminuzione dell’inquinamento atmosferico.
I generatori MHD, a differenza delle turbine, non prevedono l’uso di parti
meccaniche in movimento, quindi sono in grado di operare con temperature
molto più elevate con la possibilità di raggiungere efficienze termodinamiche
tra il 50% e il 60%.
[MHI] Mitsubishi Heavy Industries, Ltd
[unpv] Università di Pavia - Corso di Conversione dell'Energia
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
44
Conversione diretta MHD
Vantaggi
• L'efficienza della conversione di un sistema MHD può essere circa
del 50% più alta rispetto agli impianti a vapore più efficienti.
• Con i miglioramenti nelle esperienza e nella tecnologia si prevede di
raggiungere in futuro efficienze ancora più elevate, intorno al
60-65%.
• Una grande quantità di energia viene generata senza parti meccaniche
in movimento, in modo più affidabile.
• Il ciclo chiuso del sistema produce energia, senza inquinare.
• La dimensione dell'impianto sono considerevolmente più piccole
rispetto a quelle delle centrali a combustibili fossili convenzionali.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
45
Conversione diretta MHD
Vantaggi
• Sebbene il costo di un impianto MHD non può essere stabilito con
grande precisione, è stato stimato che i costi operativi generali in un
impianto sarebbero circa il 20% inferiori a quelli di un impianto
convenzionale a vapore di uguale potenza.
•
La conversione diretta del calore in elettrica ha permesso di
eliminare la turbina (rispetto ad un impianto a turbina a gas) o
entrambi caldaia e turbina (rispetto ad una centrale elettrica a vapore)
con una notevole riduzione delle perdite di energia.
• Questi sistemi consentono una migliore utilizzazione del carburante.
• Il consumo di carburante ridotto offrirebbe vantaggi economici.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
46
Conversione diretta MHD
Vantaggi
Il sistema ha la capacità di rendere rapido l’avvio e il raggiungimento del pieno
carico Quindi grazie ai tempi di avviamento ridotti, e la possibilità di
raggiungere velocemente il pieno carico, i sistemi MHD sono adatti per
realizzare generazioni di potenza di picco e servizio di emergenza. È stato
stimato che le attrezzature MHD per tali funzioni è più semplice.
Sviluppi futuri
Si stima che entro il 2020, ci sarà un grane incremento della produzione di
energia con generatori MHD.
La ricerca e lo sviluppo è ampiamente in corso per la MHD da diversi paesi del
mondo come gli USA, la Russia , il Giappone, l’ India, la Cina, la Jugoslavia,
l’Australia, l’Italia e la Polonia.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
47
Effetto Hall
Un fenomeno complicante che caratterizza un generatore MHD al plasma è il
verificarsi dell’ effetto di Hall, legato al comportamento degli elettroni quando si
alimenta un carico con una densità di corrente Jy.
Infatti, gli elettroni nel plasma hanno una mobilità molto superiore a quella degli
ioni. Quando la corrente di carico di densità Jy fluisce attraverso il plasma in
direzione y, il flusso di elettroni è sottoposto a una forza diretta
perpendicolarmente al piano individuato da J e B (effetto-Hall).
E
Ey c. di Faraday
Ex c. di Hall
ux
Bz
Jy
y
z
x
Un campo elettrico Ex, detto campo Hall, si
stabilisce parallelamente alla direzione dell'asse del
canale (x) nel senso negativo, rallentando il flusso
degli elettroni nel condotto.
Come risultato il campo complessivo E avrà una
direzione deviata rispetto alla direzione y e la
corrente elettrica devia di un certo angolo α
rispetto alla direzione dell’asse y (Angolo di Hall).
Ex → campo elettrico di Hall
Ey → campo elettrico di Faraday
http://labs.physics.berkeley.edu/mediawiki/index.php/Hall_Effect_in_a_Plasma
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
48
Più precisamente, sino a quando non è collegato un carico sugli elettrodi:
La variazione di pressione p imprime una velocità u al fluido conduttore nel
condotto MHD. Il campo magnetico B perpendicolare al movimento delle
cariche u , imprime una forza, perpendicolare e con verso legato al segno
delle cariche: F  q( u  B)
Tale forza separando le cariche genera quindi un
perpendicolare E y  F/q
campo elettrico
anodo
Fluido conduttore
con cariche libere
 p
u
.
