Appunti di Sistemi energetici avanzati

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZE

Corso di

SISTEMI ENERGETICI

AVANZATI a.a. 2022/2023

Prof. Carlo Carcasci

Appunti di Mattia Calabrese

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INDICE

1. INTRODUZIONE………………………………………………………………………………………………………………..4

1.1. ENERGIA NELLA STORIA E NELLA SOCIETA’…………………………………………………………………4

1.2. FABBISOGNO ENERGETICO………………………………………………………………………………………..4

1.3. PRODUZIONE ENERGETICA………………………………………………………………………………………..5

1.3.1. PARAMETRI DI PERFORMANCE………………………………………………………………………..5

1.3.2. IMPIANTI TERMOELETTRICI……………………………………………………………………………..5

1.4. COSTO DELLA PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA……………………………………………….6

1.5. GLI IMPIANTI DI PRODUZIONE NEL SISTEMA ELETTRICO ITALIANO…………………………….8

1.5.1. FORMAZIONE DEL PREZZO DELL’ENERGIA ELETTRICA……………………………………….9

2. IMPIANTI A VAPORE……………………………………………………………………………………………………….11

2.1. IMPIANTI A VAPORE – CICLO RANKINE…………………………………………………………………….11

2.1.1. MIGLIORAMENTI CICLO TERMODINAMICO…………………………………………………….12

2.1.2. LAYOUT…………………………………………………………………………………………………………16

2.2. GENERATORI DI VAPORE………………………………………………………………………………………….16

2.3. DIMENSIONAMENTO GENERATORE DI VAPORE……………………………………………………….23

2.4. SCAMBIATORI A SUPERFICIE E A MISCELA………………………………………………………………..29

2.4.1. SCAMBIATORI A SUPERFICIE………………………………………………………………………….29

2.4.2. SCAMBIATORI A MISCELA – DEGASATORE……………………………………………………..30

2.5. CONDENSATORE……………………………………………………………………………………………………..32

2.5.1. ANALISI TERMODINAMICA…………………………………………………………………………….33

2.5.2. OFF-DESIGN…………………………………………………………………………………………………..34

2.5.3. DIMENSIONAMENTO CONDENSATORE………………………………………………………….36

2.5.4. CONDENSATORE A MISCELA………………………………………………………………………….38

2.5.5. EFFETTO DEGLI INCONDENSABILI…………………………………………………………………..39

2.6. TORRE DI RAFFREDDAMENTO………………………………………………………………………………….40

2.6.1. CALCOLO TERMODINAMICO………………………………………………………………………….42

2.6.2. FENOMENI DI SCAMBIO TERMICO E DI MASSA………………………………………………43

2.7. REGOLAZIONE IMPIANTI A VAPORE…………………………………………………………………………46

2.7.1. REGOLAZIONE CALDAIA………………………………………………………………………………..46

2.7.2. REGOLAZIONE TURBINA………………………………………………………………………………..47

2.7.3. AVVIAMENTO……………………………………………………………………………………………….49

3. CICLI COMBINATI……………………………………………………………………………………………………………50

3.1. INTRODUZIONE……………………………………………………………………………………………………….50

3.2. IMPIANTI COMBINATI AD UN LIVELLO DI PRESSIONE……………………………………………….52

3.2.1. CARATTERISTICHE TURBINA A GAS………………………………………………………………..52

3.2.2. HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR…………………………………………………………….54

3.2.3. ANALISI TERMODINAMICA HRSG…………………………………………………………………..56

3.2.4. INTEGRAZIONE DEL DEGASATORE………………………………………………………………….59

2

3.3. ANALISI TERMOECONOMICA……………………………………………………………………………………60

3.3.1. ANALISI TERMOECONOMICA HRSG AD UN LIVELLO DI PRESSIONE………………...61

3.4. IMPIANTI COMBINATI A PIU’ LIVELLI DI PRESSIONE………………………………………………….66

3.5. OFF-DESIGN DI CCGT A UN LIVELLO DI PRESSIONE……………………………………………………72

3.5.1. ANALISI DI OFF-DESIGN HRSG………………………………………………………………………..73

3.5.2. OFF-DESIGN TURBINA A VAPORE……………………………………………………………………75

4. CODICI DI SIMULAZIONE DI SISTEMI ENERGETICI AVANZATI…………………………………………….79

4.1. TEORIA DEI CODICI MODULARI…………………………………………………………………………………80

5. IMPIANTI TERMO-NUCLEARI…………………………………………………………………………………………..83

5.1. RISORSA NUCLEARE E CICLO DI VITA………………………………………………………………………..83

5.2. IMPIANTI NUCLEARI…………………………………………………………………………………………………85

6. COGENERAZIONE……………………………………………………………………………………………………………89

