Utilizzazione di biogas per la produzione di energia elettrica: aspetti di processo e ambientali

Nel presente elaborato si è affrontato il tema dell’utilizzo di biogas per la produzione di energia elettrica e termica; in primo luogo è stata fatta una panoramica sulla diffusione degli impianti di digestione anaerobica in Europa e in Italia, con particolare attenzione alla logica degli incentivi volti alla promozione delle fonti rinnovabili. Il biogas presenta infatti il duplice vantaggio di inserirsi sia nell’ottica del “Pacchetto Clima-Energia” volto alla riduzione di consumi energetici da fonti fossili, sia nella migliore gestione dei rifiuti organici volta alla riduzione del conferimento in discarica. L’allineamento degli incentivi italiani con quelli europei, prevista dal Decreto Ministeriale 6 luglio 2012, presuppone un’espansione del settore biogas più oculata e meno speculativa di quella degli ultimi anni: inoltre la maggiore incentivazione all’utilizzo di rifiuti come materia prima per la produzione di biogas, comporta l’ulteriore vantaggio di utilizzare, per la produzione di energia e compost di qualità, materia organica che nel peggiore dei casi sarebbe inviata in discarica. Il progetto oggetto di studio nasce dalla necessità di trattare una quantità superiore di Frazione Organica di Rifiuti Solidi Urbani da R.D, a fronte di una riduzione drastica delle quantità di rifiuti indifferenziati conferiti ai siti integrati di trattamento di rifiuti non pericolosi. La modifica nella gestione integrata dei rifiuti prevista dal progetto comporta un aumento di efficienza del sito, con una drastica riduzione dei sovvalli conferiti a discariche terze, inoltre si ha una produzione di energia elettrica e termica annua in grado di soddisfare gli autoconsumi del sito e di generare un surplus di elettricità da cedere in rete. Nel contesto attuale è perciò conveniente predisporre nei siti integrati impianti per il trattamento della FORSU utilizzando le Migliori Tecniche Disponibili proposte dalle Linee Guida Italiane ed Europee, in modo tale da ottimizzare gli aspetti ambientali ed economici dell’impianto. Nell’elaborato sono stati affrontati poi gli iter autorizzativi necessari per le autorizzazioni all’esercizio ed alla costruzione degli impianti biogas: a seguito di una dettagliata disamina delle procedure necessarie, si è approfondito il tema del procedimento di Valutazione di Impatto Ambientale, con particolare attenzione alla fase di Studio di Impatto Ambientale. Inserendosi il digestore in progetto in un sito già esistente, era necessario che il volume del reattore fosse compatibile con l’area disponibile nel sito stesso; il dimensionamento di larga massima, che è stato svolto nel Quadro Progettuale, è stato necessario anche per confrontare le tipologie di digestori dry e wet. A parità di rifiuto trattato il processo wet richiede una maggiore quantità di fluidi di diluizione, che dovranno essere in seguito trattati, e di un volume del digestore superiore, che comporterà un maggiore dispendio energetico per il riscaldamento della biomassa all’interno. È risultata perciò motivata la scelta del digestore dry sia grazie al minore spazio occupato dal reattore, sia dal minor consumo energetico e minor volume di reflui da trattare. Nella parte finale dell’elaborato sono stati affrontati i temi ambientali,confrontando la configurazione del sito ante operam e post operam. È evidente che la netta riduzione di frazione indifferenziata di rifiuti, non totalmente bilanciata dall’aumento di FORSU, ha consentito una riduzione di traffico veicolare indotto molto elevato, dell’ordine di circa 15 mezzi pesanti al giorno, ciò ha comportato una riduzione di inquinanti emessi sul percorso più rilevante per l’anidride carbonica che per gli altri inquinanti. Successivamente è stata valutata, in modo molto conservativo, l’entità delle emissioni ai camini dell’impianto di cogenerazione. Essendo queste l’unico fattore di pressione sull’ambiente circostante, è stato valutato tramite un modello semplificato di dispersione gaussiana, che il loro contributo alla qualità dell’aria è generalmente una frazione modesta del valore degli SQA. Per gli ossidi di azoto è necessario un livello di attenzione superiore rispetto ad altri inquinanti, come il monossido di carbonio e le polveri sottili, in quanto i picchi di concentrazione sottovento possono raggiungere frazioni elevate (fino al 60%) del valore limite orario della qualità dell’aria, fissato dal D.Lgs 155/2010. Infine, con riferimento all’ energia elettrica producibile sono state valutate le emissioni che sarebbero generate sulla base delle prestazioni del parco elettrico nazionale: tali emissioni sono da considerare evitate in quanto l’energia prodotta nel sito in esame deriva da fonti rinnovabili e non da fonti convenzionali. In conclusione, completando il quadro di emissioni evitate e indotte dalla modifica dell’impianto, si deduce che l’impatto sull’ambiente non modificherà in maniera significativa le condizioni dell’aria nella zona, determinando una variazione percentuale rispetto agli inquinanti emessi a livello regionale inferiore all’1% per tutti gli inquinanti considerati (CO, PM10, NOX, NMCOV). Il vantaggio più significativo riguarda una riduzione di emissioni di CO2 dell’ordine delle migliaia di tonnellate all’anno; questo risultato è importante per la riduzione di emissione dei gas serra in atmosfera e risulta in accordo con la logica dell’utilizzo di biomasse per la produzione di energia. Dal presente elaborato si evince infine come l’utilizzo del biogas prodotto dalla digestione anaerobica della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani non comporti solo un vantaggio dal punto di vista economico, grazie alla presenza degli incentivi nazionali, ma soprattutto dal punto di vista ambientale, grazie alla riduzione notevole dei gas serra in atmosfera, in accordo con gli obiettivi europei e mondiali, e grazie al recupero di rifiuti organici per la produzione di energia e compost di qualità.