B
Ey
z
.
y
x
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
p  u  F  q( u  B)  E y
catodo

Legge di Faraday
M. Usa
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
49
Se sucessivamente si collega un carico tra i due elettrodi che assorbe una
corrente i, si stabilizzerà nel fluido conduttore un campo di corrente di
densità Jy con un movimento di cariche con velocità vy in direzione y, che
con il campo di induzione B generano un campo elettrico Ex nella direzione
dell’asse del condotto MHD.
i
anodo
.
 p
u
Fluido conduttore
con cariche libere
B
Ex
Ey
z
.
y
x
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
i
p  u  F  q( u  B)  E y  J y  E x

B
Legge di Faraday
M. Usa

i
catodo
E y campo elettricodi Faraday
dove 
E x campo elettricodi Hall

B
Effetto Hall
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
50
Nel caso del generatore lineare di Faraday, l’interazione tra la corrente elettrica Jy
che attraversa il fluido e gli elettrodi in direzione (y), perpendicolarmente al campo
magnetico B (direzione z), determina l’insorgere di un campo elettrico assiale
(direzione x) e, di conseguenza, di una d.d.p. tra ingresso e uscita del condotto, e,
quindi, anche la richiusura di una corrente tra gli elettrodi attraverso il plasma, in
direzione longitudinale (corrente di Hall).
L’intensità di questo effetto è legata
alle caratteristiche del materiale
conduttore.
Generalmente l’effetto Hall è tale da
rendere totalmente inefficace il
generatore a elettrodi continui, per
cui per minimizzarlo si ricorre alla
segmentazione degli elettrodi,
interrompendo così il percorso di
richiusura della corrente.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
51
Il verificarsi di un effetto di Hall pronunciato è una complicanza tipica dei
generatori MHD al plasma.
Gli elettroni nel plasma hanno una mobilità molto superiore a quella degli ioni.
Quando la corrente di carico fluisce tra gli elettrodi, che attraversano il canale in
direzione trasversale, gli elettroni vengono sottoposti a una forza perpendicolare,
diretta parallelamente all’asse del canale, per cui la corrente di carico devia di un
certo angolo rispetto alla direzione perpendicolare alla velocità del fluido
conduttore.
Questo effetto non è trascurabile nei generatori MHD e quindi si può interviene in
2 modi:
• segmentando gli elettrodi per impedire la richiusura della corrente di Hall,
oppure
• configurando la connessione al carico esterno in maniera tale da prelevare la
corrente di Hall stessa.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
52
Il generatore di Faraday
Componenti base di un generatore MHD di potenza
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator
Per un generatore di Faraday con elettrodi continui, la potenza sarà
sensibilmente ridotta rispetto a quella idealmente prelevabile perché la corrente di
Hall è libera di circolare nel fluido e di richiudersi anche attraverso gli elettrodi. Per
evitare questo si tagliano i percorsi delle correnti di Hall attraverso la
segmentazione degli elettrodi.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
53
Possibili connessioni degli elettrodi per generatori MHD a geometria lineare
b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati
Per minimizzare gli effetti indesiderati legati
all’effetto Hall, il generatore di Faraday continuo
viene modificato suddividendo gli elettrodi in più
segmenti, per tagliare il percorso di richiusura delle
correnti di Hall che tendono a richiudersi nel gas, in
direzione x, attraverso gli elettrodi.
Questa configurazione richiede la connessione di
carichi distinti a ciascuna coppia di segmenti opposti.
In teoria nel caso limite di una segmentazione infinita
non ci può essere componente di corrente che si
richiude in direzione x (Jx=0), quindi si annulla
l’influenza dell’effetto Hall, e si ottiene massima
potenza in uscita.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
54
b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati
In un generatore reale le correnti di
Hall non sono completamente
soppresse con la segmentazione degli
elettrodi, e il miglioramento in
termini di potenza ed efficienza nelle
prestazioni di un generatore di tipo
Faraday a elettrodi segmentati, non è
così significativo come ci si potrebbe
aspettare dai risultati di uno studio
analitico semplificato
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
55
b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati
In figura sono riportate:
• una curva sperimentale della potenza per un generatore alimentato mediante
prodotti di combustione, ottenuta da Way, DeCorso, Hunstad, Kemeny e Stewart
nel 1961;
• la curva teorica.
