B028793 - ENERGIE RINNOVABILI

Italiano

- Il concetto di fonti energetiche rinnovabili
- Il contesto energetico a livello nazionale e internazionale
- ENERGIA IDROELETTRICA
- ENERGIA GEOTERMICA
- ENERGIA SOLARE (Fotovoltaica, termica, solar cooling)
- ENERGIA EOLICA
- ENERGIA DA BIOMASSE

Parti di più testi (inclusi documenti web), suggeriti all'inizio di ogni argomento

Obiettivo generale del corso:
Fornire agli allievi ingegneri Meccanici ed Energetici le conoscenze base riguardanti le 5 principali fonti energetiche rinnovabili e il loro sfruttamento, ivi compresa la capacità di formulare valutazioni quantitative inerenti alla disponibilità temporale e alla quantificazione delle varie fonti e alle relative tecnologie. Gli allievi dovranno acquisire inoltre solide conoscenze delle metodologie d quantificazione e caratterizzazione delle risorse energetiche rinnovabili, con particolare enfasi sugli obiettivi di sostenibilità dello sfruttamento. Fondamentale importanza è data all'abbinamento tra caratteristiche delle risorse e dei sistemi energetici per il loro utilizzo.

Conoscenze erogate:
CC1 (B068): Approfondimento conoscenze in ambito energetico ed elettrico
CC2 (B068): Strumenti per la modellazione dei sistemi energetici e loro ruolo a supporto dell’analisi e progettazione di sistemi. cc4: Approfondimenti di termodinamica applicata, sostenibilità ambientale degli impianti, macchine, componenti e sistemi per la produzione e conversione dell’energia. Metodologie per l’individuazione delle inefficienze termodinamiche.
CC4 (B049): La conoscenza della termodinamica, teorica ed applicata agli impianti ed ai sistemi energetici, e dei fenomeni fluidodinamici nonché dei modelli in grado di rappresentarli; la conoscenza dei sistemi e delle macchine per la produzione e la conversione dell’energia, con riferimento particolare alle turbomacchine ed agli apparati industriali di combustione. La comprensione del ruolo svolto dalle diverse tecnologie energetiche al fine di garantire la sostenibilità ambientale ed economica della produzione.
CC8 (B068): Risorse energetiche rinnovabili, tecnologie a basso impatto ambientale: caratteristiche e disponibilità, tecnologie consolidate e innovative di sfruttamento. Sostenibilità energetica, ambientale ed economica.

Capacità di applicazione:
CA1 (B068) : Analisi e modellazione di componenti e sistemi elettrici: problemi e modelli alla base dell'ingegneria industriale, con particolare riferimento all'ingegneria energetica.
CA3 (B068): Progettare, analizzare, pianificare e gestire sistemi di conversione energetica, e il loro impatto ambientale ed impianti di servizio e di processo anche complessi e/o innovativi
CA4 (B049): La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici, di modellazione e di sperimentazione per progettare, analizzare e collaudare macchine a fluido, motori termici e di sistemi per la conversione dell'energia, includendo: l’applicazione dei criteri di progettazione degli impianti tecnici e termotecnici, di distribuzione dei fluidi e dell'energia; l’applicazione dei principi della termodinamica a sistemi semplici; la comprensione dei principali cicli termodinamici e la lettura di diagrammi termodinamici; l’individuazione dei meccanismi di trasmissione del calore significativi per le applicazioni ingegneristiche; l’analisi e la progettazione funzionale di apparati di interesse meccanico quali turbomacchine, impianti di conversione energetica e motori a combustione interna; la valutazione delle prestazioni energetiche, economiche e ambientali di macchine a fluido, termiche e di elementi oleodinamici.
CA7 (B068): Analizzare, progettare e gestire sistemi integrati innovativi ad energie rinnovabili, sostenibilità e impatto ambientale ed economico (uso delle risorse rinnovabili)
ca8 (B068): Capacità di analizzare le tecnologie degli impianti, componenti e dei processi e metodi dell'ingegneria, implicazioni economiche
COMPETENZE TRASVERSALI
CT3 (B068, B049): Sviluppo di una espressione e discussione tecnica adeguata di proprie argomentazioni
CT4 (B068, B049): Rappresentazione e comunicazione grafica (redazione di schemi, grafici e tabelle)
CT6 (B068, B049): Conduzione di ricerche bibliografiche mediante le principali risorse (biblioteche, banche dati scientifici, ecc.)

