Research | Energia Sostenibile

Integrazione di sistemi di accumulo ad aria compressa (CAES) con impianti ad energia rinnovabile.

Descrizione: La ricerca è finalizzata allo studio di sistemi di accumulo pneumatico (CAES) abbinati ad impianti eolici. La crescente diffusione degli impianti eolici rende necessaria la disponibilità di adeguati sistemi di accumulo energetico per compensare lo sfasamento tra domanda e disponibilità di energia. I sistemi di accumulo di aria compressa offrono notevoli potenzialità in termini di costi di impianto e di capacità di accumulo. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un modello termo-economico che decrive il funzionamento di un impianto di accumulo pneumatico composto da compressori multistadio interrefrigerati, turbine multistadio, serbatoio a volume costante, camera di combustione e sistemi di recupero del calore di compressione. Il sistema di accumulo può funzionare con alimentazione dalla rete elettrica, ovvero abbinato ad un impianto eolico e/o ad un impianto fotovoltaico. Il modello è stato validato con dati rilevati presso un impianto CAES in Alabama, durante un soggiorno di studio di uno degli autori. Sono stati studiati sia il dimensionamento ottimale dell'impianto che le modalità di gestione energetica ottimizzata, anche utilizzando tecniche di Dynamic Programming. Sono stati verificati i benefici ottenibili con la previsione della potenza eolica, effetuata tramite reti neurali ricorrenti. I risultati hanno mostrato come questo tipo di impianto, opportunamente dimensionato e controllato, possa dare notevoli benefici in termini economici e di riduzione di CO2.

Ricercatori coinvolti: Ivan Arsie, Vincenzo Marano, Michael Moran, Gianluca Nappi, Gianfranco Rizzo, Giuseppe Savino, Francesco Antonio Tiano

Modelli per una gestione efficiente dei sistemi di condizionamento nelle centrali telefoniche

Descrizione: Obiettivo della ricerca, svolta nell’ambito di una collaborazione con Telecom, è lo sviluppo di modelli matematici finalizzati al miglioramento delle attuali strategie di gestione dei sistemi di condizionamento delle centrali telefoniche. Sono stati sviluppati due modelli, a diverso livello di dettaglio. Mentre primo si propone di descrivere con un buon livello di dettaglio la dinamica termica di una generica sala di commutazione, il secondo ha invece come obiettivo la stima dei consumi complessivi di una centrale al variare delle condizioni ambientali. Tali modelli sono impiegati nell’analisi dei dati raccolti da un sistema di monitoraggio energetico ed ambientale denominato Kaleidos, installato nelle 100 maggiori centrali di commutazione di Telecom Italia, al fine di valutare gli scenari di consumo energetico in relazione alle condizioni ambientali esterne ed ai possibili interventi sui sistemi di condizionamento. I ritorni economici degli investimenti sono risultati generalmente inferiori ai tre anni e in alcuni casi i risparmi nei consumi complessivi di ogni centrale sono risultati dell’ordine del 30%. Il primo modello (Modello Termico della Sala-MTS), è stato sviluppato mirando al miglior compromesso tra precisione, onere sperimentale e rapidità di calcolo. Pertanto, il ricorso ad un approccio gray-box ha consentito lo sviluppo di un modello lumped della dinamica termica applicando il principio di conservazione dell’energia ad un volume di controllo che ingloba l’intera sala di commutazione. Il modello MTS, identificato e validato sperimentalmente mediante confronto con i dati acquisiti dal sistema Kaleidos, è particolarmente adatto all’analisi ed all’ottimizzazione delle strategie di gestione dei sistemi di raffreddamento delle singole sale. Il secondo modello (Modello della Centrale-MC), di tipo black-box, è stato sviluppato con l’obiettivo di mettere a punto uno strumento per la predizione dei consumi di un’intera centrale al variare della stagionalità, dei carichi termici e della strategia di gestione dei sistemi di condizionamento. Il modello MC costituisce quindi uno strumento di particolare utilità nella definizione di strategie di energy savings potenzialmente applicabili alle centrali Telecom.

