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Francesco Melino

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/08 MACCHINE A FLUIDO

Direttore CIRI FRAME (FONTI RINNOVABILI, AMBIENTE, MARE ED ENERGIA)

Contenuti utili

A.A. 2018/2019 - IMPATTO AMBIENTALE DEI SISTEMI ENERGETICI M - Programma del corso (Modulo 1 + Modulo 2)

(Modulo 1) – Prof. Francesco Melino

FONTI ENERGETICHE: classificazione delle fonti energetiche (primarie e secondarie, rinnovabili e non rinnovabili, trasportabili, programmabili, ecc;); classificazione dei sistemi di conversione da fonti di energia primaria ad energia utile (elettrica, termica ad alta e bassa temperatura, frigorifera).

EMISSIONI ED AMBIENTE – L'ATMOSFERA: il sistema ambiente, i cicli biogeochimici; il percorso degli inquinanti in ambiente, i processi (dispersione, trasporto, trasformazione, concentrazione), l'equazione di trasporto dell'agente inquinante; i bersagli finali; cenni di meteorologia (composizione dell'atmosfera, particolato in sospensione, umidità dell'aria e diagramma psicrometrico, struttura dell'atmosfera); il gradiente adiabatico secco e reale, l'inversione termica.

INQUINAMENTO DELL'ACQUA DAI SISTEMI ENERGETICI: il sistema acqua; l'inquinamento termico (il calore scaricato da un ciclo termodinamico e l'influenza del rendimento termodinamico, il calore scaricato con i fumi e quello scaricato con il sistema di raffreddamento); classificazione dei sistemi di raffreddamento; il condensatore ad acqua in circuito aperto (schema, diagramma di scambio termico, calcolo della portata di acqua di raffreddamento in funzione della portata di vapore, influenza della temperatura dell'acqua ambiente sulla pressione di condensazione); l'impatto ambientale del condensatore in circuito aperto; i sistemi di raffreddamento in circuito semi-chiuso: torre di raffreddamento evaporativa a circolazione naturale (schema, flussi in ingresso e in uscita, diagramma di scambio termico, bilancio energetico, diagramma psicrometrico e formazione del pennacchio), torre di raffreddamento evaporativa a circolazione forzata; i sistemi di raffreddamento in circuito chiuso: torre di raffreddamento a secco (schema, flussi in ingresso e in uscita, diagramma di scambio termico); torre di raffreddamento ibrida (schema, flussi in ingresso e in uscita, diagramma di scambio termico, diagramma psicrometrico); trattamento dell'acqua delle torri di raffreddamento; il condensatore ad aria (schema, funzionamento, il problema degli incondensabili); i sistemi di condensazione in parallelo (schema, funzionamento); Le emissioni di particolato solido da torri di raffreddamento evaporative (il consumo d'acqua, i cicli di concentrazione, il drift rate), l'origine delle emissioni di particolato da torri evaporative, valutazione delle emissioni secondo il metodo EPA e il metodo Reisman-Frisbie, confronto tra i due metodi e considerazioni.

INQUINANTI ATMOSFERICI DAI SISTEMI ENERGETICI: principali composti inquinanti e livelli ammissibili secondo EPA; gli Ossidi di Azoto (meccanismi di formazione, NOx termici, NOx prompt, NOx fuel, NOx da protossido di azoto, gli effetti sull'ambiente, lo smog fotochimico, le deposizioni acide); il monossido di Carbonio (meccanismi di formazione, effetti sull'ambiente); gli ossidi di Zolfo (meccanismi di formazione, effetti sull'ambiente); gli Idrocarburi Incombusti (meccanismi di formazione, effetti sull'ambiente); il Particolato (caratterizzazione, formazione del particolato, effetti sull'ambiente); metalli pesanti (cenni); CO2 (azione sull'atmosfera, concentrazione nei prodotti di combustione, effetto serra, GWP, TEWI).

COMBUSTIONE E COMBUSTIBILI: generalità, definizioni generali, tipologie di specie e reazioni coinvolte, air-to-fuel ratio, rapporto di equivalenza, eccesso d'aria, limiti d'infiammabilità, accensione, temperatura di autoaccensione; la temperatura adiabatica di fiamma; considerazioni circa la temperatura adiabatica di fiamma e quella reale; classificazione dei processi di combustione (miscelamento reagenti, moto dei reagenti, fasi dei reagenti, velocità fronte di fiamma, caratteristiche geometriche ed evoluzione nel tempo); fiamme premiscelate (caratteristiche principali, calcolo della velocità del fronte di fiamma in condizioni laminari, esempi di applicazioni: bruciatore Bunsen, bruciatore per caldaia residenziale); fiamme diffusive (caratteristiche principali, esempi di applicazioni)

IMPATTO AMBIENTALE DELLE TURBINE A GAS E DEI GRUPPI COMBINATI: richiami sulle turbine a gas (lay-out, diagramma Ts, rendimento termodinamico e rendimento totale); richiami sui cicli combinati (lay-out di massima, rendimento totale); la camera di combustione di una turbina a gas (schema, il casing, il liner, lo swirler); la contropressione di inerzia; evoluzione delle camere di combustione di turbine a gas (cenni); localizzazione degli inquinanti nella camera di combustione di turbine a gas; effetto del carico del turbogas sulle emissioni; camere di combustione a ridotto impatto ambientale (cenni); iniezione di acqua o vapore in camera di combustione; camere di combustione a stadi (air staging e fuel staging); camera di combustione ricca-povera; camera di combustione povera-povera; riduzione catalitica selettiva degli NOx (SCR).

