1 L’energia solare nei processi di Water-Splitting 1

(1)

Indice

Lista dei simboli ii

Introduzione v

1 L’energia solare nei processi di Water-Splitting 1

1.1 La tecnologia solare a concentrazione . . . . 1

1.1.1 La tecnologia CSP per la produzione di elettricità e idrogeno . 2 1.1.2 Termodinamica e produzione diretta di idrogeno solare . . . . . 5

1.2 Cicli Termodinamici di Water-Splitting (W-S) . . . . 10

1.2.1 Il ciclo di base UT-3 . . . . 15

1.2.2 Ciclo Sulfur-Iodine . . . . 17

1.2.3 Ciclo Westinghouse o Ciclo Ispra Mark 11 . . . . 21

1.2.4 Ciclo Ispra Mark 13 . . . . 23

2 Esempi di modelli di simulazione 24 2.1 Introduzione . . . . 24

2.2 Simulazione del ciclo Westinghouse di water-splitting . . . . 24

2.3 Simulazione del ciclo S-I di water-splitting . . . . 28

2.4 Ciclo termochimico solare UT-3 per la produzione dell’idrogeno . . . . 32

2.5 Commenti . . . . 34

3 Analisi e sviluppo del modello di simulazione 35 3.1 Introduzione . . . . 35

3.2 Descrizione del processo . . . . 37

3.2.1 Sezione I: reazione di Bunsen . . . . 38

3.2.2 Sezione II: concentrazione e decomposizione dell’acido solforico 41 3.2.3 Sezione III: concentrazione e decomposizione della miscela iodi- drica . . . . 43

3.3 Sviluppo del primo modello di simulazione . . . . 45

3.4 Sviluppo del secondo modello di simulazione . . . . 59

3.5 Sviluppo del terzo modello di simulazione . . . . 65

vi

(2)

Indice vii

4 Analisi parametrica 70

4.1 Introduzione . . . . 70 4.2 Risultati . . . . 72

5 Conclusioni 82

Bibliograﬁa 84

(3)

Elenco delle ﬁgure

1.1 Mappa mondiale dell’irraggiamento solare diretto che evidenzia la “sun

belt” . . . . 2

1.2 Schema di sistema a collettori lineari . . . . 3

1.3 Schema di sistema a Torre solare . . . . 4

1.4 Schema di sistema a disco parabolico . . . . 4

1.5 Schema della produzione di idrogeno da fonte solare per via termochimica 6 1.6 Andamento del rendimento exergetico ideale in funzione della tempera- tura operativa T

h

e dei valori di ˇ C eq.1.2. Nel graﬁco si considera il ﬂusso di concentrazione solare pari a: 1000, 5000, ..., 40000. Inoltre è plottato il rendimento del ciclo di Carnot e si è focalizzata l’attenzione sulla temperatura ottimale che sarà spiegata in seguito . . . . 7

1.7 Schema della produzione di idrogeno da fonte solare per via termochimica 8 1.8 Schema generico del processo adiabatico UT-3 [2] . . . . 16

1.9 Schema generico del processo Sulfur-Iodine . . . . 18

1.10 Schema generico del processo Westinghouse . . . . 22

2.1 Modello di impianto [3] . . . . 26

2.2 Schema di impianto [3] . . . . 27

2.3 Schema generale del processo Sulfur-Iodine per la produzione di idrogeno e metanolo con potenza combinata solare e fossile . . . . 29

2.4 Flowsheet in Aspen Plus

^R

della sezione di concentrazione dell’acido solforico . . . . 30

2.5 Flowsheet in Aspen Plus

^R

della sezione di decomposizione dell’acido solforico . . . . 30

2.6 Flowsheet in Aspen Plus

^R

della sezione di produzione del metanolo . . 31

2.7 Flowsheet in Aspen Plus

^R

del ciclo termochimico solare UT-3 . . . . . 33

3.1 Schema concettuale del ciclo termochimico Sulfur-Iodine per la produ- zione di idrogeno . . . . 36 3.2 Schema generale del processo Sulfur-Iodine per la produzione di idrogeno 37

viii

(4)

Indice ix

3.3 Simulazione in Aspen Hysys

^R

della concentrazione e decomposizione

dell’acido solforico proposto da Bilgen e Hammache . . . . 41

3.4 Simulazione in Aspen Hysys

^R

della concentrazione e decomposizione dell’acido solforico proposto da T. Raissi e C. Huang . . . . 42

