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.

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).

Conoscenze di base su scambio termico e termodinamica applicata.

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.

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.

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.

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale; Progetto individuale;

Exam: Compulsory oral exam; Individual essay; Individual project;

... 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.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.