Thèses sur le sujet « Impianti a energia solare »

Nowadays, and even more in the next decades, the availability and easy-access to energy sources represent a crucial asset for the world development and the progress of people and nations. At the same time, the depletion of natural resources, together with the increase of the anthropic activity impact on the Earth ecosystem and climate, force communities and institutions, at all levels, to discuss and actuate different approaches to achieve the social and economic growth, based on the so-called sustainable development pattern. In such a scenario, renewable energy sources, i.e. solar, wind, hydro, biomass, geothermal, etc., certainly play a key role to join progress and attention to the environmental issues. The present Ph.D. dissertation focuses on such topics investigating strategies, methods and innovative approaches for the effective design, control and management of renewable energy plants and technologies. Specifically, the energy scenario is investigated from a global point of view proposing studies and optimization models highlighting the relevance and the potential impact of the major energy sources, both renewable and conventional. Such sources represent the elements of a big puzzle, i.e. the energy mix, in which their economic and environmental strengths should be emphasized minimizing the associated negative impacts and weaknesses. Among renewable sources, solar energy is of primary importance for availability, diffusion and potential impact. The present Ph.D. dissertation particularly investigates such a source presenting models, methods and prototypes to increase its relevance in the energy mix. The fundamentals of solar energy, together with innovative approaches to estimate the solar radiation components, are provided. Furthermore, the pioneering concentrating solar sector is deeply focused presenting the design, development and preliminary field-test of a bi-axial Fresnel solar photovoltaic/thermal (PV/T) concentrating prototype. Possible solar tracking strategies and control algorithms are, then, investigated describing a customized semi-automatic motion control platform, developed in LabViewTM programming environment. Finally, the last section, proposes an effective approach for the design of a solar simulator, the most frequently adopted device in solar optic laboratory tests. In conclusion, the present Ph.D. dissertation describes effective strategies for the renewable energy spread, considering their performances and their potential impact to achieve the ambitious challenge of a sustainable living planet.
Oggigiorno, ed in misura crescente nei prossimi decenni, la disponibilità e facilità di accesso alle fonti energetiche rappresenta un fattore determinante per lo sviluppo mondiale ed il progresso di popoli e nazioni. Parallelamente a ciò, il progressivo sfruttamento delle risorse naturali, unito all’aumento dell’impatto delle attività antropiche sull’ecosistema terrestre e sul clima, impongono a comunità ed istituzioni, ad ogni livello, un ripensamento e l’attuazione di differenti strategie per garantire lo sviluppo sociale ed economico attraverso il ricorso ad approcci basati sul concetto di sviluppo sostenibile. In questo contesto, le fonti energetiche rinnovabili, i.e. solare, eolica, idroelettrica, da biomasse, geotermica, ecc., assumono certamente un ruolo determinante per coniugare progresso ed attenzione alle tematiche ambientali. La presente Tesi di Dottorato si incentra su queste tematiche approfondendo strategie, metodi ed approcci innovativi per l’efficace progettazione, controllo e gestione di impianti e tecnologie per le energie rinnovabili. Nel dettaglio, lo scenario d’insieme delle fonti energetiche è analizzato con logica di sistema ed orientamento all’ottimizzazione globale proponendo studi e modelli che evidenzino l’importanza ed il potenziale delle principali risorse, rinnovabili e non, come elementi di un grande mosaico, i.e. il mix energetico globale, nel quale le potenzialità economiche ed ambientali di ogni risorsa sono enfatizzate minimizzando, nel contempo, gli impatti negativi e le rispettive debolezze. Tra le possibili fonti rinnovabili, la fonte solare assume primaria importanza per disponibilità, diffusione ed impatto potenziale. La presente Tesi di Dottorato analizza, in dettaglio, questa risorsa energetica presentando modelli, metodi ed impianti sviluppati per accrescere l’incidenza di questa risorsa nel mix energetico. Gli elementi ed aspetti fondamentali, insieme ad approcci innovativi per la stima delle componenti della radiazione solare, sono presentati nell’elaborato. Successivamente, l’innovativo settore della concentrazione solare è analizzato, in dettaglio, anche attraverso l’illustrazione delle scelte progettuali, lo sviluppo e la campagna sperimentale preliminare di un concentratore solare fotovoltaico/termico (PV/T) a lenti di Fresnel ed inseguimento biassiale. Nel seguito, vengono approfondite possibili strategie per l’inseguimento biassiale ed algoritmi di controllo, implementati in una piattaforma semi-automatizzata sviluppata in ambiente di programmazione grafica LabViewTM. L’ultima sezione propone, infine, un approccio per la progettazione di un simulatore solare, un dispositivo spesso adottato nei test di ottica solare. In conclusione, la presente Tesi di Dottorato, descrive una molteplicità di strategie orientate alla diffusione delle energie rinnovabili, con attenzione alle performance ed all’impatto potenziale che esse hanno verso il raggiungimento dell’obiettivo ambizioso di un sostenibile living planet.

Il lavoro di tesi si propone di progettare un impianto cogenerativo che utilizzi come fonte di energia primaria il sole. Lo sviluppo del lavoro è stato possibile grazie all’aiuto del responsabile dell’azienda More Energy s.r.l., azienda specializzata nella progettazione di impianti energetici dove ho potuto fare il mio tirocinio curricolare. Inizialmente si illustrerà il mondo della cogenerazione e della normativa ad esso inerente. Successivamente si illustrerà la configurazione impiantistica adottata, che vede l’utilizzo di un concentratore parabolico solare che alimenta un motore Stirling a media temperatura per la produzione in assetto cogenerativo di energia elettrica e termica. Dopo aver presentato il funzionamento dei principali componenti dell’impianto in esame, si procede con il dimensionamento dei componenti che fanno parte dello schema di processo completo dell’impianto. Attraverso l’utilizzo di fogli di calcolo, è stata poi calcolata la produzione annua per questo impianto facendo riferimento alla città di Reggio Emilia. Successivamente si effettuerà il calcolo del riconoscimento CAR (Cogenerazione ad Alto Rendimento) con il corrispettivo risparmio di energia primaria calcolato in Certificati Bianchi e gli incentivi statali dati dal Conto Termico vigente in questi anni. Infine verrà fatta una breve analisi economica con l’elenco delle principali voci di costo per la realizzazione del sistema e il calcolo del tempo di ritorno dell’investimento, tenendo conto degli incentivi presenti.

