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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)

Temi di ricerca

Parole chiave: sistemi energetici macchine a fluido

Cogenerazione/Trigenerazione: tale attività ha riguardato lo studio di soluzioni innovative per l’incremento dell’efficienza di sistemi cogenerativi e lo studio di fattibilità energetica ed economica di nuove applicazioni cogenerative in campo industriale e civile mediante codici di calcolo commerciali (Thermoflow, Gate Cycle); l’attività si è anche concentrata sullo sviluppo di codici di calcolo per l’analisi, la progettazione e la gestione ottimizzata tecnico-economica di impianti cogenerativi e/o trigenerativi. Questa attività è stata sovente condotta in parallelo ad alcune aziende dell’Emilia Romagna (Ingegneri Riuniti, Diaures, ecc.) comprendendo anche uno studio atto a stimare le potenzialità cogenerative dell’Emilia Romagna svolto in collaborazione con il Politecnico di Milano il Gruppo Giovani Confindustria Emilia Romagna e Giovani Industriali Piacenza.

Sistemi di iniezione d’acqua nei compressori assiali (wet compression): tale attività è stata finalizzata alla realizzazione di modelli fisico/matematici per lo studio dell’iniezione di acqua all’interno di compressori assiali ed allo sviluppo di codici di calcolo per la valutazione delle prestazioni termodinamiche e fluidodinamiche di una turbina a gas in presenza di wet compression; è stato inoltre condotto uno studio di fattibilità energetico/economica sull’impiego del “fogging” in centrali turbogas o a ciclo combinato gas/vapore nuove ed esistenti mediante codici di calcolo commerciali (Thermoflow, Gate Cycle) o autoprodotti; è stato anche analizzato l’impiego del “fogging” come strategia di abbattimento degli NOx nella camera di combustione di turbine a gas; parte di questa attività è stata svolta mediante collaborazioni con aziende nazionali (Enipower, Stabilimento di Ravenna) ed internazionali (BP/Amoco Carson – Los Angeles, California – USA) impegnate in tale settore di ricerca.

Analisi delle prestazioni di compressori assiali in seguito a fouling: tale attività è incentrata sulla creazione di modelli di calcolo finalizzati alla previsione delle prestazioni di compressori assiali in seguito a fouling. In particolare è stato elaborato e validato un modello in grado di mettere in relazione la "computational roughness" rappresentativa del grado di fouling di uno stadio di compressione assiale con le ore intercorse dall'ultimo lavaggio della macchina.

Conversione di flussi termici a bassa entalpia: l’obiettivo della ricerca, è lo studio, lo sviluppo e la prototipazione concettuale di sistemi innovativi finalizzati alla conversione in energia meccanica e quindi elettrica di flussi termici a bassa entalpia (cascami termici, acqua termale, ecc.). Più in dettaglio ci si propone di giungere alla completa definizione, caratterizzazione e dimensionamento di massima di diversi sistemi energetici innovativi, basati su cicli termodinamici di tipo Brayton inverso o Rankine, in grado di consentire il recupero energetico di cascami termici abitualmente dissipati. L’obiettivo scientifico è dunque quello di giungere all’ideazione di sistemi innovativi, efficienti e vantaggiosi oltre che sotto l’aspetto del recupero e del risparmio energetico anche dal punto di vista della reale fattibilità economica. Tale attività si inquadra pertanto nella ricerca di soluzioni che permettano di ridurre gli sprechi energetici, migliorare l’efficienza di sfruttamento delle risorse e favorire la riduzione dell’impatto ambientale.

Integrazione di un termovalorizzatore con un ciclo combinato: oggetto dello studio è l’integrazione del ciclo termico di un termovalorizzatore alimentato con rifiuti solidi urbani con un ciclo combinato gas/vapore al fine di superare le limitazioni che la combustione dei rifiuti impone alla qualità del vapore prodotto. Particolare attenzione è posta all’analisi delle soluzioni che prevedono l’incremento della pressione e della temperatura del vapore prodotto dal termovalorizzatore, attraverso l’impiego di una caldaia a recupero alimentata dai gas di scarico di una turbina a gas naturale (lato-vapore). Obiettivo finale della ricerca è l’individuazione di soluzioni tecniche capaci di creare una sinergia tra due sistemi ormai consolidati (un termovalorizzatore e un ciclo combinato) che si dovrà tradurre principalmente in una maggior valorizzazione energetica sia della biomassa/rifiuto che del gas naturale. Tale studio è stato svolto anche in collaborazione con Hera S.p.A. – Direzione Ingegneria e Grandi Impianti Modena

Soluzioni di power augmentation per turbine a gas esistenti: Tale ricerca è incentrata sulla definizione ed analisi di strategie di retrofit in grado di incrementare la potenza prodotta di turbine a gas esistenti senza apportare modifiche strutturali alla macchina. Più in dettaglio è stata analizzata l'integrazione di turbine a gas con sistemi di raffreddamento dell'aria all'ingresso del compressore (sistemi frigoriferi a compressione o ad assorbimento con o senza accumulo, sistemi di iniezione di acqua tradizionali o di tipo fogging e overspray) o di iniezione in camera di combustione (sistemi di tipo STIG o HAI) valutandone sia l'incremento di potenza conseguibile, che analizzandone le prestazioni energetiche ed economiche con riferimento a numerose condizioni climatiche reali.

