Questo insegnamento approfondisce alcune tematiche di interesse per la conversione dell'energia principalmente da fonti fossili attraverso un approccio strettamente tecnico ed ingegneristico. Vengono descritti i principi di funzionamento di alcuni sistemi energetici, il loro comportamento in condizioni di fuori progetto e si evidenzia come l'analisi termodinamica porti a introdurre accorgimenti progettuali ed operativi atti a renderli più efficienti ed economici.

Conoscenza e comprensione

• Lo studente è in grado di riconoscere i principali indici che definiscono le prestazioni, le emissioni e i costi associati di un qualunque impianto energetico.
• Lo studente è capace di effettuare un'analisi termodinamica e ingegneristica delle tipologie di impianto esaminate nel corso dell'insegnamento al fine di individuare i parametri progettuali che influenzano in modo più significativo prestazioni, emissioni e costi associati.
• Lo studente è in grado di riconoscere le relazioni di causa-effetto a cui è soggetto il funzionamento di un impianto al variare dei principali parametri progettuali e delle condizioni al contorno

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

• Lo studente è in grado di valutare numericamente prestazioni ed emissioni di impianti (anche complessi) di conversione dell'energia e calcolare i principali indici caratteristici attraverso l'impostazione ed esecuzione di bilanci di conservazione di massa, specie chimiche ed energia.
• Lo studente è capace di valutare le prestazioni di turbine a gas e cicli combinati in condizioni di fuori progetto applicando le leggi di funzionamento dei singoli componenti e gli opportuni bilanci di conservazione.
• Lo studente è in grado di elaborare un'analisi economica per valutare i costi associati alla produzione di vettori energetici e all'abbattimento di emissioni di inquinanti locali e globali

Capacità di apprendimento

• Lo studente è capace di applicare le nozioni apprese per analizzare dal punto di vista termodinamico e ingegneristico differenti tipologie di impianti.
• Lo studente è capace di valutare le condizioni operative di impianti di differente tipologia in condizioni di fuori progetto applicando le metodologie apprese nel corso dell'insegnamento.

Approfondimenti sulle turbine a gas: Circuiti di raffreddamento di turbine a gas. Matching fluidodinamico turbina-compressore per turbine a gas mono- e multi-albero. Fondamenti sulla regolazione e il funzionamento in condizioni di fuori progetto di turbine a gas, cicli a vapore e cicli combinati.

Reattori a letto fluidizzato: Tipologie di letti per il contatto gas-solido: fissi, fluidizzati e a flusso trascinato. Idrodinamica della fluidizzazione gas-solidi. Scambio termico e di massa in letti fluidizzati. Caldaie a letto fluidizzato bollente e circolante. Formazione di inquinanti e trattamenti di abbattimento.

Gassificazione: Tecnologie di gassificazione: letti fissi, fluidi, trascinati. Principali processi commerciali di gassificazione del carbone a flusso trascinato. Impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycles). Linea di trattamento syngas. Unità per il frazionamento criogenico dell'aria. Abbinamento fra sezione di processo e ciclo combinato. Problematiche di funzionamento delle turbine a gas alimentate a syngas. Schemi di impianto e prestazioni ottenibili in sistemi IGCC. Possibili evoluzioni della tecnologia.

Produzione di idrogeno: Impianti per produzione di H₂ da carbone e gas naturale. Tecnologie per lo steam reforming del gas naturale. Reattori FTR (Fired Tubular Reformer) e ATR (Auto-Thermal Reformer). Caratteristiche e organizzazione del processo. Reattori di water gas shift. Sistemi PSA (Pressure Swing Adsortpion) per la purificazione dell'idrogeno.

Centrali con rimozione di CO₂: Strategia CCS (Carbon Capture and Sequestration) per la mitigazione delle emissioni di CO₂ in atmosfera. Opzioni per il sequestro di lungo periodo. Tecniche di cattura commercialmente disponibili per applicazione in centrali a carbone: cattura pre-combustione in impianti IGCC, combustione in ossigeno, rimozione di CO₂ dai gas combusti. Applicazioni a cicli combinati a gas naturale. Incidenza economica della cattura di CO₂. Quantificazione e valorizzazione delle esternalità.