Valorizzazione energetica delle biomasse mediante conversione con processi termochimici e studio di fattibilità di un impianto di cogenerazione per la produzione di energia elettrica da biomasse lignocellulosiche

La finalità di questa tesi, oltre l’analisi sulla valorizzazione energetica delle biomasse e la loro conversione con processi termochimici, sarà quella di compiere uno studio di fattibilità di un impianto di cogenerazione di piccola taglia per la produzione di energia elettrica da biomasse lignocellulosiche, in particolare di scarti di potatura (sarmenti) delle viti.

Tecnologie per l'accumulo dell'energia

La situazione energetica mondiale, strettamente dipendente dai combustibili fossili, richiede un notevole cambio di rotta, per puntare su fonti energetiche più sostenibili dal punto di vista ambientale, ma che contemporaneamente permettano di evitare le negoziazioni in mercati competitivi come quello del petrolio. Un'efficiente soluzione per colmare i limiti legati all'utilizzo delle fonti rinnovabili è l'uso di sistemi di accumulo dell'energia; grazie a questi sistemi è possibile trasformare l'energia elettrica in altre forme di energia (meccanica, chimica, etc.) per poter essere accumulata e conservata fino al momento dell'utilizzo. Nel corso della trattazione verranno presentate le principali tecnologie per l'accumulo e/o lo stoccaggio di energia, attraverso una descrizione degli impianti, dei principali vantaggi e degli aspetti negativi legati a ciascuno di essi. In seguito saranno fissati i parametri fondamentali per l'analisi delle tecnologie al fine di stabilire, in base alle funzioni da assolvere, quali siano più adatte allo scopo.

Valutazione della sostenibilità ambientale tramite metodologia LCA di sistemi per lo sfruttamento di fonti alternative di energia e materiali

La dissertazione ha riguardato l’analisi di sostenibilità di un sistema agronomico per la produzione di olio vegetale a fini energetici in terreni resi marginali dall’infestazione di nematodi. Il processo indagato ha previsto il sovescio di una coltura con proprietà biofumiganti (brassicacea) coltivata in precessione alla specie oleosa (soia e tabacco) al fine di contrastare il proliferare dell’infestazione nel terreno. Tale sistema agronomico è stato confrontato attraverso una analisi di ciclo di vita (LCA) ad uno scenario di coltivazione della stessa specie oleosa senza precessione di brassica ma con l’utilizzo di 1-3-dicloropropene come sistema di lotta ai nematodi. Allo scopo di completare l’analisi LCA con una valutazione dell’impatto sull’uso del suolo (Land use Impact) generato dai due scenari a confronto, sono stati costruiti due modelli nel software per il calcolo del Soil Conditioning Index (SCI), un indicatore quali-quantitativo della qualità del terreno definito dal Dipartimento per l’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (USDA).

