Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

Immissione di idrometano in un impianto turbogas. Studio di fattibilità in un'azienda cartiera.

Per contrastare gli effetti dell’ormai inequivocabile cambiamento climatico che sta affliggendo il pianeta, nel 2015 l’Accordo di Parigi ha fissato gli obiettivi per intraprendere il processo di decarbonizzazione del settore energetico a livello mondiale. Nell’operare tale transizione risulta fondamentale individuare soluzioni alternative, che conducano principalmente all’abbattimento delle emissioni di gas serra ed altri inquinanti, e che siano allo stesso tempo in grado di assicurare il proseguimento del progresso economico. L’idrogeno, compatibile con l’impiego in un ampio ventaglio di applicazioni, può assumere un ruolo determinante nel raggiungimento di questi traguardi. Nel presente elaborato viene dunque delineata una panoramica complessiva inerente a tale tematica, dando rilievo alle tecnologie di generazione dell'idrogeno a basso impatto ambientale, in particolare quelle riguardanti l’elettrolisi dell’acqua, realizzabili attraverso l’impiego di energia elettrica generata da fonti rinnovabili. La trattazione prosegue con la presentazione del caso di studio, incentrato sull’utilizzo di idrometano, una miscela di gas naturale addizionata ad idrogeno, per la produzione di energia tramite l’impiego di quest’ultimo all’interno di un gruppo turbogas. Viene quindi eseguita una valutazione tecnico-economica, in riferimento all’industria cartiera del gruppo Pro-Gest di Mantova, riguardante la convenienza dell’installazione di un impianto per la produzione locale di idrogeno verde, destinato ad autoconsumo all’interno di una centrale cogenerativa. Il raggiungimento della competitività economica di soluzioni di natura simile a quelle esposte in questo elaborato, basate sullo sfruttamento di risorse rinnovabili, rappresenterebbe un grande passo in avanti per quanto riguarda la realizzabilità di una completa transizione ad un sistema energetico più sostenibile.

Definizione linee PIPING di vapore e condensa per impianto di riscaldamento dell'acqua ad uso industriale

In questo elaborato vengono descritte le modalità ed i criteri di progettazione di un impianto di riutilizzo di vapore surriscaldato residuo, per un’applicazione industriale di riscaldamento di acqua desalinizzata. Il vapore, che si trova stanziato in linee di accumulo considerate preesistenti, verrà successivamente spillato e canalizzato verso uno scambiatore termico a fascio tubiero controcorrente. A valle di quest’ultimo, si sviluppa una linea di ritorno di condensa che si conclude con il collegamento della stessa ad una linea di accumulo di condensa, anch'essa considerata preesistente. L’obiettivo principale dell’elaborato è la progettazione delle linee piping necessarie per la corretta e completa realizzazione dell’impianto sopracitato, sia a livello operativo che di sicurezza. A tale scopo, quindi, viene descritto il layout generale d’impianto, vengono stabiliti gli approcci da seguire, come la supportazione delle linee stesse ed i metodi di smorzamento delle tensioni termiche accumulate, ed, una volta introdotte le normative e gli standard utilizzati in fase di progettazione, viene fatta una verifica mediante utilizzo di software di calcolo a elementi finiti (Caesar 2), i cui risultati andranno a giustificare le scelte progettuali ed a convalidare l’attuale installazione del progetto.

Analisi di sensibilità di una comunità energetica rinnovabile con impianto fotovoltaico

Il presente lavoro ha lo scopo di valutare, tramite la creazione di un modello di calcolo, la fattibilità normativa, tecnica ed economica di una comunità energetica di tipo commerciale. Il caso studio analizzato si ispira a un’area commerciale di tipo B2B situata a nord di Bologna: sono stati analizzati vari scenari in ognuno dei quali è stata implementata una diversa configurazione. Quella di partenza dispone di un impianto fotovoltaico centralizzato da 660 kWp e montato su pensiline adibite a parcheggio: negli altri scenari, a questa configurazione, è stato aggiunto un sistema di ricarica per veicoli elettrici e successivamente anche un sistema di accumulo. Nello studio di quest’ultimo scenario sono emerse delle contraddizioni che rendevano priva di senso l’installazione di accumulatori per migliorare la convenienza economica della CER; pertanto, è stata cambiata la configurazione di partenza proponendo un impianto non più centralizzato, bensì, distribuito sui tetti dei membri della CER. Al fine di valutare la fattibilità economica delle diverse configurazioni proposte, è stato utilizzato come indicatore il tempo di ritorno (TR). I risultati mostrano come la configurazione che presenta il TR inferiore è quella dell’impianto distribuito con i sistemi di accumulo. Per concludere è stata condotta un’analisi di sensibilità in cui sono stati variati uno alla volta i seguenti parametri: il numero dei membri, la quota dei consumi in F1 e il costo dell’energia in bolletta. Si è visto che aumentando il numero dei membri, incrementa l’energia condivisa e quindi anche il ricavo dato dalla quota incentivante: il tutto si riflette in un tempo di ritorno via via inferiore. Una maggiore concentrazione dei consumi in F1 comporta un aumento dell’energia condivisa e conseguentemente una diminuzione del tempo di ritorno. Infine, si è osservato che all’aumentare del costo della componente energia in bolletta incrementano i risparmi e diminuisce il tempo di ritorno.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Analisi e ottimizzazione termodinamica del sistema di generazione di potenza di un impianto solare a concentrazione ibrido

