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Introduzione al Sistema Combinato MgB 2 /LH 2 per lo Sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili su Larga Scala Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica.

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1 Introduzione al Sistema Combinato MgB 2 /LH 2 per lo Sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili su Larga Scala Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica Università di Bologna Corso di Principi di Ingegneria Elettrica LS, 05/06 17 marzo 2006

2 2 Introduzione Argomenti trattati Nozioni introduttive: – Transizione verso un sistema energetico sostenibile: difficoltà tecnologiche. – Cavi superconduttivi. Idrogeno. Il concetto di linea combinata MgB 2 /LH 2. Progetto criogenico ed elettrico di una linea combinata MgB 2 / LH 2 : – Isolamento termico. Sezione del cavo. Sezione del condotto. Modello elettrico di un sistema MgB 2 /LH 2 per lo sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER): – Fuel-cell e idrolizzatore. Dispositivi di conversione statica dellenergia. – Sistema completo: risultati delle simulazioni. Sistemi criogenici per la liquefazione e la vaporizzazione dellidrogeno: – Sistemi convenzionali. Sistemi avanzati a recupero.

3 3 Introduzione Sistema energetico attuale e prospettive Il fabbisogno energetico mondiale è stimato in aumento del 60 % di qui al 2030 (2/3 da paesi in via di sviluppo) [IEA]. Fonti energetiche fossili: problemi crescenti di costo, sicurezza di approvvigionamento, protezione dellambiente [IEA]. Scenario possibile: sfruttamento su larga scala delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER).

4 USA Energy Flow 2004 [EIA] (Quadrillion Btu)

5 5 Introduzione Sfruttamento FER su larga scala: potenzialità Molti paesi hanno attivato programmi ambiziosi per lestensione delle FER nel sistema energetico. Alcuni esempi: Idroelettrico: – La Cina sta completando il più grande impianto del mondo (18.2 GW nel 2009). Eolico: – In Danimarca rappresenta il 20 % dellenergia elettrica consumata (2004). Solare: – Il mercato fotovoltaico globale è cresciuto del 40 % nel 2004 (1100 MW).

6 Mercato mondiale del fotovoltaico US PV industry roadmap, 2004.

7 7 Introduzione Energia solare: potenzialità Lenergia solare può rappresentare una fonte di primaria importanza nel lungo periodo Il 4% delle aree desertiche possono garantire lintero fabbisogno energetico mondiale (con impianti fotovoltaici, fattore di utilizzo del territorio del 50 %) Lo 0.3% del deserto del Sahara equivale (in potenza di picco) alla potenza elettrica totale installata in Europa (700 GW) Il costo dellenergia prodotta in aree desertiche è stimato conveniente con prezzo dei moduli PV attorno a 2 $/W. La Solar Energy Industries Association (SEIA) prevede di che si possa raggiungere questo traguardo attorno al 2030.

8 8 Introduzione Sfruttamento FER su larga scala: difficoltà 1.FER come leolico o il solare sono tipicamente distribuite su vaste aree con bassa densità di potenza per unità di superficie: Le aree remote e scarsamente popolate sono adatte alla realizzazione di grandi impianti FER, ma sistemi efficienti per la trasmissione di grande potenza sono necessari per raggiungere le zone densamente popolate. 2.La disponibilità di potenza FER é tipicamente variabile e scarsamente prevedibile: Sistemi di accumulo energetico sono richiesti al fine di permettere una vasta penetrazione delle FER nel sistema energetico garantendo la stabilità di rete.

9 9 Introduzione Cavi superconduttivi Cavi superconduttivi possono permettere il trasporto efficiente di grandi potenze elettriche. Assenza di perdite in DC, mentre occorre considerare la potenza di refrigerazione. Linee DC SC sono state proposte negli anni 60, utilizzando materiali LTS a 4K (costo ~ 1 $/kA-m; raffreddamento ). Negli anni 80 sono stati scoperti materiali HTS che possono operare a 77K (costo ~ 50 $/kA-m; raffreddamento ). Nel marzo 2001, è stata annunciata la scoperta del nuovo materiale MgB 2, che può operare per applicazioni pratiche fino a circa 25K (costo ~ 1 $/kA-m; raffreddamento ).