Sistemi e strategie di accumulo dell’energia elettrica: tale attività di ricerca, svolta anche sperimentalmente, è finalizzata allo studio di tecnologie e strategie per l’accumulo di energia elettrica prodotta da fonte rinnovabile non programmabile. L’attività già svolta ha portato alla realizzazione di alcuni codici di calcolo in grado di definire la strategia di gestione del sistema (generatore da fonte rinnovabile non programmabile, sistema di accumulo, utenza) ottimale al fine di minimizzare gli scambi di energia elettrica con la rete di distribuzione nazionale e/o minimizzare il costo sostenuto per la fornitura di energia elettrica all’utenza.

Analisi di strategie di gestione di smart grid: tale attività di ricerca è finalizzata alla definizione di strategie per la gestione ottimizzata di reti di distribuzione (contemporanea) di energia elettrica, termica, frigorifera e del combustibile in presenza di generatori a combustibile fossile, sistemi di conversione da fonte rinnovabile (programmabile e non), sistemi di accumulo (per l’energia elettrica, termica e frigorifera). Lo scenario analizzato comprende la possibilità di scambio attivo tra utenze e reti di distribuzione. Lo studio in oggetto ha portato alla realizzazione di un software basato sull’impiego di algoritmi genetici in grado di minimizzare il costo di fornitura dell’energia alle utenze servite.

Implementazione di sistemi di accumulo termico nel settore del trasporto navale: tale attività di ricerca, svolta in collaborazione il Department of Shipping and Marine Technology – Chalmers University of Technology, è incentrata sullo studio di strategie di accumulo termico per navi da trasporto passeggeri o di combustibile al fine di ridurre l’uso di combustibile durante le soste in porto. Tale attività, innovativa nel settore del trasporto navale, mira all’implementazione di strategie di gestione efficiente del recupero termico per la riduzione dell’impiego di risorse fossili e di emissioni inquinanti.

Teleriscaldamento/Teleraffrescamento: lo svolgimento di questa attività, anche in collaborazione con L’ENEA, ha portato allo sviluppo di codici di calcolo per la simulazione, progettazione e/o verifica e conseguente ottimizzazione di reti di teleriscaldamento e/o teleraffrescamento esistenti o in corso di realizzazione; alcune di tali attività sono state svolte con importanti aziende impegnate in tale settore (HERA – Imola). Tale attività prevede inoltre l’analisi della possibilità di scambio attivo bidirezionale tra utenti e reti di distribuzione del calore.

Studio dei generatori termofotovoltaici: oggetto dello studio è il sistema di generazione Termo-Foto-Voltaica (TPV) basato sulla conversione fotovoltaica in energia elettrica di una sorgente radiante artificiale. Tale attività procede su due filoni interconnessi: lo sviluppo di modelli fisico-matematici per lo studio, l’ottimizzazione e la progettazione di tali sistemi e la crescita di strutture omoepitassiali di germanio mediante la tecnica dell’epitassia da fase vapore con precursori metallo-organici (MOVPE) al fine di ottenere giunzioni p-n con interfacce nette e con drogaggio definito. Le strutture ottenute sono quindi caratterizzate mediante tecniche strutturali (microscopia elettronica in scansione e in trasmissione, diffrazione X, topografia X) ed elettriche, per determinare profili e concentrazioni dei droganti.

Sistemi frigoriferi basati sul principio magnetocalorico: tale attività di ricerca, di carattere prevalentemente sperimentale, è finalizzata alla realizzazione e alla successiva ottimizzazione di un prototipo di macchina frigorifera basata sul principio magnetocalorico. Il prototipo è realizzato mediante l’uso di un magnete permanente e l’impiego di gadolinio come materiale magnetocalorico.

Sistemi di liquefazione del gas naturale: tale attività di ricerca si concentra prevalentemente sullo studio, sull’ottimizzazione termodinamica e sulla progettazione di una sottostazione di piccola taglia per la produzione di gas naturale liquefatto per il rifornimento di autoveicoli o imbarcazioni. La sottostazione in oggetto sarà ti tipo “plug&play”, ovvero in grado di essere connessa direttamente alla rete del gas ed essere alimentata – eventualmente – da generatori rinnovabili non programmabili.

Sistemi a ciclo Rankine con fluido organico (ORC): tale attività di ricerca, svolta sia sul piano teorico che sperimentale, è finalizzata allo studio ed ottimizzazione di cicli di Rankine a fluido organico di piccola taglia (inferiore a 10-20 kW) per impieghi nel settore domestico-residenziale. In particolare si è svolta attività di ricerca – anche in collaborazione con diverse aziende del settore – relativamente all’individuazione del fluido operatore ottimale e/o alla definizione della tipologia di espansore più efficiente. Sono state inoltre studiate applicazioni nel settore industriale dell’off-shore e/o della compressione del gas naturale.