Impianto solare termodinamico a concentrazione per la produzione di energia elettrica.

Metodi per la valutazione strategica dei piani energetici. Applicazione al caso della Provincia di Ravenna.

Lo scopo di questo studio è descrivere nel dettaglio la procedura di Valutazione Ambientale Strategica (VAS) relativa ai Piani Energetici Provinciali (PEP) al fine di delinearne un metodo efficace di valutazione, a partire dallo studio del caso della Provincia di Ravenna. In seguito alla mancanza di Linee Guida sulla VAS, si è ritenuta utile un´analisi comparativa tra metodologie e strumenti, e gli obiettivi specifici e generali che andrebbero rispettati in ogni VAS di un PEP. Lo studio si basa su confronti paralleli tra quattro casi di VAS di Piani Energetici Provinciali al fine di elaborare un modello di valutazione delle VAS, semplice e diretto, basato su contenuti teorici e metodologici provenienti da una selezione di studi e documenti nazionali e internazionali, di cui si è tenuto conto e da cui si sono estrapolate le migliori "Buone Pratiche" per la VAS. L´analisi seguente è stata effettuata attraverso matrici qualitative in cui, per ciascuna connessione tra metodologia e "obiettivo VAS" si è espresso un giudizio che cerca di tenere conto, quando possibile, dei criteri e dei principi generali di sostenibilità dettati dalle maggiori autorità e associazioni internazionali e nazionali di valutazione ambientale. Il confronto tra i quattro casi, ha evidenziato dei punti di debolezza nell´applicazione della Direttiva VAS. Questo studio inoltre, ha tra i suoi obiettivi, quello ambizioso di delineare un metodo efficace di valutazione strategica dei piani energetici provinciali, a partire dallo studio del caso della Provincia di Ravenna. Per questi obiettivi, si è deciso di impostare un programma di lavoro basato sui sistemi informativi geografici, che ha permesso di individuare le aree con potenziale di sviluppo energetico della risorsa solare. Nello specifico è stato possibile calcolare quanta “superficie utile”, presente nelle aree industriali e commerciali della Provincia, potrebbe essere sfruttata installandovi pannelli fotovoltaici. Si è riusciti con questa metodologia a fornire una stima più dettagliata delle reali potenzialità della risorsa solare in Provincia di Ravenna, individuando nel dettaglio territoriale le rispettive quote percentuali che potrebbero essere installate, per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità del piano. Il percorso iniziato con questa tesi consente di riflettere sulla necessità di approfondire il tema del rapporto tra valutazione ambientale qualitativa di uno strumento di pianificazione come la VAS, e la stima quantitativa sia della sostenibilità che del danno ambientale legato agli impatti negativi che questo strumento dovrebbe rilevare. Gli sviluppi futuri cui la tesi pone le basi sono l'implementazione di strumenti quantitativi di analisi delle potenzialità energetiche e di valutazione degli scenari. Questi strumenti sono necessari a definire i modelli ambientali per il supporto alle decisioni in campo energetico.

Bilancio energetico dell'impianto "Kite Gen Stem"

Bilancio energetico del prototipo Kite Gen Stem al fine di quantificare l'indice EROEI dell'impianto. L'analisi è effettuata mediante metodologia LCA.

Studio di fattibilità di un impianto di servizio cogenerativo per un'industria farmaceutica

Il seguente elaborato analizza lo studio di fattibilità di un impianto di servizio cogenerativo per un’industria farmaceutica. Il sito industriale preso in esame ben si presta all’istallazione di un cogeneratore, vista la contemporanea richiesta di energia elettrica e termica. Grazie all’analisi dei dati di partenza relativi all’impianto industriale, verrà scelta la tipologia e la taglia ottimale del gruppo, nonché la sua migliore ubicazione. Attraverso una profonda analisi economica verrà mostrata la redditività del progetto.

