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SISTEMI ENERGETICI E FONTI RINNOVABILI
(obiettivi)
OBIETTIVI FORMATIVI:
Il corso si propone di fornire le conoscenze fondamentali sulle diverse fonti di energia, sui vettori energetici da esse derivate, e sul loro impiego nei sistemi energetici nazionali per soddisfare i consumi finali, con particolare riguardo alle fonti di energia rinnovabile, all'impiego dell'idrogeno come vettore energetico, all'accumulo di energia. Al termine del corso, studenti e studentesse avranno acquisito le conoscenze necessarie per valutare criticamente potenzialità e limiti di diverse fonti e tecnologie energetiche, nel contesto della transizione verso uno scenario energetico a ridotte o nulle emissioni climalteranti.
Il corso rappresenta un'introduzione ad argomenti specialistici che troveranno adeguato approfondimento negli insegnamenti del Corso di Laurea Magistrale riguardanti gli impianti di potenza, le tecnologie per la conversione di energia da fonte rinnovabile, l'elettrochimica applicata all'energia.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Capacità di comprendere a fondo la letteratura tecnica e scientifica nel settore delle fonti energetiche, con particolare riferimento alle fonti di energia rinnovabile, e delle tecnologie di conversione e di accumulo dell'energia, e utilizzarne i contenuti per sviluppare idee originali; progettare, formalizzare e implementare (attraverso opportuni linguaggi di programmazione) metodi dedicati ed efficienti per la soluzione di problemi complessi; progettare e condurre esperimenti per la valutazione delle soluzioni progettuali di sistemi e metodi ad essi applicati; valutare lo stato delle proprie conoscenze e acquisire in modo continuo le conoscenze necessarie ad aggiornarlo.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE:
Capacità di valutare le prestazioni di sistemi energetici, in funzione delle fonti di energia impiegate, delle tecnologie di conversione e di accumulo.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO:
Capacità, nell'ambito dei sistemi energetici, di integrare le conoscenze acquisite al fine di gestire situazioni e problemi complessi, di formulare giudizi in merito anche sulla base di informazioni limitate o incomplete, e di valutare criticamente l'applicazione di nuove tecnologie.
Tali capacità sono acquisite nella preparazione all'esame e nell'elaborazione del progetto.
ABILITÀ COMUNICATIVE:
Saper comunicare, a interlocutori specialistici e non, in modo chiaro e non ambiguo, le proprie conoscenze nel settore dei sistemi energetici.
Tali capacità sono verificate con l'esame finale (comunicazione scritta e orale) e con la presentazione dei risultati ottenuti nel progetto.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO:
Capacità di continuare a studiare e approfondire in modo autonomo temi inerenti la valutazione delle prestazioni di sistemi energetici.
Tali capacità sono acquisite nella preparazione all'esame e nell'elaborazione del progetto.
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MANNO MICHELE
( programma)
FONTI DI ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI NAZIONALI
Classificazione delle fonti di energia, dei vettori energetici e degli usi finali; descrizione dei sistemi energetici nazionali; panoramica dei processi di conversione impiegati per soddisfare gli usi finali nei diversi settori energetici; statistiche su produzione e consumo di energia a livello mondiale e nazionale.
FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE
Generalità
Generalità: Classificazione delle fonti di energia rinnovabile, definizione di fattore di utilizzo e ore equivalenti di funzionamento.
Fonti non programmabili
Energia solare
Caratteristiche della radiazione solare, irradianza al suolo su superfici orizzontali e inclinate, insolazione media, irradianza e insolazione in condizioni reali, banche dati radiazione solare, confronto condizioni reali - cielo sereno, mappa DNI, GHI. Semiconduttori e giunzioni p-n. Effetto fotovoltaico; celle fotovoltaiche: struttura, circuito equivalente e curva caratteristica, definizione delle condizioni di riferimento, rendimento, prestazioni al variare dell'irradianza e della temperatura della cella. Impianti fotovoltaici: rendimento e prestazioni; schede tecniche di moduli fotovoltaici; ore equivalenti.
Energia eolica
Formazione dei venti, analisi anemometrica, caratteristiche della distribuzione della velocità del vento, influenza della quota sulla velocità del vento, potenza disponibile, densità di energia e densità di potenza media disponibili. Conversione di energia: definizione di coefficiente di potenza di un aerogeneratore, limite di Betz; aerogeneratori: caratteristiche generali di turbine ad asse orizzontale, curva di potenza, specifiche tecniche, producibilità di impianti eolici, ore equivalenti.
Fonti programmabili
Energia idroelettrica
Classificazione delle centrali idroelettriche; impianti idraulici di accumulazione dell'energia; diagramma cronologico delle portate e diagrammi dei deflussi.
Altre fonti di energia rinnovabile
Cenni su energia da biomasse, energia geotermica, moto ondoso e maree.