L’obiettivo della tesi, sviluppata presso i laboratori del C.R. ENEA di Casaccia, è lo sviluppo di un modello numerico per la simulazione di un sistema di accumulo termico operante con materiale a cambiamento di fase per impianti solari a concentrazione (CSP). Nella prima parte della tesi si analizza lo stato dell’arte della tecnologia CSP. Particolare attenzione è rivolta alle tecniche di stoccaggio e in particolare all'accumulo termico a calore latente con materiali a cambiamento di fase (PCM) come i sali fusi. Nella seconda parte è presentato il modello matematico realizzato in Matlab sviluppato per la caratterizzazione dell’accumulo termico a tubi verticali in cui il mezzo di accumulo è costituito da “sale solare”. Nella terza parte sono riportati i risultati delle analisi di sensibilità del modello alla discretizzazione spaziale e temporale della griglia di calcolo. Dalle simulazioni numeriche, condotte nella quarta parte della tesi, è risultato che nelle fasi di riscaldamento e raffreddamento, il processo avviene più lentamente per il PCM per via dello scambio termico tra olio e sali. Inoltre, in prossimità della temperatura di fusione, è identificata una zona a temperatura costante in cui il PCM inizia il processo di fusione migliorando il coefficiente di scambio tra olio e sali come evidenziato dal rateo di crescita molto elevato della temperatura immediatamente dopo la zona a temperatura costante. Nell'ultima parte è infine riportata la validazione del modello confrontando i risultati con le prove effettuate su un impianto sperimentale presente nel centro. Il modello sviluppato risulta un buon strumento per la simulazione di sistemi di accumulo con PCM, consentendo a tecnici del settore di realizzare una migliore progettazione rispetto a quella ottenibile con i modelli attualmente presenti. Tuttavia, un ulteriore miglioramento può essere conseguito identificando sperimentalmente il valore del coefficiente di scambio termico tra serbatoio e ambiente esterno.

L'elaborato è focalizzato sul dimensionamento di un sistema solare termico da integrare ad una caldaia a metano in una palestra di riferimento. Sono state condotte simulazioni dinamiche in ambiente Trnsys per analizzare il consumo energetico dell'utenza termica, eseguite anche al variare dei valori di differenti variabili. Infine sono state condotte valutazioni economiche, tramite parametri finanziari, per decretare la fattibilità e la convenienza dell'investimento.

L’elaborato di tesi ha lo scopo di andare ad analizzare gli interventi di efficientamento energetico da realizzare su un edificio condominiale esistente per verificare i requisiti richiesti per accedere alle detrazioni fiscali previste dal Superbonus 110%. Dopo la descrizione del panorama normativo che regolamenta le detrazioni fiscali e il calcolo dei fabbisogni energetici, si presentano le caratteristiche geometriche-strutturali dell’edificio e l’impianto inizialmente presente. Viene poi proposta la descrizione degli interventi che si intendono realizzare per garantire il miglioramento della classe energetica. Infine, si analizza l’impatto degli interventi per garantire i requisiti necessari per accedere alle detrazioni.

Il funzionamento di un impianto di condizionamento basato su un gruppo frigorifero con eiettore a geometria variabile è uno dei sistemi attualmente in fase di studio per una futura applicazione in ambito residenziale. Questo sistema è anche sviluppato all’interno del progetto europeo Hybrid-BioVGE, che sta studiando questi sistemi di condizionamento innovativi che utilizzano fonti rinnovabili come l’energia solare e la biomassa. La particolarità di questo impianto innovativo è nell’eiettore che garantisce una notevole semplicità strutturale al gruppo frigorifero, minori costi di mantenimento e di manutenzione; inoltre permette di utilizzare fluidi refrigeranti ecocompatibili riducendo l’impatto ambientale. Il gruppo chiller VGE è alimentato da acqua riscaldata o utilizzando l’energia solare o l'energia termica stoccata in serbatoio caldo o attraverso una caldaia a biomassa. Inoltre l’impianto è caratterizzato dalla presenza di un accumulo PCM, che funge da serbatoio per l’energia frigorifera prodotta. Attraverso il software TRNSYS 18 sono state studiate diverse modalità di funzionamento dell’impianto, destinato ad un utilizzo residenziale presso un edificio costruito a Porto, con l’obiettivo di implementare una strategia operativa che permetta di ridurre i consumi energetici durante la stagione di raffreddamento, di ottimizzarne il funzionamento attraverso il solo utilizzo, se possibile, dell’energia solare. Inoltre sono stati implementati nel software anche due impianti tradizionali di confronto, il primo con caldaia a condensazione e pompa di calore aria-acqua ed il secondo con pompa di calore reversibile, per mettere in evidenza le differenze nei risultati ottenuti tra l'impianto di progetto e questi ultimi in maniera tale da determinare i vantaggi, le potenzialità e gli svantaggi dell’impianto innovativo.

Un impianto SolarCombi+ è costituito da collettori solari termici, accumulo di acqua calda, macchina frigorifera attivata termicamente, torre di smaltimento del calore, pompe e sistema di distribuzione. Un impianto di questo tipo è in grado di soddisfare la domanda di riscaldamento, raffrescamento dei locali e per la produzione di acqua calda sanitaria. L’uso combinato dell’energia solare per il riscaldamento e il raffrescamento dei locali ha la potenzialità di elevare la tecnologia del solare termico dalla sola produzione dell’acqua calda sanitaria alla copertura di un maggior fabbisogno di energia termica. Fino ad oggi la tecnologia delle macchine frigorifere attivate termicamente era disponibile solamente per impianti di grossa taglia. Le nuove macchine frigorifere di piccola taglia stanno cercando di aprire il mercato per le piccole applicazioni che in Europa costituiscono la maggior parte della domanda di riscaldamento e della crescente domanda di raffrescamento. Per questo motivo, con la promozione dei sistemi SolarCombi+ di piccola taglia, le attività di ricerca stanno contribuendo considerevolmente al raggiungimento dell’importante obbiettivo della politica energetica dell’unione europea; in particolare quello legate alla quota di energia da fonti rinnovabili e alla sicurezza della fornitura di energia nella unione europea. Il potenziale di riduzione del consumo di combustibile fossile associato alla maggior conoscenza delle tecnologie per le energie rinnovabili è stata la spinta a sostenere questo lavoro di tesi.
In this study, firstly heat rejection components has been treated and then the entire SolarCombi+ model has been developed in order to help the design and control of such system. These components are in form of mathematical models, TRNSYS type, and guidelines for design and control are produced from results of numerously dynamic simulations applied to the entire SolarCombi+ system. A SolarCombi+ plant consists of solar collectors, hot water storage buffer, heat Thermally Driven Chiller, cooling tower, pumps, and distribution system so as to satisfy the space heating and cooling and, domestic hot water preparation. The combined use of solar energy for heating and cooling has the potential to upgrade solar thermal energy from mainly DHW provider to a major building energy supplier. Up to now thermally driven chillers were only available in higher power range. The new small scale sorption chillers are trying to open the market for small applications, which make up for the major part of heating and a constantly growing part of cooling demand in Europe. Thus, promoting small scale SolarCombi+ systems, the research activities will contribute considerably to achieving important energy policy goals of the European Union; in particular relating to the share of renewable energies and the security of energy supply in the EU. The potential for reduction in fossil fuel consumption associated with a better knowledge of renewable energy technologies provides the impetus for this project.