Valutazioni energetiche e ambientali nel settore trasporti: Impianti per la generazione di carburanti alternativi per la propulsione stradale. Produzione di etanolo, biodiesel, benzine e gasoli da processi Fischer-Tropsch, DME. Valutazione dei consumi di energia ed emissioni inquinanti sulla filiera dei sistemi per la mobilità. (Argomento non incluso nel corso SISTEMI ENERGETICI AVANZATI B - 6 CFU)

Microturbine a gas e cicli ibridi: Applicazioni della generazione distribuita. Principi guida nel progetto delle microturbine a gas. Caratteristiche dei componenti e condizioni operative. Funzionamento ai carichi parziali. Celle a combustibile: principi di funzionamento e prestazioni raggiungibili. Tecnologie utilizzate per la costruzione di celle a combustibile. Cicli ibridi basati su turbine a gas e celle a combustibile ad alta temperatura (tecnologie ad ossidi solidi e carbonati fusi): schemi di processo e prestazioni ottenibili. Utilizzo di celle a combustibile in centrali a bassa emissione di CO₂.

E' indispensabile la conoscenza delle configurazioni di impianto e dei principi di funzionamento dei principali cicli di potenza alimentati a combustibili fossili. Tali nozioni sono fornite dagli insegnamenti di Conversione dell'energia/Energy conversion (allievi energetici) e Energy Systems LM (allievi meccanici).

Gli allievi energetici trovano utili alla comprensione della disciplina le conoscenze fornite dagli insegnamenti di Fondamenti di processi chimici/Fundamentals of chemical processes e Impianti e processi chimici (C.I.)/Chemical processes and technologies

Regole per la valutazione degli allievi energetici (insegnamento da 8 CFU)

La verifica della preparazione conseguita è basata su:

• una prova scritta che verte sulla risoluzione di due problemi numerici relativi a tutti gli argomenti del corso. Sono previsti 5 appelli scritti all'anno:
  - 2 nella sessione di febbraio
  - 2 nella sessione di luglio
  - 1 nella sessione di settembre
  Durante la prova è possibile consultare qualsiasi tipo di materiale cartaceo ma non utilizzare personal computers. Gli allievi che superano la prova scritta con una votazione maggiore o uguale a 16/30 sono ammessi alla prova orale.
  Una votazione compresa da 9 a 15 trentesimi comporta l'esito "rimandato".
  Una votazione minore o uguale a 8/30 comporta l'esito "riprovato". La valutazione "riprovato" impedisce allo studente di iscriversi ai successivi appelli della stessa sessione (e quindi ha effetto pratico solo nel primo dei due appelli delle sessioni di febbraio e luglio).
   
• una prova orale da sostenersi in seguito al superamento della prova scritta, anche in un appello differente all'interno della medesima sessione.
  Il rifiuto del voto al termine della prova orale comporta l'obbligo di sostenere nuovamente la prova scritta.

Regole per la valutazione degli allievi meccanici (insegnamento da 6 CFU)
L'esame consiste in un'unica prova orale da sostenersi nelle date previste durante le sessioni di febbraio, luglio e settembre.

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Nella prova scritta si richiede di risolvere due problemi volti ad accertare la capacità di:

• Validare le condizioni operative e valutare le prestazioni di impianti (anche complessi) di conversione dell'energia, o porzioni di essi, attraverso l'impostazione ed esecuzione di bilanci di conservazione di massa, specie chimiche ed energia.
• Valutare le prestazioni di turbine a gas e cicli combinati in condizioni di fuori progetto applicando le leggi di funzionamento dei singoli componenti.
• Valutare le emissioni di impianti di conversione dell'energia e i costi associati al loro abbattimento.

La valutazione della prova scritta viene effettutata sulla base della soluzione formale e di quella numerica proposte dall'allievo.

La prova orale mira all’accertamento del grado di comprensione degli aspetti fondamentali dell’insegnamento e delle relazioni di causa-effetto a cui è soggetto il funzionamento di un impianto al variare dei principali parametri progettuali e delle condizioni al contorno. Una o più domande della prova orale vertono su argomenti trattati nel corso delle esercitazioni. Gli studenti sono tenuti a presentare all'orale le relazioni delle esercitazioni svolte durante l'anno.