Descrizione del modulo "Sistemi per Applicazioni Stazionarie (ET.P03.008.001)"

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  • Descrizione del modulo "Sistemi per Applicazioni Stazionarie (ET.P03.008.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La diversificazione delle fonti energetiche, la necessità e la possibilità di interconnettere i network elettrico e gas naturale, nonché l'intermittenza e l'imprevedibilità delle principali fonti energetiche rinnovabili quali il vento, il solare fotovoltaico o altre tecnologie, può creare effetti considerevoli sull'intero sistema di generazione di potenza. Ciò può avere ricadute sulle qualità della fornitura e sui margini di sicurezza e conseguentemente sui costi operativi e di gestione. Ciò, pertanto, richiede lo sviluppo di nuove tecnologie di generazione decentralizzata intergate con sistemi innovativi di Power Conditioning (DC/DC e DC/AC converters) integranti sistemi di accumulo avanzato che possano contribuire significativamente per l'affermazione di tali scenari futuri. Possibili sinergie tra i sistemi di gestione della distribuzione e l'impatto dell'immagazzinamento nelle reti elettriche (peak load, power quality, penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili) dovranno essere consentite sviluppando sistemi integrati altamente innovativi. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Sviluppo sistemi elettrochimici di generazione e accumulo di energia elettrica abilitanti applicazioni \"Smart Energy\": La ricerca è volta allo sviluppo di generatori di potenza multi-fuel per applicazioni sia civili che industriali con particolare attenzione rivolta ai mutamenti in atto nei sistemi energetici nazionali e non. Sono pertanto selezionate e sviluppate le migliori tecnologie in funzione delle principali caratteristiche peculiari: - Moduli di potenza a celle a combustibile (PEFC, SOFC) per applicazioni in generazione distribuita - Caratterizzazione e sviluppo di sistemi di accumulo avanzato (batterie innovative: Litio, Sodio-nichel-cloruro, Redox, ecc.) Sistemi ibridi: La Generazione Distribuita non dovrà alimentare la rete in modalità stand alone, ma dovrà essere pienamente integrata nella rete fungendo da elemento attivo della stessa. Per tale ragione è prioritario lo sviluppo di sistemi altamente integrati che prevedano scambi efficienti ed efficaci di flussi energetici sia tra i generatori e la rete nonché tra la rete e gli utenti finali anche attraverso l'integrazione con dispositivi di accumulo innovativi (literal)
Competenze
  • Il Team di ricercatori è composto principalmente da Ingegneri con diverse specializzazioni (energetica, meccanica, elettronica, elettrica, materiali) non dimenticando la componente relativa alla chimica di base. L'approccio diversificato per temi e competenze permette di organizzare la ricerca in modo organico e multitasking con particolare attenzione al benchmarking tecnologico e alla registrazione delle mutazioni degli scenari energetici sia nel breve che nel medio-lungo termine (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • I costi connessi al servizio di fornitura di energia, ed elettricità più in particolare, sono da sempre un elemento fondamentale della competitività in ambito industriale e terziario. Inoltre, sempre più frequentemente ed intensamente la qualità del servizio viene ad essere un elemento chiave dello sviluppo industriale e tecnologico. Di conseguenza, lo sviluppo e l'adozione di dispositivi di generazione ed accumulo elettrochimici che consentono: -elevati standard di generazione in termini di continuità di servizio e stabilità dei parametri elettrici (tensione e frequenza) -un incremento della sicurezza del servizio grazie all'interazione tra differenti fonti di approvvigionamento -la possibilità di intervenire sui meccanismi dei mercati energetici liberalizzati condurranno a conseguenti benefici economici derivanti dal ridotto costo del chilowattora e dai mancati disservizi. L'Affidabilità e la Power Quality sono divenuti una necessità per l'attuale società digitale. Il 99% di affidabilità (requisito per la sicurezza e l'economicità dei servizi digitali) non può essere garantita dalla sola generazione (con una strategia di distribuzione Top-down). (literal)
