Audiocorso di Medicina Tradizionale Cinese di Catia Trevisani
Introduzione al Sistema Combinato MgB 2 /LH 2 per lo Sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili...
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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