Ricercatori coinvolti: Marco Sorrentino, Gianfranco Rizzo, Marco Gaspardone, Fernando Genova

Modellazione orientata al controllo ed alla diagnosi di celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC)

Descrizione: L’attività di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di metodologie modellistiche basate sull’approccio gerarchico per il controllo e la diagnosi di sistemi energetici basati su celle SOFC. L’attività è motivata dal crescente interesse dei ricercatori operanti nel settore verso l’ottimizzazione delle prestazioni, l’aumento di affidabilità e la riduzione dei costi di produzione delle SOFC, destinate sia ad applicazioni fisse (e.g. generazione stazionaria di energia elettrica, cogenerazione) che mobili (i.e. generazione di energia elettrica ausiliaria su veicoli, imbarcazioni ed aerei). La disponibilità di strumenti di calcolo avanzati, che rispondano ai contrastanti requisiti di elevata precisione e ridotti oneri computazionali e sperimentali, può contribuire significativamente alla progettazione ed allo sviluppo di sistemi energetici basati su SOFC. Al livello più elevato della struttura gerarchica (v. Figura) è presente un modello monodimensionale stazionario di una SOFC. In virtù del soddisfacente contenuto fisico, il modello monodimensionale è adatto alla generazione di dati di riferimento utili alla definizione di sottomodelli a basso contenuto fisico ma con ridotto onere computazionale, i.e. modelli di sintesi o black-box. Seguendo l’approccio gerarchico, è stato quindi sviluppato un modello dinamico per lo studio della risposta in transitorio di una SOFC alle variazioni delle principali variabili di controllo. Le attività successive sono state finalizzate allo sviluppo di un codice di calcolo destinato sia all’analisi Balance Of Plant (BOP) che alla definizione di strategie ottimali per il controllo e la diagnosi di sistemi SOFC alimentati a metano. Da ciò è scaturita l’opportunità di condurre un’analisi estesa finalizzata alla progettazione di un’intera APU ibrida da 5 kW, costituita dal sistema SOFC e dal pacco batterie. Sono state altresì sviluppate strategie di controllo destinate al soddisfacimento di due obiettivi specifici per la APU ibrida: la gestione energetica ottimale ed il funzionamento esente da stress termici che potrebbero danneggiare irreversibilmente lo stack e/o i componenti ausiliari. I risultati ottenuti consentono non solo di confermare la validità di tali strategie, ma anche di apprezzare i notevoli risparmi di combustibile ottenibili dall’utilizzo di una APU-SOFC in luogo dei sistemi tradizionali. Il codice di calcolo del sistema SOFC, oltre ad essere uno strumento di calcolo utile per finalità di progetto ottimizzato e controllo, si presta molto bene anche allo sviluppo di strategie per la diagnosi dei guasti cui può incorrere un sistema SOFC. La definizione di strategie diagnostiche finalizzate al prolungamento della vita ed alla riduzione di fenomeni degradanti per i sistemi SOFC costituisce l’obiettivo principale dei progetti GENIUS (GEneric diagNosis InstrUment for SOFC Systems, Grant agreement n. 245128) e DESIGN (“Degradation Signatures identification for stack operation diagnostic”, Grant agreement 256693), finanziati dall’Unione Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro, in cui è coinvolto dal febbraio 2010 il gruppo di ricerca dell’Eprolab.

Ricercatori coinvolti: Dario Marra, Cesare Pianese, Pierpaolo Polverino, Marco Sorrentino

Progetto e sviluppo di un tetto auto-orientabile per un veicolo solare.

