33964 - IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI M

Conoscenze e abilità da conseguire

Obiettivo dell'insegnamento è lo studio dell’impatto ambientale determinato dall’utilizzo di sistemi energetici per la produzione di energia termica ed elettrica e la loro gestione volta alla minimizzazione di tali emissioni.

Contenuti

Modulo 1

Introduzione al corso.

Il panorama energetico mondiale ed italiano. Fonti primarie, trasformazioni energetiche e l'impatto.

Inquinamento termico dai sistemi energetici.

La potenza termica scaricata dagli impianti termoelettrici: effetto del rendimento.

Sistemi di raffreddamento. Circuito aperto ed impatto ambientale.

Torre evaporativa: schema, bilancio termico e calcolo della massa di acqua evaporata.

Torre a secco e ibrida: problema del pennacchio.

Condensatore ad aria, confronto con cond. acqua e sistema con condensatori in parallelo.

Le emissioni di PM da torri di raffreddamento: cicli di concentrazione e modelli EPA e Reisman & Friesbie.

Inquinamento atmosferico dai sistemi energetici.

Percorso degli inquinanti in atmosfera: gradiente termico, stabilità atmosferica.

Inquinanti chimici-Unità di misura: concentrazioni, diluizione con O2, fattori di emissione input/output based.

NOx: meccanismi di formazione; velocità formazione thermal NOx; effetti sull'ambiente: smog fotochimico, distruzione O3 d'alta quota e deposizioni acide.

CO: formazione e velocità di rimozione; effetti sull'ambiente. SOx: formazione; effetti sull'ambiente. Gli HC e l'ambiente.

Il particolato atmosferico: caratterizzazione; distribuzione dimensionale; formazione; effetti nocivi.

La CO2: la produzione dai combustibili; l'effetto serra: lo spettro di emissione terrestre e il GWP.

Elementi di combustione ai fini dell'impatto dei sistemi energetici.

Rapporto di equivalenza, limiti di infiammabilità, temperatura di fiamma; fiamme premiscelate: velocità di propagazione in regime laminare e turbolento; fiamme diffusive.

Impatto ambientale dei gruppi turbogas e dei cicli combinati.

Camera di combustione convenzionale: architettura e funzioni dei componenti. Diffusore e contropressione di inerzia.

Formazione inquinanti nel TG, localizzazione e metodi per il controllo emissioni.

Tecnologie per combustori a ridotto impatto: inerti, staging, lean premix.

Sistemi di post-trattamento: l'SCR.

Impatto ambientale dei gruppi a vapore.

Gruppi a vapore convenzionali e gruppi USC per il carbone.

Bruciatori per il polverino.

Post-trattamento DeNOx, DeSOx, cattura polveri.

Modulo 2

Cicli frigoriferi: classificazione cicli frigoriferi, impianti a compressione semplice (layout, diagramma termodinamico, EER), impianti a doppia compressione (layout, diagramma termodinamico, EER), fluidi impiegati e impatto ambientale (distruzione dell’ozono ed effetto serra, ODP, GWP e TEWI).

Geotermoelettrico: caratteristiche della fonte geotermica e dei siti sfruttabili, sistemi a vapore dominante (impianti a scarico atmosferico e con condensatore: layout, diagramma termodinamico, impatto ambientale) e ad acqua dominante (impianti a vapore di flash e a fluido binario: layout, diagramma termodinamico, impatto ambientale), confronto prestazioni, sistemi integrati geotermico-fossile (turbogas-geotermico, gruppi a vapore-geotermico, cicli combinati-geotermico: layout, analisi comparativa rispetto alla produzione separata).

Pompe di Calore geotermiche: principio di funzionamento di una pompa di calore per il riscaldamento invernale e per il raffrescamento estivo (layout e componenti principali, diagramma termodinamico), pompe di calore geotermiche accoppiate al terreno (GCHPs), pompe di calore geotermiche che sfruttano la presenza di acqua di falda (GWHPs) e pompe di calore geotermiche che sfruttano la presenza di acqua superficiale (SWHPs).

Energia Eolica: caratteristiche della fonte eolica e dei siti sfruttabili, tipologie di impianti (on-shore, off-shore) e di aerogeneratori impiegati (ad asse verticale, ad asse orizzontale), potenza disponibile con il vento, densità di potenza, coefficiente di potenza e limite di Betz-Lancaster. Problematiche di progettazione, studio anemologico di un sito e curva cumulativa di ventosità. Impatto ambientale. Impatto visivo sistemi off-shore.