Il discostamento tra le
due curve è dovuto alle
correnti disperse nelle
pareti del generatore.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
56
c) Generatore di Hall
Il fatto che l’effetto Hall produca una componente assiale del campo elettrico Ex
↓
suggerisce di utilizzarla direttamente per alimentare un carico connesso tra due
elettrodi posti alle estremità del canale MHD.
Secondo quanto affermato in precedenza, l’ampiezza del campo elettrico assiale Ex
sarà massima quando si annulla la componente Ey=0 , ossia quando gli elettrodi
opposti sono cortocircuitati.
In questo modo si realizza il generatore di Hall.
• per valori del parametro di Hall elevati, fornisce
una densità di potenza confrontabile con quella
di un generatore di Faraday a segmenti;
• tende ad avere un rendimento elettrico più
elevato in condizioni di lavoro prossime al corto
circuito, esattamente l’opposto del generatore di
Faraday a segmenti;
• introduce notevole semplificazione nella
connessione del carico.
M. Usai
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
57
c) Generatore a pareti conduttrici diagonali
Nella realtà si massimizza l’efficacia della conversione prelevando direttamente la
somma delle correnti di Faraday e Hall, attraverso la connessione in serie e in
diagonale delle coppie di elettrodi, in maniera tale da seguire le linee di corrente
risultanti dall’interazione dei 2 fenomeni. Nella realtà il campo totale E devia
rispetto alla direzione dell’asse x di un angolo α e per migliorare l’efficienza del
generatore si utilizzano pareti conduttrici diagonali. Come illustrato in figura d), i
conduttori diagonali, che formano parte del condotto, in contatto con il plasma,
sono disposti in modo da giacere sulle superfici equipotenziali del campo E.
Quindi, la deviazione delle pareti conduttrici laterali sarà legata ai valori delle
componenti di E:
Ey
z
  tan 
x
Ex
•dove α è l’angolo compreso tra il piano
sul quale giacciono i conduttori diagonali
e il piano y-z. I generatori di Hall e di
Faraday possono essere visti come un caso
particolare di questo generatore, ottenibili
per α = 0 e α=π/2 .
M. Usai
y
α
8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD
58
Riassumendo in un Generatore di Faraday segmentato (Segmented Faraday
Generator) , per minimizzare le correnti di Hall, il numero degli elettrodi deve
essere il più elevato possibile (figura A) ; l’isolamento tra elettrodi adiacenti deve
reggere la tensione di Hall; la configurazione prevede carichi indipendenti per
ogni coppia di elettrodi, cui corrisponderanno tensioni e correnti diverse.
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHD-systems
Nella configurazione alternativa (figura B), nota come Generatore di Hall, gli
elettrodi sono cortocircuitati a coppie e un unico carico elettrico è alimentato tra
le estremità del canale.
In questo modo si utilizza la sola componente assiale del campo Ex e la
corrente di Hall Jx è quella che alimenta il carico.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
59
Ey
E
Ex
B
B
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHDsystems
Inoltre poiché, a causa dell’interazione tra i campi elettrici di Faraday Ey e di
Hall Ey, le linee equipotenziali del campo elettrico totale E si sviluppano
diagonalmente, gli elettrodi possono essere opportunamente traslati e disposti
per adattarsi all’andamento delle linee equipotenziali e ottimizzare la tensione
utile e quindi la corrente sul carico.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
60
Conversione diretta MHD
Il processo di conduzione

Il generatore MHD rappresenta un interessante mezzo per la conversione
della energia termica posseduta da un gas in energia cinetica e quindi in
energia elettrica. Le proprietà termodinamiche del gas usato assicurano,
attraverso l’espansione in un ugello, la conversione del calore trasportato
in energia cinetica.
 Se il fluido vettore è un metallo liquido, il processo di conversione per
conduzione può essere realizzato attraverso un ciclo bifase, in cui un gas
conducente, espandendosi in un ugello, accelera e trascina con se anche il
metallo liquido, che acquisisce energia cinetica.