Caratterizzazione di epid a silicio amorfo per controlli dosimetrici su fasci di fotoni ad alta energia.

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Radioterapia del Policlinico S. Orsola - Malpighi e consiste nella caratterizzazione di un sistema di acquisizione per immagini portali (EPID) come dosimetro relativo bidimensionale da usare nei controlli di qualità sui LINAC. L’oggetto di studio è il sistema di acquisizione di immagini portali OPTIVUE 1000ST (Siemens), dispositivo flat panel di silicio amorfo (a-Si) assemblato all’acceleratore lineare Siemens Oncor. La risposta dell’EPID è stata analizzata variando i parametri di consegna della dose, mantenendo fissa la distanza fuoco-rivelatore. Le condizioni di stabilità, ottimali per lavorare, si hanno intorno alle 50 U.M. Dalle curve dei livelli di grigio ottenute risulta evidente che in diverse condizioni d’irraggiamento il sistema risponde con curve di Dose-Risposta differenti, pur restando nello stesso range di dose. Lo studio include verifiche sperimentali effettuate con l’OPTIVUE e usate per espletare alcuni controlli di qualità di tipo geometrico come la coincidenza campo luminoso – campo radiante e la verifica del corretto posizionamento delle lamelle del collimatore multilamellare. Le immagini portali acquisite verranno poi confrontate con quelle ottenute irraggiando tradizionalmente una CR (computed radiography), per la coincidenza e una pellicola radiocromica EBT 3, per l’MLC. I risultati ottenuti mostrano che, per il primo controllo, in entrambi i modi, si è avuta corrispondenza tra campo radiante e campo luminoso; il confronto fra le due metodiche di misura risulta consistente entro i valori di deviazioni standard calcolati, l’OPTIVUE può essere utilizzato efficacemente in tale controllo di qualità. Nel secondo controllo abbiamo ottenuto differenze negli errori di posizionamento delle lamelle individuati dai due sistemi di verifica dell’ordine di grandezza dei limiti di risoluzione spaziale. L’OPTIVUE è in grado di riconoscere errori di posizionamento preesistenti con un’incertezza che ha come limite la dimensione del pixel. Il sistema EPID, quindi, è efficace, affidabile, economico e rapido.

Progettazione e sviluppo di un collimatore multi-slit per un sistema tomografico cone-beam con raggi X di alta energia

L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nel progettare, realizzare e testare due collimatori multi-slit da applicare ad un sistema tomografico a raggi X con geometria cone-beam, caratterizzato da un voltaggio massimo di 320 kV. I collimatori che verranno realizzati sono un pre-collimatore e un post-collimatore entrambi multi-slit. Il fine ultimo è quello di riuscire ad avere un sistema di collimazione che permetta attraverso due sole tomografie di ottenere la ricostruzione dell'intero campione. L'abbattimento del tempo necessario per eseguire l'analisi costituisce il target su cui si basa questa tesi. Successivamente sulle immagini prodotte mediante questo nuovo sistema di collimazione saranno condotte delle specifiche analisi e i risultati saranno confrontati con quelli ottenuti mediante un sistema di collimazione a singola fenditura, anch'esso progettato in questa tesi e appositamente realizzato.

Creazione e validazione di un modello per lo sfruttamento dell'idrogeno come vettore di accumulo dell'energia elettrica

Nell’ambito di un progetto di ricerca sui sistemi di accumulo dell’energia elettrica, in corso di avvio al “Laboratorio di microreti di generazione e accumulo” di Ravenna, è stato sviluppato un modello di calcolo in grado di simulare il comportamento di un elettrolizzatore.Il comportamento di un generico elettrolizzatore è stato modellato mediante una serie di istruzioni e relazioni matematiche, alcune delle quali ricavate tramite un’analisi dettagliata della fisica del processo di elettrolisi, altre ricavate empiricamente sulla base delle prove sperimentali e dei dati presenti nella bibliografia. Queste espressioni sono state implementate all’interno di un codice di calcolo appositamente sviluppato, realizzato in linguaggio Visual Basic, che sfrutta come base dati i fogli di calcolo del software Microsoft Excel per effettuare la simulazione. A partire dalle caratteristiche dell’elettrolizzatore (pressione e temperatura di esercizio, dimensione degli elettrodi, numero di celle e fattore di tuning, più una serie di coefficienti empirici) e dell’impianto generale (potenza elettrica disponibile e pressione di stoccaggio), il modello è in grado di calcolare l’idrogeno prodotto e l’efficienza globale di produzione e stoccaggio. Il modello sviluppato è stato testato sia su di un elettrolizzatore alcalino, quello del progetto PHOEBUS, basato su una tecnologia consolidata e commercialmente matura, sia su di un apparecchio sperimentale di tipo PEM in fase di sviluppo: in entrambi i casi i risultati forniti dal modello hanno trovato pieno riscontro coi dati sperimentali.

