ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| ENERGETICA GENERALE | ING-IND/10 | LEZIONI | 90 |
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L'insegnamento ha lo scopo di introdurre tutta una serie di concetti legati all'uso delle risorse energetiche ed agli usi finali dell'energia a partire dalle conoscenze fisiche di base. Gli obiettivi sono principalmente metodologici, approfondendo l'importanza dei concetti di bilanci di massa e di energia e di irreversibilità dei processi di conversione, la percezione degli ordini di grandezza legati alle risorse energetiche ed agli usi finali di energia, la spiegazione del funzionamento dei principali sistemi e componenti energetici e la definizione del concetto di filiera dell'energia identificando in maniera corretta la funzione di ciascun componente
The course aims to introduce a range of concepts related to the utilization of energy resources and the final uses of energy, starting from basic physical knowledge. The objectives are primarily methodological, delving into the importance of concepts such as mass and energy balances and the irreversibility of conversion processes. It also aims to enhance understanding of the orders of magnitude associated with energy resources and final energy uses, explain the operation of key energy systems and components, and define the concept of the energy chain by accurately identifying the function of each component.
Le varie forme di energia e le classificazioni. Fonti energetiche ed usi finali. Richiamo sui concetti di energia e flusso di energia (potenza). Percezione di grandezze energetiche. Esempi di ordini di grandezza e dati.
Richiami sulle applicazioni dei bilanci di massa ed energia (prima legge della termodinamica) con riferimento ad alcuni specifici casi applicativi. Confronto tra i vari termini energetici (termini e meccanici) in alcuni sistemi fluenti utilizzando gas, acqua e vapore. Esempi applicativi: la turbina a vapore e la idropulitrice meccanica.
Richiami sulle proprietà termofisiche del vapore d'acqua ed utilizzazione delle tabelle termodinamiche. Valutazione della potenza di alcuni sistemi energetici di interesse tecnico pratico. Caso riferito ad uso di vapore di acqua per un processo agroalimentare. Un impianto termoelettrico basato su ciclo Rankine: confronto tra casi ideali e caso con irreversibilità della turbina.
Analisi di sistemi energetici sulla base del primo e del secondo principio della termodinamica. Considerazioni sulle dissipazioni termiche verso l'ambiente. Il concetto di qualità delle forme di energia. Trasformazioni ed irreversibilità. Il concetto di degradazione dell'energia.
Il concetto di exergia. Exergia associata a diversi sistemi: sorgenti termiche a temperatura fissa, massa con capacità termica finita, sistemi fluenti. Valutazioni numeriche e confronti.
Definizione di exergia di sistemi fluenti. I casi del gas ideale e del liquido compresso. Esempi. Definizione del fattore exergetico. Valutazioni numeriche. Exergia associata ad una radiazione di corpo nero. Valutazioni associate ad alcuni casi significativi. Potenza exergetica specifica associata alla radiazione solare.
Implicazioni del secondo principio della Termodinamica sull'analisi di sistemi energetici. Il concetto di "risparmio energetica", efficientamento di sistemi energetici. Sistemi energetici con effetti utili eterogenei: gli impianti cogeneritivi. Le fonti rinnovabili. Esempio applicativo: confronto tra impianto per la produzione di vapore ed impianto CHP.
Rendimenti di secondo principio ed irreversibilità associati a processi di scambio termico. Il caso dei generatori di vapore degli impianti termoeletttrici a ciclo Rankine. Valutazione numeriche. Analisi del ciclo Brayton. Confronto tra ciclo Brayton ideale e ciclo Brayton ideale: analisi delle irreversibilità nei vari componenti.
Conversione diretta ed indiretta dell'enegia. I combustibili e le combustioni. Classificazione dei combustibili sulla base di elementi quantitativi. Visione di primo principio: il potere calorifico inferiore e superiore e la temperatura di fiamma adiabatica. Determinazione di alcuni valori caratteristici (metano ed iso-ottano) a partire dalle entalpie molari di formazione dei composti con il metodo del bilancio energetico. Valutazione quantitativa della temperatura adiabatica di fiamma del metano coi i valori dei calori specifici medi delle sostanze coinvolte nel processo. Le combustioni reali.