Nello studio della tesi sono stati applicati i passaggi del processo di diagnosi energetica previsti dal Decreto Legislativo 102/14. È stato individuato come e dove l’energia entra nell’impianto, stabilimento, sistema o parte di attrezzatura. Sono stati costruiti dei modelli energetici per stimare il consumo di energia elettrica, gas naturale e gasolio dell’azienda. Sono stati elaborati degli indicatori energetici, fondamentali per una valutazione e un’interpretazione dei dati di consumo. È stato presentato uno studio di fattibilità di un impianto solare termico al fine di autoconsumo di acqua calda sanitaria da fonte rinnovabile. Sono state analizzate delle possibili soluzioni in modo che l’energia possa essere utilizzata in modo più consapevole ed efficace. È stata effettuata anche un’analisi economica per valutare la convenienza degli interventi proposti.

Il tema principale della tesi é l'energia rinnovabile e in particolare l'energia solare. Una parte introduttiva é incentrata sul ruolo del rinnovabile in ambito italiano, europeo e internazionale, per poi andare a considerare possibili sviluppi in futuro. Successivamente mi sono focalizzato sull'energia proveniente dal Sole, sulle sue caratteristiche intrinseche e su come può essere utilizzato con alti rendimenti. Nella seconda parte della tesi ho sviluppato il tema del pannello solare termico, descrivendo nei particolari tutti i suoi componenti e le sue possibili applicazioni in base alla variazione dei suoi parametri fondamentali. Infine, ho concluso la tesi descrivendo alcune soluzioni innovative che in qualche modo cercano di superare i difetti intrinseci del pannello termico, e che guidano l'avanguardia e la ricerca nell'ambito energetico solare.

The energy demand expected increase and the even more impacting greenhouse effect promote many effort to increase the renewable contribute in several electric markets and is expected to increase further in the next years. The increasing penetration of PV and wind energy, that are for definition unpredictable and variables, in several markets is forcing the power plants (both fossil and renewable) to operate with a high level of flexibility and a high dispatchability is becoming a requirement as important as a low price. In spite of a higher LCOE, Concentrated Solar Power (CSP) plants are recognized as the favorite way to produce electricity thanks to the availability of an embedded long-term storage system that allows supplying thermal energy when the irradiation is low (or fluctuating) and can extend (or shift) the operation of the plant according to the power demand variability. This thesis proposes the assessment of the central receiver system (CRS), considered the best option over CSP technologies. Nevertheless, many aspects still penalize the tower systems, mainly the higher installation costs and the lower energy density. The optimal design of the heliostat layout and the selection of the optimal geometrical/design parameters (tower height and receiver dimensions, among all) are fundamental to improve the performance of CRS, independently of the operation mode of the plant (connected or not to the grid). Successively, the capacity of a solar tower system operating in island-mode to fulfill the power demand is investigated, compared with the most mature PTC technology. Finally, the integration of the CRS is investigated in a fully renewable production system (PV+Wind turbines+CSP) where 90\% of the load must be satisfied.

L'energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile che sfrutta il moto dell'acqua, generato grazie all'energia potenziale presente tra due bacini posti a quote diverse per convertire l'energia meccanica in elettrica attraverso un alternatore collegato a turbina. Gli impianti si classificano in: impianti ad acqua fluente, a deflusso regolato, ad accumulo tramite pompaggio. Le turbine idrauliche sono quei dispositivi meccanici in grado di convertire l'energia cinetica in energia meccanica. Fra tutte studieremo la Pelton, la Francis e la Kaplan e i loro criteri di scelta. I grandi impianti hanno un notevole impatto ambientale, ecco perché la nuova tecnologia si basa sul mini idroelettrico; quest'ultimo dal punto di vista economico è competitivo rispetto alle altre fonti rinnovabili ed ai combustibili fossili.

L’obiettivo di questo lavoro è lo studio della variazione dei carichi aerodinamici per piccole variazioni della geometria su un veicolo da competizione ad energia solare. Questa analisi si inserisce nell’ottimizzazione aerodinamica di dettaglio. Il veicolo oggetto di studio è Emilia IV, auto sviluppata dal team Unibo Onda Solare. L’attività si è svolta tramite lo studio di tre configurazioni ottenute inclinando la parte superiore del veicolo originale di +2° e di -2°. Per le simulazioni fluidodinamiche è stato utilizzato il codice di calcolo commerciale Ansys Fluent. Le simulazioni sono state condotte con una velocità del flusso indisturbato di 20 m/s e con un numero di Reynolds calcolato sulla lunghezza della vettura di 6 milioni. Per la modellazione della turbolenza è stato utilizzato il modello k-epsilon realizable. È stato considerato uno strato limite turbolento per tutta la lunghezza del veicolo. La validazione del modello utilizzato è stata effettuata sulla geometria originale di Emilia IV tramite dati ottenuti precedentemente da simulazioni condotte con codici di calcolo Open Source (Open Foam) da ricercatori della Facoltà di Ingegneria di Forlì. La validazione della mesh è stata effettuata tramite simulazioni con quattro griglie di calcolo con numero di elementi crescente per verificarne la convergenza. Il numero di elementi della mesh definitiva è di 8 milioni composta da celle tetraedriche e da celle prismatiche. Si è data particolare rilevanza al coefficiente di resistenza delle tre vetture. Il modello utilizzato ha fornito risultatati sufficientemente accurati al fine di questo lavoro. La geometria originale si è dimostrata essere la più efficiente in termini di resistenza aerodinamica.

Lo scopo della tesi è progettare un cerchio per un veicolo solare ultraleggero omologabile e quindi in linea con i parametri indicati dalla normativa ECE-R124e, altamente rigido e di peso pari o inferiore ai 3 kg, che possa essere utilizzato sulla attuale auto solare dell’Università di Bologna, “Emilia4”, e su successive versioni della vettura. Il cerchio è stato testato con il metodo agli elementi finiti e, attraverso un iter di miglioramento, partendo dalla geometria iniziale, si è arrivati ad ottenere un cerchio che rispecchiasse gli obbiettivi preposti. Si è partiti da un tipo di razza scavata, con design a 15 razze, che è stato migliorato per step fino a raggiungere l’obbiettivo prefissato. Si è poi passati allo studio di un cerchio a razze piene aventi lo stesso volume del cerchio a razze scavate; questo studio è stato poi ampliato in funzione del numero di razze, riuscendo ad ottenere una seconda geometria altamente performante. Da queste due geometrie si è ricavato un cerchio ibrido che portasse i vantaggi di entrambi.