Tecnologie
  • Sono utilizzati sia modelli empirici e semi-empirici (utilizzanti le principali formulazioni matematiche dell'elettrochimica, della meccanica dei fluidi e della trasmissione del calore) nonché un approccio basato sulle reti neurali. Sono modellati e simulati sia i singoli componenti dei sistemi che impianti integrati più complessi utilizzando strumenti quali MATLAB/SIMULINK, Comsol FEMLAB, TRNSYS. Particolare attenzione è rivolta anche alla valutazione del profilo ambientale dei sistemi indagati grazie all'utilizzo della Life Cycle Assessment utilizzando SimaPro quale strumento a supporto dell'indagine (literal)
Obiettivi
  • Vi sono oggi due sfide da affrontare: il miglioramento tecnologico del dispositivo e la sua integrazione in prodotti a specifica industriale. La realizzazione di prodotti destinati al mercato prevede una attenta valutazione dei target di efficienza e di costo una puntuale individuazione degli sviluppi tecnologici, di processo e normativi necessari a promuovere la penetrazione di sistemi CHP con celle a combustibile nella generazione distribuita; tutto ciò richiede una estesa fase di dimostrazione per la verifica del funzionamento dei prototipi sviluppati, a diverse condizioni di carico elettrico e termico, in modalità di esercizio in \"isola\" o di \"parallelo alla rete\", in modo da valutarne, su scala di interesse commerciale, la loro efficacia e le problematiche tecnologiche ancora irrisolte in termini di costi e durata di materiali e componenti, di condizioni operative ed integrazione del sistema in una rete di energia distribuita (literal)
Stato dell'arte
  • Le Celle a Combustibile sono prossime all'ingresso nel mercato grazie all'avanzato sviluppo di cui godono i sistemi alimentati ad idrogeno, tuttavia tali previsioni sono disattese se si valutano combustibili quali Metano, Biogas, GPL. In questi casi i costi, ancora elevai, non garantiscono un ingresso nel mercato a pieno titolo. Si può quindi asserire che i sistemi a Celle a Combustibile hanno raggiunto soddisfacenti livelli di maturità capaci di porli come soluzioni tecnologiche in particolari applicazioni, ma che necessitano di una consistente fase di R&S per il raggiungimento dei target per l'ingresso in mercati più ampi. L'impiego diffuso di sistemi di accumulo avanzati a supporto delle reti elettriche è limitato dalla non raggiunta piena maturità tecnologica e dagli elevati costi d'investimento. La fase dimostrativa di tale processo di cambiamento è in atto, tuttavia i sistemi di accumulo elettrochimico necessitano di rilevanti sforzi di R&S per ridurne i costi ed aumentarne l'affidabilità intervenendo sugli stessi in termini di chimismo, di componentistica e di integrazione di sistema. (literal)
Tecniche di indagine
  • Performance testn(Celle a combustibili e Batterie innovative): Caratteristiche I-V a diverse condizioni di lavoro (ivi incluse temperature estreme) Test elettrochimici: interruzione di corrente, Impedenza Complessa, voltammetria ciclica Analisi qualitative e quantitative gas in ingresso e esausti: gas cromatografia, quadrupolo Test di durata: determinazione della variazione del potenziale con il tempo a densità di corrente costante con numerosi e predeterminati cicli di start-up/hut-down, check delle caratteristiche di OCV e I-V Stress test elettrochimici e termici Per tale scopo sono state progettate e/o acquisite diverse apparecchiature tra le quali: - Microrete integrante differenti sorgenti di generazione (eolico, fotovoltaico, micro generatori) e accumulo - 3 stazioni di prova per sistemi di accumulo avanzato (4 kW - 10 kW - 120 kW) - 2 stazioni di prova per stack e sistemi PEFC (5 kW) - 2 stazioni di prova per sistemi PEFC (7 e 25 kW) - 2 stazioni di prova per stack SOFC (0.6 e 5 kW) - camera climatica (fino a – 20°C) - test chamber EUCAR6 per batterie (-40 - + 50 °C) - test chamber EUCAR6 walk-in per batterie (-40 - + 50 °C) (literal)
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