98202 - ENERGIA ELETTRICA DA FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI

Scheda insegnamento

SDGs

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

Energia pulita e accessibile Imprese innovazione e infrastrutture Città e comunità sostenibili Consumo e produzione responsabili

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Il modulo è focalizzato su un lavoro di squadra multidisciplinare relativo alla progettazione di un sistema solare fotovoltaico (ed eventualmente mini-eolico) integrato in un sito residenziale o industriale in cui possono essere presenti altre unità di generazione distribuita, sia elettrica che termica. In questo contesto saranno analizzati gli aspetti legati alla loro disponibilità, alle tecnologie di sfruttamento ed alla sostenibilità. Saranno trattati i principi di progettazione di edifici ZEB e modellazione dinamica del sistema “edificio-impianto” con pannelli solari termici. Il progetto include l'analisi del carico locale, la scelta e l'orientamento dei pannelli e la possibilità di installare sistemi di accumulo (sia elettrico che termico). Inoltre, saranno trattati la scelta ed il dimensionamento di inverter, cavi, relè di protezione e messa a terra, la scelta di sistemi di monitoraggio della produzione e consumo di energia elettrica, la stima dei costi di costruzione e di manutenzione degli impianti. Sarà considerata la presenza di sistemi di ricarica bidirezionali di veicoli elettrici e altre flessibilità del carico.

Contenuti

MODULO 1

0 Introduzione
- Energie rinnovabili
- Rinnovabili in Italia
1 Produzione di energia solare
1.1 Principi di progettazione degli impianti fotovoltaici
- Principio di funzionamento.
- Metodi di connessione alla rete e componenti
1.2 Analisi della producibilità
- Irraggiamento solare, producibilità locale, dimensionamento.
- Irraggiamento e influenza della temperatura, effetti di ombreggiamento.
- Pannelli mobili e sistemi di inseguimento solare
1.3 Convertitori di potenza (prospettiva del sistema):
- Comportamento del sistema in presenza di risorse energetiche interfacciate con convertitore di potenza
- Sistemi connessi alla rete e standalone: analisi del comportamento del sistema in entrambi i casi, problemi e soluzioni.
1.4 Progettazione dell'impianto: dimensionamento cavi e trasformatori, messa a terra.
1.5 Sicurezza (integrata con il modulo 2)
- Protezione contro il contatto diretto e indiretto
- Protezione del circuito
- Protezione contro i fulmini
2 Sistemi di accumulo di energia (prospettiva del sistema)
Applicazioni nelle smart grid.
3 Progettazione di un sistema PV-BESS
Analisi di alcuni casi studio di progettazione di un impianto fotovoltaico integrato con sistema di accumulo di energia a batteria (integrato con il modulo 2).
4 Elementi di produzione di energia eolica
4.1 Principi di progettazione degli impianti eolici
- Principio di funzionamento
- Tecnologie e componenti
- Impatto nel sistema
4.2 Analisi di producibilità: analisi del potenziale del vento locale, misure.
4.3 Esempio di progettazione
5 Aspetti normativi
- CEI 0-21 (impianti di bassa tensione) e CEI 0-16 (sezione relativa agli impianti di media tensione), IEEE 1547.
- Incentivi, costi, autoconsumo e comunità energetiche.

MODULO 2
1 Motivazione per l'accumulo di energia
- Esigenze e opportunità di accumulo dell'energia
2 Tipi di accumulo di energia
- Confronto tra le tecnologie di accumulo
- Considerazioni sulla scelta di un sistema di accumulo
3 Sistema di accumulo dell'energia a batterie (BESS)
- Cosa sta comportando la sua crescita?
- Panoramica delle tecnologie e applicazioni chiave
- Componenti di un sistema di accumulo di energia a batteria
3.1 Panoramica della batteria
- Principali processi chimici delle batterie
- Dinamiche e tendenze del mercato delle batterie agli ioni di litio
- Metriche delle prestazioni
- Norme e prove
3.2 Topologie dei convertitori di potenza
- Termini fondamentali e concetti principali dell'elettronica di potenza
- Le topologie di convertitore più comunemente utilizzate per le applicazioni di energia rinnovabile e sistemi di accumulo a batteria
- Concetti di controllo del convertitore di potenza
3.3 Trasformatore
4 Dimensionamento dei sistemi di accumulo a batteria per diversi casi d'uso
- Dimensionamento del sistema di conversione di potenza
- Dimensionamento della batteria
- Considerazioni sulla disposizione dell'impianto
- Concetti di potenziamento della batteria
5 Energie rinnovabili (FV ed eolico) integrate con sistemi di accumulo a batteria
- Modellazione e ottimizzazione della progettazione del sistema
- Sistemi DC vs AC-accoppiati
- Vantaggi tecnici ed economici
5.1 Dimensionamento del sistema per diversi casi d'uso

MODULO 3
1 Design e Design Thinking.
1.1 Contesto e ambiti disciplinari di riferimento.
2 Metodologia del Design Thinking.
2.1 Modelli e casi studio di design thinking applicato.
2.2 Strumenti a supporto del processo creativo.
3 Strumenti per l'analisi dell'utente.
3.1 Analisi dell'utente
3.2 Usabilità
3.3 Interviste e questionari
4 Principi di progettazione per l'interazione.
4.1 Mappatura, Affordance, Feedback