Il presente elaborato ha lo scopo di analizzare lo stato attuale dell'accumulo dell'energia applicato al caso dell'energia eolica. Dopo una introduzione in cui viene presentato il perchè della necessità di garantire sistemi di accumulo dell'energia e quali sono i relativi vantaggi, viene proposto un caso studio di un impianto eolico tipico: partendo dalla potenzialità produttiva dell'impianto e dal tipo di funzione che il sistema di accumulo deve svolgere si passa alla scelta e dimensionamento del sistema più adatto.

The United Nations (UN) project "Sustainable energy for all" sets three ambitious objectives to favor a sustainable development and to limit climate change: - Universal access to modern energy services. Electricity is currently not available for 1.3 billion people and the global energy demand is expected to grow of about 35% within 2040, due to the increasing world population and the expanding economies - Double the global rate of improvement in energy efficiency - Double the share of renewable energy sources (RESs) in the global energy mix In addition, according to the climate scenario assessed in the fifth assessment report (AR5) of the International Panel on Climate Change (IPCC), the prevention of undesirable climate effects requires a 40-70% reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, compared with 2010 levels, by mid-century, and to near-zero by the end of this century (IPCC, 2014). The achievement of such objectives requires and encourages the spread of RESs in the global energy mix, gradually replacing depleting and polluting energy sources based on fossil fuels, which still have the main incidence on the energy sector. RESs already play a major role in several countries, due to the technological development and the increasing market competitiveness, and the world renewable power capacity reached 22.1% in 2013, showing an increasing trend in 2014 (REN, 2014). However, supporting policies, robust investments from the private sector and efforts from the scientific community are still crucial to demonstrate the technical and economic sustainability and effectiveness of RESs, helping their large-scale diffusion. Starting from such a background, this Ph.D dissertation focuses on the study, design and development of methods and tools for the optimization and enhancement of renewable energy technologies and their effective integration with energy storage solutions and traditional energy sources powered by fossil fuels (hybrid energy systems). The analysis of the major literature and the different scenarios and perspectives of RESs in the national and international contexts have shown that their economic sustainability, and then their diffusion, is closely connected to a number of technical, economic/financial and geographical parameters. Such parameters are the input of the analytic models developed for the techno-economic design of photovoltaic (PV) plants and small wind turbines (SWTs) and applied to the economic feasibility study, through multi-scenario analysis, of such systems in some of the main European Union (EU) Countries. Among the obtained results, the self-consumption of the produced energy plays a crucial role in the economic viability of SWTs and PV plants and, particularly, after the partial or total cut of incentives and uncertainties related to supporting policies within the EU context. The study of the energy demand profile of a specific user and the adoption of battery energy storage (BES) systems have been identified as effective strategies to increase the energy self-consumption contribution. Such aspects have led to the development of an analytic model for the techno-economic design of a grid connected hybrid energy system (HES), integrating a PV plant and a BES system (grid connected PV-BES HES). The economic profitability of the grid connected PV-BES HES, evaluated for a real case study, is comparable with PV plants without storage in case of a significant gap between the cost of energy purchased from the grid and the price of energy sold to the grid, but high BES system costs due to the initial investment and the maintenance activities and the eventual presence of incentives for the energy sold to the grid can make the investment not particularly attractive. Thus, the focus has shifted to the techno-economic analysis of off-grid HES to meet the energy demand of users in remote areas. In this context, BES systems have a significant role in the operation and management of the system, in addition to the storage of exceeding energy produced by the intermittent and variable RESs. The analysis has also been strengthened by an industrial application with the aim to configure, test and install two off-grid HESs to meet the energy demand of a remote village and a telecommunication system. In parallel, two experimental activities in the context of solar concentrating technology, a promising and not fully developed technology, have been carried out. The former activity deals with the design, development and field test of a Fresnel lens pilot-scale solar concentrating prototype for the PV energy distributed generation, through multi-junction solar cells, and the parallel low temperature heat recovery (micro-cogeneration CPV/T system). The latter activity deals with the development of a low cost thermal energy (TES) storage prototype for concentrating solar power (CSP) plants. TES systems show a great potential in the CSP plants profitability since they can overcome the intermittent nature of sunlight and increase the capacity factor of the solar thermal power plant. Concluding, the present Ph.D dissertation describes effective methods and tools for the optimization and enhancement of RESs. The obtained results, showing their critical issues and potential, aim to contribute to their diffusion and favor a sustainable development
Il progetto delle Nazioni Unite "Sustainable energy for all" ha fissato tre obiettivi ambiziosi per favorire uno sviluppo sostenibile e limitare l'impatto del cambiamento climatico: - Accesso universale a moderni servizi elettrici. Tali servizi sono attualmente indisponibili per circa 1.3 miliardi di persone ed è previsto un aumento del 40% della domanda globale di energia elettrica entro il 2040, a causa dell'incremento della popolazione mondiale e delle economie in crescita nei paesi in via di sviluppo - Raddoppio del tasso globale di miglioramento dell'efficienza energetica - Raddoppio del contributo di fonti di tipo rinnovabile nel mix energetico globale Inoltre, lo scenario climatico proposto nel "fifth assessment report (AR5)" redatto da "International Panel on Climate Change (IPCC)" stabilisce la necessità di ridurre l'emissione di gas ad effetto serra del 40-70%, rispetto ai valori registrati nel 2010, entro il 2050 ed eliminarli in modo quasi definitivo entro la fine del secolo con lo scopo di evitare effetti climatici indesiderati. Il raggiungimento di tali obiettivi richiede e incoraggia la diffusione di fonti energetiche rinnovabili (FER) all'interno del mix energetico globale, rimpiazzando gradualmente le fonti di energia convenzionali basate su combustibili fossili, inquinanti e in via di esaurimento, che hanno ancora l'incidenza principale nel settore energetico. A seguito nel loro sviluppo tecnologico e la crescente competitività nel mercato, le FER rivestono già un ruolo fondamentale nel mix energetico di numerose Nazioni ricoprendo il 22.1% del fabbisogno globale di energia nel 2013 e mostrando un andamento in rialzo nel 2014 (REN, 2014). Tuttavia, sono ancora cruciali politiche di supporto, ingenti investimenti privati e contributi della comunità scientifica per dimostrare l'efficacia e la sostenibilità tecnica ed economica delle FER e favorire, quindi, una loro diffusione in larga scala. In questo contesto, la seguente tesi di dottorato è rivolta allo studio, progettazione e sviluppo di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e la valorizzazione di tecnologie energetiche rinnovabili e la loro integrazione efficace con fonti di produzione di energia convenzionali alimentate da combustibili fossili e sistemi di accumulo di energia (Sistemi energetici di tipo ibrido). I contributi scientifici disponibili in letteratura e l'analisi dei diversi scenari e delle prospettive delle FER nei vari contesti nazionali ed internazionali hanno dimostrato che la loro sostenibilità economica, e quindi la loro diffusione, è strettamente legata ad una serie di parametri tecnici, economico / finanziari e geografici. Tali parametri sono stati impiegati come input in due modelli analitici sviluppati per la progettazione tecnico-economica di impianti fotovoltaici (FV) e micro turbine eoliche e applicati per lo studio della loro fattibilità economica, attraverso analisi multi-scenario, in alcuni dei maggiori Paesi Europei. I risultati ottenuti hanno mostrato come l'autoconsumo dell'energia prodotta rivesta un ruolo fondamentale nella redditività economica dei citati impianti ed, in particolare, a seguito del taglio parziale o totale dei sistemi di incentivazione e l'incertezza attorno alle politiche di supporto all'interno del panorama Europeo. Lo studio specifico del profilo di domanda elettrica delle utenze e l'impiego di sistemi di accumulo di energia sono stati identificati come strategie efficaci al fine di incrementare la quota di autoconsumo. Tali considerazioni hanno portato allo sviluppo di un modello analitico utile alla progettazione tecnico-economica un sistema energetico ibrido connesso alla rete Nazionale integrante un impianto FV e un sistema di accumulo a batterie. La redditività del sistema, valutata su un caso reale, risulta comparabile a un impianto fotovoltaico privo di batterie in caso di un gap significativo tra il costo dell'energia elettrica acquistata dalla rete e il prezzo di vendita dell'energia elettrica ceduta in rete. Tuttavia, gli elevati costi dovuti all'acquisto iniziale e alle attività di manutenzione, e l'eventuale incentivazione sulla vendita dell'energia in rete, non rendono l'investimento particolarmente attrattivo per impianti connessi alla rete. L'attenzione si è quindi rivolta all'analisi tecnico-economica di sistemi energetici ibridi non connessi alla rete, comunemente definiti in isola o off-grid, per soddisfare il fabbisogno energetico di utenti in area remote e quindi prive di allaccio a una rete elettrica. In tali sistemi, i sistemi di accumulo a batterie, oltre alla capacità di accumulo dell'energia prodotta in eccesso variabili e intermittenti FER, hanno funzioni fondamentali nella gestione del sistema stesso. L'attività è stata anche rafforzata da un'applicazione industriale per la configurazione, test e installazione di due sistemi energetici ibridi in isola impiegati per soddisfare il fabbisogno energetico di un villaggio e di un sistema di telecomunicazione situati in aree remote. In parallelo, sono state svolte due attività sperimentali applicate alla promettente, ma non ancora completamente sviluppata a livello industriale, tecnologia solare a concentrazione. La prima attività riguarda la progettazione, sviluppo e test sperimentali di un prototipo in scala ridotta di concentratore solare a lenti di Fresnel per la produzione distribuita di energia elettrica, mediante l'uso di celle fotovoltaiche multi giunzione, ed energia termica a bassa temperatura, tramite un sistema di recupero termico. La seconda attività concerne lo sviluppo e test sperimentali di un prototipo di sistema di accumulo termico per impianti termodinamici alimentati da sistemi a concentrazione solare. Il sistema di accumulo consente di compensare la natura intermittente e variabile della fonte solare incrementando le ore di funzionamento dell'impianto termodinamico con i conseguenti benefici economici. Concludendo, la presente tesi di dottorato include la descrizione di metodi e strumenti per l'ottimizzazione e valorizzazione delle FER. I risultati evidenziano le criticità e potenzialità dei sistemi studiati con lo scopo di contribuire a una loro diffusione e favorire uno sviluppo sostenibile