Solide conoscenze base di termodinamica, sistemi di conversione dell'energia e relativi componenti

Lezioni in classe ed esercitazioni applicative sugli argomenti del corso. Visite didattiche guidate presso impianti.

Per tutte le info aggiornate, le comunicazioni e il materiale didattico Vedere moodle e-l del corso https://e-l.unifi.it/course/view.php?id=27020 (attualmente aggiornato all'AA 2021-2022)

Esame orale sugli argomenti e le esercitazioni del corso
La valutazione dello studente prevede lo svolgimento di una prova orale, che consiste in due parti fondamentali:
1) impostazione e risoluzione di un problema applicativo: qui lo studente deve impostare l’analisi e/o il progetto base di un sistema basato su una delle 5 fonti rinnovabili oggetto del corso, dimostrando di aver acquisito un'adeguata conoscenza degli strumenti per la modellazione a disposizione del progettista (CC2-B068, CC8-B068, CC4 B049) per impostare analisi affidabili al fine di pervenire alla progettazione di massima di componenti e impianti a energie rinnovabili, ricavare informazioni per migliorarne le prestazioni (CC4-B068, CC4 B049) e formulare soluzioni adeguate in termini di efficienza, utilizzo delle risorse e impatto economico/ambientale (CA1-B068, CA3-B068, CA7-B068, CA8-B068, CA4 B049), anche in relazione alla variabilità naturale delle risorse. In questa parte dell’esame lo studente deve mostrare dimestichezza nella schematizzazione grafica dei problemi (CT4- B068, CT4- B049), unitamente ad un’adeguata espressione delle argomentazioni oggetto della progettazione (CT4- B068, CT4- B049). Infine, in questa parte dell’esame lo studente è anche stimolato a fornire indicazioni riguardanti la ricerca di dati e riferimenti utili alla risoluzione del problema (CT6- B068, CT6- B049)
2) esposizione e discussione di una delle tecnologie (e delle relative caratteristiche) per l’utilizzo delle energie rinnovabili oggetto del corso. Qui lo studente deve mostrare un’adeguata conoscenza della risorsa rinnovabile oggetto della discussione e delle tecnologie più adeguate ad un efficace utilizzo (CC8- B068, CC4 B049). Nell’esposizione lo studente deve esibire un’adeguata espressione lessicale tecnica (CT3-B068, CT3- B049), aiutandosi anche con schemi e rappresentazioni grafiche (CT4-B068, CT4- B049) e mostrando dimestichezza con l’utilizzo di database a supporto (CT6-B068, CT6 B049). Nella discussione lo studente deve mostrare padronanza delle conoscenze base in ambito energetico ed elettrico (CC1-B068, CC4 B049), di termodinamica applicata e dei sistemi per la produzione e la conversione dell’energia. Dovrà inoltre conoscere i concetti base dell’analisi dinamica delle risorse rinnovabili discontinue abbinate ad accumuli, individuando parametri e delineando strategie per un loro utilizzo ottimale ed efficiente in termini economici e produttivi (CC4-B068, CC8-B068, CC4 B049).

INTRODUZIONE (tempo stimato): 3-4 ore (1 settimana)
Il concetto di fonti energetiche rinnovabili. Il contesto energetico a livello nazionale e internazionale: contributo delle varie fonti energetiche alla produzione primaria e ruolo delle rinnovabili. Trend degli ultimi decenni e prospettive future. Schede tecniche introduttive sulle varie fonti energetiche rinnovabili che verranno trattate durante il corso: ruolo, stato dell’arte, tecnologie e prospettive di sviluppo. Cenno agli aspetti economici.