Green information technology

Quando si parla di green information technology si fa riferimento a un nuovo filone di ricerche focalizzate sulle tecnologie ecologiche o verdi rivolte al rispetto ambientale. In prima battuta ci si potrebbe chiedere quali siano le reali motivazioni che possono portare allo studio di tecnologie green nel settore dell’information technology: sono così inquinanti i computer? Non sono le automobili, le industrie, gli aerei, le discariche ad avere un impatto inquinante maggiore sull’ambiente? Certamente sì, ma non bisogna sottovalutare l’impronta inquinante settore IT; secondo una recente indagine condotta dal centro di ricerche statunitense Gartner nel 2007, i sistemi IT sono tra le maggiori fonti di emissione di CO2 e di altri gas a effetto serra , con una percentuale del 2% sulle emissioni totali del pianeta, eguagliando il tasso di inquinamento del settore aeromobile. Il numero enorme di computer disseminato in tutto il mondo assorbe ingenti quantità di energia elettrica e le centrali che li alimentano emettono tonnellate di anidride carbonica inquinando l’atmosfera. Con questa tesi si vuole sottolineare l’impatto ambientale del settore verificando, attraverso l’analisi del bilancio sociale ed ambientale, quali misure siano state adottate dai leader del settore informatico. La ricerca è volta a dimostrare che le più grandi multinazionali informatiche siano consapevoli dell’inquinamento prodotto, tuttavia non adottano abbastanza soluzioni per limitare le emissioni, fissando futili obiettivi futuri.

Energia da fonti rinnovabili negli edifici esistenti. Integrazione architettonica di captatori solari ed eolici.

Questa tesi tratta dell'applicazione agli edifici esistenti di dispositivi per la produzione energetica da fonte rinnovabile: solare fotovoltaica, solare termica ed eolica. Dopo aver analizzato i motivi economici ed ambientali che oggi inducono ad affrontare il tema complesso dell'integrazione di queste tecnologie anche negli edifici esistenti, vengono documentate alcune decine di recenti istallazioni, reperite in ambito internazionale, costituendo così un piccolo repertorio di casi applicativi. Il ricorso alle fonti di energia rinnovabili in architettura ed il concetto di sostenibilità applicato alla progettazione sono temi di interesse mondiale che coinvolgono la riqualificazione energetica del parco edilizio esistente. Questo fenomeno sta generando una vera rivoluzione che, da una dimensione culturale promossa dalle politiche energetiche dei vari paesi, travolge svariati ambiti disciplinari, primo tra tutti l'architettura. L’elaborato è idealmente diviso in quattro parti, come di seguito specificato. Nel primo capitolo vengono trattate le problematiche che stanno portando alla diffusione delle energie rinnovabili nel mondo e descritte le varie forme e tecnologie con cui si utilizzano. Nel secondo e terzo capitolo sono trattati i temi dell’energia negli edifici e la sostenibilità nel progetto per la riqualificazione energetica in architettura. Negli ultimi tre capitoli si analizzano le caratteristiche, i componenti ed il funzionamento dei sistemi fotovoltaici, solari termici e micro/mini-eolici applicati ai manufatti edilizi. Si descrivono, inoltre, le tecnologie e le soluzioni per l’integrazione di detti impianti sugli edifici esistenti. L’ultima parte, costituita dall’allegato che contiene le schede di analisi di alcuni casi studio, descrive la realizzazione di progetti di riqualificazione energetica in cui sistemi fotovoltaici, solari termici ed eolici vengono applicati ad edifici di vario genere.

Simulazione sociale nell'ambito della produzione e distrubuzione di energia da fonti rinnovabili.

Simulazione ad agenti nel settore fotovoltaico per individuare gli impatti che, gli strumenti di politica hanno sulle scelte degli agenti, sulla redditività economica dei loro impianti e sulle grandezze caratteristiche dell'ambiente simulato (es. Potenza installata, Spesa Totale). Inoltre l'applicazione permette, al singolo agente, di simulare un impianto per valutare la fattibilità e la redditività di un investimento nel settore: ciò è possibile in quanto la simulazione riproduce fedelmente gli aspetti normativi ed economici che lo regolano.