Il presente elaborato spiega la produzione di energia elettrica con impianti mini-idroelettrici in Italia. In particolare, dopo una breve spiegazione delle caratteristiche generali di un impianto si passa ad un analisi tecnica ed economica di impianti di taglia più piccola. Si analizzano in primo piano le diverse tipologie di turbine utilizzate negli impianti sopraindicati, le quali influiscono maggiormente sul costo finale dell'impianto. Infatti vengono proposti dei metodi di calcolo dei costi delle attrezzature elettromeccaniche applicati appunto alle diverse tipologie di turbine analizzate con confronto finale dei metodi applicati. Poi viene trattato il dimensionamento di questi impianti attraverso l'analisi delle curve del flusso e della produzione annua. Per le portate sono stati analizzati metodi di calcolo di queste curve e tali metodi sono stati applicati come caso esemplificativo alla regione Umbria. Di questa regione sono stati esaminati 5 corsi d'acqua differenti che la attraversano ed è stato effettuato uno studio di fattibilità con applicazione pratica dei metodi indicati precedentemente. Infine vengono spiegati i vantaggi e gli svantaggi di impianti mini-idroelettrici in Italia. Il discorso è stato ampliato anche a problematiche che si estendono soprattutto a livello mondiale, in particolare al potenziale idroelettrico disponibile che non viene sfruttato. Per ovviare a questi problemi vengono proposti metodi di studio del potenziale idroelettrico sfruttabile in un territorio qualunque. Lo sviluppo di questo metodo è stato applicato alla regione Piemonte. Nonostante il territorio italiano sia riuscito in gran parte a sfruttare le risorse idriche, tale metodo sottolinea soprattutto che è possibile ottimizzare lo sfruttamento del potenziale idroelettrico nei paesi in via di sviluppo, che godono di una grande quantità d'acqua non ancora sfruttata. Per ridurre ulteriormente i costi, in sostituzione alle turbine convenzionali, viene proposta la pompa PAT.

La tesi illustra la tecnologia alla base della produzione di energia eolica. Nella tesi è analizzata una soluzione, molto diffusa che consente un buon sfruttamento della risorsa eolica tramite un generatore a velocità variabile a doppia alimentazione. Questa macchina deriva dall'evoluzione della classica macchina asincrona con opportune modifiche sulle caratteristiche funzionali riuscendo in questo modo ad espandere il campo di utilizzo e a sfruttare al massimo la risorsa vento. Questo tipo di generatore mantiene un elevato rendimento anche alle medie–basse velocità del vento.

