Macchine e sistemi energetici - Appunti di teoria ed esercizi PDF

Macchine e sistemi energetici Prof. Paolo Giulio Iora page1image32642960 ***Appunti di teoria ed esercizi*** PROGRAMMA  EVOLUZIONE DEL QUADRO ENERGETICO GLOBALE L'obiettivo è quello di andare a valutare come in Italia e nel mondo si stia modificando la...

Macchine e sistemi energetici Prof. Paolo Giulio Iora page1image32642960 ***Appunti di teoria ed esercizi*** PROGRAMMA  EVOLUZIONE DEL QUADRO ENERGETICO GLOBALE L'obiettivo è quello di andare a valutare come in Italia e nel mondo si stia modificando la concezione dell'energia, delle fonti rinnovabili,\... DefiniamoENERGIAPRIMARIAquella-chesitrovainnaturaechel'uom-osfruttaperisuoibisogni.Questa può essere suddivisa in: page3image32796448 FONTI NON RINNOVABILI (si esauriscono) Si trovano in genere sottoterra, ma una volta esaurite le loro scorte, non ci sono più. Il tempo necessario per farli ricreare è più lungo del tempo sfruttato per consumarle. Alcuni esempi sono: combustibili, gas, carbone. Tra questi troviamo anche il nucleare: si sfrutta in questo caso l'uranio derivante dalle rocce. Non c'è una combustione, ma una fissione (ovvero un bombardamento) che porta alla generazione di calore. FONTI RINNOVABILI (si rigenerano) La maggior parte di queste fonti è dovuta al sole (in teoria anche il sole finirà, ma in tempi molto lunghi). Gli esempi più importanti sono: idraulica, eolica, solare, biomasse (il legname), geotermica (dipende dal sottosuolo: più vado in profondità più ho calore, ma il gradiente termico è più basso (30°C/km); ci sono zone dove però il calore é disponibile più vicino alla superficie), maree (usate in modo limitato, in quanto risulta difficoltoso convogliare l'energia e trasportarla poi sulla terra ferma). Le NON rinnovabili sono le più utilizzate perché costano meno.\ L'energia ottenuta può essere utilizzata direttamente (brucio ed ottengo energia) oppure convertita in energia elettrica attraverso gli impianti. Con il termine INTENSITÀ ELETTRICA indichiamo un parametro che è la frazione di energia complessiva prodotta dal combustibile che viene convertito in energia elettrica: una parte dell'energia complessiva é usata per produrre calore e una parte è convertita in energia elettrica. ENERGIA PRIMARIA page3image32790208page3image32793744page3image32792704page3image32792912page3image32790832page3image32794784page3image32798112page3image32796656page3image32798944page3image32797696 In generale come unità di misura utilizziamo il joule (S.I.) oppure cal o kWh. page3image32794160page3image32806384  Vogliamo avere una idea dei consumi di energia primaria nel mondo. La media mondiale è di 2 tep (tonnellate equivalenti per persona di petrolio). Ci sono zone in cui l'energia richiesta è superiore a causa delle condizioni ambientali e climatiche. Ci sono zone dove si consuma e spreca energia e zone dove c'è carenza (in Italia la richiesta è di circa 3 tep). Nelle zone dove c'è poco consumo (dove in generale non sono soddisfatti i fabbisogni) probabilmente in futuro ci sarà un aumento del consumo stesso di energia. Ci domandiamo quali fonti utilizzeremo allora se la richiesta ed il consumo aumenteranno e quali saranno le conseguenze. In base al consumo di energia, conosciamo il benessere di un paese perché correlato ad indicatori di sviluppo socio-economici: tutte le società tendono al benessere. Sotto 1 tep la situazione risulta essere critica. Dai grafici é possibile constatare come all'aumentare del consumo, la mortalità infantile e l'analfabetismo diminuiscano (tendono a zero) e come le aspettative di vita aumentino. page4image32910512page4image32911136page4image32911552page4image32911968page4image32912384page4image32912800page4image32913216page4image32913632page4image32914048 