10 10 Introduzione Lidrogeno per laccumulo energetico Lidrogeno prodotto per elettrolisi dellacqua rappresenta un mezzo pulito per laccumulo di energia rinnovabile. Lo stoccaggio in forma liquida (LH 2 ) permette di raggiungere grandi densità energetiche ( 3200 m 3 = 90 GWh PCS )

11 11 Introduzione Stoccaggio e trasporto dellidrogeno GH 2 : 14.5 kg/m 3 a 200 bar (4.2 kg/m 3 considerando volume delle bombole) LH 2 : 70.8 kg/m 3 a 20 K (serbatoio più grande al mondo 3200 m 3 a Cape Canaveral) Il mercato dellidrogeno é già oggi una realtà: industrie metallurgiche, raffinerie, industrie chimiche, industria del cibo, e di elettronica (50 milioni di tonnellate allanno)

12 12 Introduzione Uno sguardo al mercato attuale di LNG Quote crescenti del trasporto internazionale di gas naturale in forma liquida (LNG): 26% nel 2002 [EIA].

13 13 Introduzione La linea combinata MgB 2 / LH 2 La temperatura di funzionamento dellMgB 2 permette lutilizzo dellLH 2 per il raffreddamento (bassa viscosità Δp ). Si ottiene una linea combinata per il trasporto di potenza elettrica e chimica (LH 2 ) [P. M. Grant et al.].

14 14 Introduzione Il sistema combinato MgB 2 / LH 2 Lidrogeno può essere usato quale sistema di accumulo e regolazione di potenza da FER. La linea combinata permette il trasporto contemporaneo e flessibile di potenza elettrica e LH2. Il sistema può rappresentare una soluzione integrata ai 2 problemi esposti (variabilità della potenza disponibile, trasporto di grande potenza).

15 15 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Isolamento termico Isolamento termico costituito da strati MLI sotto vuoto. 7/22

16 16 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Isolamento termico Valutazione degli contributi di scambio termico fra i vari strati di isolamento: 1.Irraggiamento 2.Conduzione nei supporti 3.Conduzione per gas residuo

17 17 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Isolamento termico: risultati Scelta del numero di strati MLI = 24, grado di vuoto di 2×10 -3 Pa mantenuto in esercizio da getters Valore di riferimento per gli ingressi termici 2 W/m per diametro del criostato di 12 cm. Gli ingressi termici sono scalati linearmente col diametro del criostato.

18 18 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Dimensionamento della sezione superconduttiva Per una corrente DC sul cavo di 12 kA, si ottiene un diametro del cavo superconduttivo di 20 mm (112 strands, 107 A/strand). Si controlla poi il valore del campo dinduzione sulla superfice del cavo (260 mT). Isolamento elettrico LH2 Treccia MgB2 + Cu Vuoto

19 19 Occorre garantire nello stesso tempo il raffreddamento del cavo e la portata di LH 2 trasportata. Limiti di temperatura e pressione lungo la linea: – T max = 25 K (diminuzione delle prestazioni dellMgB 2 ); – T min = 15 K (solidificazione dellidrogeno); – p max = 15 bar (resistenza meccanica del criostato) – p min = 5 bar (punto debollizione dellidrogeno a 27 K). Si trovano i limiti per km in base alla distanza fra stazioni di pompaggio/refrigerazione: 20 km valori limite 0.5 K/km 0.5 bar/km Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Dimensionamento del condotto tecniche

20 20 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Calcolo di T e p lungo la linea (caso di fluido incomprimibile)

21 21 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Diagrammi ΔT/Δl e Δp/Δl lungo la linea 11/18

22 22 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Area ammissibile di progetto Criostato con Ø 12 cm: portata ammissibile compresa fra 0.4÷1.1 kg/s. Criostato con Ø 24 cm: portata ammissibile compresa fra 0.9÷8.3 kg/s. Il dimensionamento di tentativo viene verificato integrando le equazioni del modello con proprietà variabili lungo la linea.

