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PRINCIPALI RECENTI PROGETTI DI RICERCA

Modellazione, sperimentazione e valutazione tecnico-economica di tecnologie CCS post-, pre e ossi-combustione per la riduzione delle emissioni di CO2 da impianti termoelettrici.

Il progetto di ricerca si inquadra nell’ambito degli studi di base volti all’avanzamento delle conoscenze nel settore delle tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage) per la riduzione delle emissioni antropiche di CO2 in atmosfera. Esso persegue il principale obiettivo di ampliare le conoscenze sulle specifiche tecnologie CCS volte alla “decarbonizzazione” dei combustibili fossili (e di combustibili non fossili di natura organica) mediante processi di cattura della CO2 post- e pre-combustione e processi di ossi-combustione.

Il progetto proposto coinvolge due unità operative, quella di riferimento in capo al DIMCM, l’altra alla Sotacarbo, Società di ricerca per le Tecnologie Avanzate del Carbone. Il progetto si articola in diverse attività che riguardano, in particolare, i) l’analisi e la valutazione comparativa delle prestazioni energetiche delle tecnologie di generazione elettrica a basse emissioni di CO2 basate sugli approcci post-, pre- e ossi-combustione, ii) l’analisi e la valutazione comparativa delle prestazioni economiche delle suddette tecnologie, iii) verifiche sperimentali delle tecnologie di assorbimento post- e pre-combustione della CO2 con solventi a base di ammine.

 

Modellazione, controllo e sperimentazione di sistemi innovativi per l’accumulo di energia termica ad alta temperatura.

Il progetto persegue il principale obiettivo di ampliare le conoscenze nel campo della caratterizzazione fisica, della modellistica, del controllo e della diagnostica di sistemi innovativi di accumulo termico a calore sensibile di tipo packed-bed, basati sull’impiego di materiali solidi ad elevata capacità termica e dedicati principalmente all’integrazione con impianti solari a concentrazione (CSP) di nuova concezione che utilizzano fluidi termovettori gassosi. Tali sistemi consistono essenzialmente in un serbatoio contente un letto solido granulare attraverso il quale viene veicolato, nei due possibili versi di percorrenza, il fluido termovettore. I sistemi di accumulo a fluido termovettore gassoso operanti secondo il principio del termoclino, come pure gli stessi impianti CSP basati su fluidi termovettori gassosi, sono da tempo oggetto di interesse della comunità scientifica ma si trovano in una fase di sviluppo poco avanzata che richiede ancora notevoli approfondimenti. Oltre che per le applicazioni CSP, questi sistemi sono di interesse per le applicazioni negli impianti ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) e nell’accumulo industriale dell’energia termica a media e alta temperatura più in generale.

Il progetto di ricerca, finanziato dalla L.R. 7/2007, coinvolge due unità operative facenti capo al DIMCM (referente) e al DIEE. Esso si articola in diverse attività concernenti principalmente: i) lo sviluppo di modelli matematici relativi ai sistemi di accumulo termico a letto solido, ii) l’individuazione di schemi e algoritmi che permettano un’efficiente ed efficace gestione dei sistemi di accumulo termico a letto solido tenendo conto della variabilità delle condizioni operative e ambientali che influenzano il processo, iii) la sperimentazione su un impianto pilota realizzato presso i laboratori del DIMCM operante in circuito aperto e utilizzante l’aria come fluido termovettore, iv) l’analisi delle prestazioni di impianti solari termodinamici integrati con sistemi di accumulo termico a letto solido di differente configurazione. Nell’ambito di questo progetto è stato inoltre realizzato un secondo impianto pilota operante in circuito aperto con fluidi termovettori gassosi diversi (N2, CO2, ecc.).

 

Modellazione, simulazione e sperimentazione di sistemi per l’accumulo di energia termica a media e alta temperatura mediante materiali in transizione di fase (PCM)

Il progetto di ricerca riguarda la modellazione e la simulazione numerica e la sperimentazione di sistemi innovativi per l’accumulo dell’energia termica (TES) a media e ad alta temperatura con tecnologie basate sui cosiddetti PCM (Phase Change Materials).

Il tema dell’accumulo dell’energia termica (e dell’energia più in generale) è di grande attualità e si inserisce strategicamente nell’ambito del programma quadro Horizon 2020, in particolare nell’asse “Societal Challenges” (programma “Secure, clean and efficient Energy”), perché strettamente correlato allo sviluppo e alla diffusione delle tecnologie innovative di risparmio energetico e delle energie rinnovabili, specie di quelle non programmabili.