Combustibili e combustioni: da una visione di primo principio a quella di secondo principio. Energia libera di Gibbs molare di formazione. Energia libera di Gibbs standard di reazione dei combustibili. Determinazione dell'exergia chimica dei combustibili: il problema della definizione di un ambiente di riferimento. Modello di sostanza di riferimento e valutazione di alcuni valori dell'exergia chimica di combustibili: monossido di carbonio e metano.
Le combustioni reali e le irreversibilità intrinseche ed estrinseche. Gli impianti termoelettrici: limite degli impianti basati su ciclo Rankine (centrali termoelettriche a vapore) e su impianti basati su ciclo Brayton (centrali turbogas). Limiti dei sistemi semplici. Impianti a ciclo combinato Brayton-Rankine. Implementazione della logica dell'impianto a ciclo combinato anche per combustibili solidi: sistemi con gassificazione.
Impianto con sistemi a combustione esterna: sistemi EFGT ed EFCC. Analisi comparative di impianti termoelettrici alimentati da diversi combustibili basati su bilanci di massa ed energia. Stima dei consumi di combustibile, delle emissioni di CO2 e di valori specifici di emissione. Valutazioni numeriche.
Usi dell'energia e risorse energetiche. Evoluzione storica degli usi e dei consumi. Gli sviluppi dell'ultimo secolo e negli ultimi 15 anni. Indicatori di utilizzazione dell'energia. Situazione attuale. Fonti primarie e quantità utilizzate. Energia elettrica: modalità di produzione e risorse energetiche utilizzate. Il recente sviluppo delle fonti rinnovabili.
I combustibili fossili. Petrolio e prodotti petroliferi. Classificazione dei prodotti petroliferi. Esempi tipici e dati quantitativi. Distillazione frazionata dei prodotti petroliferi. Disponibilità di risorse petrolifere. Il problema dei limiti della disponibilità di risorse ed il continuo superamento. I carboni fossili: classificazione dei carboni fossili e dati caratteristici. Il gas naturale.
I combustibili fossili e l'uso in impianti per la conversione di energia. Confronto tra i diversi combustibili in relazione ai rapporti caratteristici aria combustibile. Combustioni con eccesso di aria: valori caratteristici dei rapporti aria-combustibile in condizioni stechiometriche ed in condizioni reali. Le combustioni negli impianti termoelettrici: funzionamento delle caldaie e problemi indotti dalla riduzione della qualità del carbone. Schemi impiantistici tradizionali.
Le diverse tipologie di carbone e le combustioni: stima dei rapporti aria-combustibile. Gli usi del carboni sub-bituminosi e lignitici. Superamento della combustione convenzionale: la combustione a letto fluido e gli schemi impiantistici relativi. I processi di gassificazione del carbone e gli impianti IGCC.
Bilancio energetico di un sistema con gassificatore di carbone. Utilizzazione dei gas di sintesi per combustione in impianti IGCC. Valori caratteristici dei rapporti aria/combustibile nel caso di combustione di syngas. Fonti rinnovabili e quasi rinnovabili. Il problema della classificazione: classificazioni su basi energetiche e su basi merceologiche. Esempi. Energia geotermica. Il fenomeno geotermico e le risorse geotermiche: elementi fisici di base.
Risorse geotermiche valorizzabili energeticamente. Classificazione sulla base delle proprietà termodinamiche. Diverse tipologie di risorsa geotermica: chimismo del fluido, stato fisico, temperatura e pressione. Valorizzazione energetica delle risorse geotermiche per la produzione di potenza. Impianti a vapore secco, impianti a separazione di vapore ed impianti a ciclo binario. Un caso impiantistico significativo: l'impianto geotermoelettrico di Valle Secolo (area di Larderello): schema impiantistico e bilanci energetici.
Utilizzazione delle risorse geotermiche: definizione dei concetti di rinnovabilità e sostenibilità dell'uso. Il problema dell'uso economicamente sostenibile. Energia solare. La radiazione solare. Elementi fisici di riferimento. Costante solare. Radiazione solare diretta e diffusa. Modelli semplificati per il calcolo della radiazione solare incidente su una superficie.
Calcolo della radiazione solare incidente in funzione delle diverse condizioni stagionali e di nuvolosità del cielo. Valutazioni numeriche effettuate con riferimento a 3 giornate tipo. Energie irradiata su una superficie: valori caratteristici. L'inseguimento solare: effetto degli angoli di inclinazione rispetto alla superficie orizzontale ed azimutale.