Descrizione: Nella maggior parte dei veicoli solari, i pannelli fotovoltaici sono posizionati secondo il piano orizzontale e fissati alla scocca della vettura. Questa soluzione ingegneristica, sebbene sia chiaramente la più immediata sotto diversi punti di vista, non consente di massimizzare l'energia proveniente dalla radiazione solare. Un'analisi dei dati d'irraggiamento solare disponibile alle diverse latitudini ha mostrato come l'adozione di un tettuccio solare auto-orientabile possa offrire in linea di principio significativi incrementi dell'energia incidente. È altresì evidente che l'azionamento del pannello solare orientabile asservito ad un veicolo elettrico o ad un'auto ibrida alimentata da celle fotovoltaiche possa essere praticabile solo nelle fasi di parcheggio, che, comunque, rappresentano buona parte del tempo d'impiego del veicolo in contesti urbani. Il beneficio netto reale di un tettuccio solare orientabile potrebbe, inoltre, esser minore di quanto atteso, a causa dell'energia necessaria alla movimentazione e dei vincoli geometrici che limitano il reale raggiungimento delle posizioni di perfetta orientazione. D'altro canto, si è anche dimostrato che l'incremento dell'energia solare ottenibile rispetto al posizionamento orizzontale risulta particolarmente pronunciata alle elevate latitudini. Tale risultato contribuirebbe ad ampliare il mercato potenziale dei veicoli alimentati da pannelli solari. Nell'ambito della presente ricerca, è stato presentato uno studio sui benefici conseguibili mediante un tettuccio solare orientabile nelle fasi di parcheggio di un veicolo solare ibrido. È stato sviluppato un modello cinematico di robot parallelo a tre gradi di libertà, validato con dati sperimentali offerti da un prototipo di laboratorio. Sono stati, inoltre, definiti e validati due algoritmi in Matlab e SolidWorks. Si è così pervenuti alla valutazione degli effetti delle singole variabili di progettazione del tettuccio e dei risultati in termini di energia netta ottenibile attraverso simulazioni di esposizione solare del tettuccio in vari mesi dell'anno ed a diverse latitudini. Algoritmi di ottimizzazione vincolata non-lineare hanno permesso la determinazione delle variabili geometriche e cinematiche che massimizzano l'incremento netto di energia solare. È stata presentata un'analisi della gestione energetica del tettuccio solare mediante strategie di inseguimento ottimo che computano anche le perdite meccaniche per attrito, non sempre facilmente stimabili. È stato, infine, sviluppato un sistema di controllo di tipo "model based" costruito sull'uso combinato della misura della radiazione solare, del post-process di immagini fornite da una fotocamera digitale e dei dati provenienti da un modulo GPS. L'integrazione di tutti i componenti per l'implementazione del sistema di controllo ha trovato nella messa a punto di un dimostratore da laboratorio in scala un efficace compendio.

Ricercatori coinvolti: Gianfranco Rizzo, Adolfo Senatore, Cecilia Pisanti, Gaetano Coraggio

La refrigerazione magnetica

Descrizione: Alla luce delle problematiche ambientali relative all’impiego dei classici fluidi refrigeranti (HFC) impiegati negli impianti a compressione di vapore, si inserisce una nuova tecnologia nel campo della refrigerazione quale la refrigerazione magnetica. Tale tecnologia si basa sulla possibilità di raffreddare e di riscaldare una sostanza ferromagnetica, quale ad esempio il gadolinio, mediante processi di smagnetizzazione e magnetizzazione; in questo modo è possibile considerare un ciclo termodinamico inverso costituito dalle seguenti trasformazioni: magnetizzazione adiabatica, raffreddamento a campo magnetico costante (isocampo) con rigenerazione, demagnetizzazione adiabatica, riscaldamento isocampo con rigenerazione. Tale ciclo ha una netta somiglianza con il tradizionale ciclo di Brayton. Prendendo in considerazione, quindi, il ciclo di Brayton magnetico inverso rigenerativo è possibile pensare di realizzare un refrigeratore magnetico denominato Active Magnetic Regenerator (AMR). L’AMR è costituito, in definitiva, da una matrice porosa realizzata in materiale magnetico che funge sia da refrigerante che da rigeneratore ed al cui interno scorre un opportuno fluido; la matrice ha la forma di un disco che ruota tra le espansioni polari di un magnete permanente. I vantaggi, rispetto alla tradizionale refrigerazione a compressione di vapore, non sono limitati alla possibilità di raggiungere, comunque, temperature ultra basse, ma vanno ben oltre e si possono riassumere nelle seguenti considerazioni: • ottimo impatto ambientale: sono del tutto assenti i gas refrigeranti quali CFC, HCFC e HFC, mentre è possibile utilizzare come fluido di scambio semplicemente dell’acqua; • migliore efficienza: il processo di magnetizzazione e demagnetizzazione gode di un’elevata reversibilità ed inoltre per la refrigerazione magnetica non occorre utilizzare compressori e valvole di laminazione; • minore rumorosità: assenza del compressore; • alta densità di energia (dunque compattezza della macchina): la sostanza di esercizio è un solido e non un gas; Presso il Laboratorio di Tecnica del Freddo del Dipartimento di Ingegneria Industriale è in fase avanzata la realizzazione di un prototipo di refrigeratore magnetico di potenza frigorifera pari a circa 500 W.

