99540 - SISTEMI ENERGETICI PER L'AMBIENTE, AD IDROGENO E PER P2G M

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente acquisisce competenze sulle tematiche dell’impatto sull’ambiente dei moderni sistemi energetici per la produzione di energia elettrica e termica, con riferimento alla formazione delle emissioni e alle soluzioni più avanzate di controllo e progetto e per la rimozione degli inquinanti. Lo studente acquisisce inoltre conoscenze sui sistemi e le macchine per l’ambiente alimentati ad idrogeno e funzionali all’implementazione delle strategie di conversione energetica di tipo power-to-gas

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'interazione dei sistemi energetici con l'ambiente. Gli aspetti chiave del corso, in relazione allo scenario energetico attuale.

 Inquinamento atmosferico dai sistemi energetici. (3 lez.)

• Quantificazione degli inquinanti in aria: unità di misura, concentrazioni, la diluizione, fattori di emissione input/output based.
• L’inquinante NOx: meccanismi di formazione; velocità formazione thermal NOx; 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. (2 lez.)

• Definizioni e variabili chiave: rapporto di equivalenza, limiti di infiammabilità, temperatura di fiamma.
• Combustione premiscelata e Velocità di propagazione fiamma premiscelata in regime laminare e turbolento.
• Fenomeni chimico-fisici nelle fiamme premix e non-premix. Schema jet flame di diffusione e scale temporali del mixing e della chimica.

Impatto ambientale dei gruppi turbogas e dei cicli combinati. (5 lez.)

• Richiami su dimensioni e prestazioni. Condizioni al contorno della combustione nel TG. Intensita' di combustione e carico termico specifico.
• Il combustore convenzionale: architettura e funzioni dei componenti. Diffusore e calcolo contropressione di inerzia. Il liner e la diluizione. Lo Swirler: la geometria, le funzioni aerodinamiche, confronto con e senza swirler, il Numero di swirl.
• Formazione inquinanti nel TG: effetti dei fattori chiave temperatura e tempo di residenza e le zone di formazione di NOx e CO.
• Tecnologie BAT per combustori a ridotto impatto: l’iniezione di inerti, le modalità e prestazioni del w/s inj; il concetto di staging e schemi di combustori RQL e lean-lean; il concetto lean premix.
• Aspetti funzionali e architetture di alcuni combustori DLN 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 (schema, profilo temperatura).

L'utilizzo dell'Idrogeno nei Sistemi Energetici e le turbine a gas. (2 lez.)

• Processi di produzione H2, proprietà miscele H2-CH4 (massa molecolare, densità, densità energetica, volumi e pressioni stoccaggio);
• Combustione e H2: fattore di emissione CO2, indice di Wobbe, variazioni portate di fuel e di aria e di AFR, limiti infiammabilità, velocità di propagazione fiamma, temperatura fiamma, NOx, cenni sulle nuove architetture di combustori TG;
• Effetti dell’H2 sulle turbomacchine: modifiche espansore e compressore del TG.

Sistemi energetici per il Power-to-Gas. (2 lez.)

• Esempi di sistemi Power-to-Gas: macchine, tecnologie di sistemi elettrochimici,reattori e configurazioni;
• Effetti dell’H2 sulla rete del gas naturale: le stazioni di compressione e la spesa energetica.

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. (3 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 e classi di fluidi.
• Sistemi criogenici per la liquefazione dei gas permanenti: schema di impianto con valvola J-T, diagramma termodinamico e consumi.

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.
• Cenni sui sistemi energetici a ciclo s-CO₂ (schema, diagr. T-s e caratteristiche).

Impatto dei sistemi energetici a combustione esterna di grande taglia (4 lez.)

• Richiami sui gruppi a vapore convenzionali e USC per il carbone, biomasse e WTE; fasi di combustione fuels solidi. Combustori a griglia.
• Bruciatore TEA per il polverino. Il controllo degli NOx in combustione (air staging, fuel staging, FGR).
• Post-trattamenti: DeNOx, DeSOx e filtri per cattura polveri. Disposizioni dei post-trattamenti nella linea fumi.
• Combustori a letto fluido, architettura del sistema energetico con PFBC. Sistema integrato PFBC e Gassificatore.
• Gassificazione e il sistema Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC): layout; rendimento sistema; l'Air Separation Unit (ASU).

Alcuni sistemi a fonti rinnovabili non basati sulla combustione e i sistemi ibridi. (2 lez.)

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

 

Testi/Bibliografia

- Appunti sulla lavagna elettronica e slide del docente, messi a disposizione a valle delle lezioni.

- 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, mediante l'ausilio della lavagna elettronica, 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 visita 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 COGENERAZIONE, IDROGENO, P2G 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 espone gli argomenti avvalendosi della lavagna elettronica del pc, dove riproduce al momento schemi e formule, proiettando contestualmente lo schermo in aula; può utilizzare il pc anche per proiettare direttamente gli schemi più complessi di alcuni impianti e sistemi oggetto di studio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Andrea De Pascale