23 23 Progetto della linea MgB 2 / LH 2 Andamento di T e p (stretto di Gibilterra)

24 24 Simulazione del sistema elettrico Schema del sistema in EMTP

25 25 Si suppone che la frequenza di commutazione sia sufficientemente elevata da poter approssimare la corrente sullinduttore e la tensione sul condensatore coi valori medi I L e V C. Leggi di Kirchoff di tensione e corrente: Simulazione del sistema elettrico Modello continuo medio di un chopper

26 26 Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo: Modello continuo medio di un chopper Componenti ideali

27 27 Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo: Modello continuo medio di un chopper Perdite di conduzione

28 28 Modello continuo medio di un chopper Implementazione in EMTP

29 29 Il sistema deve compensare le variazioni di potenza RES. Simulazione del sistema elettrico Potenza RES variabile

30 30 Dispositivi elettrochimici H 2 Elettrolisi i

31 31 Dispositivi elettrochimici H 2 Fuel-cell (Proton Exchange Membrane) i

32 32 Dispositivi elettrochimici H 2 Caratteristica elettrica di una fuel-cell

33 33 Dispositivi elettrochimici H 2 Implementazione in EMTP - +

34 34 Dispositivi elettrochimici H 2 Modello fuel-cell: risultati simulazioni

35 35 Sistema di compensazione della potenza con produzione di LH 2. Simulazione del sistema elettrico Regolazione della potenza

36 36 Simulazione del sistema elettrico Avviamento

37 37 Simulazione del sistema elettrico Funzionamento con parco eolico

38 38 Sistemi criogenici LH 2 Sistemi di vaporizzazione convenzionali Open Rack Vaporization: direct heat exchange with water from sea or river (only if sufficiently warm water is available on site). No energy recovery Submerged Combustion Vaporization: combustion of part of the fuel to heat a water bath used for vaporization (75 % of nowadays gasification facilities). For LH % of the fuel has to be burned. No energy recovery

39 39 Sistemi criogenici LH 2 Generalità: liquefazione e proc. inverso Refrigeratore Motore termico

40 40 Vaporizzatori LH 2 a recupero Turbina Gas a ciclo chiuso a 300 K Energy Recovery of 0.44 kWh/kg LH2 No hydrogen burned Drawbacks: heat absorbed from the environment (heat sink needed) hydrogen exits the system at 95 K

41 41 Energy Produced: 0.91 kWh/kg LH2 Burned fraction: 9.4 % Higher efficiency No heat absorbed from the environment Hydrogen exits at room temperature Part of the hydrogen is burned in the C.C. Vaporizzatori LH 2 a recupero Turbina Gas a ciclo chiuso a 820 K

42 42 Vaporizzatori LH 2 a recupero Turbina Gas a ciclo chiuso a 1800 K Regenerator introduced in the system to enhance efficiency Energy Produced: 4 kWh/kg LH2 Burned fraction: 17.3 %

43 43 Vaporizzatori LH 2 a recupero Single MHD ciclo chiuso Energy Produced: 3.8 kWh/kg LH2 Burned fraction: 15.3 % Thermodynamic efficiency increased with higher Combustion Chamber temperature

44 44 Vaporizzatori LH 2 a recupero MHD – GT combinato Energy Produced: 5.1 kWh/kg LH2 Burned fraction: 20.2 % Thermodynamic efficiency increased with respect to the single MHD cycle

45 45 Vaporizzatori LH 2 a recupero Diagramma di confronto


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