Utilizzazione della radiazione solare per la produzione di potenza. Solare termoelettrico o termodinamico: la concentrazione della radiazione solare. Collettori parabolici lineari, concentratori puntuali (solar dish) e sistemi a torre solare. Schemi impiantistici per la realizzazione di impianti solari a concentrazione. Rendimenti caratteristici. Conversione diretta della potenza: il solare fotovoltaico. Cenni ai principi fisici generali della conversione.
Elementi di base della conversione fotovoltaica. Celle fotovoltaiche, moduli fotovoltaici e generatori fotovoltaici. Curva caratteristica di un modulo fotovoltaico ed effetto della variazione della radiazione solare. Varie tecnologie disponibili e modalità di realizzazione di impianti fotovoltaici. Potenzialità e limiti della tecnologia. Biomasse per energia e bioenergie: cenni alla tematica e valutazioni preliminari. Calcoli di densità energetica delle biomasse residuali.
Biomasse per energia e biocombustibili. Le varie filiere per la produzione di biocombustibili da biomasse. Biomasse ligno-cellulosiche e processi termochimici. Biomasse oleaginose e produzione di biodiesel per transesterificazione. Biomasse amidaceo-zuccherine e produzione di bioetanolo. Biomasse umide e produzione di biogas con digestione anaerobica. Energia eolica. Il sistema dei venti e l'interese energetico. Potenza trasportata da correnti eoliche. Caratterizzazione delle risorse eoliche. Velocità media. Distribuzione probabilistica di Weibull.
Energia idraulica ed impianti idroelettrici. Principi fisici di base. Concetti di salto geodetico e portata volumetrica. Analisi di alcuni dati quantitativi caratteristici. Impianti di conversione dell'energia. Possibili schemi impiantistici e modalità di funzionamento.
Various forms of energy and classifications. Energy sources and final uses. Recall of energy concepts and energy flow (power). Perception of energy quantities. Examples of orders of magnitude and data.
Recalls on the applications of mass and energy balances (first law of thermodynamics) concerning some specific application cases. Comparison between various energy terms (thermal and mechanical) in some fluid systems using gas, water, and steam. Application examples: steam turbine and mechanical pressure washer.
Recalls on the thermophysical properties of water vapor and the use of thermodynamic tables. Evaluation of the power of some energy systems of practical technical interest. Thermoelectric plant based on the Rankine cycle: comparison between ideal cases and cases with turbine irreversibility.
Analysis of energy systems based on the first and second laws of thermodynamics. Considerations on thermal dissipation to the environment. The concept of the quality of energy forms. Transformations and irreversibility. The concept of energy degradation.
The concept of exergy. Exergy associated with different systems: fixed-temperature heat sources, mass with finite heat capacity, fluid systems. Numerical evaluations and comparisons.
Definition of exergy for fluid systems. Cases of ideal gas and compressed liquid. Examples. Definition of the exergetic factor. Numerical evaluations. Exergy associated with black body radiation. Evaluations associated with some significant cases. Specific exergetic power associated with solar radiation.
Implications of the second law of thermodynamics on the analysis of energy systems. The concept of "energy saving," improvement of energy systems. Energy systems with heterogeneous useful effects: cogeneration plants. Renewable sources. Application example: comparison between a steam production plant and a CHP plant.
Second law efficiencies and irreversibilities associated with heat exchange processes. The case of steam generators in Rankine cycle power plants. Numerical evaluation. Brayton cycle analysis. Comparison between ideal Brayton cycle and actual Brayton cycle: analysis of irreversibilities in various components.
Direct and indirect energy conversion. Fuels and combustions. Classification of fuels based on quantitative elements. First principle view: lower and upper heating values and adiabatic flame temperature. Determination of some characteristic values (methane and iso-octane) based on the molar enthalpies of formation of compounds using the energy balance method. Quantitative evaluation of the adiabatic flame temperature of methane with the values of the average specific heats of the substances involved in the process. Real combustions.
Fuels and combustions: from a first principle to a second principle view. Molar Gibbs free energy of formation. Standard Gibbs free energy of reaction of fuels. Determination of the chemical exergy of fuels: the problem of defining a reference environment. Reference substance model and evaluation of some values of the chemical exergy of fuels: carbon monoxide and methane.