ENERGIA IDROELETTRICA (tempo stimato): 10 ore (2,5 settimane)
Introduzione e schemi base di grandi e piccole centrali idroelettriche. La risorsa: portata e salto idraulico. Curva di durata. Perdite e salto netto. Produzione di energia e rendimento globale. Potenza e producibilità elettrica. Curve di utilizzazione. Schemi di impianto (piccolo e grande idroelettrico). Le macchine idrauliche: equazione dell’energia, numero di giri specifico, velocità specifica e classificazione (macchine lente e veloci). Scelta delle turbine in funzione della portata e del salto netto. Velocità specifica e velocità di fuga. Classificazione e tipologie di turbine idrauliche, concetto di macchine ad azione e a reazione: turbine Pelton, Turgo, Francis e Kaplan. Distributori statorici. Triangoli di velocità. Diffusori di scarico. Curve caratteristiche. Regolazione delle turbine. Turbine a bulbo. Applicazioni ai piccoli impianti (mini hydro). Cenno ai costi dell’impianto e della produzione.

ENERGIA GEOTERMICA (tempo stimato): 10 ore (2,5 settimane)
Il calore geotermico: distribuzione e temperature, gradiente geotermico. Distribuzione di energia termica e flusso di calore. Il sistema geotermico idrotermale. Pozzi di estrazione e reimmissione. Classificazione delle risorse geotermiche. Applicazione delle risorse geotermiche e cenno ai relativi costi d’investimento ed incentivazione. Distribuzione nazionale ed internazionale delle risorse geotermiche: potenzialità sfruttate e limiti massimi attendibili, potenzialità installata e nuove prospezioni. Integrazione della geotermia in mix energetici virtuosi. L’esplorazione geotermica: studio di prefattibilità e rilievi. Cenni ai sistemi e alle tecnologie di perforazione: profili di pozzo. Perforazione, test e modelli di pozzo. Tipologie di pozzo e producibilità: acqua e vapore dominante. Tipologie di serbatoio (acqua e vapore dominante), modelli di risalita flusso (Boling Depth Point BDP). Test di pozzo durante la produzione, pozzi di reiniezione. Sfruttamento della risorsa geotermica mediante impianti termoelettrici: concetto di rendimento di 1° e 2° principio. Costruzione delle curve di produttività della risorsa, variazione della pressione base-bocca pozzo, quota di flash, flusso mono e bifasico. Curva di produttività serbatoio – pozzo. Conversione termodinamica dell’energia geotermica: gli impianti geotermoelettrici: impianti a flash singolo doppio e multiplo: caratteristiche, tecnologie e prestazioni. Impianti a vapore secco diretto (direct dry steam). Casi applicativi ed esempi di calcolo. Esempi di ottimizzazione del sistema pozzo – impianto: curve chocked e non chocked. Cicli binari mediante impianti ORC. Soluzioni ibride binarie/single flash. Esempi di calcolo ed ottimizzazione. Produzione combinata di elettricità e calore dalla risorsa geotermica (CHP), esempi con cicli binari. Cenno a cicli avanzati (Kalina). Tecnologie per ridurre l’impatto ambientale degli impianti geotermici: sistemi per la cattura di H2S e mercurio (AMIS) ed SO2. Possibile integrazione della geotermia con altre risorse energetiche. Geotermia di bassa temperatura: utilizzo per la produzione combinata di energia elettrica e calore. Utilizzi termici: pompe di calore geotermiche e teleriscaldamento. Esempi applicativi e calcolo. Cenno ai sistemi innovativi di sfruttamento della risorsa geotermica: sistemi geotermici ingegnerizzati (EGS) e fluidi supercritici.

