La transizione energetica sta interessando tutti i settori della società e dell’economia. Nella generazione di energia elettrica e termica stanno avvenendo i cambiamenti più radicali, con una crescita esponenziale delle fonti rinnovabili. Contestualmente è sempre più elevata la spinta alla decarbonizzazione dei processi produttivi e dei sistemi territoriali. Le trasformazioni in corso coinvolgono molteplici aspetti tecnologici, economici e ambientali, la cui valutazione richiede approcci integrati. Le competenze trasversali necessarie abbracciano sia l’ambito progettuale degli impianti di generazione che quello dell’analisi dei fabbisogni di energia di utenze e territori. A livello professionale, tali approcci trovano svariate applicazioni nei ruoli e nelle funzioni seguenti: • progettazione e/o gestione di impianti di produzione di energia e sistemi di teleriscaldamento; • gestione di forniture e impianti energetici in ambito industriale; • progettazione e/o gestione di complessi edilizi civili e grandi strutture del terziario; • pianificazione energetica locale nell’amministrazione pubblica. L’insegnamento affronta queste tematiche nel contesto degli impianti di cogenerazione e teleriscaldamento, fornendo i concetti principali per la progettazione e l’esercizio delle loro principali applicazioni nell'industria e sistemi energetici locali, attraverso esempi reali.

Lo studente acquisirà conoscenze di base inerenti alla configurazione impiantistica, ai criteri di progettazione e alle modalità di esercizio delle principali tecnologie utilizzate nella cogenerazione e nel teleriscaldamento, quali: • impianti di cogenerazione a vapore a combustibili convenzionali; • generatori di calore e impianti di cogenerazione a biomassa legnosa; • impianti di termovalorizzazione di rifiuti urbani; • impianti di cogenerazione turbogas e a ciclo combinato Sulla base degli elementi conoscitivi forniti, lo studente acquisirà abilità avanzate per quanto concerne l’analisi degli impianti di cogenerazione, nel contesto dei processi produttivi, dei sistemi di teleriscaldamento locali e del sistema elettrico nazionale. Tali abilità riguarderanno in particolare: • il calcolo di indici di prestazione energetica; • il bilancio energetico e ambientale della produzione cogenerativa in confronto con le produzioni separate elettrica e termica; • la conformità rispetto ai requisiti normativi in materia di cogenerazione ad alto rendimento e teleriscaldamento efficiente; • i margini di regolazione della produzione cogenerativa, in relazione agli andamenti dei fabbisogni energetici delle utenze; • i criteri di calcolo dei prezzi unitari di generazione dell’energia elettrica e termica. Le conoscenze e le abilità acquisite saranno applicate alla valutazione di casi studio reali, attraverso i quali lo studente svilupperà competenze specialistiche direttamente utilizzabili nei seguenti ambiti professionali: • la realizzazione e/o la gestione di impianti di cogenerazione a servizio di processi produttivi e grandi strutture del terziario (ad esempio complessi ospedalieri), attraverso la redazione di studi di fattibilità e la definizione delle scelte progettuali; • lo sviluppo e/o la gestione di sistemi di teleriscaldamento efficiente, attraverso la redazione di studi di fattibilità e la definizione delle scelte progettuali; • lo sviluppo e/o la gestione di filiere locali di utilizzazione energetica di biomasse legnose forestali, attraverso la redazione di studi di fattibilità e la definizione delle scelte progettuali e organizzative; • la decarbonizzazione di processi produttivi e sistemi energetici locali; • l’analisi economica di contratti di fornitura di energia elettrica e termica in ambito industriale e civile.

Sono consigliate le seguenti conoscenze di base: - concetti generali di Energetica; - concetti generali di Fondamenti di macchine Tali elementi saranno comunque ripresi durante lo svolgimento dell’insegnamento, ai fini della loro applicazione ai temi studiati.