Nel presente lavoro di tesi si vogliono fornire gli aspetti più rilevanti, dal punto di vista prestazionale e tecnologico degli impianti eolici, cioè quegli impianti che producono energia elettrica a partire dall’interazione con il vento.

Il progetto Onda Solare, che vede la collaborazione tra l’Università di Bologna e alcuni suoi partner industriali, è finalizzato a realizzare il primo cruiser solare a quattro posti circolante in Italia. Un veicolo di questo tipo necessita di un tetto che sia in grado di alloggiare sopra di esso i pannelli solari, raffreddarli, ed avere le eccellenti proprietà meccaniche richieste dal contesto competitivo in cui il veicolo viene regolarmente utilizzato. È quindi fondamentale progettare una struttura che assolva a questi vincoli progettuali nel migliore dei modi. Il materiale composito è quello più adatto a questa applicazione, grazie alle sue ottime proprietà meccaniche e alla sua leggerezza. La sfida principale è però rappresentata dalla geometria della struttura, perché la scelta dei parametri geometrici ottimali è molto importante per avere le migliori prestazioni possibili. In questa tesi sono state individuate, ottimizzate, studiate e confrontate varie possibili strutture per capire quale di esse fosse la più indicata. Le strutture sono state applicate sia ad un veicolo con tetto piatto che ad un veicolo con tetto curvo, denominato LT (long tail).

Lo scopo di questo elaborato è fare un quadro complessivo della tecnologia PVT e fornire, poi, i risultati della simulazione energetica di un edificio con un pannello PVT. Vengono proposti grafici che rappresentano lo stato dell'arte di questa tecnologia, schemi funzionali e circuiti elettrici dei moduli. Successivamente, vengono riportati i risultati della simulazione eseguita su Trnsys.

Il progetto ha come scopo quello di fare un analisi energetica e e il dimensionamento degli impianti del nuovo studentato del "Battiferro" dell'Università di Bologna. il nuovo plesso deve soddisfare diversi requisiti energetico ambientale secondo il regolamento edilizio del comune di bologna e secondo la normativa ministeriale. Durante il mio periodo di formazione ho approfondito i requisiti necessari per raggiungere una buona sostenibilità energetica; lo scopo di ciò è il progressivo azzeramento dei consumi energetici fossili e delle emissioni nette di CO2 degli edifici riducendo drasticamente il fabbisogno energetico e valorizzando la disponibilità di fonti energetiche rinnovabili e di risorse energetiche locali. Infine si è fatto un dimensionamento per quanto riguarda gli impianti meccanici necessari far funzionare i servizi quali riscaldamento, raffrescamento, ACS, illuminazione e ventilazione analizzandoli nel dettaglio.

Questo elaborato si propone di presentare l'assemblaggio di un generatore di corrente denominato M.A.P.E (Modulo Autonomo per la Produzione di Energia) basato sulle fonti di energia alternativa solare ed eolica. Le componenti relative alla produzione di energia elettrica e al suo stoccaggio sono oggetti commerciali dei quali è stata sfruttata la scheda tecnica sia per la scelta del dimensionamento che per la modellazione con il software 3D. Le componenti strutturali sono state disegnate partendo da zero con SolidWorks, prevedendo l'opportuno dimensionamento e il conseguente studio di integrità strutturale per non compromettere l'operatività anche in condizioni di ambiente non favorevole. Durante tutto il lavoro si è cercato, attraverso fonti cartacee e digitali, di applicare le più efficienti e nuove tecnologie disponibili sul mercato per ottenere il miglior compromesso "prestazioni-costo". Il risultato ottenuto con l'assemblaggio finale dei vari componenti è un modulo trasportabile in zone impervie o prive di infrastrutture per la produzione e la distribuzione dell'energia elettrica, assolutamente indipendente da fonti di carburante fossile e richiedente una manutenzione minima. In conclusione la struttura del generatore M.A.P.E. lo rende un oggetto fortemente modulare e adattabile a una vasta varietà di contesti, anche se si presta a un costante aggiornamento, ottimizzazione e miglioramento col progredire delle tecnologie.

