Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 9 luglio 2013 Tempo a disposizione: 1 ora e 30 min Avvertenze per lo svolgimento del tema d’esame: 1) Indicare chiaramente nome e cognome su tutti i fogli che si intendono consegnare. 2) Rispondere brevemente ma con chiarezza solamente ai quesiti posti. Calcoli e spiegazioni - pur corretti in sé - che non rispondono ai quesiti posti non saranno considerati ai fini della valutazione. 3) Il punteggio dei singoli esercizi si riferisce ad esercizi svolti in modo completo con risultati numerici esatti. Risultati numerici corretti ma non accompagnati dalle relative spiegazioni non saranno presi in considerazione. 4) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 6) assegnato in considerazione del grado di completamento di almeno uno degli esercizi, della com- prensibilità della calligrafia, dell'ordine del testo della risoluzione, del livello delle spiegazioni a cor- redo. Il punteggio finale verrà normalizzato in base ai risultati medi. Il punteggio minimo per l'am- missione all'orale è 16/30. 5) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. Quesito (14 punti) In un impianto di produzione idrogeno basato su un processo ATR la portata di syngas umido al- l'uscita del reattore di water gas shift a bassa temperatura è pari a 100 kg/s. La composizione del syngas in quel punto è assegnata nella tabella sottostante: Frazione molare nel syngas Massa molare, kg/kmol PCI, MJ/kg Ar CH 4 CO CO 2 H 2 H 2O N 2 0.4 % 0.3 % 0.8 % 20.8 % 59.5 % 17.8 % 0.4 % 39.94 16 28 44 2 18 28 ------ 50.01 10.10 ------ 119.95 ------ ------ Massa molare, kg/kmol: 14.09 Il syngas viene successivamente raffreddato e, una volta rimossa l'acqua condensata, viene invia- to a un processo di pressure swing adsorption (PSA) dove l'idrogeno è separato con una efficienza di rimozione pari al 90%. Il flusso di scarto rilasciato dal PSA viene quindi miscelato con gas natu- rale e la miscela è infine alimentata a una caldaia per la produzione di vapore. Noto che: − la rimozione per gravità dell'acqua condensata viene effettuata in una camera dopo che il syngas è stato raffreddato alle condizioni di 35 °C e 40 bar, − il potere calorifico inferiore (PCI) del gas naturale miscelato è pari a 44 MJ/kg Si chiede di calcolare: − la portata di idrogeno puro rilasciata dal PSA (espressa in Nm 3/h); − a quanto ammonta la portata massica di gas naturale che occorre miscelare all'off-gas affinché il PCI della miscela raggiunga il valore di 5 MJ/kg, necessario per potere realizzare una corret- ta combustione; − l'input termico (espressa in MW su base PCI) della miscela di gas naturale e off-gas inviata alla caldaia. Dati necessari per la risoluzione del quesito Pressione di saturazione dell'acqua a 35°C = 0.0563 bar Quesito 2 (12 punti) Si consideri un ciclo combinato IGCC con cattura della CO 2 pre-combustione in cui la frazione di CO 2 rimossa viene inviata a un giacimento petrolifero per svilupparne la potenzialità produttiva (tecnica EOR). I parametri tecnico-economici di scenario per la valutazione della redditività della centrale sono i seguenti: • Rendimento medio impianto, %: 35 • Efficienza di cattura della CO 2, %: 90 • Costo specifico overnight impianto, €/kW: 2700 • First year carrying charge, %: 14 • Disponibilità, h/anno: 7000 • Costi O&M fissi, €/kW-anno: 25 • Costi O&M variabili, €/MWh: 3.5 • Prezzo del carbone, €/GJ 2.5 • Contenuto massico di carbonio nel carbone, % 61 • Potere calorifico inferiore del carbone, MJ/kg 26 • Prezzo medio di cessione dell'elettricità, €/MWh: 60 • Prezzo di acquisto dei diritti di emissione della CO 2, €/tonn CO2 : 10 Si chiede di calcolare il minimo prezzo di vendita della CO 2 ai limiti di centrale che rende economi- camente sostenibile la costruzione della centrale. Dati per la risoluzione del quesito. Massa molare C, kg/kmol 12 Massa molare CO 2, kg/kmol 44