Corso di Principi di Ingegneria Elettrica LS, 05/06
Introduzione al Sistema Combinato
MgB2/LH2 per lo Sfruttamento di
Fonti Energetiche Rinnovabili su Larga Scala
Ing. Luca Trevisani
Dip. Ingegneria Elettrica
Università di Bologna
17 marzo 2006
Introduzione
Argomenti trattati

Nozioni introduttive:
–
–

Progetto criogenico ed elettrico di una linea combinata
MgB2 / LH2:
–

–
2
Isolamento termico. Sezione del cavo. Sezione del condotto.
Modello elettrico di un sistema MgB2/LH2 per lo
sfruttamento di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER):
–

Transizione verso un sistema energetico sostenibile: difficoltà
tecnologiche.
Cavi superconduttivi. Idrogeno. Il concetto di linea combinata
MgB2/LH2.
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.
Introduzione
Sistema energetico attuale e prospettive
3

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).
$/bbl
USA Energy Flow 2004 [EIA]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
(Quadrillion Btu)
Crude Oil Historic Price [EIA]
USA
Europe
96
97
98
99
00
01
year
02
03
04
05
Introduzione
Sfruttamento FER su larga scala: potenzialità


Molti paesi hanno attivato programmi ambiziosi per l’estensione
delle FER nel sistema energetico. Alcuni esempi:
Idroelettrico:
–

Eolico:
–

In Danimarca rappresenta il 20 % dell’energia elettrica consumata
(2004).
Solare:
–
5
La Cina sta completando il più grande impianto del mondo
(18.2 GW nel 2009).
Il mercato fotovoltaico globale è cresciuto del 40 % nel 2004
(1100 MW).
Mercato mondiale del fotovoltaico
US PV industry roadmap, 2004.
Introduzione
Energia solare: potenzialità





7
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.
Introduzione
Sfruttamento 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.
8
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.
Introduzione
Cavi superconduttivi
9

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 ).
Introduzione
L’idrogeno per l’accumulo energetico


10
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 )
Introduzione
Stoccaggio e trasporto dell’idrogeno
11

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)

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)
Introduzione
Uno sguardo al mercato attuale di LNG

12
Quote crescenti del trasporto internazionale di gas naturale in
forma liquida (LNG): 26% nel 2002 [EIA].
Introduzione
La linea combinata MgB2 / LH2


13
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.].
Introduzione
Il sistema combinato MgB2 / LH2


14
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).
Progetto della linea MgB2 / LH2
Isolamento termico

15
7/22
Isolamento termico costituito da
strati MLI sotto vuoto.
Progetto della linea MgB2 / LH2
Isolamento termico

16
Valutazione degli contributi di scambio termico fra i vari strati
di isolamento:
1.
Irraggiamento
2.
Conduzione nei supporti
3.
Conduzione per gas
residuo
Progetto della linea MgB2 / LH2
Isolamento termico: risultati


17
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.
6
5
4
3
2
250
0.6
200
TQ/Q
[K]tot
Scelta del numero di strati
MLI = 24, grado di vuoto
di 2×10-3 Pa mantenuto in
esercizio da getters
Thermal income [W/m]

Influence of three thermal contributions on total heat income
Temperature distribution with 24 MLI layers
1
350
Qrad/Qtot
Qs.cond/Qtot
300
0.8
Qg.cond/Qtot
0.4
150
100
0.2
50
0
0
60
5
10
15
20
Number of
single
65
70space between
75
80 layers
85
Radius [mm]
25
90
1
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Number of MLI layers
Progetto della linea MgB2 / LH2
Dimensionamento della sezione superconduttiva
Isolamento
elettrico
LH2
Vuoto
Treccia
MgB2 +
Cu


18
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).
Progetto della linea MgB2 / LH2
Dimensionamento del condotto tecniche


Occorre garantire nello stesso tempo il raffreddamento
del cavo e la portata di LH2 trasportata.
Limiti di temperatura e pressione lungo la linea:
–
–
–
–

19
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
Calcolo di T e p lungo la linea
(caso di fluido incomprimibile)
20
Progetto della linea MgB2 / LH2
Diagrammi ΔT/Δl e Δp/Δl lungo la linea
21
11/18
Progetto della linea MgB2 / LH2
Area ammissibile di progetto
22

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.
Progetto della linea MgB2 / LH2
Andamento di T e p (stretto di Gibilterra)
25
0.583 kg/s
0.583 kg/s
0.8 kg/s
T [K]
1 kg/s
20
1.2 kg/s
1.323 kg/s
15
0
5
1.7
10 L [km] 15
20
25
20
25
1.323 kg/s
1.2 kg/s
0
0
5
10 x [km] 15
1.4
20
25
p [MPa]
0.8 kg/s
1.1
1 kg/s
-300
z [m]
0.583 kg/s
0.8
-600
23
-900
0.583 kg/s
0.5
0
5
10 L [km] 15
Simulazione del sistema elettrico
Schema del sistema in EMTP
24
Simulazione del sistema elettrico
Modello continuo medio di un chopper
iS
S
L
IL
iD
vS
C
VC

vD
D
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.
T
T
1 IS
V 1
Pdiss  PS diss  PD diss   (vs is  vD iD )dt D +  (VC isL vD I L )dt  VC I S  VD I L
T0
T0
T
1
Pin   (VC iS )dt CVC I S
T0 V
T
IL
1
Pout   (vD I L )dt  VD I L  Pin  Pdiss
T0
C

25
Leggi di Kirchoff di tensione e corrente:
VC  vS  vD
I L  iS  i D

VC  VS  VD
IL  IS  ID
Modello continuo medio di un chopper
Componenti ideali

Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo:
I D id  (1  d )  I L
VD id  d  VC
I S id  I L  I D  d I L
VS id  VC  VD  (1  d ) VC
IS id
VD id
+
L
IL
C
VC
26
Modello continuo medio di un chopper
Perdite di conduzione

Andamento di tensione e corrente sul diodo in un periodo:
I D cond  (1  d )  I L  I D id
VD cond  d  VC  (d  VS 0  (1  d )  VD 0 )  (d  RS  (1  d )  RD )  I L
VD id
Vcond(d)
+
Rcond(d)
L
+
IS id
IL
C
VC
27
Modello continuo medio di un chopper
Implementazione in EMTP
VD id
Vcond(d)
+
Rcond(d)
L
+
IS id
IL
C
VC
VD id  d  VC
28
I S id  d  I L
VD id  d  VC
Simulazione del sistema elettrico
Potenza RES variabile

29
Il sistema deve compensare le variazioni di potenza RES.
Dispositivi elettrochimici H2
Elettrolisi
i
30
Dispositivi elettrochimici H2
Fuel-cell (Proton Exchange Membrane)
i
31
Dispositivi elettrochimici H2
Caratteristica elettrica di una fuel-cell
32
Dispositivi elettrochimici H2
Implementazione in EMTP
-
33
+
Dispositivi elettrochimici H2
Modello fuel-cell: risultati simulazioni
34
Simulazione del sistema elettrico
Regolazione della potenza

35
Sistema di compensazione della potenza con produzione di LH2.
Simulazione del sistema elettrico
Avviamento
36
Simulazione del sistema elettrico
Funzionamento con parco eolico
37
Sistemi criogenici LH2
Sistemi di vaporizzazione convenzionali


38
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
Sistemi criogenici LH2
Generalità: liquefazione e proc. inverso
Refrigeratore
39
Motore termico
Vaporizzatori LH2 a recupero
Turbina Gas a ciclo chiuso a 300 K
Sea water
3
2
C
1000
3
T [K]
T
4
2
100
He
1
4
1
10
LH2@20K
40
GH2@95K
15
17
19
21
s [kJ/kg]
23
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
25
27
Vaporizzatori LH2 a recupero
Turbina Gas a ciclo chiuso a 820 K
1000
3
c.c.
3
2
C
T [K]
4
T
2
100
He
1
4
1
10
LH2@20K
GH2@288K
Energy Produced: 0.91 kWh/kgLH2
Burned fraction: 9.4 %
41
15
20
25
s [kJ/kg]
30
35
Higher efficiency
No heat absorbed from the environment
Hydrogen exits at room temperature
Part of the hydrogen is burned in the C.C.
Vaporizzatori LH2 a recupero
Turbina Gas a ciclo chiuso a 1800 K
c.c.
3
10000
4
R
4
1000
2
C
T [K]
T
He
R
6
1
10
15
LH2@20K
42
5
6
2
100
5
1
3
GH2@288K
Energy Produced: 4 kWh/kgLH2
Burned fraction: 17.3 %
20
25
30
s [kJ/kg]
35
40
Regenerator introduced in the system to
enhance efficiency
Vaporizzatori LH2 a recupero
Single MHD ciclo chiuso
10000
4
c.c.
MHD
3
4
R
3
1000
2
5
C
R
T [K]
6
100
2
He+K
1
6
1
10
15
LH2@20K
43
5
20
25
30
35
s [kJ/kg]
40
45
GH2@288K
Energy Produced: 3.8 kWh/kgLH2 Thermodynamic efficiency increased with
higher Combustion Chamber temperature
Burned fraction: 15.3 %
Vaporizzatori LH2 a recupero
MHD – GT combinato
10000
c.c.
8
9
9
MHD
C
4
He+K
7
10
1000
10
8
5
3
6
3
T [K]
4
R
7
2
2
100
C
T
5
He
1
R
6
1
10
LH2@20K
44
GH2@288K
Energy Produced: 5.1 kWh/kgLH2
Burned fraction: 20.2 %
15
20
25
30
s [kJ/kg]
35
40
45
Thermodynamic efficiency increased with
respect to the single MHD cycle
Vaporizzatori LH2 a recupero
Diagramma di confronto
1.1
GT@288K
(no combustion)
GT@1200K
GT@1400K
1.0
GT@1600K
GT@820K
GT@1800K
GH2 output [kg GH2/kgLH2]
0.9
Combined
MHD(He)@2200K
GT(He)@1200K
MHD(He)@2200K
0.8
Open Rack
Vaporization
0.7
Submerged
Combustion
Vaporization
Conventional
Thermal-electric
Systems
0.6
Combined
MHD(Ar)@2200K
GT(He)@1200K
Fuel Cell
0.5
45
0
1
2
3
4
5
Electric Energy Output [kWhel/kgLH2]
6
7
8