3.5 Rappresentazione schematica delle possibili opzioni per la sezione di concentrazione dell’HI . . . . 44

3.6 Linee azeotropiche della miscela HI

_x

. . . . 45

3.7 Rappresentazione di un semplice ﬂowsheet chiuso del processo Sulfur- Iodine . . . . 47

3.8 Simulazione in Aspen Hysys

^R

della sezione I . . . . 49

3.9 Simulazione in Aspen Hysys

^R

della sezione II . . . . 54

3.10 Simulazione in Aspen Hysys

^R

della sezione III . . . . 57

3.11 Primo modello di simulazione in Aspen Hysys

^R

dell’intero ciclo S-I . 58 3.12 Secondo modello di Simulazione in Aspen Hysys

^R

dell’intero ciclo S-I 62 3.13 Terzo modello di Simulazione in Aspen Hysys

^R

dell’intero ciclo S-I . 68 4.1 Andamento dell’eﬃcienza al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel secondo modello di simulazione . . . . 73

4.2 Andamento dell’eﬃcienza al variare di x mantenendo costante n=4,31 nel secondo modello di simulazione . . . . 74

4.3 Andamento del lavoro al variare di x mantenendo costante n=4,31 nel secondo modello di simulazione . . . . 75

4.4 Andamento del lavoro al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel secondo modello di simulazione . . . . 75

4.5 Andamento del lavoro al variare di x mantenendo costante n=4,31 nel secondo modello di simulazione . . . . 76

4.6 Andamento del lavoro al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel secondo modello di simulazione . . . . 76

4.7 Andamento dell’eﬃcienza al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel terzo modello di simulazione . . . . 77

4.8 Andamento dell’eﬃcienza al variare di x mantenendo costante n=3,965 nel terzo modello di simulazione . . . . 78

4.9 Andamento del lavoro al variare di x mantenendo costante n=3,965 nel terzo modello di simulazione . . . . 79

4.10 Andamento del lavoro al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel terzo modello di simulazione . . . . 79

4.11 Andamento del calore al variare di x mantenendo costante n=3,965 nel terzo modello di simulazione . . . . 80

4.12 Andamento del calore al variare di n mantenendo costante x=16,76 nel

terzo modello di simulazione . . . . 80

(5)

Elenco delle tabelle

1.1 Dettaglio delle reazioni dei diversi cicli termochimici . . . . 11 1.2 Dettaglio delle reazioni dei diversi cicli termochimici (continuo) . . . . 12

3.1 Eﬀetti della temperatura e dell’acqua, con un eccesso costante di H

2

O n = 11.2mol/mol

_H₂_SO₄

e un eccesso variabile tra 3, 9÷16, 0mol/mol

_H₂_SO₄

di iodio x . . . . 40 3.2 Eﬀetti della temperatura e dello I

2

, con un eccesso costante di I

2

x =

3, 9 mol/mol

_H₂_SO₄

e un eccesso variabile tra 11, 2 ÷ 15, 8 mol/mol

_H₂_SO₄

di acqua n . . . . 40 3.3 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione I . . . . 47 3.4 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione I . . . . 48 3.5 Composizione delle correnti massive relative al ﬂowsheet 3.4 . . . . 51 3.6 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione II . . . . 52 3.7 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione II . . . . 53 3.8 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione III . . . . 55 3.9 Dati relativi alle varie correnti del primo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

della sezione III . . . . 56 3.10 Dati relativi alle varie correnti del secondo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

del ciclo S-I . . . . 59 3.11 Dati relativi alle varie correnti del secondo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

del ciclo S-I . . . . 60 3.11 Dati relativi alle varie correnti del secondo modello di simulazione in

Aspen Hysys

^R

del ciclo S-I (continuo) . . . . 61 3.12 Tabella riassuntiva del secondo modello di simulazione . . . . 64 3.13 Calcolo dell’eﬃcienza del secondo modello di simulazione . . . . 64

x

(6)

Indice xi

3.14 Dati relativi alle varie correnti del terzo modello di simulazione in Aspen Hysys

^R

del ciclo S-I . . . . 65 3.15 Dati relativi alle varie correnti del terzo modello di simulazione in

Aspen

^{T M}

Hysys del ciclo S-I . . . . 66 3.15 Dati relativi alle varie correnti del terzo modello di simulazione in

Aspen

^{T M}

Hysys del ciclo S-I (continuo) . . . . 67 3.16 Tabella riassuntiva del terzo modello di simulazione . . . . 69 3.17 Calcolo dell’eﬃcienza del secondo modello di simulazione . . . . 69

4.1 Raﬀronto delle portate di SO

2

, H

2

O e I

2

dei tre modelli di simulazione per una portata di 180 kgmole/h di H

₂