La generazione elettrica da fonti rinnovabili è in continua crescita a livello globale, spinta dalle iniziative che ne incentivano l’introduzione per fronteggiare le problematiche ambientali e di sicurezza di approvvigionamento energetico connesse all’uso di fonti fossili. Tuttavia, la maggior parte delle fonti di energia rinnovabile sono caratterizzate da una natura intermittente e non programmabile, oltre a presentare limiti intrinseci in termini di densità energetica e di disponibilità. Le problematiche legate allo sfasamento temporale tra generazione elettrica rinnovabile e domanda richiedono l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia che consentano di massimizzare il fattore di capacità degli impianti rinnovabili, garantire la stabilità delle reti elettriche ed eventualmente consentire l’interconnessione di diverse infrastrutture di trasporto e distribuzione dell’energia. Nel corso verrà fornita una panoramica completa dello stato dell’arte delle diverse tecnologie di accumulo dell’energia elettrica e verranno trattati in dettaglio l’accumulo in forma meccanica, chimica ed elettrochimica. La trattazione avverrà mediante lezioni teoriche (75% del corso) ed esercitazioni di calcolo (25% del corso) finalizzate a fornire agli studenti le competenze e gli strumenti necessari a dimensionare e valutare tramite bilanci energetici e analisi tecno-economiche le diverse tecnologie di accumulo.

Obiettivi di apprendimento: • Conoscenze dei principi di base della conversione e accumulo dell’energia elettrica in forma meccanica e chimica • Conoscenze dei principali materiali, componenti, tecnologie e configurazioni impiantistiche applicate nell’ambito dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica • Conoscenze delle metodologie di base e degli strumenti per la simulazione, il dimensionamento e l’ottimizzazione della taglia dei sistemi di accumulo elettrico • Conoscenza delle metodologie di base per l’analisi tecno-economica dei sistemi di accumulo • Applicazione delle conoscenze a casi studio di dimensionamento e analisi energetico e tecnico-economica di sistemi di accumulo elettrico

Conoscenze di base di chimica, analisi matematica, elettrotecnica, scienza e tecnologia dei materiali, termodinamica e trasmissione del calore.

Il programma del corso è organizzato come segue: • Introduzione ai sistemi di accumulo dell’energia elettrica (15%): breve panoramica del corso e ripasso dei principi di base e relazioni fondamentali della conversione dell’energia elettrica. Introduzione agli indicatori energetici per la classificazione dei sistemi di accumulo. Ruolo dei sistemi di accumulo nell’integrazione di fonti rinnovabili connesse a rete, micro-rete o in isola. Classificazione e confronto dei sistemi di accumulo. Elementi fondamentali dell’analisi tecno-economica. • Sistemi di accumulo meccanico (10%): panoramica dei sistemi di accumulo di energia cinetica e potenziale: volani, accumulo idroelettrico per pompaggio e ad aria compressa, soluzioni innovative (es. sistemi di accumulo gravitazionale). Bilanci energetici e metodologia di dimensionamento. Esercitazione di dimensionamento di un sistema di accumulo. • Sistemi di accumulo elettrochimico (30%): introduzione alla celle elettrochimiche, principi di base di chimica ed elettrochimica dei sistemi di accumulo. Parametri operativi caratteristici dei sistemi di accumulo elettrochimico. Batterie secondarie per l’accumulo elettrico: stato dell’arte e prospettive. Panoramica sulle batterie: metallo-ione, piombo, Sali fusi, alcaline, metallo-aria. Focus su applicazioni batterie litio-ione. Batterie a flusso: redox flow batteries. Metodologia di dimensionamento delle batterie secondarie e modelli a parametri concentrati per la simulazione di batterie di accumulo. Esercitazione di dimensionamento e simulazione. • Sistemi di accumulo chimico (40%): introduzione all’idrogeno come vettore energetico per l’accumulo di energia elettrica rinnovabile. Fondamenti di termodinamica chimica. Principi operativi di base di celle elettrolitiche e celle a combustibile. Stato dell’arte degli elettrolizzatori per la generazione di idrogeno: tecnologie commerciali (elettrolizzatori alcalini, PEM) e innovative (AEM, SOEC). Stato dell’arte delle celle a combustibile e focus sulle tecnologie commerciali a bassa (PEM) e alta (SOFC) temperatura. Panoramica delle tecnologie per lo stoccaggio, il trasporto e la distribuzione dell’idrogeno. Introduzione a sistemi di tipo Power-to-Gas/Chemicals per la conversione di idrogeno in metano e altri vettori energetici chimici: panoramica delle tecnologie. Modelli a parametri concentrati per la simulazione di elettrolizzatori e celle a combustibile. Metodologie di dimensionamento di elettrolizzatori, celle a combustibile e sistemi di accumulo dell’idrogeno. Metodologie di ottimizzazione applicate al dimensionamento. Esercitazione di dimensionamento di un sistema Power-to-Gas/Power. • Altri sistemi di accumulo (5%): panoramica dei sistemi di accumulo elettrico (supercapacitori e superconduttori) e dei sistemi di accumulo in energia termica. Presentazione di casi studio.