Ricercatori coinvolti: Ciro Aprea, Angelo Maiorino

Impianti frigoriferi a compressione operanti con l'anidride carbonica e con fluidi sostitutivi degli HCFC

Descrizione: Negli ultimi anni la scoperta della dannosità “ambientale” dei fluidi adoperati negli impianti frigoriferi (HCFC, HFC), ha posto l'industria di fronte all'esigenza di trovare un'alternativa. Una delle risposte a questi tipi di considerazioni relative all’impatto ambientale, può essere costituita dall’impiego dell’anidride carbonica. Il problema, attualmente, risiede nella prestazione energetica che è minore se comparata ai tipici fluidi frigorigeni per cui, in dipendenza delle applicazioni, occorre studiare una serie di accorgimenti per incrementarla. Il ciclo a compressione di riferimento è di tipo transcritico e, prendendo le mosse da tale evenienza, una notevole mole di studi è in essere per trovare accorgimenti di impianto in grado di migliorare sia le prestazioni relative al compressore sia le prestazioni di scambio termico. A questo proposito l’attenzione può essere rivolta ad accorgimenti quali il flash gas-bypass”, la “back pressure valve” di tipo meccanico o elettronico, lo scambiatore interno ed il ricuperatore del lavoro di espansione. Va notato, infine, che, nell’ambito della dismissione dei fluidi a cui si è accennato precedentemente, anche negli impianti di climatizzazione delle automobili non potranno più evolvere i fluidi attuali. I cicli ad anidride carbonica transcritici potrebbero essere utilizzati, quindi, anche nelle applicazioni mobili della climatizzazione. Per effettuare le ricerche descritte, presso il laboratorio di Tecnica del Freddo del Dipartimento di Ingegneria Industriale è stato allestito un impianto frigorifero transcritico sperimentale operante con l'anidride carbonica. Le ricerca riguarda, inoltre, anche la sostituzione dei fluidi del HCFC negli impianti a compressione di vapore esistenti; il più diffuso tra i fluidi del HCFC da sostituire è l’R22 che, a partire dal 2010, può essere impiegato solo quando riciclato; tale pratica sarà ammessa fino al 2015. La ricerca riguarda, quindi, oltre all’individuazione dei fluidi più adatti, anche tutti gli accorgimenti necessari per il funzionamento corretto in caso di sostituzione del fluido quali la selezione degli opportuni materiali per le guarnizioni e le regolazioni necessarie delle valvole di laminazione. Le sperimentazioni sui fluidi sostituivi degli HCFC sono condotte su un impianto frigorifero sperimentale a compressione di vapore presente presso il Laboratorio di Tecnica del Freddo del Dipartimento di Ingegneria Industriale.