Il progetto si articola in diverse attività concernenti principalmente: i) la scelta dei materiali idonei (campi di temperatura e campi di applicazione, caratteristiche di fusione e solidificazione, cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, ecc.), ii) sviluppo di sistemi di accumulo, iii) apparecchiature e dispositivi (analisi numerica, modellazione e simulazione, realizzazione e sperimentazione), iv) valutazione numerica e sperimentale del deterioramento durante cicli ripetuti di carica e scarica, v) identificazione dei criteri di gestione e controllo ottimale in funzione del tipo di PCM e dell’applicazione, vi) miglioramento delle prestazioni mediante tecniche di incremento dell’efficacia dello scambio termico.

Ai fini della sperimentazione è stato realizzato, presso i laboratori del DIMCM, un impianto sperimentale che consente lo studio di sistemi TES-PCM con capacità di accumulo fino a 300 kWh (e anche oltre), con potenza di carica di 40 kW e operanti fino a temperature di 350 °C.

Nell’ambito di questo progetto sono state avviate alcune collaborazioni con università e centri di ricerca internazionali e nazionali, in particolare con l’Università di Lleida in Spagna e con la “Piattaforma Energie Rinnovabili di Sardegna Ricerche. La collaborazione con l’Università di Lleida riguarda principalmente la simulazione numerica e la valutazione di prestazioni di sistemi PCM-TES operanti in condizioni variabili con processi di carica e scarica parziale, mentre la collaborazione con Sardegna Ricerche ha portato alla realizzazione di un prototipo che sarà oggetto di una prossima campagna di sperimentazione.

 

Impianti ibridi con accumulo di idrogeno.

Nei sistemi di generazione elettrica in isola alimentati con fonti energetiche rinnovabili, solare ed eolica, si rende necessario l’utilizzo di dispositivi di accumulo dell’energia elettrica prodotta a causa del loro carattere intermittente e fluttuante. L’accumulo dell’energia basato sulle tecnologie dell’idrogeno è una delle opzioni più interessanti. In tal senso, le attività di ricerca in questo settore sono volte ad analizzare le prestazioni dei sistemi di generazione isolati nei quali l’eccesso di produzione elettrica derivante dalle turbine eoliche e dai moduli fotovoltaici viene utilizzato per alimentare generatori di idrogeno di tipo PEM. L’idrogeno prodotto viene accumulato allo stato gassoso in serbatoi pressurizzati e utilizzato in celle a combustibile PEM per produrre energia elettrica quando richiesto dagli utenti finali. Il sistema di accumulo ad idrogeno è inoltre integrato con un sistema di accumulatori elettrochimici. In particolare, lo studio dei sistemi ibridi con accumulo ad idrogeno è stato sviluppato con riferimento alla microrete sperimentale sulle tecnologie dell’idrogeno attualmente in fase di realizzazione presso il Cluster Energie Rinnovabili di Sardegna Ricerche nei pressi di Cagliari. Nel corso della ricerca continuano ad essere valutate le prestazioni attese dall’impianti e proposte soluzioni migliorative per l’implementazione della piattaforma e per la sua gestione ottimale.

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In Inglese

MAIN RECENT RESEARCH PROJECS

Modeling, experimentation and technical-economic evaluation of post-, pre- and oxy-combustion CCS technologies for the reduction of CO2 emissions from power generetion plants.

The research project is part of the core studies on CCS (Carbon Capture and Storage) technology for the reduction of CO2 emissions in the atmosphere. It pursues the main objective of expanding knowledge on specific CCS technologies for the “decarbonisation” of fossil fuels (and non-fossil fuels of organic nature) through post- and pre-combustion CO2 capture and oxy-combustion processes.

The project involves two operating units, the reference one at DIMCM, and the other one at Sotacarbo, a Research Centre for “Low Carbon Technologies”. The project is structured in a number of activities related, in particular, to: (i) the comparative analysis and benchmarking of the energy performance of low-emission CO2 generation technologies based on post-, pre- and oxy-combustion approaches; (ii) Comparative analysis and evaluation of the economic performance of these technologies; (iii) experimental testing of CO2 post- and pre-combustion technologies with ammino-based solvents.

