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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 072574 - SISTEMI ENERGETICI E IMPATTO AMBIENTALE
Docente Campanari Stefano
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - BV (352) INGEGNERIA ENERGETICAE1NAM072574 - SISTEMI ENERGETICI E IMPATTO AMBIENTALE
E2NAZZZZ072574 - SISTEMI ENERGETICI E IMPATTO AMBIENTALE

Obiettivi dell'insegnamento

Questo insegnamento è mirato ad approfondire le diverse tematiche progettuali ed operative degli impianti per la produzione di energia elettrica e termica, con particolare attenzione al contenimento dell’impatto ambientale ad esse correlato. L’approccio è duplice: si tratteranno gli aspetti formativi (analisi dei problemi progettuali, delle leggi di funzionamento dei componenti, delle prestazioni anche in condizioni non nominali, dei meccanismi di formazione e di rimozione degli inquinanti), ma viene fornita anche una conoscenza dello stato dell’arte e dello sviluppo tecnologico di macchine ed impianti, nonché dei criteri generali di progettazione e di valutazione tecnica, economica ed ambientale.


Risultati di apprendimento attesi

Lo studente comprende le metodologie di analisi termodinamica dei sistemi energetici ed è in grado di individuare gli aspetti fondamentali che determinano il raggiungimento di elevata efficienza negli impianti energetici, con particolare attenzioni alle centrali termoelettriche.

Lo studente acquisisce le principali nozioni relative alla formazione degli inquinanti gassosi e alle tecnologie per il loro abbattimento; comprende altresì l'influenza di tali tecnologie sulle prestazioni e sul comportamento degli impianti.

Lo studente comprende gli aspetti fisici e tecnologici che guidano la progettazione dei principali componenti degli impianti, ed è in grado di applicare le leggi di comportamento di questi ultimi al fine di comprendere a fondo il funzionamento degli impianti nella loro complessità; matura altresì una sensibilità agli aspetti economici che guidano la progettazione e l'ottimizzazione sia dei componenti che del processo.

Lo studente è in grado di impostare in modo autonomo l'analisi dei principali aspetti che concorrono al successo delle diverse fattispecie di impianti e di comprendere il legame inscindibile tra gli aspetti termodinamici e quelli economici e ambientali. E' quindi in grado di operare autonomamente delle scelte ragionate tra le varie opzioni possibili.

Lo studente possiede una sufficiente conoscenza sia degli aspetti di base che di quelli applicativi per saper progettare e migliorare i processi energetici e per poterne comprendere l'evoluzione tecnologica e l'innovazione.


Argomenti trattati

Criteri generali di valutazione. Rilevanza economica dell'ottimizzazione dei processi termodinamici e del rendimento. Il costo di produzione dell'elettricità ; considerazioni generali sull'assetto della rete elettrica e ruolo dei vari tipi di centrali. Analisi con il secondo principio e discussione delle principali irrreversibilità presenti nei processi. Panoramica sulle emissioni inquinanti.

Le centrali elettriche con ciclo a vapore. Riesame del ciclo termodinamico in relazione allo status tecnologico. Assetto dettagliato delle centrali a combustibile fossile e cenni all'assetto del centrali nucleari. Generatori di vapore: tipologie, disposizione, circolazione, controllo della combustione, perdite e rendimento, combustibili impiegati. Smaltimento del calore in ambiente: problematica generale, normativa, ottimizzazione degli scambiatori di calore, sistemi ad acqua aperti, a secco, con torri evaporative. Elementi fondamentali della progettazione delle grandi turbine a vapore.

Formazione e abbattimento di inquinanti. Unità di misura della concentrazione di inquinanti in miscele gassose, diluizione, conversioni. Meccanismi di formazione e distruzione di CO e NO in sede di combustione (fondamenti) e parametri influenti. Tecniche di abbattimento primario (con particolare riferimento alle caldaie): combustione a stadi, ricircolazione gas di scarico, diluizione con inerti, combustione premiscelata. Tecniche di abbattimento secondario: denitrificazione catalitica, desolforazione ed abbattimento polveri dai fumi delle centrali. Assetto di una linea completa di trattamento fumi.