L’insegnamento è strutturato in: - 45 ore di lezione in aula, mirate allo sviluppo di conoscenze dei principi di base della conversione e accumulo dell’energia elettrica in forma meccanica, chimica ed elettrochimica; conoscenze dei principali materiali, componenti, tecnologie e configurazioni impiantistiche applicate nell’ambito dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica; conoscenze delle metodologie di base e degli strumenti per la simulazione, il dimensionamento e l’ottimizzazione della taglia dei sistemi di accumulo elettrico; conoscenza delle metodologie di base per l’analisi tecno-economica dei sistemi di accumulo. - 15 ore di esercitazione in aula mirate a stimolare l’abilità di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi pratici di dimensionamento e analisi energetica e tecnico-economica dei sistemi di accumulo.

Tutti gli argomenti trattati durante il corso saranno corredati da un'ampia varietà di materiali forniti direttamente dal docente. Alcuni libri di testo di riferimento sono i seguenti: Sterner, Michael, and Ingo Stadler, eds. Handbook of energy storage: Demand, technologies, integration. Springer, 2019. Wu, F. B., Yang, B., & Ye, J. L. (Eds.). (2019). Grid-scale energy storage systems and applications. Academic Press. U.S. DOE Energy Storage Handbook. https://www.sandia.gov/ess/publications/doe-oe-resources/eshb

Slides; Dispense; Libro di testo; Esercizi risolti; Materiale multimediale ; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay;

... L’esame è finalizzato alla verifica del raggiungimento dei seguenti obiettivi di apprendimento: 1) Conoscenza teorica dei principi di base dell’accumulo energetico e dello stato dell’arte delle applicazioni tecnologie 2) Capacità di applicare metodologie di dimensionamento e analisi energetica e tecnico-economica a casi applicativi realistici. Ai fini della verifica degli obiettivi di apprendimento, l’esame è composto da: 1) Prova scritta obbligatoria (massimo 24 punti): esame in aula (tempo previsto 120 minuti) composto da una prima parte di domande a risposta chiusa (6 punti) e una seconda parte di domande a risposta aperta (12 punti) ed un esercizio (6 punti). Durante la prova non è possibile consultare materiale didattico ed è consentito l’uso di una calcolatrice scientifica. La prova sarà svolta su supporto cartaceo. Un minimo di 10 punti è necessario per accedere all’esame orale. 2) Esame orale obbligatorio (massimo 8 punti): presentazione e discussione di un report di gruppo (svolto il durante il semestre) riguardante un caso studio applicativo su un sistema di accumulo. L’argomento del caso studio viene assegnato dal docente durante il corso. Agli studenti facenti parte del gruppo verranno poste singolarmente domande di approfondimento su specifici argomenti del corso. Il voto finale dell’orale sarà media della valutazione del lavoro di gruppo (voto unico per tutti gli studenti del gruppo) e della valutazione delle domande poste. La valutazione finale è data dalla somma della valutazione della prova scritta, a cui viene aggiunto un punteggio per la prova orale. La lode verrà assegnata in caso di punteggio superiore a 30/30.

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.