Introduzione alla transizione energetica [3 h] Concetti generali sulla cogenerazione [6 h] Bilancio energetico di un impianto termoelettrico in assetto tutto elettrico e cogenerativo. Definizione di cogenerazione. Rendimenti e indici energetici. Definizione di cogenerazione ad alto rendimento e teleriscaldamento efficiente. Esercitazione di calcolo su esempi reali di applicazione delle definizioni di cogenerazione ad alto rendimento. Impianti cogenerativi con motore a combustione interna [6 h] Configurazioni di impianto: modalità di recupero termico. Principali applicazioni in ambito civile. Esercitazione di calcolo su esempio di impianto reale con motore a combustione interna alimentato a gas naturale. Impianti cogenerativi a vapore [13,5 h] Concetti generali sul ciclo a vapor d’acqua (Rankine-Hirn). Configurazioni di impianto: generatori di vapore convenzionali, cicli a contropressione e spillamento. Principali applicazioni in ambito industriale. Impianti di termovalorizzazione di rifiuti urbani. Impianti di utilizzazione energetica di biomasse legnose. Concetti generali sul ciclo a vapore di fluidi organici (ORC). Configurazioni di impianto: tipologie di fluidi di lavoro impiegati, problemi di accoppiamento con le sorgenti termiche, ciclo con rigenerazione. Principali applicazioni in sistemi di teleriscaldamento. Esercitazione di calcolo su esempio di impianto reale a vapore a spillamento alimentato a cippato di legna. Impianti cogenerativi turbogas [6 h] Concetti generali sul ciclo a gas (Brayton-Joule). Configurazioni di impianto: accoppiamento con generatore di vapore a recupero, postcombustione, ciclo ad iniezione di vapore. Principali applicazioni in ambito industriale. Cenni alle microturbine a gas. Configurazioni di impianto: ciclo con rigenerazione e a numero di giri variabile. Esercitazione di calcolo su esempio di impianto reale turbogas cogenerativo con postcombustione alimentato a gas naturale. Impianti cogenerativi a ciclo combinato [13,5 h] Accoppiamento ciclo a gas con ciclo a vapore. Definizione di rendimento in ciclo combinato. Configurazioni di impianto: generatori di vapore a recupero, assetti cogenerativi. Principali applicazioni industriali e per teleriscaldamento. Esercitazione di calcolo su esempio di impianto reale a ciclo combinato a spillamento alimentato a gas naturale. Analisi di impianti cogenerativi e di sistemi di teleriscaldamento [12 h] Criteri per il dimensionamento e l’esercizio di impianti di cogenerazione e sistemi di teleriscaldamento. Cenni alla trigenerazione. Specificità degli impianti a fonti rinnovabili. Analisi economica di impianti di impianti di cogenerazione e sistemi di teleriscaldamento. Criteri di definizione dei costi di generazione elettrica e termica. Esercitazione di calcolo su esempi reali di valutazione economica dei costi di generazione elettrica e termica.

La destinazione e i dettagli organizzativi della visita tecnica saranno precisati nel corso dello svolgimento dell'insegnamento.

L’insegnamento è strutturato in: • lezioni in aula [48 h] • esercitazioni in aula [12 h] • visita esterna presso impianto di cogenerazione in esercizio

Dispense delle lezioni (slides) Lozza, G., “Turbine a gas e cicli combinati”, Esculapio, 2006 (terza edizione 2016) Macchi E., Campanari S., Silva P., La microcogenerazione a gas naturale, Polipress, 2005

Slides;

E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Exam: Compulsory oral exam;

... L'esame consiste in una prova orale, svolta nella forma di un colloquio della durata di circa 20 minuti. Lo svolgimento delle prove orali seguirà un calendario di date disponibili con cadenza settimanale per tutta la durata della sessione di esame. L’accesso alle prove avverrà previa prenotazione da parte dello studente. Nel corso della prova orale sarà proposta la discussione di uno dei temi trattati nell’insegnamento quali (a titolo di esempio): una tipologia di impianto cogenerativo, le definizioni generali di cogenerazione e gli indici di prestazione energetica, i criteri di dimensionamento e analisi economica degli impianti di cogenerazione e teleriscaldamento. L’obiettivo della prova orale è verificare il livello delle conoscenze e abilità acquisite dallo studente, valutando la sua capacità di porre in relazione in modo autonomo i differenti aspetti tecnologici, ambientali ed economici affrontati nell’insegnamento. A tale proposito, durante il colloquio orale si richiede allo studente di applicare i concetti teorici e applicativi esposti nell’insegnamento alla discussione delle scelte progettuali e di esercizio inerenti agli impianti di cogenerazione e ai sistemi di teleriscaldamento. La lode è assegnata quando l’esito del colloquio pone in evidenza, oltre a una conoscenza particolarmente completa ed esaustiva, capacità autonome di esposizione ed elaborazione delle tematiche trattate nell’insegnamento.

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.