L'INTEGRAZIONE TRA FONTE RINNOVABILE E RETE ELETTRICA
Concetti di produzione centralizzata e distribuita (Comunità Energetiche e Autoconsumo). introduzione alla rete elettrica nazionale, definizione del diagramma di carico giornaliero e classificazione delle fonti energetiche che concorrono al soddisfacimento del carico. Concetto di fattore di potenza, statismo e regolazione della rete. Costo marginale di produzione, peak shaving e relativi sistemi di accumulo e di fuel diversification.
SISTEMI REAGENTI
Combustione
Panoramica sulle fonti fossili e sui combustibili da esse derivati. Analisi dei processi di combustione: potere calorifico; rapporto stechiometrico; composizione e proprietà termofisiche dei gas combusti; tonalità termica; indice di Wobbe; rendimento di un generatore di calore; fattori di emissione ed emissioni specifiche di CO2 nella generazione di energia elettrica, nel trasporto e nel riscaldamento; caratteristiche e proprietà dei principali combustibili fossili.
Bilancio energetico di sistemi reagenti
Entalpia di formazione, entalpia di reazione, reazioni a pressione e temperatura costanti: bilancio di Primo e Secondo Principio, variazione di energia libera di Gibbs, massimo lavoro ottenibile, influenza delle condizioni operative (pressione, temperatura, composizione chimica).
Celle elettrochimiche
Definizioni generali, legge di Faraday, tensione teorica di cella, potenziale di elettrodo, irreversibilità, tensione reale di cella, curva caratteristica e circuito equivalente.
ACCUMULO DI ENERGIA
Generalità sui sistemi di accumulo di energia per applicazioni centralizzate e distribuite: classificazione in relazione alla forma energetica di accumulo (elettrica, meccanica, termica), definizioni dei principali parametri operativi (capacità, State of Charge, Round-Trip Efficiency, potenza di carica e scarica), applicazioni, relazione tra potenza di scarica ed energia disponibile (diagramma di Ragone).
Batterie elettrochimiche
Classificazione e principi di funzionamento, energia specifica teorica ed effettiva, effetto del livello di carica e della temperatura sulla tensione, effetto dell'intensità di corrente sulla capacità, caratteristiche prestazionali dei principali tipi di batteria elettrochimica.
Idrogeno
Caratteristiche generali del vettore energetico idrogeno e del suo possibile ruolo nel sistema energetico.
Produzione
Panoramica sui sistemi di produzione dell’idrogeno. Elettrolisi: classificazione e principi di funzionamento dei principali tipi di elettrolizzatore (alcalini, AEM, PEM, SOEC), caratteristiche funzionali e operative, confronto tra le prestazioni.
Accumulo
Problemi generali e requisiti dei sistemi di accumulo di idrogeno; classificazione, caratteristiche di sistemi di accumulo fisico (idrogeno compresso, criocompresso, liquido) e chimico (idruri metallici, ammoniaca, LOHC), confronto tra le prestazioni.
Impiego
Cenni ai processi Power-to-Gas e Power-to-Liquid; celle a combustibile: caratteristiche generali, principi di funzionamento dei principali tipi di celle a combustibile (AFC, PEM, PAFC, MCFC, SOFC), parametri operativi (rendimento di cella e complessivo, tensione, curva caratteristica).
APPROCCIO ALLA DECARBONIZZAZIONE DEI SISTEMI ENERGETICI
Classificazione delle tipologie di emissioni inquinanti e differenziazione degli emission scope (Scope 1, 2, 3). Identificazione dei parametri di emissione di un sistema energetico in relazione al processo di interesse (consumo specifico e fattore di emissione specifico).
Calcolo dei fattori di emissione in relazione alla tipologia di vettore energetico impiegato e classificazione dei processi in relazione a norme e protocolli vigenti (GHG Protocol).
Introduzione ai concetti di Carbon Verification, Certification and Trade per il riconoscimento dei crediti di CO2, regolati da enti normatori quali ISO, Bureau Veritas, Verra & Gold Standard.
Esercitazione: calcolo delle emissioni inquinanti relative ad un dato sistema energetico, in relazione alla penetrazione di rinnovabili, diversificazione del combustibile primario e miglioramento delle prestazioni energetiche del sistema.
ANALISI ECONOMICA DI IMPIANTI DI GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E DI ACCUMULO
Impianti di generazione: Levelised Cost Of Electricity (LCOE).
Impianti di accumulo di energia elettrica: Levelised Cost OF Storage (LCOS).
Impianti di produzione di idrogeno: Levelised Cost Of Hydrogen (LCOH).
 Dispense fornite dal docente e disponibili sulla piattaforma MS Teams.
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ING-IND/09
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Attività formative caratterizzanti
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ITA |
