Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica Università di Bologna

Presentazione sul tema: "Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica Università di Bologna"— Transcript della presentazione:

1 Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica Università di Bologna
Corso di Principi di Ingegneria Elettrica LS, 05/06 Introduzione al Sistema Combinato MgB2/LH2 per lo Sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili su Larga Scala Ing. Luca Trevisani Dip. Ingegneria Elettrica Università di Bologna 17 marzo 2006

2 Introduzione Argomenti trattati
Nozioni introduttive: Transizione verso un sistema energetico sostenibile: difficoltà tecnologiche. Cavi superconduttivi. Idrogeno. Il concetto di linea combinata MgB2/LH2. Progetto criogenico ed elettrico di una linea combinata MgB2 / LH2: Isolamento termico. Sezione del cavo. Sezione del condotto. Modello elettrico di un sistema MgB2/LH2 per lo sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER): Fuel-cell e idrolizzatore. Dispositivi di conversione statica dell’energia. Sistema completo: risultati delle simulazioni. Sistemi criogenici per la liquefazione e la vaporizzazione dell’idrogeno: Sistemi convenzionali. Sistemi avanzati a recupero.

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 dell’ambiente [IEA]. Scenario possibile: sfruttamento su larga scala delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER).

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

5 Introduzione Sfruttamento FER su larga scala: potenzialità
Molti paesi hanno attivato programmi ambiziosi per l’estensione 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 % dell’energia 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 Introduzione Energia solare: potenzialità
L’energia solare può rappresentare una fonte di primaria importanza nel lungo periodo Il 4% delle aree desertiche possono garantire l’intero 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 dell’energia 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 Introduzione Sfruttamento FER su larga scala: difficoltà
FER come l’eolico 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. 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 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 MgB2, che può operare per applicazioni pratiche fino a circa 25K (costo  ~1 $/kA-m; raffreddamento ).

10 Introduzione L’idrogeno per l’accumulo energetico
L’idrogeno prodotto per elettrolisi dell’acqua rappresenta un mezzo pulito per l’accumulo di energia rinnovabile. Lo stoccaggio in forma liquida (LH2) permette di raggiungere grandi densità energetiche ( 3200 m3 = 90 GWhPCS )

11 Introduzione Stoccaggio e trasporto dell’idrogeno
Il mercato dell’idrogeno é già oggi una realtà: industrie metallurgiche, raffinerie, industrie chimiche, industria del cibo, e di elettronica (50 milioni di tonnellate all’anno) GH2: 14.5 kg/m3 a 200 bar (4.2 kg/m3 considerando volume delle bombole) LH2: 70.8 kg/m3 a 20 K (serbatoio più grande al mondo 3200 m3 a Cape Canaveral)

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 Introduzione La linea combinata MgB2 / LH2
La temperatura di funzionamento dell’MgB2 permette l’utilizzo dell’LH2 per il raffreddamento (bassa viscosità → Δp ). Si ottiene una linea combinata per il trasporto di potenza elettrica e chimica (LH2) [P. M. Grant et al.].

14 Introduzione Il sistema combinato MgB2 / LH2
L’idrogeno 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 Progetto della linea MgB2 / LH2 Isolamento termico
Isolamento termico costituito da strati MLI sotto vuoto. 7/22

16 Progetto della linea MgB2 / LH2 Isolamento termico
Valutazione degli contributi di scambio termico fra i vari strati di isolamento: Irraggiamento Conduzione nei supporti Conduzione per gas residuo

17 Progetto della linea MgB2 / LH2 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 Progetto della linea MgB2 / LH2 Dimensionamento della sezione superconduttiva
Isolamento elettrico LH2 Vuoto Treccia MgB2 + Cu 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 d’induzione sulla superfice del cavo (260 mT).

19 Progetto della linea MgB2 / LH2 Dimensionamento del condotto tecniche
Occorre garantire nello stesso tempo il raffreddamento del cavo e la portata di LH2 trasportata. Limiti di temperatura e pressione lungo la linea: Tmax = 25 K (diminuzione delle prestazioni dell’MgB2); Tmin = 15 K (solidificazione dell’idrogeno); pmax = 15 bar (resistenza meccanica del criostato) pmin = 5 bar (punto d’ebollizione dell’idrogeno a 27 K). Si trovano i limiti per km in base alla distanza fra stazioni di pompaggio/refrigerazione: km → valori limite K/km bar/km

20 Progetto della linea MgB2 / LH2 Calcolo di T e p lungo la linea
(caso di fluido incomprimibile)

21 Progetto della linea MgB2 / LH2 Diagrammi ΔT/Δl e Δp/Δl lungo la linea
11/18

22 Progetto della linea MgB2 / LH2 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 Progetto della linea MgB2 / LH2
Progetto della linea MgB2 / LH Andamento di T e p (stretto di Gibilterra)

24 Simulazione del sistema elettrico Schema del sistema in EMTP

25 Simulazione del sistema elettrico Modello continuo medio di un chopper
Si suppone che la frequenza di commutazione sia sufficientemente elevata da poter approssimare la corrente sull’induttore e la tensione sul condensatore coi valori medi IL e VC. Leggi di Kirchoff di tensione e corrente:

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

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

28 Modello continuo medio di un chopper Implementazione in EMTP

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

30 Dispositivi elettrochimici H2 Elettrolisi

31 Dispositivi elettrochimici H2 Fuel-cell (Proton Exchange Membrane)

32 Dispositivi elettrochimici H2
Dispositivi elettrochimici H2 Caratteristica elettrica di una fuel-cell

33 Dispositivi elettrochimici H2 Implementazione in EMTP
- +

34 Dispositivi elettrochimici H2 Modello fuel-cell: risultati simulazioni

35 Simulazione del sistema elettrico Regolazione della potenza
Sistema di compensazione della potenza con produzione di LH2.

36 Simulazione del sistema elettrico Avviamento

37 Simulazione del sistema elettrico Funzionamento con parco eolico

38 Sistemi criogenici LH2 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 Sistemi criogenici LH2 Generalità: liquefazione e proc. inverso
Motore termico Refrigeratore

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

41 Vaporizzatori LH2 a recupero Turbina Gas a ciclo chiuso a 820 K
Higher efficiency No heat absorbed from the environment Hydrogen exits at room temperature Part of the hydrogen is burned in the C.C. Energy Produced: 0.91 kWh/kgLH2 Burned fraction: 9.4 %

42 Vaporizzatori LH2 a recupero Turbina Gas a ciclo chiuso a 1800 K
Energy Produced: 4 kWh/kgLH2 Burned fraction: 17.3 % Regenerator introduced in the system to enhance efficiency

43 Vaporizzatori LH2 a recupero Single MHD ciclo chiuso
Energy Produced: 3.8 kWh/kgLH2 Burned fraction: 15.3 % Thermodynamic efficiency increased with higher Combustion Chamber temperature

44 Vaporizzatori LH2 a recupero MHD – GT combinato
Energy Produced: 5.1 kWh/kgLH2 Burned fraction: 20.2 % Thermodynamic efficiency increased with respect to the single MHD cycle

45 Vaporizzatori LH2 a recupero Diagramma di confronto