Real combustions and intrinsic and extrinsic irreversibilities. Thermoelectric plants: limits of plants based on the Rankine cycle (steam power plants) and plants based on the Brayton cycle (gas turbine power plants). Limits of simple systems. Combined Brayton-Rankine cycle plants. Implementation of the combined cycle plant logic also for solid fuels: gasification systems.
Plant with external combustion systems: EFGT and EFCC systems. Comparative analysis of power plants fueled by different fuels based on mass and energy balances. Estimation of fuel consumption, CO2 emissions, and specific emission values. Numerical evaluations.
Uses of energy and energy resources. Historical evolution of uses and consumption. Developments in the last century and in the last 15 years. Energy utilization indicators. Current situation. Primary sources and quantities used. Electric energy: production methods and energy resources used. Recent development of renewable sources.
Fossil fuels. Oil and petroleum products. Classification of petroleum products. Typical examples and quantitative data. Fractional distillation of petroleum products. Availability of petroleum resources. The problem of resource availability limits and continuous surpassing. Fossil coals: classification of fossil coals and characteristic data. Natural gas.
Fossil fuels and their use in energy conversion plants. Comparison between different fuels in relation to characteristic air-fuel ratios. Combustions with excess air: characteristic values of air-fuel ratios in stoichiometric and real conditions. Combustions in thermoelectric plants: operation of boilers and problems induced by the reduction of coal quality. Traditional plant schemes.
Different types of coal and combustions: estimation of air-fuel ratios. Uses of sub-bituminous and lignitic coals. Overcoming conventional combustion: fluidized bed combustion and related plant schemes. Coal gasification processes and IGCC plants.
Energy balance of a system with a coal gasifier. Utilization of synthesis gas for combustion in IGCC plants. Characteristic values of air/fuel ratios in the case of syngas combustion. Renewable and quasi-renewable sources. The problem of classification: classifications based on energy and commodity bases. Examples. Geothermal energy. Geothermal phenomenon and geothermal resources: basic physical elements.
Geothermally exploitable resources. Classification based on thermodynamic properties. Different types of geothermal resource: fluid chemistry, physical state, temperature, and pressure. Energetic valorization of geothermal resources for power production. Dry steam plants, flash steam plants, and binary cycle plants. A significant plant case: the geothermal power plant of Valle Secolo (Larderello area): plant scheme and energy balances.
Utilization of geothermal resources: definition of the concepts of renewability and sustainability of use. The problem of economically sustainable use. Solar energy. Solar radiation. Basic physical reference elements. Solar constant. Direct and diffuse solar radiation. Simplified models for calculating solar radiation incident on a surface.
Calculation of incident solar radiation as a function of different seasonal conditions and sky cloudiness. Numerical evaluations concerning typical days. Energy irradiated on a surface: characteristic values. Solar tracking: effect of inclination angles relative to the horizontal surface and azimuthal.
Utilization of solar radiation for power production. Solar thermoelectric or thermodynamic: concentration of solar radiation. Linear parabolic collectors, point concentrators (solar dish), and solar tower systems. Plant schemes for the implementation of concentrated solar power plants. Characteristic efficiencies. Direct power conversion: photovoltaic solar. A brief overview of the general physical principles of conversion.
Basic elements of photovoltaic conversion. Photovoltaic cells, modules, and generators. Characteristic curve of a photovoltaic module and the effect of variation in solar radiation. Various available technologies and methods of implementing photovoltaic plants. Potential and limits of the technology. Biomass for energy and bioenergy: an overview and preliminary assessments. Calculations of energy density of residual biomasses.
Biomass for energy and biofuels. Various chains for the production of biofuels from biomass. Lignocellulosic biomass and thermochemical processes. Oleaginous biomass and biodiesel production by transesterification. Starchy-sugary biomass and bioethanol production. Wet biomass and biogas production with anaerobic digestion. Wind energy. The wind system and energy interest. Power carried out by wind currents. Characterization of wind resources. Average speed. Weibull probability distribution.
Hydraulic energy and hydroelectric plants. Basic physical principles. Concepts of geodetic drop and volumetric flow rate. Analysis of some characteristic quantitative data. Energy conversion plants.