Studio e sperimentazione di un impianto di pirolisi alimentato a biomassa per la cogenerazione di energia elettrica e termica

Tesi volta all'ottimizzazione di un impianto di pirolisi sia dal punto di vista termochimico sia dal punto di vista energetico, caratterizzata dalla parte sperimentale costituita da prove eseguite direttamente sull'impianto.

Studio di un rivelatore per neutroni di alta energia

Guidata dall'interesse per lo studio della fissione nucleare, per molto tempo la ricerca nel campo dei neutroni si è concentrata su energie medio-basse (E<20 MeV) mentre per la regione a più alte energie le informazioni risultavano scarse o mancanti. Recentemente, invece, si è sviluppato un nuovo interesse per i Neutroni di Alta Energia, utilizzabili nelle terapie mediche per la cura di tumori, e di grande importanza per la radioprotezione e la trasmutazione delle scorie radioattive derivanti da produzione di energia nucleare. Queste applicazioni richiedono precisi fasci di neutroni quasi-monoenergetici, con energie dai 20 a qualche centinaia di MeV, servono perciò misurazioni intese a determinare le caratteristiche del fascio e atte a ottenere valori precisi della sezione d'urto relativa ai processi innescati da neutroni veloci. La sezione d'urto di un certo processo nucleare si deduce dalla misura del numero di eventi acquisiti per unità di tempo da un rivelatore, conoscendo l'efficienza di questo, l'intensità del fascio che incide nel bersaglio e le caratteristiche del target. Diventa, quindi, determinante la conoscenza dell'intensità del fascio dei neutroni, anche nel caso di un intervallo energetico ampio, come quello prodotto al CERN dalla facility n_TOF, che possiede energie che vanno dal meV al GeV. Sulla base di queste motivazioni, in questo lavoro di tesi, si vuole proporre un prototipo semplice di rivelatore per Neutroni di Alta Energia e si presenta uno studio preliminare del primo test sotto fascio, focalizzando l'attenzione sulla massima energia misurabile.

Applicazioni degli acciai inossidabili in sistemi per la produzione di energia.

Questo elaborato ha lo scopo di esporre quelli che sono i vantaggi derivanti dall' utilizzo degli acciai inossidabili, specificando il tipo di componente e le ragioni della scelta, nei sistemi per la produzione di energia: dalle turbine, agli impianti nucleari, fino agli impianti che sfruttano le energie alternative (solare, eolica, geotermica, biogas). Inizialmente viene fornito un quadro generale sui differenti tipi di acciai inox (martensitici, ferritici, austenitici e duplex, con le relative proprietà, sottolineandone vantaggi e svantaggi), descrivendone anche i sistemi di designazione, con particolare attenzione alla norma AISI (American Iron and Steel Institute). Una volta messe in risalto queste caratteristiche, vengono esaminati e descritti diversi sistemi di produzione di energia in cui gli acciai inox trovano applicazione: si parte dalle turbine (idraulica, a vapore e a gas), spiegando i benefici nell'utilizzo di particolari categorie di acciai inox nella realizzazione di alcuni dei componenti per questi impianti. Vengono quindi esaminati gli impianti nucleari, partendo da quelli che utilizzano come moderatore e fluido refrigerante acqua naturale, ("PWR", Pressurized Water Reactor) e ("BWR", Boiling Water Reactor), fino a quelli che utilizzano invece acqua pesante ("CANDU", Canadian Deuterium Uranium Reactor), nonchè i reattori veloci ("FBR", Fast Breeding Reactor). Infine, vengono esaminate le applicazioni degli acciai inox, nei sistemi per la produzione di energia che, sfruttano fonti alternative (elencate in precedenza).