All’uscita dell’ugello il metallo e il gas vengono nuovamente separati.
In entrambi i casi l’energia meccanica posseduta dal fluido motore, che
raggiunge la velocità u, viene quindi convertita in energia elettrica nel
tratto MHD attraverso l’interazione delle cariche in movimento del fluido
conduttivo (plasma o metallo liquido) con il campo magnetico esterno B.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
61
Conversione diretta MHD
2)
Il processo di induzione fa uso di campi magnetici mobili prodotti da induttori
analoghi a quelli usati nelle macchine lineari (pompe elettromagnetiche, motori lineari).
La corrente elettrica nel fluido è indotta, come in un trasformatore, dall’accoppiamento
magnetico tra un circuito primario (gli avvolgimenti dell’induttore) e un circuito
secondario (il metallo liquido = circuito indotto).
us
il canale è inserito tra due nuclei
magnetici che presentano delle
fessure sulla loro faccia interna,
dove hanno sede gli avvolgimenti primari.
u
Schema di un Generatore e Motore MHD ad induzione lineare
(Joussellin, Alemany, Werkoff, Marty – MHD induction generator at weak magnetic Reynolds number)
Il campo magnetico alternato, necessario per l’accoppiamento induttivo, può essere ottenuto:
1) sia alimentando in alternata un avvolgimento induttore monofase mobile che si sposta con
velocità us ,parallela ed equiversa a quella del fluido u,
2)che alimentando con una terna trifase simmetrica un avvolgimento trifase.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
62
Conversione diretta MHD
Configurazione lineare
Il campo trifase è generato dalle bobine costituito dalle bobine si muove
al variare del tempo spingendo il fluido nella pompa nella direzione in cui
si sta muovendo il campo. Esso è analogo a un motore lineare, eccetto che
i due avvolgimenti di campo induttore sono disposti uno mobile sopra il
condotto e uno sotto il condotto di flusso.
B
us
u
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
63
Generatore e Motore MHD elementare a induzione
Il sistema può funzionare come generatore o come motore e il principio di
funzionamento può essere schematicamente descritto come segue:
• Se u< us , ossia se la velocità di flusso u ( velocità sincrona) è minore di quella
del campo us , le forze elettromagnetiche sono motrici: pompa elettromagnetica.
L’energia elettrica è convertita in energia meccanica.
• Se u> us , ossia se la velocità di flusso u è maggiore della velocità sincrona us,
le forze elettromagnetiche sono resistive: generatore.
L’energia meccanica è convertita in elettricità.
L’energia elettrica viene prodotta come corrente alternata con frequenza e
tensione variabile. A differenza del processo di conduzione, per i quali possono
essere utilizzati i magneti permanenti, in questo caso il campo deve essere prodotto
da un induttore alimentato da una corrente elettrica variabile.
Questa sorgente di energia può essere esterna o interna al sistema.
Inoltre se parte della energia elettrica generata viene usata per alimentare l’induttore
che genera il campo di induzione, si può realizzare la cosi detta autoeccitazione,
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
64
Conversione diretta MHD
Configurazione di un sistema MHD ad induzione anulare
La progettazione e funzionamento di una pompa ad induzione EM anulare, la cui
configurazione è stata riportata in figura, richiede una analisi MHD.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
65
Conversione diretta MHD
Il processo di induzione con autoeccitazione
L’autoeccitazione presenta importanti vantaggi:
• non necessita di particolari elettrodi per convogliare la corrente elettrica al carico;
• l'elettricità è prodotta direttamente in corrente alternata AC con frequenza e tensione
variabile;
•il sistema può funzionare senza sorgente
elettrica esterna e quindi ben si adatta
alla utilizzazione in luoghi remoti dove
non è possibile allacciarsi a una rete
elettrica (produzione di energia elettrica
nello spazio per esempio).
Il progetto classico in questo caso
comprende condensatori collegati in
parallelo con ogni fase delle spire
dell'induttore. Per ciascuna fase si tiene
conto delle perdite per Effetto Joule negli
avvolgimenti tramite la resistenza r. I
condensatori
sono
collegati
alle
resistenze del carico R.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
66
Conversione diretta MHD
Il processo di induzione con autoeccitazione
Il sistema quindi utilizza potenza reattiva dai condensatori per alimentare
l'induttore che fornirà potenza attiva ottenuta dall'interazione tra il campo
e il flusso di fluido ionizzato.