Andando ad osservare il consumo di energia primaria per fonte notiamo quanto segue dal grafico (i dati sono del 2018): CARBONE ¥eièìirmà\" enma. G A S NATURALE PETROLIO L'84,7% di energia è fornita da fonti non rinnovabili. Il trend non sembra rilevare improvvisi cambiamenti, ma è crescente: con il passare degli anni il consumo di non rinnovabili aumenterà perché i paesi che vogliono raggiungere il benessere non investiranno per impianti rinnovabili e vorranno spendere poco. Le fonti rinnovabili crescono in modo graduale, ma non istantaneo. Il petrolio viene utilizzato soprattutto per i trasporti. L'uso del carbone è molto alto nei paesi in via di sviluppo (costa poco). Per quanto riguarda i consumi di energia elettrica, possiamo dire che anche questo risulta essere un indice di benessere (maggiore consumo indica maggiore sviluppo per via del fatto che ho maggiore richiesta di energia elettrica dovuta principalmente alla tecnologia: ho più elettrodomestici, metro, aria condizionata,\...). In questo caso sono utilizzati sopratutto i combustibili fossili poiché costano poco. page5image33018960page5image33019376page5image33020416page5image33020832page5image33021248page5image33021664 page6image32995136page6image32995552page6image32995968page6image32996384 É importante capire ora, una volta definiti in generale i consumi, come valutare la disponibilità. page7image33065824 Le riserve accertate sono quelle che possono essere sfruttate per estrarre una fonte a prezzo di mercato. Ad esempio, del pozzo di petrolio si usa solo il 30-40% del suo contenuto perché diventa poi troppo costosa l'estrazione e si passa quindi ad un altro pozzo. Il giacimento risulta quindi esaurito se si fa riferimento ai costi anche se è ancora presente il petrolio. Nel tempo la capacità di recupero delle risorse aumenta grazie ad un miglioramento nelle estrazioni. page7image33067072page7image33063120page7image16077968page7image33070192page7image33070608page7image33071024 La disponibilità varia perché numeratore e denominatore variano e non sono numeri assoluti. La frazione è in continua variazione ed in continuo aggiornamento. La linea del petrolio ha andamento variabile negli anni (tiene conto del fatto che ogni tanto c'è la scoperta di nuovi giacimenti). Le fonti non rinnovabili preoccupano, ma non nell'immediato in termini di riserve. page7image33071440page7image33071856page7image33072272page7image33072688 page8image33131776 La maggior parte del petrolio si trova in Medio Oriente ed in America centro-sud. Il gas è presente sopratutto in Medio Oriente e CIS (Comunità degli Stati Indipendenti, ovvero ex Unione Sovietica). Queste due fonti si trovano in zone critiche ed instabili: nascono guerre e conflitti. Il carbone invece si trova in zone meno critiche. page8image33131984page8image33132192page8image33132816page8image16218672page8image33134480page8image33134896 L'andamento del costo del petrolio è molto frastagliato e ciò è dovuto all'instabilità nelle zone di estrazione. Oltre a ciò le ripercussioni sui prezzi sono imprevedibili: oltre a fattori di instabilità reali, ci sono anche fattori virtuali dovuti ai mercati. In generale 1 barile costa € 70. Anche l'andamento del prezzo del gas è piuttosto complesso: oltre a problemi dovuti alle guerre, ci sono anche molti mercati. Negli ultimi 10 anni il prezzo in USA si è abbassato molto grazie alla realizzazione di un nuovo modo di ottenere gas con le rocce (shale). Prima gli USA erano importatori, ora sono esportatori: in tutto il mondo il prezzo è così diminuito. In genere il gas costa meno del petrolio. Il prezzo del carbone risulta essere abbastanza stabile. I costi sono molto più bassi sia del petrolio che del gas: il carbone infatti è il più economico. Anche l'energia elettrica costerà meno. Abbiamo però importanti problemi di impatto ambientale.