 

Modeling, control and testing of innovative systems for high temperature thermal energy storage.

The project pursues the main objective of expanding knowledge in the field of physical characterization, modeling, control and diagnostics of innovative, sensible heat, packed-bed thermal energy storage systems based on the use of high-capacity solid materials and devoted mainly to the integration of newly conceived solar-based (CSP) solar thermal systems using gaseous heat transfer fluids. Such systems consist essentially of a tank containing a solid granular bed through which the thermal fluid is conveyed in the two possible directions. Thermal energy storage systems based on gaseous heat transfer fluids operating according to the thermocline principle, as well as the same CSP plants based on gaseous heat transfer fluids, have long been the subject of scientific community interest but are in a phase of low development which still requires remarkable insights. In addition to CSP applications, these systems are of interest to applications in ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage) systems and in the industrial thermal energy storage at medium and high temperature in general.

The research project, funded by L.R. 7/2007, involves two operational units belonging to the DIMCM (referent) and DIEE. It is divided into several activities mainly related to: i) the development of mathematical models for solid bed thermal energy storage systems; ii) the identification of schemes and algorithms that allow efficient and effective management of thermal storage systems in solid bed, taking into account the variability of operational and environmental conditions affecting the process, iii) testing on a pilot plant in open-circuit and air-operated at DIMCM laboratories, iv) performance analysis of thermodynamic solar power systems integrated with packed-bed thermal energy storage systems of different configuration. In the framework of this project, a second pilot plant operated in open circuit with different gaseous heat transfer fluids (N2, CO2, etc.) was also realized.

 

Modeling, simulation and experimentation of medium and high temperature thermal energy storage systems by phase transition materials (PCM)

The research project regards the modeling and numerical simulation and the experimentation of innovative medium and high-temperature thermal energy storage (TES) systems with Phase Change Materials (PCM) technologies.

The issue of thermal energy storage (and energy more generally) is highly relevant and is strategically integrated within the Horizon 2020 Framework Program, in particular in the “Socially Challenges” (“Secure, clean and efficient energy” program) because it is closely related to the development and dissemination of innovative energy saving and renewable energy technologies, especially non-programmable ones.

The project is divided into several activities mainly related to: i) the choice of suitable materials (temperature fields and application fields, melting and solidifying characteristics, thermal cycles, compatibility with other materials, useful life, etc.), ii) development of storage systems, iii) equipment and devices (numerical analysis, modeling and simulation, construction and testing), iv) numerical and experimental evaluation of deterioration during repeated charge and discharge cycles, v) identification of optimal management and control criteria in function of the PCM type and application, vi) improvement of performance by techniques for enhancing the heat transfer.

For the purpose of the experimental studies, an experimental facility was developed at the DIMCM laboratories that allows the study of TES-PCM systems with a storage capacity of up to 300 kWh (and beyond) with a power output of 40 kW and operating up to temperatures of 350 ° C.

Within this project, several collaborations have taken place with international and national universities and research centers, in particular with the University of Lleida in Spain and with the “Renewable Energy Research Platform of Sardinia Ricerche”. Collaboration with the University of Lleida mainly concerns the numerical simulation and performance evaluation of PCM-TES systems operating under varying conditions with partial charge and discharge processes, while collaboration with Sardegna Ricerche has led to the realization of a prototype that will be subject to a forthcoming experimentation campaign.

 

Hybrid power plants with hydrogen storage.

In isolated power systems based on renewable energy sources, solar and wind power in particular, it is necessary to use electric storage devices due to their intermittent and floating character. Energy storage based on hydrogen production and storage technologies is one of the most interesting options.

To this end, the research in this area is intended to analyze the performance of isolated generation systems in which the excess production of electricity from wind turbines and photovoltaic modules is used to supply PEM type hydrogen generators. Hydrogen produced is accumulated in the gaseous state in pressurized tanks and used in PEM fuel cells to produce electricity when required by the end users. The hydrogen storage system is also integrated with an electrochemical storage system (batteries).

In particular, the study of these hybrid systems with hydrogen storage has been developed with reference to the experimental micro-grid on hydrogen technologies currently being implemented at the “Cluster Energie Rinnovabili” of “Sardegna Ricerche” near Cagliari. In the course of the research project, the expected performance of the system and the proposed improvement solutions for platform deployment and optimum management are still being evaluated.

 

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