Sistemi Energetici E Fonti Rinnovabili 2023/2024

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.

Fonti di energia rinnovabile

Generalità: classificazione delle fonti di energia rinnovabile; fattore di capacità o ore equivalenti di funzionamento; analisi economica: costo dell'elettricità prodotta o Levelized Cost Of Electricity (LCOE).

Fonti non programmabili

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.

Fonti programmabili

Energia idroelettrica: classificazione delle centrali idroelettriche; impianti idraulici di accumulazione dell'energia; diagramma cronologico delle portate e diagrammi dei deflussi.

Altre fonti di energia rinnovabili: Cenni su energia da biomasse, energia geotermica, moto ondoso e maree.

L'integrazione tra fonti rinnovabili e rete elettrica

Concetti di produzione centralizzata e distribuita (Comunità Energetiche e Autoconsumo). introduzione alla rete elettrica nazionale, definizione del diagramma di carico giornaliero e classificazione delle fonti energetiche che concorrono al soddisfacimento del carico. Concetto di fattore di potenza, statismo e regolazione della rete. Costo marginale di produzione, peak shaving e relativi sistemi di accumulo e di fuel diversification.

Sistemi reagenti

Combustione e impiego di fonti fossili: Analisi dei processi di combustione: potere calorifico; rapporto stechiometrico; composizione e proprietà termofisiche dei gas combusti; tonalità termica; indice di Wobbe; temperatura adiabatica di fiamma; rendimento di un generatore di calore. Emissioni specifiche di CO2 nella generazione di energia elettrica, nel trasporto, nella produzione di calore; considerazioni sull'elettrificazione degli usi finali nei suddetti settori energetici. Panoramica sulle fonti fossili e sui combustibili da esse derivati; caratteristiche e proprietà dei principali combustibili fossili; applicazioni di motori a combustione interna ed esterna nella generazione di energia elettrica e nel trasporto.

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).

Approccio alla decarbonizzazione dei sistemi energetici

Classificazione delle tipologie di emissioni inquinanti e differenziazione degli emission scope (Scope 1, 2, 3). Identificazione dei parametri di emissione di un sistema energetico in relazione al processo di interesse (consumo specifico e fattore di emissione specifico).

Calcolo dei fattori di emissione in relazione alla tipologia di vettore energetico impiegato e classificazione dei processi in relazione a norme e protocolli vigenti (GHG Protocol).

Introduzione ai concetti di Carbon Verification, Certification and Trade per il riconoscimento dei crediti di CO2, regolati da enti normatori quali ISO, Bureau Veritas, Verra & Gold Standard.

Esercitazione: calcolo delle emissioni inquinanti relative ad un dato sistema energetico, in relazione alla penetrazione di rinnovabili, diversificazione del combustibile primario e miglioramento delle prestazioni energetiche del sistema.

Analisi economica di impianti di generazione e di accumulo di energia elettrica

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).