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.

Il corso inoltre prevede le seguenti visite con esperienza pratica diretta degli studenti:

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 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) Laboratorio di accumulo termico (3 ore, ESPERIENZA DIRETTA) : Durante tale attività gli studenti avranno occasione di assistere a esperienze pratiche di carica e scarica di materiali utilizzati negli impianti di accumulo di calore ad assorbimento (e.g. zeoliti) con relativa misura calorimetrica e tempo di rigenerazione.

Per tutti gli argomenti trattati durante il corso, saranno disponibili agli studenti appunti e dispense 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.

L’esame prevede una prova orale e lo svolgimento di una relazione in merito alle attività svolte durante i laboratori numerici. Inoltre è previsto lo svolgimento di una tesina facoltativa. A tal riguardo, lo studente sceglie liberamente di svolgere la tesina. In caso contrario, lo studente ha facoltà di essere esaminato solo attraverso la prova orale e la relazione sui laboratori numerici. A chi svolge la tesina facoltativa, potrà essere riconosciuto un extra-bonus in aggiunta al voto finale dell'orale di max 2 punti, variabile a seconda della qualità della tesina stessa. La tesina consiste nello scegliere (prevalentemente in autonomia oppure dietro suggerimento del docente) un caso studio di accumulo che venga debitamente 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 superare l’esame è necessario ottenere una valutazione complessiva superiore o uguale a 18/30. Il massimo dei voti (e la eventuale lode) può essere ottenuto da chiunque indipendentemente dallo svolgimento della tesina. Nello specifico, l’esame intende accertare il raggiungimento dei seguenti obbiettivi:
1. Acquisire una 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. Acquisire una 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. Acquisire una capacità a 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.