34631 - INGEGNERIA DEI SISTEMI ENERGETICI M

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze necessarie per acquisire competenze relative ai sistemi di produzione dell'energia elettrica a combustibile fossile (gruppi turbogas, gruppi a vapore e a ciclo combinato, gruppi di cogenerazione), sotto il profilo del loro funzionamento, della loro gestione e della loro progettazione. Vengono inoltre analizzati i sistemi di produzione dell'energia elettrica e termica che usano combustibili alternativi, come le biomasse ed il biogas, nonché i sistemi con celle a combustibile, e ne viene fatto un confronto, con i sistemi tradizionali, dal punto di vista sia del funzionamento e delle prestazioni, sia del loro impatto ambientale.

Contenuti

Energia geotermica

Tipologia di sistemi geotermici: idrotermali, rocce calde secche, sistemi magmatici, sistemi geopressurizzati, sistemi per lo sfruttamento del sottosuolo. Gli impianti geotermici a vapore dominante: a scarico ambientale e a condensazione. Gli impianti geotermici ad acqua dominante: a flash, cicli binari. Pompe di calore con scambio con il suolo e le acque: prestazioni, tipologie, applicazioni.

Energia idraulica

Generalità e classificazione: impianti a bacino e ad acqua fluente, classificazione sulla base della caduta e della potenza. Le turbine di tipo Pelton, Francis, ad elica e Kaplan. Energia dal mare: sfruttamento delle maree, moto ondoso, gradiente termico dei mari. Il pompaggio.

Energia solare

Generalità, la densità di potenza fuori e dentro l'atmosfera, le potenzialità energetiche. Il solare fotovoltaico, il solare termico, il solare a concentrazione. Calcolo della temperatura massima di un collettore.

Energia eolica

Generalità, potenza della vena indisturbata, densità di potenza, rendimento esterno, coefficiente di potenza e limite di Betz-Lancaster, problematiche di progettazione, cenni sullo studio anemologico di un sito.

Turbine a gas a ciclo semplice

Il ciclo ideale (isoentropico) e reale (politropico), gli stati fisici di fine compressione ed espansione. Il lavoro e il rendimento termodinamico. L'influenza del rapporto di compressione, dei rendimenti politropici e della massima temperatura del ciclo sul lavoro e sul rendimento del ciclo, il piano rendimento-lavoro, il rapporto di compressione di massimo lavoro e di massimo rendimento. La potenza ed il rendimento totale del ciclo turbogas. Cenni sul rendimento del ciclo reale: l'influenza delle perdite di carico sulle prestazioni.

Turbogas a ciclo complesso

Turbogas con recupero di calore: schema di impianto e diagramma T-s, il ciclo recuperato, lavoro e rendimento, efficienza dello scambiatore, le condizioni per il recupero, considerazioni pratiche, cenni sulle microturbine a gas. Turbogas con compressione inter-refrigerata: schema di impianto e diagramma T-s, lavoro e rendimento del ciclo ideale in confronto con il Brayton, lavoro nel caso di ciclo reale, esempi di applicazioni. Turbogas con espansione inter-riscaldata: schema di impianto e diagramma T-s, lavoro e rendimento del ciclo ideale in confronto con il Brayton. Lavoro nel caso di ciclo reale. Considerazioni pratiche. Il ciclo turbogas con compressione inter-refrigerata, recupero ed espansione inter-riscaldata: schema, considerazioni termodinamiche.

