Energy Engineering - Advanced Energy Systems

Full exam

SISTEMI ENERGETICI AVANZATI per allievi ingegneri energetici Appello del 13 luglio 2016 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) Parlare con i colleghi e/o copiare prevede l’immediato annullamento del compito. 5) La votazione dell'esame è la somma dei voti riportati nei singoli esercizi e di un bonus (punti 4) 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. 6) Il punteggio minimo per l'ammissione all'orale è 16/30. Una votazione da 9 a 15 comporta l'esito "rimandato". Una votazione minore o uguale a 8 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "ri- provato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione. Quesito 1 (20 punti) Un ciclo combinato alimentato a gas naturale con cattura precombustione della CO 2 è basato su un processo ATR che utilizza come ossidante una corrente di ossigeno al 95% (molare) di purez- za. L'impianto ha una potenza di 380 MW e un rendimento del 47%. La CO 2 viene rimossa da un impianto di rimozione basta su solvente MDEA posto a valle dei reattori di water gas shift. Noto che:  La composizione molare del gas naturale alimentato alla centrale è la seguente: CH 4 = 88%, C 2H6 = 4.5%, C 3H8 = 3.2%, C 4H10 = 2.3%, CO 2 = 1%, N 2 = 1%  La massa molare del gas naturale è pari a 18.892 kg/kmol  Il PCI del gas naturale è pari a 47.50 MJ/kg  La "cold gas efficiency" del processo di conversione del gas naturale in syngas è pari all'88%  Si ipotizzi che l'assorbimento di Ar e N 2 da parte dell'impianto MDEA possa ritenersi trascurabi- le  La composizione molare del syngas all'uscita dell'impianto MDEA di rimozione della CO 2 è la seguente: Ar = 0.6%, CH 4 = 0.3%, CO = 1.3%, CO 2 = 1.6%, H 2 = 95.6%, N 2 = 0.6%  La massa molare del syngas è pari a 3.436 kg/kmol  Il PCI del syngas è pari a 68.53 MJ/kg  All'uscita dell'impianto MDEA, il syngas è inviato a un saturatore. Le condizione del syngas sa- turo all'uscita del saturatore sono 29 bar, 160°C.  Successivamente il syngas saturo viene diluito con N 2. Il PCI del syngas diluito è pari a 9.5 MJ/kg. È richiesto di calcolare: 1) L'efficienza di cattura della centrale 2) L'emissione specifica di CO 2 dall'impianto (espressa in kg CO2 /MWh EL) 3) La portata di O 2 introdotta nel reattore ATR 4) La portata massica di N 2 (supposto puro al 100%) introdotto per la diluizione del syngas Dati per la risoluzione del quesito: Massa molare, kg/kmol: CO 2 = 44, O 2 = 32, H 2O = 18 Pressione di saturazione dell'H 2O a 160°C = 6.181 bar Quesito 2 (8 punti) Si confrontino le seguenti due centrali termoelettriche alimentate carbone rispettivamente senza e con cattura della CO 2 aventi le seguenti caratteristiche: senza cattura con cattura Rendimento, % 45 37 Efficienza di rimozione della CO 2, % 0 91 Componenti del costo dell’elettricità (COE), €/MWh EL Investimento O&M 30 5 50 9 Sapendo inoltre che:  la composizione massica del carbone è assegnata nella tabella sottostante  il potere calorifico inferiore del carbone è pari a 26 MJ/kg  il costo del carbone è pari a 40 €/tonn  il costo per il trasporto e sequestro della CO 2 è pari a 6 €/tonn Si chiede di determinare: 1) l'indice SPECCA (espresso in MJ/kg CO2 ) che caratterizza il ciclo con cattura rispetto all'altro 2) il valore della carbon tax (espresso in €/tonn CO2 ) tale da rendere equivalente il costo dell'elettri- cità (COE) prodotta dai due impianti Composizione carbone Frazione massica, % Massa molare, kg/kmol C 63.6 12 H 4.4 1 O 7.0 16 N 1.4 14 S 1.7 32 Umidità (H 2O) 9.5 18 Ceneri 12.2 ----