(Modulo 2) – Prof.ssa Lisa Branchini

CONSUMI DI ENERGIA PRIMARIA: Considerazioni introduttive sui consumi mondiali di energia primaria, mix delle fonti energetiche, la produzione di energia elettrica. La situazione Italiana: energia elettrica prodotta, mix delle fonti energetiche, le rinnovabili e le loro peculiarità/problematiche. La strategia energetica nazionale, obiettivi e proiezioni al 2030.

CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE: semplice e a doppia compressione: layout, diagrammi T-s e Logp-h, bilanci energetici, potenza spesa per la compressione, potenza termica estratta dall'ambiente da raffreddare. Considerazioni sull'utilizzo del sotto-raffreddamento. Confronto tra un ciclo a doppia compressione e a singola compressione a parità di pressioni e di potenza termica estratta dall'ambiente da raffreddare. L'impatto ambientale dei fluidi frigoriferi. L'ODP (ozone deplation potential), il GWP (global warming potential) ed il TEWI (total equivalent warming impact).

L’ENERGIA GEOTERMICA: definizione e gradiente di temperatura. Ore equivalenti di funzionamento dei sistemi geotermici per produzione di energia elettrica in Italia. Classificazione e descrizione dei sistemi geotermici: i sistemi idrotermali a vapore dominante con scarico ambientale e a condensazione (layout, diagramma T-s, espressione del lavoro utile). I sistemi idrotermali ad acqua dominante: a vapore di flash e cicli binari (layout, diagramma T-s, espressione del lavoro utile). Il consumo specifico di fluido, definizione e classificazione dei sistemi in base al consumo specifico.

LE POMPE DI CALORE GEOTERMICHE: definizione di una pompa di calore. Schematizzazione del funzionamento invernale per riscaldamento ed estivo per raffrescamento. Il COP e l'EER: definizione e andamento in funzione del rapporto Tamb/Tc. Elementi principali di una pompa di calore. Le pompe di calore geotermiche: PdC accoppiate al terreno (ground-coupled heat pumps), PdC con acqua di falda (Ground water heat pumps) e con acqua superficiale (Surface water heat pumps).

I CICLI RANKINE A FLUIDO ORGANICO (ORC): Layout di un ciclo ORC semplice con e senza circuito intermedio. Diagramma T-s. Caratteristiche, campi di applicazione, vantaggi. Il confronto con cicli Rankine tradizionali a vapore d'acqua. I vantaggi dell'utilizzo dei fluidi organici. Tipologie di fluidi organici e le loro proprietà. Distinzione tra fluidi umidi, secchi ed isoentropici in base alla pendenza della curva limite superiore. Potenza e rendimenti di un ciclo ORC: il rendimento ORC ed il rendimento di recupero. Ciclo ORC con recupero: motivazioni, layout e diagramma T-s. Il confronto tra ciclo ORC semplice e ciclo ORC recuperato.

L'ENERGIA EOLICA: la dimostrazione del limite di Betz. Il coefficiente di potenza reale ed i fattori che determinano una riduzione della potenza estraibile. Calcolo del diametro del rotore in funzione della potenza nominale e della velocità media del vento in un dato sito. La curva di potenza di un aerogeneratore in funzione della velocità del vento. Cenni sullo studio anemologico di un sito e sulla densità di probabilità di Weibull. Componenti principali di un aerogeneratore ad asse orizzontale. Suddivisione degli aerogeneratori in funzione della taglia, della direzione dell'asse rispetto a quella del vento e del numero di pale.

L'ENERGIA SOLARE: introduzione la costante solare e l'effetto filtrante dell'atmosfera. Il solare fotovoltaico: l'effetto fotovoltaico, l'energia radiante in funzione della lunghezza d'onda, l'energia di gap e i materiali semiconduttori. La caratteristica i-V di una cella solare e la condizione di massima produzione Collegamenti in serie ed in parallelo. esercizio numerico sul solare fotovoltaico: calcolo dei metri quadri per abitante di pannelli fotovoltaici per soddisfare il fabbisogno elettrico annuo. Il principio di funzionamento delle celle multi-giunzione. Configurazioni di un impianto solare fotovoltaico. I sistemi stand-alone e i sistemi grid-connected e l'utilizzo dei sistemi di accumulo. Il solare termodinamico a concentrazione: i concentratori solari a torre centrale ed i concentratori parabolici lineari, le problematiche dei sali fusi e la configurazione con caldaia di back-up.

IL SOLARE TERMICO: principio di funzionamento e componenti base di un sistema solare termico. IL ruolo dell'accumulo. Pannelli solari termici piani e con tubi sottovuoto: applicazioni, vantaggi e differenze. Calcolo dell'energia primaria e delle emissioni di co2 per soddisfare il fabbisogno termico annuale in tre diversi casi: solare termico più caldaia di integrazione, sola caldaia a metano e scaldabagno elettrico.