Sommario grafico: http://www.polito.it/small/energy/AppEnergeticheMateriali.jpg Altri esempi di applicazione di interesse: http://www.polito.it/small L'efficienza dei processi energetici é oggigiorno in continua evoluzione grazie alla disponibilità di materiali dalle prestazioni sempre più performanti. Tale cambiamento é reso possibile anche grazie ai continui progressi delle nanotecnologie. Questo corso intende in primo luogo dare una panoramica delle più moderne soluzioni nanotecnologiche utilizzate in ambito energetico, sia dal punto di vista della realizzazione dei dispositivi utilizzati sia da quello del loro uso all'interno degli impianti di conversione e trasporto dell'energia. In tal modo, si intende sottolineare come oggigiorno più che mai i due aspetti siano intimamente connessi. Il corso intende dunque fornire strumenti tecnico-scientifici che amplino le basi culturali dell’ingegnere energetico permettendogli una gestione consapevole delle funzionalità tecniche dei dispositivi e dei relativi materiali impiegati. Il filo conduttore del presente corso è sinteticamente rappresentato nella figura in alto, dove ci si pone l’obiettivo di analizzare, sia dal punto di vista della scienza dei materiali che da quello energetico/impiantistico, il processo di raccolta di energia da una data fonte, il suo trasporto, accumulo e uso civile direttamente nella forma termica. In particolar modo, ci si concentrerà sulla luce solare, anche se gli argomenti trattati avranno un respiro più ampio e possono dunque essere ugualmente utili per fonti energetiche diverse. Gli argomenti del corso offriranno la possibilità di applicare i concetti di dinamica molecolare affrontati nel corso e quindi di comprendere le connessioni tra gli aspetti microscopici dei materiali e le loro ricadute macroscopiche. Alla fine del corso, ci si attende che lo studente abbia acquisito strumenti avanzati di progettazione che gli conferiscano una capacità di scegliere per ciascun sotto-processo coinvolto (ciascun sotto-processo è trattato in ciascuno dei quattro moduli del corso) sia il dispositivo sia il relativo materiale più adatto allo scopo. Ci si attende inoltre che lo studente acquisisca le capacità per giudicare e progettare i diversi componenti dell’impianto sia individualmente che dal punto di vista sistemico.

Il corso si prefigge di trasmettere i due seguenti obbiettivi di apprendimento. 1) Il primo obbiettivo è quello di trasmettere una cultura ingegneristica sui materiali recenti più avanzati (i.e. nano-ingegnerizzati) per applicazioni energetiche, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione degli stessi, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con i materiali attraverso un controllo delle loro caratteristiche microstrutturali. 2) Il secondo obbiettivo è di fornire allo studente uno strumento robusto e versatile relativo alla simulazione numerica dei materiali mediante dinamica molecolare che gli permetta di approcciare in modo consapevole la moltitudine di materiali per i dispositivi per il recupero e lo stoccaggio di energia che la moderna scienza dei materiali oggigiorno mette a disposizione. Mediante i due obbiettivi precedenti, lo studente potrà acquisire conoscenze avanzate che si svincolino da una mera descrizione, ma costituiscano le linee-guida per una conoscenza consapevole dei materiali da impiegare nei dispositivi energetici.

Conoscenze di base sulle principali classi di materiali e loro comportamento termico, ottico e meccanico. Conoscenze di base su scambio termico.

