Introduzione al Sistema CombinatoMgB2/LH2 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

IntroduzioneArgomenti 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

IntroduzioneSistema 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).

USA Energy Flow 2004 [EIA] (Quadrillion Btu)

Crude Oil Historic Price [EIA]

01020304050607080

96 97 98 99 00 01 02 03 04 05year

$/b

bl

USA

Europe

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).

Mercato mondiale del fotovoltaico

US PV industry roadmap, 2004.

7

IntroduzioneEnergia 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

IntroduzioneSfruttamento FER su larga scala: difficoltà

1. 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.

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

IntroduzioneCavi 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

IntroduzioneL’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

IntroduzioneStoccaggio e trasporto dell’idrogeno

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)

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)

12

IntroduzioneUno sguardo al mercato attuale di LNG

Quote crescenti del trasporto internazionale di gas naturale in forma liquida (LNG): 26% nel 2002 [EIA].

13

IntroduzioneLa 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

IntroduzioneIl 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:

1. Irraggiamento

2. Conduzione nei supporti

3. Conduzione per gas residuo

17 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

1

2

3

4

5

6

Number of MLI layers

The

rmal

inc

ome

[W/m

]

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.

60 65 70 75 80 85 900

50

100

150

200

250

300

350Temperature distribution with 24 MLI layers

Radius [mm]

T [

K]

5 10 15 20 250

0.2

0.4

0.6

0.8

1Influence of three thermal contributions on total heat income

Number of space between single layers

Q/Q

tot

Qrad

/Qtot

Qs.cond

/Qtot

Qg.cond

/Qtot

18

Progetto della linea MgB2 / LH2

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 d’induzione sulla superfice del cavo (260 mT).

Isolamento elettrico

LH2

TrecciaMgB2 +

Cu

Vuoto

19

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: 20 km → valori limite 0.5 K/km 0.5 bar/km

Progetto della linea MgB2 / LH2

Dimensionamento del condotto tecniche

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

15

20

25

0 5 10 15 20 25L [km]

T [K]

0.583 kg/s0.583 kg/s

0.8 kg/s

1 kg/s

1.2 kg/s1.323 kg/s

0.5

0.8

1.1

1.4

1.7

0 5 10 15 20 25L [km]

p [MPa]

0.583 kg/s

1.323 kg/s

1.2 kg/s

0.8 kg/s

1 kg/s

0.583 kg/s

Progetto della linea MgB2 / LH2

Andamento di T e p (stretto di Gibilterra)

-900

-600

-300

0

0 5 10 15 20 25x [km]

z [m]

24

Simulazione del sistema elettricoSchema del sistema in EMTP

25

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:

Simulazione del sistema elettrico Modello continuo medio di un chopper

iD

iS

CVC D

vS

S

vD

L

IL

LDSC

T

LDsC

T

DDssdissDdissSdiss IVIVdtIviVT

dtivivT

PPP 00

)(1

)(1

SC

T

SCin IVdtiVT

P 0

)(1

dissinLD

T

LDout PPIVdtIvT

P 0

)(1

DSL

DSC

DSL

DSC

III

VVV

iiI

vvV

IS

CVC

L

IL

VD

+

26

Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo:

Modello continuo medio di un chopper Componenti ideali

iD

vDt

t

ton toff

IL

VC

IS id

CVC

L

IL

VD id

+

LidD IdI )1(

CidD VdV

LDLidS IdIII

CDCidS VdVVV )1(

27

Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo:

Modello continuo medio di un chopper Perdite di conduzione

iD

vDt

t

ton toff

IL

vD onVC

0 T

|v

idDLcondD IIdI )1(

LDSDSCcondD IRdRdVdVdVdV ))1(())1(( 00

IS id

CVC

L

IL

VD id

+Rcond(d)

Vcond(d

28

Modello continuo medio di un chopper Implementazione in EMTP

CidD VdV

LidS IdI

IS id

CVC

L

IL

VD id

+Rcond(d)

Vcond(d

CidD VdV

29

Il sistema deve compensare le variazioni di potenza RES.

