Informazioni generali

• Anno di corso: 3
• Semestre: 2
• CFU: 6

Docente responsabile

Michele MANNO

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire le conoscenze fondamentali sulle diverse fonti di energia, sui vettori energetici da esse derivate, e sul loro impiego nei sistemi energetici nazionali per soddisfare i consumi finali, con particolare riguardo alle fonti di energia rinnovabile, all’impiego dell’idrogeno come vettore energetico, all’accumulo di energia. Al termine del corso, studenti e studentesse avranno acquisito le conoscenze necessarie per valutare criticamente potenzialità e limiti di diverse fonti e tecnologie energetiche, nel contesto della transizione verso uno scenario energetico a ridotte o nulle emissioni climalteranti.

Il corso rappresenta un’introduzione ad argomenti specialistici che troveranno adeguato approfondimento negli insegnamenti del Corso di Laurea Magistrale riguardanti gli impianti di potenza, le tecnologie per la conversione di energia da fonte rinnovabile, l’elettrochimica applicata all’energia.

Programma del corso

FONTI DI ENERGIA E SISTEMI ENERGETICI NAZIONALI

Classificazione delle fonti di energia, dei vettori energetici e degli usi finali; descrizione dei sistemi energetici nazionali; panoramica dei processi di conversione impiegati per soddisfare gli usi finali nei diversi settori energetici; statistiche su produzione e consumo di energia a livello mondiale e nazionale. Definizione di fattore di utilizzo e ore equivalenti di funzionamento.

FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE

Generalità

Classificazione delle fonti di energia rinnovabile; fattore di capacità o ore equivalenti di funzionamento.

Energia idroelettrica

Classificazione delle centrali idroelettriche; impianti idraulici di accumulazione dell'energia; diagramma cronologico delle portate e diagrammi dei deflussi.

Energia solare

Caratteristiche della radiazione solare, irradianza al suolo su superfici orizzontali e inclinate, insolazione media, irradianza e insolazione in condizioni reali, banche dati radiazione solare, confronto condizioni reali - cielo sereno, mappa DNI, GHI. Semiconduttori e giunzioni p-n. Effetto fotovoltaico; celle fotovoltaiche: struttura, circuito equivalente e curva caratteristica, definizione delle condizioni di riferimento, rendimento, prestazioni al variare dell'irradianza e della temperatura della cella. Impianti fotovoltaici: rendimento e prestazioni; schede tecniche di moduli fotovoltaici; ore equivalenti.

Energia eolica

Formazione dei venti, analisi anemometrica, caratteristiche della distribuzione della velocità del vento, influenza della quota sulla velocità del vento, potenza disponibile, densità di energia e densità di potenza media disponibili. Conversione di energia: definizione di coefficiente di potenza di un aerogeneratore, limite di Betz; aerogeneratori: caratteristiche generali di turbine ad asse orizzontale, curva di potenza, specifiche tecniche, producibilità di impianti eolici, ore equivalenti.

SISTEMI REAGENTI

Combustione

Panoramica sulle fonti fossili e sui combustibili da esse derivati. Analisi dei processi di combustione: potere calorifico; rapporto stechiometrico; composizione e proprietà termofisiche dei gas combusti; tonalità termica; indice di Wobbe; rendimento di un generatore di calore; fattori di emissione ed emissioni specifiche di CO2 nella generazione di energia elettrica, nel trasporto e nel riscaldamento; caratteristiche e proprietà dei principali combustibili fossili.

Bilancio energetico di sistemi reagenti

Entalpia di formazione, entalpia di reazione, reazioni a pressione e temperatura costanti: bilancio di Primo e Secondo Principio, variazione di energia libera di Gibbs, massimo lavoro ottenibile, influenza delle condizioni operative (pressione, temperatura, composizione chimica).

Celle elettrochimiche

Definizioni generali, legge di Faraday, tensione teorica di cella, potenziale di elettrodo, irreversibilità, tensione reale di cella, curva caratteristica e circuito equivalente.