Il corso prevede i seguenti macro-blocchi: 1) Metodi generali per la scelta di un materiale. Introduzione alla strategia di selezione dei materiali ed alla definizione delle linee-guida fondamentali per la selezione dei materiali in funzione dell’applicazione prevista e dei pre-requisiti imposti a livello progettuale. Introduzione all’uso di software per la selezione sistemica dei materiali. Richiami alle relazioni composizione-struttura-proprietà delle classi principali dei materiali. 2) Teoria della dinamica molecolare classica. Introduzione alla dinamica molecolare classica. Potenziali di iterazione e relative forze. Potenziali per la descrizione dei legami covalenti (interazioni forti). Potenziali per la descrizione delle forze indotte dai dipoli (interazioni deboli). Interazioni di van der Waals e modello di Lennard-Jones. Termostati e pressostati. Integrazione numerica. Calcolo delle proprietà termofisiche macroscopiche. Esempio della conducibilità termica. 3) Materiali per la conversione della radiazione solare. Materiali per dispositivi per il recupero dell’energia solare e definizione delle linee-guida per la loro selezione. Materiali per rivestimenti ad alta riflessione o assorbimento: principali proprietà e potenzialità, possibili strategie di selezione. Variazioni composizionali e strutturali (ai vari livelli) dei materiali per il miglioramento delle proprietà fisiche e funzionali. Deposizione di strati sottili mediante tecniche CVD e PVD. 4) Introduzione al mondo dei materiali in scala nanometrica e caratteristiche dei materiali nanostrutturati. Sintesi di micro- e nano-particelle per la raccolta, il trasferimento e lo stoccaggio di calore. Materiali per la raccolta dell’energia solare ed il trasporto termico: principali proprietà e potenzialità, possibili strategie di selezione. Studio delle strategie perseguibili per garantire una corretta operatività e durabilità in esercizio. 5) Uso e applicazioni di micro- e nanotecnologia per la raccolta diretta dell’energia solare e trasporto termico. Nanotecnologie nelle scienze termiche: il concetto di nano-fluido. Principali proprietà termo fisiche dei nano fluidi e principali metodi euristici di calcolo delle stesse. Cenni su dinamica molecolare. Modellazione delle principali proprietà di trasporto tramite dinamica molecolare. Nano-fluidi neri per la raccolta diretta della radiazione solare. Micro-fluidi. Fluidi slurry micro-incapsulati a elevata capacità termica per il trasporto e accumulo termico. 6) Materiali e tecnologie emergenti per la fabbricazione flessibile e geometrie complesse. Tecnologie di fabbricazione dell’Additive Manufacturing (AM), relative a materiali polimerici, metallici, ceramici. Materiali per scambiatori termici processabili attraverso tecniche AM: principali proprietà e potenzialità. Definizione delle linee-guida per la selezione dei materiali per scambiatori termici ed applicazione della strategia di selezione. Influenza dei parametri di processo per l’ottimizzazione della risposta del dispositivo in esame. 7) Progettazione di nuove soluzioni flessibili e compatte nel campo dello scambio termico. Recupero di reflui termici a bassa temperatura e brevi cenni sui dispositivi termo-elettrici. Scambiatori compatti metallici realizzati tramite moderne tecniche di stampa 3D (additive manufacturing). Rugosità artificiale per lo scambio termico tramite stampa 3D (additive manufacturing). Scambiatori polimerici realizzati tramite plastiche conduttive: sfide e vantaggi. 8) Materiali per accumulo termico. Dispositivi per lo stoccaggio termico: soluzioni attuali e potenziali prospettive. Materiali per l’accumulo termico: soluzioni attuali e principali proprietà. Applicazione della strategia di selezione dei materiali. Studio dell’effetto del controllo della struttura dei materiali alla nanoscala sul loro rendimento prestazionale. 9) Impianti di accumulo termico. La sfida della conservazione del calore. Approcci di accumulo termico a breve, medio e lungo termine. Densità di energia e principali figure di merito dei materiali per l’accumulo termico. Principali componenti negli impianti per accumulo termico solare ad uso domestico. Brevi cenni sull’accumulo termico in altri ambiti (e.g. automobilistico).

