33964 - IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI M

Conoscenze e abilità da conseguire

L'allievo studia l'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

Introduzione al corso. (1 Lez.)

Il panorama energetico mondiale ed italiano. Fonti primarie, trasformazioni energetiche e l'impatto ambientale. La necessità di indicatori per quantificare l'impatto ambientale. Gli aspetti chiave del corso, in relazione allo scenario energetico attuale.

 

Inquinamento atmosferico dai sistemi energetici. (3-4 Lez.)

Percorso degli inquinanti in atmosfera: gradiente termico, stabilita' atmosferica.

Dispersione inquinanti dal camino: concentrazione in aria e al suolo con approccio gaussiano; punto di massima concentrazione.

Quantificazione degli inquinanti in aria: unità di misura, concentrazioni, la diluizione, fattori di emissione input/output based.

L'inquinante NOx: meccanismi di formazione; velocita' formazione thermalNOx; Prompt e post-flame; effetti sull'ambiente: smog fotochimico, distruzione O3 d'alta quota e deposizioni acide.

L'inquinante CO: formazione e velocita' di rimozione; effetti sull'ambiente. Cenni su HC ed SOx dalla combustione ed effetti sull’ambiente.

 

Elementi di combustione ai fini dell'impatto dei sistemi energetici. (1-2 Lez.)

Definizioni e variabili chiave: rapporto di equivalenza, limiti di infiammabilita', temperatura di fiamma. Modalità di combustione premiscelata e non premiscelata.

Combustione premiscelata e Velocità di propagazione fiamma premiscelata in regime laminare e turbolento.

Successione dei fenomeni chimico-fisici nelle fiamme premix e non premix, fiamme diffusive e turbolenza.

 

Impatto ambientale dei gruppi turbogas e dei cicli combinati. (4-5 Lez.)

Condizioni al contorno della combustione del TG ed intensita' di combustione.

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

Lo Swirler: numero di Swirl e la sua funzione aerodinamica.

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

Tecnologie per combustori a ridotto impatto: inerti, staging, leanpremix.

Aspetti funzionali e architetture di alcuni combustori DLN di machine di ultima generazione (Solar premix, GE DLE, ex Alstom EV, Ansaldo GT36).

Emissioni da combustori convenzionali e DLE al variare del carico; altri fattori che influenzano le emissioni a consuntivo.

Sistemi ULE: Sistemi di post-trattamento (SCR e SCONOX). Cenni sui combustori catalitici.

L'utilizzo dell'idrogeno nelle turbine a gas.

 

Inquinamento termico e sistemi di raffreddamento dei sistemi energetici. (2 Lez.)

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: architetture e problema del pennacchio.

Condensatore ad aria, diagr. di scambio, confronto con cond. acqua e sistema con condensatori acqua/ aria in parallelo.

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

 

I sistemi frigoriferi e l'impatto ambientale: ODP, GWP e i sistemi criogenici. (2 Lez.)

I sistemi frigoriferi a compressione: schema di sistema a doppia compressione e prestazioni energetiche.

I fluidi frigoriferi: il cloro e l'impatto sull'ambiente (ODP).

La CO2, l'effetto serra e lo spettro di emissione terrestre; il GWP e il TEWI per i sistemi frigoriferi.

I fluidi sostitutivi HFC ed HFO, cenni alla nomenclatura ASHRAE.

Sistemi criogenici per la liquefazione dei gas permanenti: schema di impianto e diagramma termodinamico.

I sistemi ORC e il recupero di cascami termici. (2 Lez.)

Architettura del ciclo termodinamico ORC, livelli termici delle applicazioni, proprietà dei fluidi, caratteristiche delle macchine.

Indicatori di prestazioni per il ciclo semplice e per il ciclo recuperato.

I sistemi s-CO2.

 

Impatto ambientale dei sistemi energetici a combustione esterna. (3-4 Lez.)

Architetture gruppi a vapore convenzionali per combustibili solidi; gruppi USC per il carbone; particolarità degli impianti a biomasse e WTE.

Bruciatore TEA per il polverino. Il controllo degli NOx in combustione (air staging, fuel staging, FGR).

Il particolato atmosferico: caratterizzazione; distribuzione dimensionale e velocità di deposizione, cenni alle norme.