La frequenza corrispondente sarà molto vicina a quello del circuito
oscillante formato dalla auto-induttore, il condensatore e la resistenza di
carico di ciascuna fase ( se si trascura r).
Naturalmente, questo processo viene mantenuto una volta che si instaura
un equilibrio tra l'energia elettrica utilizzata e quella prodotta. Questo
equilibrio, per un dato generatore, corrisponde ad una velocità di flusso
critica u che sarà sempre maggiore della velocità sincrona us nel
funzionamento come generatore.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
67
Conversione diretta MHD
Il processo di induzione
Per un generatore MHD ad induzione, affinché sia soddisfatta la condizione di
autoeccitazione, è richiesto un basso numero di Reynolds espresso dalla
seguente relazione :
μ σ f u  u s 
Rm 
 1
k
dove:
•
•
•
•
•
(u-us) è la differenza tra la velocità di flusso u e la velocità sincrona del
campo elettromagnetico us
k= 2π/λ è il numero d'onda
λ è la lunghezza d'onda di una bobina di induzione,
μ è la permeabilità magnetica del fluido e
σf è la sua conducibilità elettrica del fluido.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
68
Confronto tra sistema MHD e sistema Turbogeneratore
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHD-systems
Nel
turbogeneratore,
il
gas
interagisce con le superfici delle pale
della turbina per azionare la turbina
ed il generatore elettrico allegato.
Nel sistema MHD, l'energia cinetica
del gas viene convertita direttamente
in energia elettrica con l’espansione
consentita del gas.
B
Il campo magnetico di induzione B può essere generato con magneti permanenti
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
69
Rendimenti dei Sistemi tradizionali e Sistemi a ciclo combinato MHD.
Sistemi tradizionali
Turbo gas
Vapore
Gas + Vapore
35 %
(40÷45) %
60 %
Sistemi a ciclo combinato MHD
MHD + Vapore
60%
MHD + Gas + Vapore (65÷70)%
I rendimenti dei sistemi MHD sono sensibilmente migliori, ma i costi di
costruzione elevati dei sistemi MHD, legati alla necessità di :
• ottenere campi magnetici molto intensi e
• elevati livelli di ionizzazione,
hanno limitato al momento la loro diffusione .
Attualmente si sta cercando di migliorare la tecnologia e progettazione degli
impianti MHD , per raggiungere la condizione di grid parity.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
70
La potenza di un generatore MHD per ogni metro cubo del volume del suo canale
è proporzionale al prodotto tra:
• la conducibilità del gas σ,
• il quadrato della velocità del gas u2 , e
• il quadrato della induzione del campo magnetico B cui è sottoposto il gas.
P/m3 ≈ σ u2 B2
Affinché un generatore MHD sia competitivo, con buone prestazioni e dimensioni
fisiche ragionevoli,
↓
1.
il plasma deve lavorare con valori di temperatura T al di sopra di circa 1800
K (circa 1500 ° C o 2800 ° F).
↑
Questa condizione è richiesta per garantisce che la sua conducibilità elettrica
del plasma sia adeguata: σ =10 ÷ 50 [S/m] .
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
71
1.
Il gas viene accelerato da un ugello ad una velocità u =1000÷ 2000 m/s
(circa 3.300 a 6.600 pd/s → 1pd=1 piede = 0,3048 m = 30,48 cm)
2.
Per produrre un sistema MHD competitivo, il campo magnetico B deve
avere alta intensità. Tipicamente viene impiegato un magnete
superconduttore **per fornire un campo magnetico B nel campo da 5 ÷6 T.
3.
Il fluido conduttore è inoltre raffreddato e rallentato da questo processo.
I generatori MHD tipicamente riducono la temperatura della sostanza
conduttiva dalla temperature plasma superiore a 1500 °C a poco più di
1500 °C.