Il corso inoltre prevede le seguenti esperienze pratiche per gli studenti: 1) Laboratorio informatico relativo alla scelta dei materiali. Durante tale attività gli studenti avranno modo di applicare le strategie di selezione dei materiali in un caso pratico relativo ad uno degli esempi di dispositivi energetici trattati durante il corso, dall’analisi del progetto alla definizione dei criteri di selezione all’individuazione di una o più possibili soluzioni. 2) Laboratorio informatico di dinamica molecolare. In questo laboratorio informatico, che occupa una parte significativa del semestre, verranno approfonditi gli strumenti informatici per lo svolgimento di simulazioni numeriche di dinamica molecolare. In particolare, si affronterà per primo il sistema operativo Linux (Ubuntu) e lo strumento di simulazione GROMACS. Successivamente verranno analizzate passo-passo delle simulazioni svolte che serviranno da esempio agli studenti. Le relazioni richieste agli studenti saranno basate sulla modifica degli esempi svolti durante l'esercitazione.

MATERIALI: Ashby M. F., “Materials Selection in Mechanical Design”, Fourth Edition, Elsevier, 2010. I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker, Additive Manufacturing, Second edition, Springer, 2015. P. Bermel, J. Lee, J.D. Joannopoulos, I. Celanovic, M. Soljacic, Selective Solar Absorbers, Annual Review Heat Transfer, 2012, 15, 231 T. Tadros, General Principles of Colloid Stability and the Role of Surface Forces, chapter 1 in "Colloid Stability", Wiley, 2011. R.G. Chaudhuri, S. Paria, Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications, Chem. Rev. 2012, 112, 2373. R. Saidur, K.Y. Leong and H.A. Mohammad, A review on applications and challenges of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2011, 15, 1646 D.K. Devendiran and V.A. Amirtham, A review on preparation, characterization, properties and applications of nanofluids, Renew Sust Energy Reviews, 2016, 60, 21 B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling, Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications, Applied Thermal Engineering 2003, 23, 251. A.I. Fernandez, M. Martinez, M. Segarra, I. Martorell, L.F. Cabeza, Selection of materials with potential in sensible thermal energy storage, Solar Energy Mater Solar Cells, 2010, 94, 1723 S. Khare, M. Dell'Amico, C. Knight, S. McGarry, Selection of materials for high temperature latent heat energy storage, Solar Energy Mater. Solar Cells, 2012, 107, 20 ENERGIA: - 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. - A. Moradi, E. Sani, M. Simonetti, F. Francini, E. Chiavazzo, P. Asinari, “Carbon-nanohorn based nanofluids for a direct absorption solar collector for civil application”, J. Nanosci. Nanotech. 15, 2015. - 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. - Luigi Ventola, Francesco Robotti, Masoud Dialameh, Flaviana Calignano, Diego Manfredi, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, “Rough surfaces with enhanced heat transfer for electronics cooling by direct metal laser sintering”, Int. J. Heat Mass Tran. 75, 2014. - 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; Progetto di gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Group project;

... L’esame prevede una prova scritta ed una prova orale. La prova scritta consiste nella stesura di due relazioni scritte relative ai lavori di gruppo svolti durante il semestre. Le due relazioni scritte sono relative (i) al laboratorio relativo alla scelta dei materiali ed (ii) al laboratorio relativo alla dinamica molecolare e vanno consegnate alcuni giorni prima dell'appello che si intende sostenere, in modo da poter essere valutate dai docenti in tempo utile per l'appello selezionato. In particolare, la prima relazione scritta si prefigge di verificare il raggiungimento dell’obbiettivo di apprendimento relativo alla scelta consapevole dei materiali e la comprensione delle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione dei materiali. La seconda relazione scritta si prefigge invece di verificare il raggiungimento dell’obbiettivo di apprendimento relativo alla comprensione della dinamica molecolare. La prova orale consiste nella discussione degli argomenti di teoria affrontati nel corso in merito alla scelta dei materiali in ambito energetico, tenendo conto delle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione, e quelli in merito alla dinamica molecolare, coerentemente con gli obbiettivi attesi di apprendimento. L’orale dura circa 30-40 minuti ed è composto da due domande, in merito alle due parti descritte in precedenza. Per superare l’esame è necessario ottenere una valutazione superiore o uguale a 18/30 in entrambe le prove. Il voto finale sarà dato dalla media aritmetica delle votazioni ottenute nelle due prove arrotondata per eccesso.

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.