Ricercatori coinvolti: Ciro Aprea, Angelo Maiorino

Sistemi termo-fotovoltaici a concentrazione

Descrizione: Scopo dello studio di ricerca è l’analisi teorica e sperimentale di soluzioni tecniche capaci di utilizzare l'energia termica recuperabile dai moduli fotovoltaici per soddisfare sia le richieste termiche che frigorifere (solar cooling) di un’utenza domestica. L'idea di utilizzare moduli fotovoltaici ibridi per soddisfare le esigenze, non solo elettriche, ma anche termo-frigorifere di un'utenza può rivelarsi conveniente dal punto di vista energetico ed economico. È stato studiato un particolare modulo fotovoltaico ibrido rappresentato dall'evaporatore fotovoltaico che sottoposto ad irradiazione solare permette di migliorare sia l'efficienza del collettore solare, grazie allo scambio termico con il fluido refrigerante, che le prestazioni termodinamiche di una pompa di calore fotovoltaica rispetto ad una pompa di calore tradizionale che operi nelle stesse condizioni di esercizio. Inoltre, l'energia elettrica proveniente dai moduli fotovoltaici può essere utilizzata anche nei mesi estivi per alimentare il motore elettrico del compressore quando il sistema funziona come macchina frigorifera. Un altro sistema ibrido oggetto di studio è quello termo-fotovoltaico a concentrazione (CPV/T). Lo studio realizzato è orientato a livelli di concentrazione medio-alti e a celle multi-giunzione ad alta efficienza. Considerando solo il contributo della radiazione solare diretta, modellata utilizzando le reti neurali, e definendo i carichi dell'utenza è possibile valutare le producibilità elettrica e termica di un sistema CPV/T e dimensionare il serbatoio termico, necessaria interfaccia tra l’utenza e il sistema a concentrazione. In particolare, le temperature (80-90°C) necessarie per il funzionamento di una macchina frigorifera ad assorbimento potrebbero essere garantite utilizzando moduli fotovoltaici a concentrazione. Lo studio dello scambio termico è stato realizzato con l'utilizzo del software Ansys, che ha permesso di modellare il comportamento del fluido termovettore che recuperando energia termica dalla cella fotovoltaica permette anche il suo raffreddamento migliorandone la resa elettrica. La realizzazione di un impianto sperimentale permette di valutare la tensione, la corrente, la potenze elettrica e la temperatura della cella soggetta alla radiazione solare diretta in diverse condizioni di funzionamento e di concentrazione e, quindi, la temperatura raggiunta dal fluido termovettore. La conoscenza delle grandezze suddette consente di verificare i risultati del modello teorico e la bontà della configurazione del sistema CPV/T adottato. Lo studio del sistema CPV/T considerato attraverso le suddette analisi teoriche e sperimentali ha permesso di verificare la fattibilità di un sistema CPV/T asservito ad un'utenza domestica in diverse condizioni di funzionamento (posizione geografica, radiazione solare incidente, tipo di utenza, etc.).

Ricercatori coinvolti: Carlo Renno, Fabio Petito

Campo di temperatura all'interfaccia di superfici in regime di attrito secco.

Descrizione: La Ricerca ha mirato inizialmente alla definizione di una soluzione analitica bidimensionale per lo studio dell’incremento di temperatura in contatti tribologici a secco. Il modello si basa su una sorgente termica in movimento che simula il flusso termico dovuto alla dissipazione per attrito; in linea di principio, il profilo caratteristico dell'intensità della sorgente termica può essere arbitrario. D'altra parte si immagina che la lastra su cui la sorgente si muove viene raffreddata su ambo i lati mediante scambio radiativo-convettivo in un ambiente a temperatura uniforme. Le condizioni al contorno sulla temperatura sono di III tipo e recuperano condizioni al contorno di Dirichlet e Neumann come casi particolari. Il campo adimensionale di temperatura nella lastra è stato risolto per in forma chiusa con il metodo di variazione dei parametri in termini di serie infinite. Sono stati, inoltre, valutati gli effetti dello spessore finito della lastra e di diverse condizioni al contorno termiche per diversi valori dei parametri adimensionali chiave coinvolti nella descrizione del problema. La soluzione analitica è stata altresì confrontata con le evidenze sperimentali rilevate su un sistema prototipale allestito mediante una lampada in movimento atta a simulare la sorgente termica in movimento, ossia il contatto strisciante. Il campo termico risultante viene rilevato attraverso termografia ad infrarossi per la ricostruzione del campo termico ed il confronto dei dati sperimentali con le predizioni del modello teorico. La tecnica ha dimostrato di potersi proporre come valido ausilio per il controllo del surriscaldamento di superfici in attrito secco.

Ricercatori coinvolti: Gennaro Cuccurullo, Vincenzo D'Agostino, Roberta Di Giuda, Vito Spingi, Adolfo Senatore