** Un magnete superconduttore di AMS (Superconducting Magnet, SCM) è un apparato a bobine
superconduttrici capaci di operare a una temperatura di funzionamento vicina allo zero assoluto,
mantenuta in funzionamento nello spazio aperto da un sistema criogenico ad elio superfluido. Ciò
consente il suo funzionamento con correnti elevate e quindi consente di ottenere campi magnetici
intesi .
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
72
Esempio:
Teoricamente, un sistema MHD con le seguenti caratteristiche:
• una conducibilità σ del gas di 25 [S /m],
• un campo magnetico B medio di 3 [T] , e
• una velocità media del gas u di 1000 [m/s] metri
↓
è in grado di produrre energia elettrica con una densità di potenza:
P/m3 ≈ σ u2 B2 = 250 milioni di W/m3
( Watt per metro cubo di volume del canale).
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
73
Conducibilità elettrica dei gas
La conducibilità elettrica σ dei gas e dei plasmi utilizzati nei generatori
dipende fortemente dalla temperatura.
Affinché σ assuma valori sufficientemente elevati, che consentano di
ottenere negli impianti MHD densità volumetrica di potenza elettrica
P/m3 alte ( P/m3 ≈ σ u2 B2 ), occorre lavorare con temperature
elevatissime.
Dal punto di vista termodinamico ottenere elevate temperature di
funzionamento introduce:
• notevoli vantaggi in termini di efficienza, ma anche
• complicazioni nella realizzazione degli impianti MHD, derivanti dalla
gestione di temperature dell’ordine di alcune migliaia di Kelvin.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
74
Conducibilità elettrica dei gas
Il grafico in figura riporta
l’andamento della conducibilità in
funzione della temperatura per
alcuni gas di interesse pratico usati
nei generatori MHD a 1 atm:
prodotti della combustione di
C2H5OH + 3O2 con una frazione in
massa N2/O2 di 0.5, drogati con una
frazione in massa 0.01 di K
(potassio);
Argon drogato con frazione
molare 0.004 di K (Potassio);
Argon drogato con
frazione molare 0.004 di Cs ( Cesio)
M. Usai
N Azoto C Diretta
carbonio
Cs Cesio K Potassio75
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione
MHD
Influenza dell’effetto Hall
Per gli stessi plasmi considerati nella slide precedente, nella figura seguente sono
riportati i valori del parametro di Hall β, che rappresenta una misura del
comportamento collisionale del plasma.
Infatti a elevati valori di β corrispondono elevate frequenze di collisione.
Tale parametro assume nei generatori
MHD a gas un ruolo significativo.
prodotti della combustione di C2H5OH + 3O2 con una
frazione in massa N2/O2 di 0.5, drogati con una frazione in
massa 0.01 di K (potassio);
Argon drogato con frazione molare 0.004 di K
(Potassio);
Argon drogato con frazione molare 0.004 di Cs
(Cesio)
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
76
La scelta del tipo di generatore MHD è legata anche al tipo di combustibile da
utilizzare e dall'applicazione.
L'abbondanza di riserve di carbone in gran parte del mondo, ha favorito lo
sviluppo di sistemi MHD a carbone per la produzione di energia elettrica
(come negli impianti MHD in Russia)
Il carbone, usando gli appositi accorgimenti, può essere bruciato ad una
temperatura sufficientemente elevata da determinare ionizzazione termica.
Tuttavia, poiché il gas si espande lungo il condotto, la sua conducibilità elettrica
mentre attraversa il canale diminuisce insieme alla sua temperatura.
Si verifica che la ionizzazione termica, e quindi di conseguenza la conducibilità
del gas, crollano quando la temperatura scende al di sotto di 2500 K (circa
2.200 ° C o 4.000 ° F).
[EB]Enciclopedia Britannica
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
77
L’uso del carbone come combustibile da diversi vantaggi:
 le scorie di carbone contenute nei fumi in condizioni magnetoidrodinamiche
fondono creando uno strato che ricopre internamente le pareti del condotto. La
conducibilità elettrica di questo strato è sufficiente a fornire conduzione tra il gas e
la struttura dell'elettrodo ma non è abbastanza elevata da provocare correnti
elettriche e quindi perdite di potenza significative. La riduzione delle perdite
termiche alle pareti a causa dello strato di scorie più che altro compensa le perdite
elettriche dovute alla formazione di questo strato;
 l’uso di un materiale additivo (Potassio) in combinazione con carbone per
abbassare la sua temperatura di ionizzazione, offre benefici ambientali. In
particolare, nella combustione di carboni ad alto tenore di zolfo, la ricombinazione
chimica che si verifica nel condotto di un generatore MHD, favorisce la formazione
di solfato di potassio, riducendo così le emissioni di anidride solforosa in atmosfera;
 la necessità di recuperare il materiale additivo (seeding recovery) assicura inoltre
che un elevato livello di rimozione del particolato (polveri sottili) venga integrato
nell’impianto.