MODULO 4

1 Introduzione: L'energia, prima tra le risorse
2 Terminologia e tassonomia
3 Produzione, distribuzione e consumo di energia elettrica da fonti rinnovabili: dati e previsioni
4 Il ruolo delle rinnovabili nella transizione energetica e nel contrasto ai cambiamenti climatici
5 Energie rinnovabili ed energie costose
6 L'energia elettrica rinnovabile e il processo di digitalizzazione
7 Le rinnovabili elettriche e la politica energetica dell'Unione Europea
8 Rinnovabili elettriche, PNIEC, PNRR e il piano per la transizione ecologica
9 Direttiva UE 2018/2001 del Parlamento Europeo e del Consiglio dell'11 dicembre 2018 sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili (RED II)
10 Recepimento della direttiva RED II: decreto legislativo dell'8 novembre 2021, n. 199
11 Direttiva (UE) 2019/944 sul mercato interno dell'energia elettrica
12 Governance, ripartizione delle competenze tra Stato e Regioni
13 Strutture del sistema elettrico italiano

Testi/Bibliografia

Le dispense delle lezioni sono disponibili su https://virtuale.unibo.it

Per approfondimenti si consiglia la seguente bibliografia, oltre ai riferimenti all’interno delle dispense:

MODULO 1

1. Angèle Reinders, Pierre Verlinden, Wilfried van Sark, Alexandre Freundlich. Photovoltaic solar energy: From fundamentals to applications. Wiley, 2017.

2. Tony Burton, Nick Jenkins, David Sharpe, Ervin Bossanyu. Wind energy handbook. Wiley, 2011.

3. Alfred Rufer. Energy storage: Systems and components. CRC Press, 2018.

4. Gilbert Masters. Renewable and efficient electric power systems. Wiley, 2013.

5. Alessandro Caffarelli, Giulio de Simone, Angelo Pignatelli, Konstantino Tsolakoglou. Sistemi Fotovoltaici Progettazione Gestione Manutenzione impiantistica. Maggioli Editori, 2021.

6. Alessandro Caffarelli, Giulio de Simone, Mario Stizza, Alessio D’Amato, Vincenzo Vergelli. Sistemi Eolici: Impianti micro, mini e multimegawatt. Maggioli Editori, 2013.

MODULO 2

1. A. Ter-Gazarian “Energy Storage for Power Systems”, Peter Peregrinus Ltd., on behalf of the Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1994.

2. G. M. Masters “Renewable and Efficient Electric Power Systems”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004.

3. G. D. Holmes, T. A. Lipo “Pulse Width Modulation for power converters – principles and practice”, IEEE Press Series on Power Engineering, John Wiley and Sons, Piscataway, NJ, USA, 2003.

4. V. Quaschning “Understanding Renewable Energy Systems”, Carl Hanser Verlag GmbH & Co KG, 2005.

5. G. D. Holmes, T. A. Lipo “Pulse Width Modulation for power onverters – principles and practice”, IEEE Press Series on Power Engineering, John Wiley and Sons, Piscataway, NJ, USA, 2003.

6. S. C. W. Krauter “Solar Electric Power Generation, Photovoltaic Energy Sistems”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.

7. M. I. Henderson, D. Novosel, and M. L. Crow “Electric Power Grid Modernization Trends, Challenges, and Opportunities”, IEEE Power and Energy Society, 2017.

MODULO 3

1. Leifer, L., Lewrick, M., Link, P. (2021). Gli strumenti per il design thinking: La guida alle migliori tecniche per facilitare l’innovazione. Edizioni LSWR

2. Norman, D. (2013). La caffettiera del Masochista. Il design degli oggetti quotidiani. Giunti

MODULO 4

1. International Energy Agency. World Energy Outlook 2021. International Energy Agency, 2021.

2. EEA Report. Trends and projections in Europe 2021. European Environment Agency, 2021

3. Christopher Guo, Craig A. Bond and Anu Narayanan. The Adoption of New Smart-Grid Technologies. A Review of the Potential Benefits of the Smart Grid. Rand Corporation, 2015.

4. Lorenzo De Vidovich, Luca Tricarico e Matteo Zulianello. Community Energy Map. Franco Angeli, 2021.

5. Melissa Dark, Ida Ngambeki, Dennis Depew and Rylan Chong. Social Engagement by the Engineer. Understanding the Global Energy Crisis. Purdue University Press, 2014.

6. Christian Ngô and Joseph B.Natowitz. Our Nanotechnology Future. Amsterdam University Press.2017.

7. Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani. Energia per l’astronave Terra. Zanichelli, 2017

Metodi didattici

Il corso è erogato in lezioni frontali (20 ore per il modulo 1, 20 ore per il modulo 2, 40 ore per il modulo 3 e 40 ore per il modulo 4) attraverso la presentazione di diapositive e sviluppi alla lavagna.

Gli argomenti del corso sono trattati sia da un punto di vista teorico che pratico, attraverso l'analisi di esempi realistici di progettazione e la presentazione di pratiche industriali nel dimensionamento e nella costruzione dei componenti dell'impianto.

Durante il corso verranno sviluppati progetti di gruppo utilizzando la metodologia del design thinking.

Durante le lezioni viene utilizzato il materiale didattico precedentemente messo a disposizione degli studenti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste nell'elaborazione di un progetto di design con le caratteristiche che verranno fornite durante il corso. Il progetto si svolge in gruppi di 4-6 studenti (è incoraggiato il raggruppamento di studenti di diversi programmi). Al termine del corso viene svolta una discussione orale sul progetto presentato, individualmente, con l'obiettivo di confermare le conoscenze acquisite dallo studente.

Strumenti a supporto della didattica

Gli strumenti a supporto della didattica sono disponibili su https://virtuale.unibo.it

Il tutor del corso è la Prof.ssa Claudia Carani: https://www.unibo.it/sitoweb/claudia.carani

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Juan Diego Rios Penaloza

Consulta il sito web di Marija Vujacic

Consulta il sito web di Giorgio Dall'Osso

Consulta il sito web di Enrico Gagliano