Post-trattamenti: DeNOx, DeSOx e filtri per cattura polveri. Disposizioni dei post-trattamenti nella linea fumi. Confronto emissioni CC e centrale a polverino.

Combustione a letto fluido: tipologie, regimi di moto e sorbente DeSOx.

Letto fluido pressurizzato (PFBC): layout impianto e calcolo del rapporto tra le potenze del TG e della sezione a vapore.

Gassificazione e il sistema Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC): layout; rendimento sistema; l'Air Separation Unit (ASU).

Layout del sistema integrato gassificatore-PFBC e sezione di potenza.

Tecniche di contenimento emissioni CO2: cattura pre-combustione. L'efficienza dell'ASU. Separazione chimica e fisica efficienza di cattura/sequestro CO2 con compressione / liquefazione.

 

Impatto di alcuni sistemi a fonti rinnovabili non basati sulla combustione. (2 Lez.)

Energia eolica: la potenza disponibile all'aerogeneratore, limite di Betz. Efficienza aerodinamica della pala di un aerogeneratore. Studio anemologico del sito: distribuzione di Weibull e criterio della velocita' piu' probabile o della massima energia raccolta. Metodo per quantificare l'impatto ambientale visivo di una wind farm.

Sistemi geo-termoelettrici: impianto con scarico in depressione, impianto a condensazione, impianto a vapore di flash, impianto a ciclo binario. Impianti ibridi con integrazione tra fonte geotermica e fonte fossile.

Testi/Bibliografia

Sistemi Energetici - Impatto Ambientale (Vol. 3)

M. Bianchi, A. De Pascale, A. Gambarotta, A. Peretto

Ed. Pitagora

(limitati argomenti del corso sono trattati nel Volume 2 della medesima collana)

Metodi didattici

Lezioni didattiche frontali in aula, prevalentemente mediante l'ausilio della lavagna, inerenti tutti gli argomenti in programma.

La frequenza è consigliata per un migliore apprendimento dei concetti e delle nozioni ma non incide sul processo di valutazione finale.

Se compatibile con gli orari delle lezioni, si prevede la visita ad impianti oggetto del programma ed eventuali seminari con rappresentanti di aziende del settore.

Si prevede anche una vistita al laboratorio di sistemi energetici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale.

L'esame finale individuale,

da svolgere oralmente, rappresentando anche le formule ed eventuali disegni a mano libera,

è relativo a tutti i contenuti sopra illustrati, come da lezioni in aula, con particolare riferimento a:

1) le funzioni dei sistemi trattati,

2) gli schemi,

3) le dimostrazioni e i parametri quantitativi,

e mira a valutare il raggiugimento degli obiettivi didattici fondamentali del corso, qui di seguito richiamati:

- Conoscenza dei principali fattori che influenzano la formazione degli inquinanti chimici e termici derivanti dai sistemi energetici;

- Conoscenza approfondita degli apparati e delle tecnologie di controllo delle emissioni nei sistemi energetici, con riferimento in primis a: turbogas, cicli combinati, sistemi frigoriferi, caldaie di impianti con turbine a vapore e sistemi energetici a fonti rinnovabili.

Il superamento dell’esame sarà garantito agli studenti che dimostreranno padronanza e capacità operativa in relazione ai concetti chiave illustrati nell’insegnamento. Un punteggio più elevato sarà attribuito agli studenti che dimostreranno di aver compreso ed essere capaci di utilizzare tutti i contenuti dell’insegnamento . Il mancato superamento dell’esame potrà essere dovuto all’insufficiente conoscenza dei concetti chiave del corso e alla mancata padronanza del linguaggio tecnico.

Il voto viene assegnato in trentesimi.

Se l'insegnamento viene fruito come componente del corso integrato DINAMICA, CONTROLLO E IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI M C.I., la votazione che verrà verbalizzata sarà data dalla media aritmetica, arrotondata all'intero superiore, delle singole votazioni che lo studente avrà ottenuto nei corsi che compongono il corso integrato. Il voto "30 e lode" finale viene conferito se il candidato ha ottenuto 30 in entrambi i moduli e la lode in almeno uno di essi.

Strumenti a supporto della didattica

Il docente può avvalersi in alcuni casi del pc e/o più frequentemente della lavagna luminosa, per proiettare gli schemi più complessi di alcuni impianti e sistemi oggetto di studio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea De Pascale