Energia Solare: caratteristiche della fonte solare, irraggiamento all’estradosso della superficie terrestre e al suolo, costante solare, spettro solare, tipologie di impianti (solare fotovoltaico, solare termico). Pannelli solari fotovoltaici: principio di funzionamento ed efficienza di conversione, materiali impiegati, caratteristica tensione-corrente di una cella, celle in serie e in parallelo, configurazioni di impianto stand alone e grid-connected, fotovoltaico dal punto di vista numerico. Pannelli solari termici: principio di funzionamento, tipologie (pannelli piani e a tubi di vuoto), caratteristiche impiantistiche, temperatura di stagnazione, pannelli solari termici dal punto di vista numerico (confronto con scaldabagno elettrico e caldaia a metano). Sistemi solari a concentrazione: concentrazione termodinamica (concentratore a torre centrale, parabolico a fuoco lineare, Fresnel) e fotovoltaica (celle a doppia e tripla giunzione, quantum efficiency, tecnica epitassiale da fase di vapore).

Sistemi di accumulo: problematiche legate alla crescente penetrazione delle fonti rinnovabili non programmabili. Sistemi di accumulo dell’energia elettrica (classificazione, caratteristiche, vantaggi e criticità): idroelettrico con pompaggio, CAES, batterie, volani, produzione di idrogeno e syngas, capacitori e super-conduttori. Sistemi di accumulo dell’energia termica (classificazione, caratteristiche, vantaggi e criticità): accumulo calore sensibile, latente e termochimico. Sistemi di accumulo power to gas per la produzione di metano sintetico.

Energia idraulica: potenza idraulica teoricamente raccoglibile, potenza erogata all’alternatore, caratteristiche generali, tipologie di impianti in base alla taglia e al salto disponibile, impianti a bacino e ad acqua fluente, principali macchine idrauliche e campo di impiego. Turbine Pelton: schema e principio di funzionamento, triangoli di velocità, calcolo della velocità in uscita dal bocchello, lavoro secondo Eulero e curva di prestazione. Turbine Francis: schema e principio di funzionamento, triangoli di velocità, equilibramento spinte assiali, lavoro secondo Eulero, influenza del diffusore e curva di prestazione. Turbine Kaplan: schema e principio di funzionamento, triangoli di velocità al mozzo ed in periferia, curva di prestazione.

Biomasse: caratteristiche della fonte biomassa, opportunità e aspetti critici, dati sulle biomasse in Italia e nel mondo. La filiera: tipologie di biomassa, processi di trasformazione e sistemi energetici. Combustione delle biomasse, funzionalità e caratteristiche delle caldaie per impianti a biomassa, gassificatori, pirolizzatori. Sezione di potenza e prestazioni.

Sistemi ORC: layout di un sistema ORC, fluidi organici, diagramma termodinamico e confronto con il ciclo Rankine a vapore d’acqua. Limiti su espansione, pressione di evaporazione, pressione di condensazione e temperatura limite. Prestazioni di un sistema ORC: potenza prodotta, rendimento del sistema ORC, rendimento di recupero ed efficienza dell’evaporatore. Sistema ORC recuperato: layout, diagramma termodinamico e prestazioni.

 

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici: Complementi"  M. Bianchi, F. Melino, A. Peretto – Pitagora Editore

"Sistemi Energetici: Impatto Ambientale" M. Bianchi, A. De Pascale, A. Gambarotta, A. Peretto – Pitagora Editore

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 6CFU in un unico modulo.

Il modulo prevede lezioni di teoria e alcune lezioni in cui verranno presentati una serie di esempi numerici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame di fine corso ha lo scopo di valutare il raggiungimento degli obiettivi didattici, verificando le conoscenze che lo studente ha acquisito riguardo agli aspetti progettuali, costruttivi, funzionali e di gestione relativi ai sistemi energetici ed al loro impatto ambientale

Il voto finale viene definito mediante un'unica prova orale che mira ad accertare le conoscenze dello studente in tutti gli argomenti trattati.

Strumenti a supporto della didattica

Materiale didattico: il materiale didattico presentato a lezione verrà messo a disposizione dello studente in formato elettronico
tramite internet.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea De Pascale

Consulta il sito web di Maria Alessandra Ancona