Durante il dottorato ho investigato il processo fotofisico di "upconversion" assistito da annichilazione tripletto-tripletto (TTA-UC) tramite studi di spettroscopia in sistemi profondamente differenti gli uni dagli altri. In TTA-UC radiazione ad alta energia è emessa dalla ricombinazione radiativa dello stato di singoletto eccitato di una molecola emettitore, popolato precedentemente dall'annichilazione dei tripletti di due emettitori. Un sensibilizzatore immagazzina la luce incidente a bassa energia e trasferisce l'eccitazione agli emettitori tramite trasferimento di energia alla Dexter. Poiché il suo funzionamento si basa su tripletti mestastabili, TTA-UC può essere altamente efficiente anche in condizioni di luce non coerente e a bassa energia. Come tale, è particolarmente adatto per dispositivi che sfruttano l'energia solare poiché è in grado di aumentarne l'efficienza di conversione limitando le perdite per trasmissione. Mi sono concentrata su due problemi importanti che tuttora limitano l'impiego di materiali che attuano TTA-UC (upconverters), ossia la limitata capacità di immagazzinare energia dei comuni sensibilizzatori organici e le scarse prestazioni di TTA-UC in upconverters a stato solido, i quali sono più adatti per applicazioni tecnologiche rispetto a sistemi liquidi. Per risolvere il primo problema ho investigato sensibilizzatori ibridi, composti da nanostrutture a semiconduttore decorate con molecole organiche, con ampio assorbimento. Nanocristalli di CdSe drogati con cationi d'oro e decorati con acido antracenico carbossilico si sono dimostrati essere sensibilizzatori ibridi efficienti ed innovativi. Il drogante introduce nel gap energetico dei nanocristalli livelli localizzati su cui le lacune si localizzano sulla scala dei picosecondi, più velocemente dell'estrazione di lacune sul livello HOMO dei leganti. Con tale strategia ho raggiunto l'efficienza di UC del 12%, record per sistemi ibridi. Ho poi mostrato come le proprietà superficiali e fotofisiche di nanoplatelets di CdSe le rendano ottimali candidati in sensibilizzatori ibridi. Ho mostrato che il ricoprimento delle superfici non è omogeneo, ma procede ad isole e l'interazione di "π- π stacking" porta alla formazione di aggregati sulle superfici delle nanoplatelets, con il risultato di ridurre l'energia dei tripletti dei leganti con profonde ripercussioni sulle prestazioni di TTA-UC e sulla scelta della specie emettitrice. Riguardo al secondo problema, ho studiato due upconverters a stato solido, polimeri vetrosi nanostrutturati che mostrano proprietà macroscopiche simili ma realizzati con tecniche differenti. Essi presentano domini liquidi di dimensione inferiore a 50 nm dove le specie che attuano TTA-UC si accumulano, racchiuse in una matrice rigida polimerica che fornisce protezione da ossigeno e qualità ottica eccellenti e stabilità a lungo termine. Il confinamento molecolare permette di aumentare la densità locale di eccitoni aumentando l'efficienza di UC a basse potenze grazie alle ridotte distanze intermolecolari e all'attivazione del regime di TTA-UC confinato.Ho inoltre studiato un nuovo emettitore derivato da perilene, realizzato con lo scopo di aumentarne l'efficienza di fluorescenza. Grazie a questo emettitore ho raggiunto l'efficienza record di UC di 42%, dovuta proprio alla struttura molecolare dell'emettitore che permette di limitare la formazione di aggregati, garantendo un'eccellente efficienza di generazione di singoletti tramite TTA. Infine, ho presentato una prospettiva riguardo alle prestazioni che possono essere raggiunte combinando le due tematiche trattate, ossia inserendo sensibilizzatori ad ampio assorbimento in polimeri nanostrutturati. Trovando il giusto compromesso tra taglia dei domini liquidi e distribuzione dell'energia di eccitazione si raggiungerebbe la massima efficienza di UC a potenze minori dell'irradianza solare, promuovendo lo sviluppo di upconverters a stato solido per tecnologie a energia solare
In my PhD project, I investigated the photophysical process of photon upconversion assisted by triplet-triplet annihilation (sTTA-UC) through spectroscopy studies in a variety of systems, profoundly different on many levels. In sTTA-UC high energy radiation is emitted from the fluorescent recombination of the excited singlet of an emitter molecule, previously populated via annihilation of the metastable triplet states of two emitters. This is a sensitized process since a sensitizer is necessary to harvest the low energy incident light and to transfer the stored energy to the emitters via Dexter energy transfer. Because its functioning relies on long-lived metastable triplets, this process can be highly efficient also under low power, noncoherent light. As such, sTTA-UC is particularly suited for solar applications as it can increase the conversion efficiency by reducing transmission losses. During my studies, I focused on addressing two crucial issues that still limit the application of upconverters in solar technologies, i.e. the limited storage ability of common organic sensitizers and the poor sTTA-UC performance in solid-state upconverters, which are intrinsically better suited than liquid solutions for technological applications. To solve the first problem, I investigated hybrid sensitizers, composed of semiconductor nanostructures decorated with conjugated organic ligands characterized by broadband absorption. CdSe nanocrystals (NCs) doped with gold cations and decorated with 9-anthracene carboxylic acid demonstrated to be efficient innovative broadband hybrid sensitizers. The doping strategy inserts into the NCs energy gap localized hole-accepting states where the holes localize on the picosecond timescale, outpacing hole transfer to the ligand HOMO. With this strategy, I achieved the UC efficiency of 12%, the record performance obtained so far for hybrid upconverters. I then discussed how the CdSe nanoplatelets surface and photophysical properties make them potential optimal light harvesters. My studies on the nanoplatelets-to-ligands energy transfer dependency on the surface ligand density revealed that the surface coverage is not homogeneous but proceeds in an island-like way promoted by π- π stacking and results in the formation of ligands aggregates on the nanoplatelets surfaces, which causes a redshift of the ligand triplet energy with critical repercussions on the sTTA-UC performance and on the emitter selection. To address the second issue, I investigated two solid-state upconverters, i.e. nanostructured glassy polymers that show similar macroscopic properties but fabricated via different approaches. They both feature liquid droplets of mean size less than 50 nm where the upconverting dyes accumulate, embedded in a rigid polymer matrix that grants excellent oxygen protection and optical quality and long-term stability. The dyes confinement allows to increase the effective local excitons density resulting in an enhanced UC efficiency at low excitation intensities, thanks to the reduced intermolecular distances and the activation of the confined sTTA-UC regime. I also introduced a new perylene derivative as emitter, specifically designed to prevent molecular aggregation to maximize its fluorescence efficiency. By employing this emitter, I achieved the record UC efficiency of 42%, which directly stems from the emitter molecular structure, as it limits the formation of aggregates, while guaranteeing excellent singlet generation efficiency upon TTA. I finally presented a perspective of the performances that can be achieved by combining the two topics considered, i.e. loading broadband sensitizers in nanostructured polymers. I highlighted that if the best trade-off between nanostructure size and energy distribution is met the maximum UC efficiency can be achieved at excitation powers orders of magnitude lower that the solar irradiance, therefore promoting the development of real-world solid-state upconverters.

Il presente elaborato propone un’analisi in regime dinamico mediante il software di simulazione TRNSYS di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria istallato in un condominio a Bologna. Le simulazioni rappresentano una particolare tipologia di esperimento numerico e possono fornire lo stesso tipo di informazioni sulle performance termiche dei comuni esperimenti fisici. Esse possono valutare gli effetti delle variabili di progetto sulle performance del sistema attraverso una serie di esperimenti, eseguiti tutti in identiche condizioni metereologiche e di carico. Le variabili di progetto esaminate in questo documento mediante simulazione sono l’inclinazione e orientamento del collettore, la superficie captante totale istallata, il volume di accumulo e la portata massima del circuito solare. Le analisi esposte sono un esempio dei risultati che un approccio simulativo può garantire; nel nostro caso, in particolare, le simulazioni hanno confermato la bontà dei criteri di dimensionamento degli impianti solari termici che è possibile incontrare in letteratura. Il presente elaborato si propone inoltre di discutere i benefici, ambientali ed economici, legati all’investimento proposto. L’analisi economica, in particolare, è stata eseguita a seconda dell’impianto tradizionale da affiancare, del diverso costo dell’impianto, di differenti valori di superficie captante e considerando o meno gli incentivi fiscali offerti: per questa valutazione è stato nuovamente necessario l’ausilio del software di simulazione.