 Infine, con un'attenta progettazione della caldaia e del controllo di combustione,
possono essere raggiunti bassi livelli di emissioni di ossido di azoto
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
78
Per essere economicamente competitiva, una centrale elettrica a carbone
dovrebbe combinare un generatore MHD con un impianto a vapore
tradizionale (per recuperare anche l’energia termica del fluido in uscita dal
condotto), in quello che viene definito un
↓
Ciclo combinato binario
Fase I°
Il gas caldo (1200-1300°C) viene fatto passare attraverso il generatore MHD
(topping phase);
Fase II°
Il gas che fuoriesce dal I° stadio ha ancora circa 800-1000°C di temperatura,
quindi è in grado di alimentare, attraverso uno scambiatore, il generatore di
vapore di un impianto convenzionale a vapore (bottoming phase );
Fase III°
Il gas esausto, dopo opportuno filtraggio, viene immesso in atmosfera.
Un impianto MHD che impieghi tale configurazione è conosciuto come un
open-cycle, or once-through, system.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
79
Esempio di Impianto MHD
Nel 1994, presso l'Istituto di Fisica delle Alte Temperature dell'Accademia
Russa delle Scienze a Mosca , l’impianto a carbone U-25, Che ha alimentato
effetivamente, la rete di Mosca. In tabella sono riportate le principali
caratteristiche.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
80
Altri sistemi MHD
Oltre a quelli che utilizzano carbone o gas naturale come combustibile, sono stati
proposti altri sistemi MHD a gas per la generazione di energia. I reattori
nucleari convenzionali possono impiegare idrogeno, o un gas nobile come
argon o elio, come fluido di lavoro, ma operano a temperature troppo basse
per produrre la ionizzazione termica richiesta nei generatori MHD. Pertanto, è
necessaria una qualche forma di ionizzazione non equilibrata con l’aggiunta di
materiale additivo a minor potenziale di ionizzazione.
In teoria, concentratori solari possono fornire energia termica ad una
temperatura sufficientemente elevata
per garantire la ionizzazione. Quindi,
i sistemi MHD a specchi concentratori
solari hanno un notevole potenziale di
sviluppo, a condizione che i collettori
stessi possano essere sviluppati in modo
da operare in modo affidabile per lunghi
periodi e a temperature elevate.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
81
Altri sistemi MHD
La necessità di fornire grandi impulsi di energia elettrica in sedi isolate ha
stimolato lo sviluppo di generatori MHD a impulsi. Per questa
applicazione, il sistema MHD consiste essenzialmente di un motore a
razzo, il condotto, il magnete e le connessioni ad un carico elettrico. Tali
generatori sono stati impiegati come fonti di potenza impulsiva (fino a 100
megawatt per alcuni secondi) per apparati elettromagnetici utilizzati
nella ricerca geofisica.
È stato considerato anche l'uso di generatori MHD per fornire energia per il
veicolo spaziale sia per le operazioni impulsive ( slancio, rottura scatto)
che continue.
Sono state studiate e utilizzate sia le fonti di calore chimiche che nucleari.
Le fonte di calore nucleare è stata la scelta preferita per applicazioni quali la
fornitura di energia di propulsione elettrica per sonde nello spazio.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
82
Altri sistemi MHD
Propulsione MHD di imbarcazioni
Imbarcazione giapponese testato nel porto di Kobe: schema impianto MHD
Propulsione elettrica MHD per sonde nello spazio.
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
83
Altri sistemi MHD
Propulsione elettrica MHD per sonde nello spazio.
Course By Antoine Alemany Directeur de recherche émérite au CNRS May 9 2012 Cagliari
M. Usai
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD
84