ENERGIA SOLARE (tempo stimato): 10 ore (2,5 settimane)
La risorsa solare. La radiazione solare: insolazione ed irraggiamento, costante solare. Distribuzione spettrale della radiazione solare. Variazione dell’irraggiamento in funzione della posizione del sole rispetto alla terra: concetti di latitudine, altezza solare, declinazione: fondamenti di energia solare. Irraggiamento su piano orizzontale ed inclinato. Radiazione diretta e diffusa. Curva di irraggiamento giornaliero su piano inclinato. Ottimizzazione stagionale. Misura della radiazione solare. Energia solare massima su superficie unitaria orizzontale ed inclinata.
Assorbanza, riflettenza e trasmittanza dei materiali rispetto alla radiazione solare. Calcolo della radiazione effettivamente assorbita da una superficie inclinata: prodotto trasmittanza-assorbanza per radiazioe diretta, diffusa e riflessa.
Sistemi di sfruttamento dell’energia solare
Solare fotovoltaico
Effetto fotovoltaico. Energia di banda e sfruttamento massimo dell’energia radiante. Concetto di semiconduttori e semiconduttori drogati, giunzioni p-n. La cella fotovoltaica. Curve caratteristiche di una cella fotovoltaica e circuito equivalente. Potenza elettrica generata da una cella. Influenza della temperatura di cella sulle prestazioni. Collegamenti tra celle: composizione di un pannello fotovoltaico. Tipologie di celle e moduli: monocristallini, policristallini ed amorfi e relative prestazioni. Gli inverters: funzionamento e curva caratteristica. Composizione di un impianto fotovoltaico: possibili componenti principali. Batterie, struttura di un impianto. Impianti connessi alla rete ed isolati (off grid). Sistemi isolati per pompaggio di acqua. Esempi di progettazione di massima di impianti connessi alla rete ed off grid. Costi ed analisi economiche: investimenti e producibilità elettrica, cenno all’incentivazione.


Solare termico
Concetti base, tecnologie e loro classificazione. Accoppiamento ad impianti di riscaldamento ed acqua calda sanitaria: esempi di configurazioni impiantistiche. Collettori non vetrati, vetrati piani e sotto vuoto. Il collettore solare termico: generalità e componenti. Collettori piani. Collettori a concentrazione. Collettori piani: schema di base e flussi termici, perdite e bilancio energetico del collettore. Calore utile assorbito dal collettore. Espressione del rendimento e costruzione delle curve caratteristiche. Interpolazione delle curve caratteristiche: parametri polinomiali di uso commerciale. Generalizzazione: dal collettore piano alle altre tipologie. Confronto delle prestazioni e dei limiti operativi. Fondamenti di dimensionamento dei collettori vetrati e non vetrati. Esempi di progettazione di massima di sistemi con collettori solari termici: integrazione in impianti di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria. Frazione solare e risparmio energetico stagionale. Costi d’investimento, incentivazioni e ritorno economico.

Solare a concentrazione e solar cooling (cenni)
Solare termico e fotovoltaico a concentrazione: principi e concetti base. Specchi parabolici lineari. Concentratori parabolici indipendenti, concentratori a torre. Abbinamento a impianti termoelettrici (solare termodinamico). Solar cooling. Concentratori fotovoltaici. Tracking: inseguitori solari.