Le centrali elettriche con turbine a gas e ciclo combinato. Analisi dettagliata del ciclo, influenza della temperatura massima e del rapporto di compressione. Combustibili e combustori. Controllo delle emissioni di NO nelle turbine a gas (diluizione con inerti, premiscelazione). Espansione con raffreddamento delle pale. Influenza delle condizioni ambientali, regolazione e funzionamento a carico parziale. Ciclo combinato: assetto ed ottimizzazione del ciclo a vapore a recupero, cicli multi-livello. Caldaie a recupero. Prestazioni. Trasformazione di centrali a vapore esistenti in cicli combinati. Uso del carbone e dei residui petroliferi nei cicli combinati (IGCC), reazioni di gassificazione, tipi di gassificatori, configurazione di massima degli impianti IGCC, prestazioni e vantaggi in termini ambientali.

La cogenerazione. Motivazione termodinamica dei risparmi energetici. Indici di merito. Utilizzo delle varie tecnologie impiantistiche (vapore, turbogas, cicli combinati, motori alternativi). Curve di funzionamento ai vari carichi elettrici e termici. Tri-generazione. Principi di funzionamento dei frigoriferi ad assorbimento. Schemi impiantistici. Analisi di fattibilità.

Energie rinnovabili e tecnologie per la mitigazione dell'effetto serra. Emissioni di CO2 e riscaldamento globale. Tecnologie per la produzione di energia elettrica a emissioni nulle (o quasi) di gas serra. Energia rinnovabile: tipologie, disponibilità e aspetti tecnologici per geotermia (alta e bassa entalpia), biomasse, (mini)idraulica, energia eolica, energia solare (termica, fotovoltaico, termodinamico a concentrazione). Centrali a combustibili fossili con cattura e sequesto della CO2 (CCS): potenzialità del sequestro, fondamenti sulle tecniche di post-combustione, ossi-combustione, produzione di idrogeno (pre-combustione).


Prerequisiti

Lo studente deve possedere solide conoscenza di termodinamica applicata (principi della termodinamica, conservazione dell'energia, grandezze termodinamiche, diagrammi di stato, comportamento dei fluidi) e delle macchine operatrici e motrici (bilancio energetico dei sistemi aperti, lavoro euleriano, triangoli delle velocità, leggi della similitudine, turbine assiali ad azione e reazione, compressori, cicli termodinamici a vapore e a gas). Deve inoltre possede conoscenze basilari di Chimica, per poter trattare le tematiche di combustione e di formazione e contenimento degli inquinanti. Sono quindi ritenute assolutamente consigliate (ancorchè non obbligatorie) le conoscenze degli insegnamenti di Chimica, di Fisica Tecnica e di Macchine.


Modalità di valutazione

Il corso prevede, oltre alle classiche lezioni in aula, esercitazioni e laboratori progettuali (non obbligatori) dove gli allievi approfondiranno alcuni temi specifici, affrontando diverse problematiche e redigendo degli elaborati tecnici sulle attività svolte.

La verifica della preparazione conseguita è effettuata mediante esami scritti che riguardano tutti i temi trattati, incluse valutazioni numeriche. Alla valutazione finale concorrerà comunque il giudizio sugli elaborati relativi alle esercitazioni progettuali.

Il primo appello è sostituito da due prove in itinere scritte, la prima sui primi tre argomenti sopra elencati, la seconda sui restanti. Il superamento dell'esame richiede una valutazione sufficiente in entrambe le prove. In caso di mancato superamento della prima, l'allievo è comunque ammesso alla seconda prova, ma questa riguarderà solo gli argomenti della seconda parte (dovrà quindi ripresentarsi per completare l'esame, anche solo per quanto riguarda la prima parte, mantenendo la valutazione conseguita nella seconda, se positiva). In caso di mancato superemnto della seconda parte, se la prima è stata positiva, potrà negli appelli di luglio e settembre ripetere anche solo la seconda parte. I risultati conseguiti nelle prove in itinere non saranno più validi nella sessione invernale.

Le valutazioni numeriche e i quesiti teorici (anche 'multiple-choice') sono tesi a verificare la conoscenza dei processi termodinamici e la comprensione dei principi fisici, ai fini della loro applicazione nei sistemi di produzione energetica. Lo studente dovrà saper impostare bilanci energetici opportuni e valutazioni economiche, dovrà saper gestire (anche numericamente) problemi di impatto ambientale, conoscere i principi chimici e fisici alla base della formazione degli inquinanti e dei relativi metodi di contenimento, dovrà dimostrare di conoscere i principi di funzionamento di macchine e impianti, nonchè di conoscere le alternative tecnologiche e saperle confrontare. 


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaGiovanni Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Editore: Ed. Esculapio, Anno edizione: 2016, ISBN: 978-88-7488-934-1

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
70:00
105:00
Esercitazione
30:00
45:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
18/01/2021