Sistemi Rh/CeO2-Al2O3 per l'ossidazione catalitica del metano

L’ossidazione catalitica parziale (CPO) del metano è un processo di elevato interesse scientifico ed industriale, permettendo la produzione su piccola scala di H2 o la produzione di syngas con un rapporto H2/CO = 2, utile per la produzione di metanolo o la sintesi di Fischer-Tropsch di idrocarburi. Inoltre, si possono raggiungere elevate conversioni del metano e selettività in syngas operando a bassi valori del tempo di contatto, riducendo così le dimensioni dei reattori. Tuttavia, gli elevati flussi e le temperature raggiunte nel letto possono condurre rapidamente alla disattivazione del catalizzatore; pertanto, è necessario lo sviluppo di materiali non soltanto attivi, ma anche stabili nelle condizioni di reazione. Lo scopo di questo lavoro è stato lo sviluppo di catalizzatori a base di Rh e ceria, utilizzati sia come pellets che supportati su una schiuma metallica. In particolare, il lavoro è stato focalizzato sulla sintesi, caratterizzazione ed attività catalitica di materiali Rh-CeO2-Al2O3. La presenza di CeO2 può modificare la dispersione del Rh metallico e la sua stabilità nei confronti della sinterizzazione e della formazione del carbone, mentre la stabilità termica è favorita dalla presenza di Al2O3. Poiché queste proprietà e, di conseguenza, le prestazione catalitiche dipendono dalla dimensioni delle particelle di CeO2 sono stati preparati catalizzatori con diverso contenuto di CeO2 (10 e 20 p/p %) ed utilizzando differenti metodi di preparazione per modularne le proprietà. Le sintesi sono effettuate per coprecipitazione e per sintesi con urea per trattamento micronde-idrotermale. Le prestazione dei catalizzatori in pellets sono state analizzate in un impianto di laboratorio operando a bassi valori del tempo di contatto e modificando la temperatura e la concentrazione della miscela gassosa, i.e. sia in condizioni lontane dall’equilibrio termodinamico che in condizioni prossime a quelle industriali. Un catalizzatore con lo stesso contenuto di Rh ed ottenuto da precursori tipo idrotalcite (HT) è stato utilizzato come riferimento. Per incrementare ulteriormente le prestazioni catalitiche, in particolare il trasferimento del calore lungo il letto catalitico, la migliore composizione individuata delle prove precedenti è stata depositata su pellets di una schiuma metallica (FeCrAlloy). E’ stato utilizzato il metodo dell’elettrosintesi per la deposizione di idrossidi di Rh, Ce e Al, ottenendo dopo calcinazione catalizzatori strutturati. Si è valutato l’effetto dei parametri di sintesi, potenziale applicato e tempo, sulle proprietà catalitiche. Anche in questo caso i risultati sono stati confrontati quelli ottenuti con un catalizzatori di riferimento ottenuti da un precursore HT preparati per elettrosintesi.

Implementazione di una rete di sensori per il controllo di gas inquinanti nell'ambiente

Negli ultimi anni i progressi tecnologici in termini di miniaturizzazione elettronica, hanno permesso la realizzazione di componenti hardware ed in particolare di microprocessori e sensori dalle dimensioni ridottissime. Questo ha favorito la recente diffusione di reti di sensori wireless (Wireless Sensor Network) basate su sistemi embedded più o meno complessi ed applicate a settori di mercato che vanno dalla domotica alle applicazioni industriali, fino al monitoraggio dei pazienti. Lo scopo di questa tesi, svolta in collaborazione con la società Rinnova di Forlì, consiste nell’implementazione di un dimostratore che mostri la reale capacità di realizzare una rete WS che si appoggia su di un sistema embedded commerciale ed ampiamente diffuso come la piattaforma Arduino ed in grado di rilevare il livello di ammoniaca presente negli allevamenti di pollame. Tale gas infatti, se presente in quantità notevole, provoca una dannosa alterazione comportamentale dei polli e risulta quindi un parametro molto importante da monitorare. Oltre al sensore di ammoniaca, misurazione principale richiesta dal progetto, ne sono stati aggiunti uno per la temperatura ed uno per l’umidità. L’architettura finale implementata è quella tipica di una rete a stella, in cui il master centrale colleziona a polling i dati provenienti dai sensori collegati agli slave e li invia ad un server web, rendendoli accessibili mediante la rete Internet. L’utente finale può così accedere alla pagina web da un qualunque PC dotato di connessione Internet, monitorare i dati dei sensori e soprattutto verificare quando il livello di ammoniaca supera la soglia di attenzione, potendo così intervenire immediatamente nell’allevamento per effettuare le dovute operazioni di pulizia.