Gruppi a vapore

Il ciclo Rankine: descrizione dei principali componenti, la necessità di utilizzare un condensatore, il rendimento e il lavoro del ciclo ideale, problematiche dell'espansione con fluido bifase. Il ciclo Hirn: il rendimento e il lavoro del ciclo ideale. Influenza della pressione di condensazione sul rendimento del ciclo. I limiti pratici all'abbassamento della pressione di condensazione, diagramma di scambio termico di un condensatore. Influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un ciclo Rankine. Il rendimento espresso come media pesata dei sottocicli: confronto Rankine - Hirn. Il rendimento totale di un gruppo a vapore espresso in funzione del rendimento termodinamico, del rendimento organico, dell'alternatore e del generatore di vapore. La potenza di un impianto a vapore. Schema di un ciclo a vapore risurriscaldato. La convenienza del risurriscaldamento in termini di titolo e rendimento rispetto ad un ciclo Hirn, la funzione del degassatore in un ciclo a vapore, considerazione sul rendimento di un ciclo a vapore come media pesata dei rendimenti dei cicli che lo compongono, introduzione del ciclo a vapore ad uno spillamento. Il ciclo ad uno spillamento: il lay-out dell'impianto, il diagramma TS, il bilancio energetico dello scambiatore a miscela, espressione del lavoro, del calore introdotto e scaricato e del rendimento, confronto con il ciclo Hirn, andamento del rendimento in funzione del grado di rigenerazione per il caso con uno e più spillamenti. Il ciclo a vapore a tre spillamenti: schema, diagramma T-s. Il ciclo a vapore a tre spillamenti. Il sistema di condensazione: pressione di condensazione, portata di acqua di raffreddamento, superficie totale di scambio, delta-T medio logaritmico, coefficiente globale di scambio termico, considerazioni pratiche, cenni sulla torre di raffreddamento a circolazione naturale.

Gruppi combinati gas/vapore

Schema di un ciclo combinato ad un livello di pressione, il diagramma T-s, espressione del rendimento totale di un ciclo combinato e sua dipendenza dai rendimenti termodinamici del turbogas e della sezione vapore e dall'efficienza della caldaia a recupero. Diagramma termodinamico della caldaia a recupero. Il diagramma di scambio termico temperatura-entalpia, considerazioni sulla portata di vapore prodotta nella caldaia a recupero, il bilancio nell'economizzatore, nel vaporizzatore e nel surriscaldatore, influenza della pressione di vaporizzazione sul rendimento di un combinato, l'utilizzo degli spiallamenti in un ciclo combinato. La temperatura limite. La post-combustione nei cicli combinati. Il ciclo combinato a due livelli di pressione: schema e diagramma T-s, il rendimento di recupero ed il suo andamento in funzione del parametro m. La potenza ed il rendimento totale di un gruppo combinato, il consumo specifico e l'heat rate.

Cogenerazione

Il rendimento elettrico e termico, il coefficiente di utilizzo del combustibile, l'Indice di Risparmio Energetico, il Limite Termico. I rendimenti elettrici e termici di riferimento: la delibera AEEG 42/02 e la direttiva 2004/8/CE. Il rendimento elettrico di confronto espresso in funzione della taglia dell'impianto e del combustibile utilizzato. Il piano dei rendimenti per lo studio dei sistemi cogenerativi, le rette a IRE costante e a LT costante. Cenni al mercato elettrico, i benefici per la cogenerazione ad alto rendimento, la priorità di dispacciamento, il prezzo unico nazionale dell'energia elettrica. La cogenerazione con turbina a gas: schema dell'impianto, il camino di by-pass, la post combustione. Campo di funzionamento di un turbogas cogenerativo (piano della potenza termica ed elettrica). Considerazioni sulla gestione ottimale di un turbogas cogenerativo in funzione dei fabbisogni interni. Gruppo a vapore con turbina in contropressione: schema dell'impianto, diagramma T-s, considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti. Gruppo a vapore con turbina in derivazione: schema dell'impianto, diagramma T-s, considerazioni sulla potenza termica ed elettrica prodotta e andamento delle prestazioni sul piano dei rendimenti. Cogenerazione con cicli combinati: schema e considerazioni sulle prestazioni del sistema al variare delle richieste termiche ed elettriche, il piano dei rendimenti. Schema di un sistema cogenerativo con motore primo, connessione alla rete elettrica, caldaia integrativa, sistemi per la produzione del freddo e pompa di calore: considerazioni.

Testi/Bibliografia

"Sistemi Energetici" G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto – Pitagora Editore

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

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 6 CFU in due moduli.

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

Modalità di verifica 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 trattati nel corso

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 Francesco Melino

Consulta il sito web di Lisa Branchini