SMART ENERGY SYSTEMS
cod. 1009449

Anno accademico 2021/22
2° anno di corso - Primo semestre
Docente
Mirko MORINI
Settore scientifico disciplinare
Macchine a fluido (ING-IND/08)
Ambito
A scelta dello studente
Tipologia attività formativa
A scelta dello studente
48 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in INGLESE

Obiettivi formativi

Lo studente acquisirà
(i) le conoscenze specifiche relative ai sistemi di conversione dell’energia tradizionali ed innovativi e alla loro integrazione nelle reti energetiche
(ii) le nozioni fondamentali e gli strumenti teorici utilizzabili per la simulazione dinamica di sistemi complessi
(iii) la capacità di costruire modelli matematici per la simulazione di componenti di sistemi di diversa natura, tipologia e configurazione, dei quali sarà in grado di valutare e di definire il livello di dettaglio più opportuno effettuando le appropriate semplificazioni per ottenere risultati di accuratezza adeguata (anche in relazione a quella delle misure disponibili per calibrazione, validazione e confronto).
(iv) la capacità di applicare le conoscenze fondamentali ed i metodi di analisi appresi per l’approfondimento ulteriore e continuo della materia a livello superiore con particolare riferimento all’evoluzione dei Sistemi Energetici più complessi e delle tecniche di controllo più avanzate nel contesto di una transizione energetica sostenibile.

Prerequisiti

- - -

Contenuti dell'insegnamento

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze e le competenze necessarie all’implementazione di Sistemi Energetici integrati e dei relativi algoritmi di gestione e controllo “smart”. Dopo una introduzione ai Sistemi Energetici e alle soluzioni per la loro integrazione in reti energetiche complesse, si passeranno in rassegna le tecnologie di conversione attualmente utilizzate con particolare riguardo a quelle più avanzate (pompe di calore, sistemi Power-to-X, ecc.). Si analizzerà inoltre il ruolo delle tecnologie di accumulo dell’energia nell’ottica di aumentare la flessibilità e la resilienza dei Sistemi Energetici e delle tecniche di gestione avanzate (tra le quali quelle di tipo Model Predictive Control) che le abilitano. Infine, verranno presentate le procedure per lo sviluppo e l’applicazione dei modelli matematici utilizzati per la simulazione dei Sistemi Energetici (e delle reti in cui sono integrati) e degli algoritmi di gestione e controllo.

Programma esteso

1. Introduzione.
2. La flessibilità
a. Le tecnologie a fonte energetica rinnovabile programmabili (biomasse, idroelettrico, geotermico) e non programmabili (eolico, solare fotovoltaico, moto ondoso e maree)
b. I limiti delle tecnologie di conversione tradizionali (impianti a vapore, turbogas e cicli combinati) di fronte alla duck curve
c. Il demand side management
d. Il servizio di dispacciamento, il prosumer e le UVAM
3. Sistemi energetici integrati: intelligenti, sostenibili, sicuri e resilienti
a. Le reti energetiche: elettricità, gas, calore e mobilità
i. reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento
ii. ret gas
iii. reti elettriche
iv. mobilità: soluzioni per la propulsione, elettrificazione e batterie, combustibili alternativi
b. Le tecnologie per l’integrazione delle reti: co- e tri-generazione, pompe di calore, elettrolizzatori, colonnine di ricarica.
4. Le pompe di calore e gli impianti frigoriferi
a. Principi di funzionamento
b. La reversibilità ed il recupero del calore di scarto (ad es.data center, centri commerciali, ecc.)
5. Power-to-Gas e Power-to-X: impianti e processi
a. Elettrolizzatori e celle a combustibile: principi di funzionamento e architetture (alcalini, PEM, AEM, SOFC)
b. La metanazione
c. Gli elettrocombustibili
6. L’accumulo di energia
a. Sistemi per l’accumulo diretto: impianti idraulici, elettrocombustibili, batterie, LAES/CAES, accumuli termici
b. Soluzioni innovative per l’accumulo “indiretto”:
i. l’accumulo di energia termica nell’involucro edilizio (il progetto DISTRHEAT, www.distrheat.eu);
ii. l’accumulo di energia nei processi industriali (ad es. nell’ammoniaca o nei prodotti surgelati (il progetto CoACh, www.coachproject.it).
7. La gestione intelligente dei Sistemi Energetici e delle Reti Energetiche
a. Soluzioni ed algoritmi di gestione
b. Il Model Predictive Control (MPC)
c. Soluzioni MPC e architetture Model-in-the-Loop
8. Lo sviluppo di modelli matematici
a. Il processo di modellazione matematica e le sue fasi.
b. Classificazione dei modelli. Il ruolo dei modelli nello sviluppo di un nuovo prodotto/processo
c. I modelli nello spazio degli stati
d. Analogie tra domini meccanico, elettrico, termico e fluidodinamico
e. La linearizzazione dell’equazione di stato e dell’equazione di uscita di un modello nello spazio degli stati
f. L’identificazione parametrica
g. Model Order Reduction (MOR)
h. Introduzione alla validazione e quantificazione dell'incertezza di validazione
i. Cenni alla robustezza

Bibliografia

- - -

Metodi didattici

Lezioni frontali (online se previsto da misure finalizzate al contenimento della diffusione del COVID).

Periodicamente verrà caricato sulla piattaforma Elly materiale didattico a supporto delle lezioni svolte in aula e per l'approfondimento dei contenuti delle stesse.

Per accedere a questi contenuti (che sono parte integrante del corso) è necessaria l'iscrizione al corso on-line.

Modalità verifica apprendimento

Esame orale consistente nella discussione di un progetto elaborato in gruppo e in alcune domande riguardanti i contenuti del corso.

Il progetto consiste nello sviluppo di un modello di un sistema fluidodinamico o termodinamico e nell'implementazione dello stesso nell'ambiente di calcolo Matlab.

In presenza di limitazioni dovute al contenimento del contagio da COVID-19 l’esame verrà effettuato online mediante la piattaforma Teams.

Altre informazioni

E' consigliata la frequenza delle lezioni.

Gli studenti non frequentanti sono invitati a consultare la piattaforma Elly sulla quale verranno periodicamente elencati gli argomenti effettivamente svolti a lezione.

Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile

- - -