6.1. PRINCIPIO DELLA COGENERAZIONE………………………………………………………………………….89

6.2. INDICI DI RISPARMIO ENERGETICO…………………………………………………………………………..90

6.3. COGENERAZIONE AD ALTO RENDIMENTO (CAR)………………………………………………………95

6.4. TIPOLOGIE DI MACCHINE………………………………………………………………………………………...97

6.5. STUDIO DI FATTIBILITA’ TECNICO-ECONOMICA………………………………………………………100

6.6. UTENZA FINALE, ANALISI CONSUMI E MATCHING…………………………………………………..100

6.7. VALUTAZIONE TERMOECONOMICA……………………………………………………………………….106

6.8. ESERCIZIO COGENERAZIONE – CALDAIA TRADIZIONALE…………………………………………107

7. ENERGY STORAGE………………………………………………………………………………………………………..110

7.1. TECNOLOGIA LAES…………………………………………………………………………………………………111

7.1.1. LAES STANDALONE – CASO STUDIO…………………………………………………………….113

7.1.2. INTEGRAZIONE CON ALTRI PROCESSI INDUSTRIALI……………………………………..117

7.2. TECNOLOGIA CAES………………………………………………………………………………………………..119

3

1. INTRODUZIONE

1.1 ENERGIA NELLA STORIA E NELLA SOCIETA’

La prima scoperta fondamentale nella storia dell’uomo è stata quella del fuoco che ha permesso

di controllare l’energia termica. In generale, il successo di una specie nel suo percorso evolutivo

è dovuto alla capacità di massimizzare la disponibilità energetica e la relativa capacità di usarla.

Con la scoperta del carbone si è passati da un economia del “flusso” ad un economia dello

“stock”, che ha permesso una velocità evolutiva molto superiore rispetto alle precedenti.

L’industrializzazione ha reso però il sistema Terra come un sistema finito, rendendo necessario

un ritorno alla valorizzazione delle risorse naturali, come energia idraulica e solare, e spingendo

verso un ritorno all’economia del “flusso” che comporta però alcune criticità come le basse

performance, la stagionalità e la bassa densità per superficie di energia elettrica prodotta.

Si giunge dunque ad uno stallo perché lo stock fossile emette CO mentre il flusso energetico da

2

rinnovabili non assicura una sostenibilità industriale.

1.2 FABBISOGNO ENERGETICO

Nonostante sia ovvio che un aumento del consumo energetico sia correlato ad un aumento della

qualità della vita, siamo arrivati ad un punto tale che nei paesi industrializzati, pur diminuendo i

nostri consumi, non si andrebbe a intaccare la qualità della nostra vita. Nonostante ciò, non è

facile rinunciare a certi benefici.

Legge del raddoppio: con un tasso di crescita dei consumi energetici del 7% annuo il fabbisogno

→

energetico raddoppia in 10 anni andamento

esponenziale.

I costi energetici, poi, sono in progressiva crescita per

motivi legati sia ad un aumento del fabbisogno, che a

leggi di mercato e all’esaurimento di alcune fonti

energetiche. Su questo aumento influiscono inoltre

anche aspetti “politici”, sia legati a turbolenze

politiche internazionali che a norme sull’impatto

ambientale.

In generale, la domanda di energia dipende dalla

popolazione e dalla prosperità del luogo. In questo momento, in Italia, la produzione di energia

è deficitaria rispetto alla richiesta ed il gap è colmato mediante l’importazione da paesi terzi. 4

1.3 PRODUZIONE ENERGETICA

1.3.1 PARAMETRI DI PERFORMANCE

Efficienza termodinamica: misura quanto un sistema riesce a convertire energia

termica in energia meccanica (in generale effetto utile/spesa).

→

Consumo specifico [kJ/kWh]: legato a rendimento (inverso) misura i kJ di energia

termica necessari per generare un kWh elettrico.

Potenza [kW]: valore importante per soddisfare domanda di energia; importante anche in

→

relazione ad altre grandezze (peso/portata) potenza specifica.

Energia [kJ]: tempo che il motore può funzionare, molto importan