ENERGIA EOLICA (tempo stimato): 10 ore (2,5 settimane)
Cenni storici. La risorsa eolica: principi fisici di generazione del vento. Potenza della risorsa eolica: dipendenza dalla velocità. Influenza delle caratteristiche del terreno: rugosità, dipendenza della velocità e della potenza dall’altezza rispetto al terreno (metodo power law). Classi standardizzate di velocità del vento. Accelerazioni del flusso: influenza delle caratteristiche del terreno. Influenza degli ostacoli e turbolenza. Misura della risorsa (anemometria): velocità e direzione del vento (rosa dei venti), torri anemometriche. Valutazione del potenziale di un sito eolico. Atlante eolico, la risorsa eolica: distribuzione di Weibull. Curva di potenza e rendimento. Stima di producibilità per macro e micro eolico. Stima di producibilità tramite la curva di potenza. La teoria di Betz: massima sfruttabilità dell’energia eolica. Macchine e impianti eolici. Aerodinamica del profilo e determinazione delle forze generate dal vento (portanza e resistenza). Curve caratteristiche tip speed ratio. Generatori eolici: tipologie e curve caratteristiche. Turbine ad asse orizzontale e verticale. Controllo del rotore eolico in funzione della velocità del vento (pitch e stall regulation). Freni meccanici ed aerodinamici. Turbine eoliche ad asse orizzontale e verticale: caratteristiche e applicazioni. Generatori elettrici e connessione alla rete. Mini eolico: micro siting per la valutazione delle caratteristiche e potenzialità della risorsa. Esempi di mini turbine eoliche. Cenni allo sviluppo di un progetto eolico, relativi costi ed incentivi.

ENERGIA DA BIOMASSE (tempo stimato): 10 ore (2,5 settimane)
Definizione e caratteristiche delle biomasse. Composizione chimico – fisica delle biomasse: analisi tal quale ed analisi ultima: umidità, composizione chimica e ceneri (metalli). Tipologie e caratteristiche delle ceneri: comportamento e punto di fusione. Metalli pesanti. Cenni alla filiera di approvvigionamento della biomassa e relativi costi.
Tecnologie per l’utilizzo delle biomasse a scopo termico ed elettrico. NB: in questo corso si forniscono i concetti di base su questo argomento. Approfondimenti su queste ed altre tecnologie (biocombustibili, biogas, sostenibilità e ciclo di vita ecc.) potranno essere acquisiti nel successivo corso “tecnologie e processi per la conversione energetica delle biomasse” (B019243).
Combustione delle biomasse: principi. Combustori a letto fisso: griglie fisse e mobili, orizzontali e inclinate, griglie vibranti e rotanti, combustori a sigaro. Esempi di combustori per la produzione di energia termica e come caldaie d’impianti a combustione esterna. Combustori a letto fluido: principi base. Tipologie di combustori: letti fluidi bollenti e circolanti, combustori a polverino. Bruciatori domestici: tipologie principali. Stufe a legna. Bruciatori a fiamma inversa. Caldaie a cippato. Bruciatori a pellet. Costi e valutazioni economiche.
Pirolisi delle biomasse: principi base. Processi di pirolisi e relativi prodotti. Pirolisi veloce: liquidi, solidi e gas. Olii di pirolisi: proprietà e caratteristiche energetiche. Caratteristiche termiche e tempi di residenza dei reattori. Tipologie ed esempi di reattori.
Gassificazione termochimica delle biomasse: cenni storici e principi. Possibili processi di gassificazione. Chimica e reazioni di gassificazione. Rapporto di equivalenza. Cenni agli equilibri chimici. Composizione e caratteristiche del gas di sintesi. Bilancio termodinamico e temperatura di reazione. Tipologie di gassificatori: letto fisso (downdraft, updraft, crossdraft) e letto fluido (bollente, trascinato e circolante). Pulizia del gas di sintesi: rimozione dei particolati, metalli alcalini, azoto, tars, zolfo e cloro. Pulizia a caldo e a freddo. Esempi applicativi: cogeneratori a biomassa. Calcolo della risorsa necessaria per alimentare un impianto. Tecnologie di conversione a confronto. Cenni ai costi, analisi economica ed incentivi.
Biocombustibili liquidi e gassosi. Cenni ai principi di digestione anaerobica per la produzione di biogas: processo base, caratteristiche, composizione e rese del biogas. Biodiesel: concetti base e reazioni fondamentali. Il processo di transesterificazione a partire dalle materie prime (acidi grassi e alcool). Cenni alle rese e costi del processo. Reazioni e component base per la produzione del metanolo.

Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell‘Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile