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PORTALE DELLA DIDATTICA

Accumulo e trasporto di energia

01QHBND

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica E Nucleare - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 46
Esercitazioni in aula 5
Esercitazioni in laboratorio 9
Tutoraggio 4
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Chiavazzo Eliodoro Professore Associato ING-IND/10 40 5 0 0 5
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
A causa dell'inevitabile esaurimento delle scorte energetiche fossili e la sempre più pressante sfida del riscaldamento globale, si assiste ad una sensibilità ed un interesse sempre più crescenti nei confronti delle energie alternative e rinnovabili. Tra queste, ad esempio, l'energia solare é considerata tra le più promettenti per la sostituzione delle fonti tradizionali. Il problema principale però che ostacola lo sfruttamento su larga scala di tale risorsa (e delle altre rinnovabili) é il suo carattere instabile e intermittente, che genera una indesiderata sfasatura tra i momenti in cui la risorsa é disponibile e quelli in cui è richiesta dalle utenze. Le tecnologie per l'accumulo dell'energia sono essenziali per risolvere efficacemente tale problema e consentire così un utilizzo molto più esteso delle risorse energetiche naturali, al fine di poter aprire finalmente la strada all'uso estensivo delle rinnovabili. Nella fase introduttiva del corso, l'obiettivo é quello di presentare un'ampia e aggiornata panoramica delle soluzioni tecnologiche ad oggi sviluppate (sia quelle già disponibili sul mercato che quelle ancora oggetto di ricerca e sviluppo) per l'accumulo delle varie forme di energia. In seguito, ci si concentrerà sulle tecniche di accumulo e trasporto del calore con particolare enfasi sullo sfruttamento del solare termico. Nello specifico, il presente corso, tramite una serie di lezioni di teoria, discussione di casi studio, laboratori con l'uso di software di simulazione numerica ed esperimenti di accumulo del calore in laboratorio con coinvolgimento diretto degli studenti mira a fornire le competenze necessarie per scegliere con consapevolezza la tecnologia di accumulo termico più adatta (sensibile, latente o ad assorbimento) per massimizzare lo sfruttamento di una data risorsa intermittente. Ci si attende inoltre che lo studente acquisisca gli strumenti essenziali per il dimensionamento di massima di tali impianti, inclusa la relativa analisi energetica ed economica che sono considerati un know-how prezioso per un ingegnere energetico.
Due to a continuous and inevitable depletion of fossil fuels, in addition to the great challenge of global warming, we nowadays witness an increasing interest towards renewable and sustainable energy sources. Among all others, solar energy is regarded to as one of the most promising for substituting traditional energy sources. However, the main problem with solar energy (and many other renewable energies) is its intermittent and unstable nature, which determines an undesired time mismatch between its availability and demand. Energy storage is a key technology to properly address this issue, thus enabling a much more extensive use and exploitation of natural and green energy resources. In the introductory part of this course, we aim at providing an extensive and up-to-date overview of the disparate technology solutions which have been developed so far (both those that are already on the market and the ones that are still under investigations) for storing energy under diverse forms. Afterwards, we will particularly focus on thermal energy storage with a special emphasis on low-temperature thermal solar energy for civil applications. More precisely, this course, through a series of theoretical lectures, discussion of case studies, numerical exercises in the labs and experimental activities on heat storage aims at providing students with all necessary competencies for properly choosing the storage technology which maximizes the exploitation of a given intermittent energy source. We expect students to gain the essential know-how and tools for designing, sizing and analyzing (from both energy and cost perspective) the main components of storage plants.
Il corso si propone in primo luogo di trasmettere una conoscenza ampia delle diverse tecnologie ad oggi sviluppate per risolvere il problema fondamentale dell'accumulo energetico, con particolare enfasi sulle tecniche più efficienti di accumulo e trasferimento del calore. Attraverso le lezioni di teoria, lo studente apprende le modalità di funzionamento ed i principi fisici alla base dei dispositivi tecnologici e degli impianti utilizzati nella pratica. Tale parte del corso aiuterà inoltre lo studente ad avere una visione organica della materia studiata nonché lo guiderà nell'uso consapevole degli strumenti di calcolo. Infatti, abilità attesa dal corso é l'uso di strumenti quantitativi (i.e. software e/o formule) per la scelta ottimale e il dimensionamento di massima degli impianti di accumulo sensibile, latente e ad assorbimento. Tale abilità é essenziale per indurre nello studente l'attitudine al problem-solving: altra preziosa risorsa di un ingegnere energetico, ad esempio nello svolgimento della pratica professionale. Questo sarà perseguito tramite: 1) discussione di casi studio; 2) appositi laboratori numerici; 3) appositi esperimenti di laboratorio dove lo studente avrà modo di osservare ad esempio le modalità di misura di alcune quantità e/o processi di accumulo in precedenza trattati in teoria; 4) proposta da parte del docente di casi in cui bisogna dimensionare un sistema di accumulo (facoltativo da parte dello studente).
First of all, this course aims at providing a wide overview on the different technologies so far developed for addressing the fundamental problem of energy storage, with a special focus on the most effective approaches for storing (low-temperature) heat. Thanks to a number of theoretical lectures, the student has the opportunity of learning the basic principles and notions underlying the main components utilized in the energy storage devices. Those lectures will also help students to have a coherent vision of the matter and make an aware use of design tools that are discussed during the course. In fact, we expect students to acquire the ability of a quantitative design of storage systems (mostly sensible, latent and sorption thermal energy storage). Such an ability is essential for helping student in strengthening their problem-solving attitude (a very desirable skill of engineers). All this will be pursued by: 1) Case study discussion; 2) hands-on sessions during the numerical labs; 3) experiments in the heat storage lab; 4) solution of storage problems suggested by the lecturer (not mandatory).
Conoscenze di base su scambio termico e termodinamica applicata.
Basic knowledge on heat transfer and applied thermodynamics.
Il corso può essere suddiviso nei seguenti macro-blocchi: 1) Introduzione e richiami di base utili alla comprensione dei fenomeni di accumulo (4.5 ore). Introduzione al corso e brevi richiami delle principali nozioni di scambio termico conduttivo, convettivo e radiativo. Richiami in merito agli scambiatori di calore alettati e non. Brevi cenni alle nozioni di base della termodinamica applicata. 2) L'accumulo dell'energia nelle sue varie forme (7.5 ore). Utilità e vantaggi dell'accumulo energetico. Accumulo dell'energia in forma meccanica: Impianti di pompaggio e ad aria compressa. Accumulo con volani. Cenni alle batterie elettrochimiche. Il problema del deep cycling, la capacità di una batteria e le principali figure di merito dei sistemi di accumulo. Cenni all'accumulo magnetico e ai supercondensatori. Produzione e stoccaggio dell'idrogeno come strategia di accumulo energetica. 3) L'accumulo termico per via diretta: Accumulo sensibile (10.5 ore). Distinzione tra metodi di accumulo diretto e indiretto nella conservazione del calore. Materiali e schemi per impianti ad accumulo sensibile. Efficienza di prima e seconda legge, e dimensionamento della taglia e del periodo ottimale di un accumulo sensibile. Dimensionamento di piccoli accumuli ad acqua per il solare termico. Serbatoi tank in tank e con tubi di stratificazione. Dimensionamento di accumuli sensibili a letti di rocce. Analisi energetica ed exergetica semplificata dei serbatoi a stratificazione. Stagni solari. Esempi numerici di accumulo sensibile. 4) L'accumulo termico per via diretta: Accumulo latente (10.5 ore). Classificazione dei materiali per l’accumulo latente o a cambiamento di fase (organici, inorganici, eutettici). Cenni ai problemi di supercooling, segregazione e ciclabilità. Esempi di materiali disponibili in commercio per l’accumulo a cambiamento di fase (Phase-Change-Materials, PCM). L’uso dei PCM nei materiali da costruzione edile. Cenni all’uso dei PCM per il raffrescamento passivo degli edifici. Tecniche analitiche e numeriche di modellazione e calcolo dei PCM. Scelta del PCM ottimale. Esempi numerici di accumulo latente. 5) L'accumulo termico per via indiretta: Accumulo per assorbimento fisico e chimico (10.5 ore). La temperatura di inversione nei processi ad assorbimento. Sistemi di accumulo ad assorbimento chiusi e aperti. Trasformazioni e relazioni termodinamiche fondamentali per i processi ad assorbimento. I materiali assorbenti per l’accumulo termico. Il calore isosterico e il campo isosterico di una coppia assorbente-sorbato. Isoterme di assorbimento. Descrizione di un ciclo ideale e reale ad assorbimento per l’accumulo termico. Modelli semplificati per descrivere i fenomeni di assorbimento (Dubinin-Astakhov e Langmuir). Esempi numerici di accumulo ad assorbimento. 6) Trasporto efficiente del calore: I moderni approcci tramite micro- e nano-fluidi (4.5 ore). Cenni alle nano-sospensioni per il miglioramento delle proprietà termofisiche dei fluidi e del trasporto di calore. Cenni ai principali meccanismi di trasferimento dell’energia alla nanoscala. Cenni ai materiali a cambiamento di fase micro-incapsulati in sospensione per aumentare la capacità termica dei fluidi. Reti percolanti di nano particelle per l’aumento della conducibilità termica dei materiali di accumulo. Elementi di modellazione atomistica classica.
The course can be sub-divided as follows: 1) Introduction and brief review of basic notions useful to the comprehension of energy storage phenomena (4.5 hours). Brief overview of the course and a short review of the main heat transfer mechanisms, heat exchangers with and without fins. Brief review of some of the most important relationships in applied thermodynamics. 2) Energy storage in general (7.5 hours). The importance of energy storage. Storage of mechanical energy: Compressed air and pumped hydro-storage plants. Flywheels. Electrochemical batteries. The issue of deep cycling, battery capacity and other main figure of merit of storage systems. Magnetic storage. Supercapacitors. Hydrogen production as an energy storage strategy. 3) Sensible heat storage (10.5 hours). Direct and indirect heat storage plants. Materials and plant lay-out for sensible heat storage. First and second law efficiencies. Optimal size and storage period. Sizing of small sensible systems with water as storage material for solar applications. Common storage tanks. The importance of the temperature stratification. Simple design approaches for rock-beds. Simplified energy and exergy analysis of stratified sensible heat storage. Solar ponds. Numerical examples of sensible storage systems. 4) Latent heat storage (10.5 hours). Classification of the most common materials for latent heat storage applications (organic, inorganic and eutectic). Short discussion on supercooling, segregation and cycling issues. Examples of phase-change-materials (PCM) available on the market. PCM for buildings: A brief discussion on the use of PCM for passive cooling applications. Some analytical and numerical modeling tools for PCM charging and discharging processes. The choice of the optimal PCM material. Numerical examples of latent storage systems. 5) Indirect heat storage: Physical and chemical sorption thermal energy storage - TES (10.5 hours). The notion of inversion temperature. Closed and open sorption TES. Main thermodynamic transformations and relations describing sorption phenomena. Isosteric heat and isosteric field for a sorbent-sorbate pair. Adsorption isotherms. Discussion of ideal and real sorption heat storage cycles. Simplified models for describing sorption phenomena (Dubinin-Astakhov and Langmuir). Numerical examples of sorption heat storage systems. 6) Efficient transport of heat: modern approaches through micro- and nano-fluids (4.5 hours). Brief discussion on nano-suspensions for heat transfer enhancement. A few elements on the energy transfer at the nanoscale. A brief discussion on micro-encapsulated phase-change materials for heat capacity enhancement. Percolating networks of nano-particles with high thermal conductivity for heat storage applications. Basic notions on classical molecular dynamics simulations.
Oltre alle lezioni di teoria in aula, il corso prevede alcuni laboratori numerici ed una esperienza pratica (soggetta a vincoli temporali) come di seguito specificato. Gli studenti saranno tenuti a svolgere una breve relazione individuale su uno degli argomenti trattati nei laboratori informatici come descritti di seguito: 1) Laboratorio informatico (3 ore, SIMULAZIONE MACROSCOPICA) : Durante tale attività gli studenti avranno modo di utilizzare un Software commerciale (COMSOL o FLUENT) per simulare processi di carica e scarica di un accumulo termico sensibile e/o uno latente. 2) Laboratorio informatico (3 ore, SIMULAZIONE NANOSCOPICA) : Durante tale attività gli studenti avranno modo di utilizzare un software open-source (GROMACS) per simulare il trasporto di calore attraverso nanoparticelle (spesso aggiunte ai materiali di accumulo per favorire la velocità di carica e la scarica del calore). 3) Laboratorio informatico (3 ore, SIMULAZIONE NANOSCOPICA) : Durante tale attività gli studenti avranno modo di utilizzare un software open-source (GROMACS) per simulare il trasporto di acqua all’interno dei materiali microporosi di interesse per l’accumulo termico ad assorbimento di acqua. 4) Si prevede un laboratorio di accumulo termico (3 ore, ESPERIENZA DIRETTA) : Durante tale attività gli studenti avranno occasione di assistere a esperienze pratiche di carica/scarica di batterie termiche ad assorbimento e/o cambiamento di fase. Lo svolgimento di tale attività sarà soggetta a vincoli temporali. Ciascuno studente potrà decidere di svolgere facoltativamente un progetto individuale su un argomento di accumulo energetico di proprio interesse. Tale progetto é opzionale e consiste nello scegliere (prevalentemente in autonomia oppure dietro consulto con del docente) un caso studio di accumulo energetico che venga opportunamente descritto, dimensionato ed analizzato da un punto di vista energetico, exergetico ed economico utilizzando le competenze acquisite durante il corso. Pieno supporto da parte del docente è garantito durante lo svolgimento della tesina.
In addition to the theoretical lectures, this course also includes computational activities and one experimental actiity (subject to time constraints). Students will have to produce a brief individual report on one of the topics discussed in the numberical lab as detailed below: 1) Numerical lab: Macroscopic simulation (3 hours). Students will have the opportunity to use a commercial software (e.g. COMSOL or FLUENT) to simulate the charging/discharging process of sensible and latent heat storage systems. 2) Numerical lab: Microscopic simulation (3 hours). Students will have the opportunity of using an open-source software package (GROMACS) to simulate the heat transport within highly thermally conductive nano-particles (that are sometimes added to heat storage materials in order to enhance the overall thermal conductivity and thus the heat rate in charging/discharging processes). 3) Numerical lab: Microscopic simulation (3 hours). Students will have the opportunity of using an open-source software package (GROMACS) to simulate the adsorption process and the mass transport of water within solid sorbent materials, which are of interest for modern water sorption thermal storage systems. 4) Experimental activities (3 hours). Students will have the opportunity to take part in some laboratory experiments, where charging/discharging of a thermal battery is shown. This activity is subject to time constraints. Each student is free to decide to carry out also an individual project on an energy storage topic of her/his interest. This project is optional and requires the choice of a case study of energy storage that is appropriately described, sized and analyzed from an energetic, exergetic and economic point of view using the skills acquired during the course. Full support from the lecturer is guaranteed during the development of the report.
Per tutti gli argomenti trattati durante il corso, saranno disponibili agli studenti appunti, dispense e software distribuiti dal docente. In aggiunta, lo studente interessato trova qui di seguito alcuni riferimenti per eventuali letture di approfondimento: - I. Dincer, M.A. Rosen, "Thermal Energy Storage Systems and Applications", John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2011; - P. Asinari, E. Chiavazzo, "An Introduction to Multiscale Modeling with Applications", Esculapio, Bologna, 2013; - A. Bejan, “Advanced Engineering Thermodynamic”, John Wiley & Sons, 1997; - A. Bejan, A.D. Kraus (Editors), "Heat Transfer Handbook", John Wiley & Sons, 2003; - Matteo Fasano, Masoud Bozorg Bigdeli, Mohammad Rasool Vaziri Sereshk, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Thermal transmittance of carbon nanotube networks: Guidelines for novel thermal storage systems and polymeric material of thermal interest”, Ren. Sust. Energy Rev. 41, 2015; - Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari, Paolo Decuzzi, “Scaling behaviour for the water transport in nanoconfined geometries”, Nature Comm. 4565, 2014; - Chiavazzo E., Asinari P., “Reconstruction and modeling of 3D percolation networks of carbon fillers in a polymer matrix” Int. J. Thermal. Sci. 49, 2010; - Chiavazzo E., Asinari P., “Enhancing surface heat transfer by carbon nanofins: towards an alternative to nanofluids?” Nanosc. Res. Lett. 6, 2011.
All arguments discussed during this course will be covered by a large variety of material directly provided by the lecturer. In addition, the interested student can find below a list of References for possible further readings: - I. Dincer, M.A. Rosen, "Thermal Energy Storage Systems and Applications", John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2011; - P. Asinari, E. Chiavazzo, "An Introduction to Multiscale Modeling with Applications", Esculapio, Bologna, 2013; - A. Bejan, "Advanced Engineering Thermodynamic", John Wiley & Sons, 1997; - A. Bejan, A.D. Kraus (Editors), "Heat Transfer Handbook", John Wiley & Sons, 2003; - Matteo Fasano, Masoud Bozorg Bigdeli, Mohammad Rasool Vaziri Sereshk, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, "Thermal transmittance of carbon nanotube networks: Guidelines for novel thermal storage systems and polymeric material of thermal interest", Ren. Sust. Energy Rev. 41, 2015; - Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari, Paolo Decuzzi, "Scaling behaviour for the water transport in nanoconfined geometries", Nature Comm. 4565, 2014; - Chiavazzo E., Asinari P., "Reconstruction and modeling of 3D percolation networks of carbon fillers in a polymer matrix" Int. J. Thermal. Sci. 49, 2010; - Chiavazzo E., Asinari P., "Enhancing surface heat transfer by carbon nanofins: towards an alternative to nanofluids?" Nanosc. Res. Lett. 6, 2011.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale; Progetto individuale;
L’esame prevede per tutti gli studenti una prova orale che spazia sugli argomenti trattati e che include anche la discussione della breve relazione individuale svolta durante il corso in merito ad una delle attività dei laboratori numerici. La durata dell'esame é di circa quarantacinque minuti e non é consentito consultare alcun materiale didattico per la formulazione delle risposte che sono fornite in forma scritta. In aggiunta, solo agli studenti che svolgono anche il progetto individuale opzionale potrà essere riconosciuto un extra-bonus (in aggiunta al voto finale dell'orale) di max 2 punti. Il bonus è variabile a seconda della qualità del progetto individuale e della relativa discussione in sede d'esame. Per superare l’esame è necessario ottenere una valutazione complessiva superiore o uguale a 18/30. Coloro i quali scelgono di essere esaminati solo sulla base della prova orale e la breve relazione sui laboratori numerici potranno raggiungere una votazione massima di 29/30. Gli studenti che svolgono anche la tesina facoltativa potranno raggiungere la votazione massima di 30/30 ed eventualmente la lode. Nello specifico, l’esame intende accertare il raggiungimento dei seguenti obbiettivi: 1. Conoscenza delle nozioni teoriche alla base del funzionamento delle tecnologie sviluppate per l’accumulo e il trasporto dell’energia. Questo viene stabilito tramite le domande dell’esame orale; 2. Capacità a selezionare e a fare un primo dimensionamento di massima di una soluzione oppure una tecnologia di accumulo a fronte di un problema reale di conservazione e trasporto dell’energia. Questo viene stabilito sia tramite domande dell’esame orale che tramite la tesina; 3. Capacità di calcolare e dimensionare con accuratezza le prestazioni attese da componenti chiave per le tecnologie di accumulo e trasporto (con particolare enfasi sull’energia termica). Questo viene stabilito tramite lo svolgimento della relazione in merito ai laboratori numerici.
Exam: Compulsory oral exam; Individual essay; Individual project;
For all students, the examination consists in an oral test on the course topics including a discussion of a brief individual report carried out during the semester on one of the numerical laboratories. The examination takes about forty-five minutes and it is not allowed to use any educational materials for giving answers (in written form). Only those students who optionally carry out the individual project may possibly get an extra-bonus (in addition to the final final mark) of max 2 points. The bonus is variable depending on the project quality and discussion during the examination. To pass the exam it is necessary to obtain an overall score greater than or equal to 18/30. Those who choose to be examined only on the basis of the oral test and the brief report on the numerical laboratories will be able to reach a maximum score of 29/30. Students who also carry out the optional report can reach the maximum grade of 30/30 (possibly cum laude). Specifically, the exam aims to assess the achievement of the following objectives: 1. Theoretical knowledge underpinning the functioning of the technologies developed for energy storage and transport. This is established through questions during the oral exam; 2. Ability to select and to perform a preliminary sizing/design of a storage technology suitable for coping with real problem of energy conservation and transport. This is established either through questions from the oral exam or through the report; 3. Ability to accurately estimate the expected performance from key components for storage and transport technologies (with particular emphasis on thermal energy). This is established by carrying out the report on the numerical laboratories.
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