Simulazione del sistema elettrico Potenza RES variabile

30

Dispositivi elettrochimici H2

Elettrolisi

i

31

Dispositivi elettrochimici H2

Fuel-cell (Proton Exchange Membrane)

i

32

Dispositivi elettrochimici H2

Caratteristica elettrica di una fuel-cell

Ohmic loss

diffusion loss

entropy loss

parasitic loss

activation loss

1,48 V

1,23 V

J

Vcell

region 2region 1 region 3

E0

33

Dispositivi elettrochimici H2

Implementazione in EMTP

- +

34

Dispositivi elettrochimici H2

Modello fuel-cell: risultati simulazioni

35

Sistema di compensazione della potenza con produzione di LH2.

Simulazione del sistema elettrico Regolazione della potenza

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 LH2 3- 4 % of the fuel has to be burned. No energy recovery

39

Sistemi criogenici LH2 Generalità: liquefazione e proc. inverso

Refrigeratore Motore termico

40

Vaporizzatori LH2 a recuperoTurbina Gas a ciclo chiuso a 300 K

Sea water

T C

He

GH2@95K LH2@20K

2 3

4 1

4

3

1

2

10

100

1000

15 17 19 21 23 25 27s [kJ/kg]

T [K]

Energy Recovery of 0.44 kWh/kgLH2 No hydrogen burned

Drawbacks: heat absorbed from the environment (heat sink needed) hydrogen exits the system at 95 K

41

Energy Produced: 0.91 kWh/kgLH2

Burned fraction: 9.4 %

4

3

2

110

100

1000

15 20 25 30 35s [kJ/kg]

T [K]

c.c.

T C

He

GH2@288K LH2@20K

4 1

2 3

Higher efficiencyNo heat absorbed from the environment

Hydrogen exits at room temperaturePart of the hydrogen is burned in the C.C.

Vaporizzatori LH2 a recuperoTurbina Gas a ciclo chiuso a 820 K

42

6

5

4

3

2

110

100

1000

10000

15 20 25 30 35 40s [kJ/kg]

T [K]

Vaporizzatori LH2 a recuperoTurbina Gas a ciclo chiuso a 1800 K

Regenerator introduced in the system toenhance efficiency

Energy Produced: 4 kWh/kgLH2

Burned fraction: 17.3 %

43

Vaporizzatori LH2 a recuperoSingle MHD ciclo chiuso

6

54

3

2

110

100

1000

10000

15 20 25 30 35 40 45s [kJ/kg]

T [K]

Energy Produced: 3.8 kWh/kgLH2

Burned fraction: 15.3 %

Thermodynamic efficiency increased withhigher Combustion Chamber temperature

44

Vaporizzatori LH2 a recuperoMHD – GT combinato

c.c.

T C

He

GH2@288K LH2@20K

MHD C

He+K

8 9

7 10

1 6

2

3

4

5

R

R

10

9

8

7

5

6

4

3

2

110

100

1000

10000

15 20 25 30 35 40 45s [kJ/kg]

T [K]

Energy Produced: 5.1 kWh/kgLH2

Burned fraction: 20.2 %Thermodynamic efficiency increased with

respect to the single MHD cycle

45

Vaporizzatori LH2 a recuperoDiagramma di confronto

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Electric Energy Output [kWhel/kgLH2]

GH

2 ou

tput

[kg

GH

2/kg

LH

2]

Conventional Thermal-electric

Systems Fuel Cell

GT@288K(no combustion)

GT@1200K

GT@1400K

GT@1600K

GT@1800K

CombinedMHD(Ar)@2200KGT(He)@1200K

CombinedMHD(He)@2200KGT(He)@1200K

GT@820K

MHD(He)@2200K

Open Rack Vaporization

Submerged Combustion Vaporization