ACCUMULO DI ENERGIA

Generalità sui sistemi di accumulo di energia per applicazioni centralizzate e distribuite: classificazione in relazione alla forma energetica di accumulo (elettrica, meccanica, termica), definizioni dei principali parametri operativi (capacità, State of Charge, Round-Trip Efficiency, potenza di carica e scarica), applicazioni, relazione tra potenza di scarica ed energia disponibile (diagramma di Ragone).

Batterie elettrochimiche

Classificazione e principi di funzionamento, energia specifica teorica ed effettiva, effetto del livello di carica e della temperatura sulla tensione, effetto dell'intensità di corrente sulla capacità, caratteristiche prestazionali dei principali tipi di batteria elettrochimica.

Idrogeno

Caratteristiche generali del vettore energetico idrogeno e del suo possibile ruolo nel sistema energetico.

Produzione

Panoramica sui sistemi di produzione dell’idrogeno. Elettrolisi: classificazione e principi di funzionamento dei principali tipi di elettrolizzatore (alcalini, AEM, PEM, SOEC), caratteristiche funzionali e operative, confronto tra le prestazioni.

Accumulo

Problemi generali e requisiti dei sistemi di accumulo di idrogeno; classificazione, caratteristiche di sistemi di accumulo fisico (idrogeno compresso, criocompresso, liquido) e chimico (idruri metallici, ammoniaca, LOHC), confronto tra le prestazioni.

Impiego

Cenni ai processi Power-to-Gas e Power-to-Liquid; celle a combustibile: caratteristiche generali, principi di funzionamento dei principali tipi di celle a combustibile (AFC, PEM, PAFC, MCFC, SOFC), parametri operativi (rendimento di cella e complessivo, tensione, curva caratteristica).

ANALISI ECONOMICA DI IMPIANTI DI GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E DI ACCUMULO

Impianti di generazione: Levelised Cost Of Electricity (LCOE).

Impianti di accumulo di energia elettrica: Levelised Cost OF Storage (LCOS).

Impianti di produzione di idrogeno: Levelised Cost Of Hydrogen (LCOH).

Eventuali propedeuticità

Anche se non sono previste propedeuticità formali, prima di frequentare il corso di è fortemente consigliato di aver sostenuto gli esami di Chimica, Elettrotecnica, Fisica Tecnica e Macchine.

Testi di riferimento

Dispense fornite dal docente e disponibili sulla piattaforma MS Teams.

Per ulteriori approfondimenti:

• Burton, T. L., N. Jenkins, E. Bossanyi, D. Sharpe e M. Graham (2021). Wind Energy Handbook. 3a ed. Wiley. isbn: 9781119451143. doi: 10.1002/9781119451143.

• D. Cocco, P. Puddu. Tecnologie delle Energie Rinnovabili, 3a ed., Padova: Servizi Grafici Editoriali, 2016. ISBN: 9788889884331.

• Goswami, D. Y. (2015). Principles of Solar Engineering. 3a ed. CRC Press, Taylor & Francis. isbn: 9781466563797.

• Mertens, K. (2018). Photovoltaics: Fundamentals, Technology, and Practice. 2a ed. Wiley. isbn: 9781119401049.

• J. Larminie e A. Dicks. Fuel Cell Systems Explained. 2a ed. John Wiley & Sons, 2003. ISBN: 9781118878330. DOI: 10.1002/9781118878330.

• M. Sterner e I. Stadler. Handbook of Energy Storage. 1a ed. Berlino, Heidelberg: Springer, 2019. ISBN: 978-3-662-55504-0.

• F. P. Incropera. Climate Change: A Wicked Problem. New York: Cambridge University Press, 2016. ISBN: 9781107521131.

• International Energy Agency. Projected Costs of Generating Electricity. 2020 Edition. https://www.iea.org/reports/projected-costs-of-generating-electricity-2020

Modalità d'esame

L'esame prevede una prova orale.

La prova orale ha lo scopo di verificare l’apprendimento e la padronanza dei concetti teorici del corso, nonché la capacità di discutere criticamente problemi legati agli argomenti affrontati nel corso.

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