Impianti idroelettrici per la produzione di energia

L'energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile che sfrutta il moto dell'acqua, generato grazie all'energia potenziale presente tra due bacini posti a quote diverse per convertire l'energia meccanica in elettrica attraverso un alternatore collegato a turbina. Gli impianti si classificano in: impianti ad acqua fluente, a deflusso regolato, ad accumulo tramite pompaggio. Le turbine idrauliche sono quei dispositivi meccanici in grado di convertire l'energia cinetica in energia meccanica. Fra tutte studieremo la Pelton, la Francis e la Kaplan e i loro criteri di scelta. I grandi impianti hanno un notevole impatto ambientale, ecco perché la nuova tecnologia si basa sul mini idroelettrico; quest'ultimo dal punto di vista economico è competitivo rispetto alle altre fonti rinnovabili ed ai combustibili fossili.

Contributo del Gruppo di Lavoro “Gestione e monitoraggio PON 2007/2013” del Dipartimento Ingegneria, ICT e Tecnologie per l'Energia e i Trasporti alla Conferenza di Dipartimento HORIZON 2020@DIITET del 26 e 27 maggio 2014 - Report del primo anno di lavoro

La progettualità legata ai Bandi PON costituisce una parte consistente delle attività del Dipartimento. Attualmente sono 53 i progetti, legati al VII Programma Quadro, gestiti dal Dipartimento.

Analisi e simulazione di un ciclo Rankine organico per il recupero di energia a bassa entalpia.

Questo lavoro è incentrato sull'analisi e la simulazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) per la produzione di energia da calore a bassa entalpia. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'università di Gent, in Belgio, in particolare grazie al Prof. De Peape e all' Ing. Steven Lecompte; il lavoro in Italia è stato coordinato dal Prof. De Pascale. L'obiettivo principale della tesi è stata la creazione un modello computazionale in grado di descrivere le prestazioni dell'impianto a carico parziale. Ogni elemento dell'impianto è stato analizzato e modellizzato secondo un approccio di simulazione originale in Matlab. I componenti ottenuti sono stati poi combinati a formare la simulazione dell'intero sistema; questa è in grado di prevedere la potenza prodotta ed il rendimento del ciclo al variare delle condizioni esterne. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi confrontati con i dati sperimentali raccolti sull'impianto di prova dell'Università. Questo confronto dimostra un buon accordo dei risultati previsti con quelli misurati. L'errore relativo massimo ottenuto per la potenza elettrica è sotto il 7%, così come quello sul rendimento; Gli errori relativi a pressione ed entalpie sono in genere sotto il 5%. Il modello può perciò dirsi validato e rappresenta un valido strumento di analisi per comprendere la risposta ai carichi parziali anche al di fuori del range di calibrazione. Il modello è stato infine utilizzato per costruire delle mappe del carico parziale e analizzare l'influenza delle variabili del ciclo. Ulteriori applicazioni delle mappe prodotte sono proposte a fine del lavoro.

Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

Simulazioni Monte Carlo delle proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di neutroni ad alta energia

I neutroni possono essere classificati in base all'energia e per anni lo studio sui neutroni si è focalizzato verso le basse energie, ottenendo informazioni fondamentali sulle reazioni nucleari. Lo studio per i neutroni ad alta energia (E >20 MeV) ha ultimamente suscitato un vivo interesse, poiché i neutroni hanno un ruolo fondamentale in una vasta gamma di applicazioni: in campo medico, industriale e di radioprotezione. Tuttavia le informazioni sperimentali (sezioni d'urto) in nostro possesso, in funzione dell'energia dei neutroni, sono limitate, considerando che richiedono la produzione di fasci con un ampio spettro energetico e delle tecniche di rivelazione conforme ad essi. La rivelazione dei neutroni avviene spesso attraverso il processo di scintillazione che consiste nell'eccitazione e diseccitazione delle molecole che costituiscono il rivelatore. Successivamente, attraverso i fotomoltiplicatori, la luce prodotta viene raccolta e convertita in impulsi energetici che vengono registrati ed analizzati. Lo scopo di questa tesi è quello di testare quale sia la migliore configurazione sperimentale di un rivelatore costituito da scintillatori e fotomoltiplicatori per quanto riguarda la raccolta di luce, utilizzando una simulazione Monte Carlo per riprodurre le proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di un rivelatore ad alta energia.