\ I costi in generale dei combustibili fossili cresceranno perché ci sarà un calo nelle riserve. page8image33135312page8image33135728page8image33136144page8image33136560page8image33136976page8image33137392page8image33137808page8image16218112 page9image33195856 Tutte queste fonti però portano ad avere un impatto ambientale molto preoccupante. I combustibili fossili devono essere ridotti per ragioni ambientali. Il loro utilizzo ha due ripercussioni: 1\) INQUINAMENTO LOCALE: nel punto di emissione si ha la presenza di inquinanti. Si è cercato di ridurre molto tali inquinanti, prodotti da impianti e veicoli, attraverso una legislazione più restrittiva ed un uso migliore ed avanzato della tecnologia. Con le macchine sono stati introdotti i vari EURO (EURO 2,3\...). 2\) INQUINAMENTO GLOBALE: dovuto alla produzione di CO2 (effetto serra). Il CO2 non è nocivo per la salute dell'uomo (serve alle piante), ma provoca l'effetto serra. Questo porta ad un aumento della temperatura sulla terra. I gas serra infatti (costituiti da CO2 ed altri gas) occupano la parte più alta dell'atmosfera terrestre, consentendo di far passare la luce, ma impedendo che i raggi tornino nell'universo: più lo strato é spesso, più é difficile che i raggi tornino indietro e ciò provoca aumento di T. page9image33197520page9image33195232page9image33196064page9image33198352page9image33199184 c.uhm t (nt F)(dat3,76Nel⇒ n Cortf-(Heat3,76(nt?)NatXKOC page9image33200016 Se valutiamo la concentrazione di CO2 nell'atmosfera, notiamo che ha avuto una notevole impennata. Inizialmente la media (280ppm) era relativa a moltissimi anni fa. Si può valutare come nel tempo sia cambiata la quantità di CO2 dallo studio delle bollicine di ghiaccio formatesi nei ghiacciai. A partire dal 1910 abbiamo avuto un notevole aumento, giungendo a circa 400 ppm. La ragione è dovuta alla combustione di idrocarburi. La T é aumentata di circa 1°C negli ultimi anni e si è notato un cambiamento climatico. La comunità scientifica ritiene, ma senza poterlo dimostrare, che ci sia una correlazione tra aumento di CO2 prodotta dall'uomo ed i cambiamenti climatici (ci sono teorie contrastanti che ritengono che i cambiamenti siano avvenuti anche senza necessariamente aumento di CO2, ma dovuti alle diverse glaciazioni). La riduzione di CO2 richiede costi elevati perché implica l'uso di impianti per le energie rinnovabili, manutenzione delle fabbriche presenti e messa in regola delle stesse,\... tutto questo comporta un aumento dei costi e quindi anche dei prodotti/servizi (cioè dell'energia elettrica). Le alternative sono difficili e costose. page10image33179888page10image33180928page10image33181344page10image33181760page10image33182176page10image33182592page10image33183008page10image33183424page10image33183840 Energia nucleare L'energia prodotta dal nucleare ha diversi vantaggi, tra cui il fatto che un impianto nucleare è competitivo. L'energia elettrica venduta ha costi simili a quella prodotta con combustibili. L'uranio è fissile: è bombardato e si scinde in due. Ciò porta alla generazione di calore (molto superiore a quello ottenuto con i combustibili). Le riserve di uranio sono molto abbondanti (200 anni circa). Nel mondo l'11% di energia elettrica è prodotto con il nucleare. L'Italia è una delle uniche nazioni in cui non sono presenti impianti.\ L'energia nucleare non emette CO2, né, in linea di principio, rilascia altri inquinanti.