B010608 - ENERGIE RINNOVABILI

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Suggeriti argomento per argomento sulle dispense distribuite durante il corso

Fornire le conoscenze di base relative alle principali fonti energetiche rinnovabili e al loro utilizzo a scopo energetico. Sono affrontate le tecnologie principali e le metodologie per la valutazione dello sfruttamento sostenibile ed ottimale delle risorse. Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di affrontare le problematiche relative alla valutazione delle possibilità di sfruttamento di determinate risorse, individuando le tecnologie più opportune. Lo studente dovrà anche conoscere le caratteristiche fisiche e progettuali di base delle macchine e degli impianti utilizzati per lo sfruttamento delle risorse energetiche rinnovabili, sia per la produzione di energia elettrica che termica.

Conoscenze di Fisica Tecnica, termodinamica applicata, Sistemi Energetici e Macchine

Lezioni ed esercitazioni

Esame orale

Programma dettagliato di ENERGIE RINNOVABILI A.A. 2012-2013

INTRODUZIONE (tempo stimato): 2-3 ore
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 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 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. 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. 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 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.
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)
Solate 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 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 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.