\ Tra i rischi però troviamo la possibilità di incidenti nucleari con conseguenze devastanti per l'uomo e per l'ambiente (anche gli impianti di energia con fonti rinnovabili possono portare ad avere gravi danni in caso di incidente però). Oltre a ciò c'è il problema delle scorie (è necessario porle in luoghi sicuri per molti anni in attesa che si scarichino) ed il rischio della nascita di ordigni nucleari. Ci sono anche molti rifiuti nucleari ospedalieri (per le radiografie ed altre tecniche). In generale il trend non sarà troppo crescente, ma aumenterà leggermente. page11image33177600page11image33180512page11image33178016page11image33178224page11image33290048page11image33288592page11image33226752page11image33227168 ASIA PACIFICA CI5 EUROPA NORD AMERICA DEL MONDO RESTO\ 1 page11image33227584 Fonti rinnovabili Il 25% dell'energia elettrica mondiale è prodotta con fonti rinnovabili (specialmente attraverso l'idroelettrico).\ L'idroelettrico ha il vantaggio, rispetto agli altri, di essere programmabile: ho una condotta forzata che convoglia l'acqua alla centrale, che consente di produrre energia quando voglio. L'energia da usare deve essere istantanea e giungere subito. Il solare e l'eolico invece variano in base alla luce ed al vento che ci sono: ci vogliono impianti regolari che siano in grado di modulare.\ Negli ultimi anni sono però molto in crescita.\ L'impatto ambientale è quasi nullo, o comunque molto basso. La qualità dell'aria certamente migliora. (Non esiste alcuna fonte ad impatto nullo). Gli impianti idroelettrici sono molto numerosi in Cina e Brasile (con un tasso di crescita annuo elevato). La costruzione di questi impianti dipende anche dal territorio: incentivata dalla presenza di corsi d'acqua. I prezzi sono competitivi e confrontabili con quelli dei combustibili fossili. Per quanto concerne il solare e l'eolico, sono stati promossi diversi incentivi per spingere queste tecnologie. L'Italia, per ragioni di dimensioni, non è quasi mai al top, mentre uno dei maggiori produttori di EE con queste fonti è la Cina. C'è ancora molto margine di aumento e di crescita. page12image33345808page12image33344768page12image33346016page12image33348096page12image33348512page12image33348928page12image33349344page12image33349760page12image33350176page12image33350592 A valle di questo, il trend dei consumi aumenterà, specialmente per i paesi in via di sviluppo, mentre nei paesi con benessere rimarranno pressoché costanti. Il petrolio sarà ancora molto utilizzato e per le fonti rinnovabili ci sarà un aumento del loro utilizzo, ma i costi rimarranno alti. Anche le emissioni di CO2 aumenteranno (maggiore effetto serra). ¥ page13image32851584page13image32850752page13image32857824page13image32856160 ⇒ page13image15945776 L'energia in Italia Nel 2018 c'è stata una domanda pari a 155 Mtep. Abbiamo due bruschi cali nel 2009 e nel 2014 (principalmente dovuti alla crisi economica). É molto utilizzato il petrolio (specialmente nel settore dei trasporti), il gas naturale (per il riscaldamento, le cucine e l'EE), il carbone (per le acciaierie), elevato è l'idroelettrico ed importanti sono anche le rinnovabili (solare ed eolico) cresciute grazie ai numerosi incentivi. La rete elettrica italiana è collegata a quella estera: in bolletta c'è la voce SALDO ESTERO (è stata del 13,2% nel 2018). Confrontando la media italiana e quella europea notiamo che la differenza principale è nel fotovoltaico e nell'idroelettrico (ne produciamo maggiormente noi), ma 1/4 dell'EE in Europa è ottenuta mediante il nucleare. Questa mancanza è compensata in Italia grazie al termoelettrico. In termini di produzione di CO2 é però meglio il nucleare. page14image33399744page14image33395376page14image33398080page14image33398496page14image33402032page14image33402448page14image33402864page14image33403280page14image33403696page14image33404112page14image33404528 page15image33458624 A partire dagli anni 60' la potenza in Italia è aumentata per tutti gli impianti (tranne per gli impianti idroelettrici dove è rimasta costante). Da circa 7/8 anni però la potenza è diminuita a causa dello sviluppo delle rinnovabili. Nessuno si sarebbe aspettato il boom delle rinnovabili. Al posto di produrre, CONVIENE acquistare l'energia dall'estero perché costa di meno. Il diagramma di carico rappresenta la potenza richiesta dalla rete nelle varie ore del giorno. La sera c'è bassa richiesta in genere. Il sistema deve sempre essere in equilibrio: non posso avere sovra e sottoproduzione perché crea problemi (per esempio black- out). Gli squilibri però ci sono soprattutto a causa delle rinnovabili che sono intermittenti, ma sono compensati da impianti di riserva (dal termoelettrico per esempio). TERNA gestisce l'equilibrio tra domanda ed offerta. Gli impianti usati per compensare sono detti DI RISERVA. L'azienda controlla l'equilibrio misurando la FREQUENZA DI RETE (di solito é 50 Hz: è la velocità con cui gira l'alternatore che produce corrente). Tutti gli impianti allacciati alla rete devono girare a 50Hz perché è la frequenza necessaria a garantire l'equilibrio, ovvero la potenza prodotta é pari alla potenza utilizzata. Quando richiediamo potenza, la frequenza cala. TERNA vede questo calo e compensa richiedendo potenza da un impianto di riserva, il quale produrrà energia ma a prezzo più elevato. L'uso delle rinnovabili determina, in modo indiretto, un aumento del costo dell'energia, non solo per il costo dell'impianto in sé, ma anche perché sono intermittenti. page15image33460288page15image33460704page15image33461120page15image33461536page15image33461952page15image33462368page15image33462784page15image33463200page15image33463616page15image33464032page15image33464448page15image33464864page15image33465280 +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | QUALCHE NUMERO DA RICORDARE\... | | | | | | page16image33547824 | | | | | | Consumo di energia primaria nel | | | mondo: 13.9 miliardi di tep | | | Consumo di EE nel mondo: 25 | | | milioni di GWh | | | | | | Riserve combustibili fossili | | | (agli attuali ritmi di | | | estrazione): petrolio 50 anni; | | | gas naturale 51 anni; carbone 132 | | | anni | | | | | | Attuali costi medi combustibili | | | fossili: petrolio 12 \$/GJ; gas | | | 6-8 \$/GJ; carbone 3-4 \$/GJ | | | | | | Fabbisogno di energia in Italia | | | 155 Mtep\ | | | Consumo di energia elettrica in | | | Italia 332 mila GWh | | | | | | Fabbisogno di energia elettrica | | | in Italia nel 2018: | | | termoelettrica 52.3 %; | | | rinnovabili 34.5% | | | | | | Incidenza combustibili fossili | | | nei consumi di energia primaria: | | | 85.0% (circa lo stesso valore in | | | Italia) | | | | | | Incidenza combustibili fossili | | | per soddisfare il fabbisogno di | | | energia elettrica: 65.3% nel | | | mondo; 52.3% in Italia | | | | | | page16image33549072page1 | | | 6image33549488page16imag | | | e16506192page16image3355 | | | 0528page16image33550944! | | | [page16image33551152](media/image | | | 259.png)page16image33551360page16image33551776pa | | | ge16image33552192 | +-----------------------------------+-----------------------------------+ TERMODINAMICA Ci chiediamo come avvenga la trasformazione per ottenere energia elettrica; valutiamo quindi l'aspetto TERMODINAMICO.\ In genere in una caldaia brucia il combustibile fossile ottenendo, dalla chimica, energia termica. Tenendo ben isolato il sistema, possiamo avere un buon rendimento (una caldaia ha un rendimento anche del 90%). Bisogna poi convertire il calore in energia elettrica. Per farlo, è presente una turbina che ruota che permette la conversione di energia termica in energia meccanica. Quest'ultima è convertita in energia elettrica per mezzo dell'alternatore che è l'albero della turbina. L'aspetto più complesso è la conversione di energia chimica in meccanica.\ Il 2° principio della termodinamica dice che non è possibile avere conversione completa di energia termica in meccanica, ma è possibile convertire completamente energia elettrica in termica. É necessario definire cosa si intende per circuito termodinamico: il circuito termodinamico é un sistema in cui un fluido di lavoro assorbe calore durante tutto il tragitto. Sono necessarie quindi delle trasformazioni per il fluido di lavoro.\ Esistono diversi cicli con cui è possibile farlo: il primo ad essere definito è stato il CICLO DI CARNOT. page17image33534144page17image33534976page17image33534352page17image33537264page17image33537680 CICLO DI CARNOT Tn Da 1 a 2 fornisco calore al fluido\ Da 3 a 4 sottraggo calore\ Da 4 a 1 e da 2 a 3 (dove ho ottenimento di lavoro) ho variazioni isoentropiche. L'energia si conserva: Qin- LtQOUT → Le Qin- boot Non tutto il calore che entra può diventare lavoro: non ci sarà mai un rendimento del 100%. Per capire l'effetto utile che ottengo dal cicÈlo, rapportato alla spesa energetica, calcoliamo il RENDIMENTO: In generale più è elevata la Th e più è elevato il rendimento. Il rendimento tende a 1 quando Th tende ad infinito. In generale però si alza Th e non si abbassa Tl perché dovremmo avere Tl al di sotto della T dell'ambiente. Tuttavia Tl è la temperatura alla quale cedo all'ambiente il calore quindi affinché il fluido possa continuare a scorrere ed essere tale scegliamo Tl\>Tamb: il calore procede sempre dal corpo più caldo a quello più freddo, se avessi Tl più bassa di Tamb non avremmo scambio. Nella pratica però non si fa il ciclo di Carnot poiché servirebbe un fluido in grado di seguire tale percorso: in realtà si scopre che impianti semplici con fluidi adeguati non riescono comunque a seguire lo schema.\ Per prima cosa è opportuno scegliere il fluido di lavoro: i più semplici sono ACQUA e ARIA (sono più economici). Questi non permettono però la realizzazione del Ciclo di Carnot con componenti semplici. Otteniamo quindi cicli diversi con la combinazione di pompe, turbine, scambiatori,\... -A parità di T esterna, il ciclo Rankine rende meno di quello di Carnot (l'area sottesa dal grafico sarà minore, quindi il rendimento sarà inferiore). Questo in genere è dovuto al fatto che con l'acqua abbiamo maggiori perdite. Non chiudiamo il ciclo (non metto un altro scambiatore di calore) perché sprecheremmo energia: non ha senso raffreddare aria, è sufficiente scaricarla e prenderne della nuova. Anche questo è un ciclo meno efficiente di quello di Carnot, ma ha un rendimento inferiore anche del ciclo Rankine (se volessimo avere la stessa efficienze dovremmo usare T molto più elevate). Sia il ciclo Rankine che il Joule sono molto diffusi. Per aumentare il rendimento sono usati soprattutto i CICLI COMBINATI (combinazione dei due, arriviamo anche ad una efficienza del 60%). Ep è l'energia che la pompa deve fornire in condizioni ideali (senza perdite). Nella realtà però è necessario considerare anche le PERDITE DI CARICO che sono di due tipologie: DISTRIBUITE (dovute all'attrito tra fluido e tubo e dipendono quindi dalla lunghezza del tubo stesso) e CONCENTRATE (dovute ad irregolarità del percorso, agli ostacoli che il fluido incontra (valvole, gomiti)). page17image33546576page17image33548656page17image33544496page17image29392896page17image29393312