Questo elaborato ha lo scopo di esporre quelli che sono i vantaggi derivanti dall' utilizzo degli acciai inossidabili, specificando il tipo di componente e le ragioni della scelta, nei sistemi per la produzione di energia: dalle turbine, agli impianti nucleari, fino agli impianti che sfruttano le energie alternative (solare, eolica, geotermica, biogas). Inizialmente viene fornito un quadro generale sui differenti tipi di acciai inox (martensitici, ferritici, austenitici e duplex, con le relative proprietà, sottolineandone vantaggi e svantaggi), descrivendone anche i sistemi di designazione, con particolare attenzione alla norma AISI (American Iron and Steel Institute). Una volta messe in risalto queste caratteristiche, vengono esaminati e descritti diversi sistemi di produzione di energia in cui gli acciai inox trovano applicazione: si parte dalle turbine (idraulica, a vapore e a gas), spiegando i benefici nell'utilizzo di particolari categorie di acciai inox nella realizzazione di alcuni dei componenti per questi impianti. Vengono quindi esaminati gli impianti nucleari, partendo da quelli che utilizzano come moderatore e fluido refrigerante acqua naturale, ("PWR", Pressurized Water Reactor) e ("BWR", Boiling Water Reactor), fino a quelli che utilizzano invece acqua pesante ("CANDU", Canadian Deuterium Uranium Reactor), nonchè i reattori veloci ("FBR", Fast Breeding Reactor). Infine, vengono esaminate le applicazioni degli acciai inox, nei sistemi per la produzione di energia che, sfruttano fonti alternative (elencate in precedenza).

HELIOMORPHOSIS è un edificio sperimentale ad elevata sostenibilità che si alimenta di energia solare e si adatta all’ambiente attraverso la metamorfosi del suo involucro, sfruttando i flussi ciclici della natura. Il prototipo ha origine dall’ipotesi di partecipazione al Solar Decathlon Europe, una competizione internazionale tra università incentrata sull’ efficienza energetica, la cui edizione 2019 si terrà in Ungheria. Il progetto si sviluppa nel rispetto del contesto storico, geografico e climatico, attraverso un processo di ottimizzazione delle configurazioni volumetriche tipiche dell’architettura tradizionale ungherese, realizzato con simulazioni termodinamiche e fluidodinamiche. Per rispettare i requisiti richiesti dalla competizione, il progetto applica un insieme di strategie passive e dispositivi attivi, tra loro integrati e resi complementari grazie ad un sistema domotico, che ne ottimizza l’efficacia. Gli obiettivi di sostenibilità ed efficienza non vengono soddisfatti unicamente dal bilancio energetico attivo dell’edificio, ma anche dalla scelta consapevole di materiali, allo stesso tempo innovativi, performanti e rispettosi dell’ambiente, scelta effettuata in accordo con un approccio LCA (ciclo di vita dei materiali). HELIOMORPHOSIS cerca quindi di dimostrare che è possibile progettare un edificio moderno ad alte prestazioni senza dimenticare la storia e le tradizioni di un luogo, che per prime sono testimonianza di uno stretto rapporto con clima ed ambiente.

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

Scopo della tesi è quello di osservare come l'adozione di un sistema BEMS (Building Energy Management System) sia in grado di migliorare l'efficienza energetica di un impianto tecnologico già esistente. Individuate le funzioni di monitoraggio e regolazione che generano un impatto sui sistemi energetici, si sono raccolti i dati di campo utili a creare un computo generale dei consumi termici ed elettrici. Ciò consente di ideare proposte di soluzioni impiantistiche alternative che consentono di abbattere le spese energetiche. Il risparmio in termini qualitativi e quantitativi verrà poi valutato in funzione dello stato attuale.

Il lavoro si apre con un’approfondita ricognizione delle principali scuole di pensiero attinenti alla sociologia ambientale, analisi che conduce alla scelta del paradigma della modernizzazione ecologica come modello di riferimento preferenziale. Lo studio empirico prende in esame tre siti di produzione elettrica italiani, riguardo ai quali sono stati ricostruiti anzitutto gli elementi istituzionali di scenario. Questa ricostruzione, che nel caso italiano sottopone a critica alcuni aspetti della stessa teoria della modernizzazione ecologica, mette in relazione un consistente dibattito nazionale con l’agire concreto – anche se meno conosciuto – di soggetti internazionali di grande rilievo. Un secondo obiettivo della tesi consiste in una critica dei recenti processi di liberalizzazione della produzione e distribuzione dell’energia in Italia: un tema che sta ai confini della sociologia economica, dando per assodato che anche l’agire economico è per sua natura agire sociale. Un’ulteriore finalità dello studio si ravvisa nell’analisi dei processi di comunicazione ambientale messi in atto dalle organizzazioni produttive dell’energia nei confronti delle pubbliche opinioni, in una fase di potenziale ridistribuzione del mercato tra i diversi competitori. Sono evidenti in questo caso gli aspetti attinenti alla sociologia della cultura e della comunicazione. Gli strumenti utilizzati per condurre l’indagine sono essenzialmente riconducibili a due categorie: a) l’analisi documentale della letteratura teorica, delle fonti statistiche, dei documenti ufficiali degli enti pubblici e degli elaborati delle organizzazione produttive dell’energia: b) una serie di interviste in profondità condotte con testimoni privilegiati (utilizzando griglie semistrutturate).
This work begins with an outline of the main theoretical trends in Environmental Sociology and, in particular, the Ecological Modernization Theory. The empirical research studies three Italian electric power plants and, concerning this issue, it analyses some of the most meaningful aspects of international scenario. This analysis expresses critics on some elements of the Ecological Modernization Theory, and it will be of use in debating the energetic sector development and the connection between the national policy debate and the international organisms’ concrete action. The second objective of this thesis is to provide an assessment of the impact of the market liberalization on the social process of production of electricity. Another purpose of the study is to examine the role of power plants in the communication of environmental issues and ideas, in this historical period of market fragmentation, which is often followed by the increase in the number of competitors. The instruments used in this research are: Secondary Analysis of energy market data; content analysis of official documents created by governments and main energy companies. Some interview in-person made with managers and employers working for electric companies.

Il lavoro si apre con un’approfondita ricognizione delle principali scuole di pensiero attinenti alla sociologia ambientale, analisi che conduce alla scelta del paradigma della modernizzazione ecologica come modello di riferimento preferenziale. Lo studio empirico prende in esame tre siti di produzione elettrica italiani, riguardo ai quali sono stati ricostruiti anzitutto gli elementi istituzionali di scenario. Questa ricostruzione, che nel caso italiano sottopone a critica alcuni aspetti della stessa teoria della modernizzazione ecologica, mette in relazione un consistente dibattito nazionale con l’agire concreto – anche se meno conosciuto – di soggetti internazionali di grande rilievo. Un secondo obiettivo della tesi consiste in una critica dei recenti processi di liberalizzazione della produzione e distribuzione dell’energia in Italia: un tema che sta ai confini della sociologia economica, dando per assodato che anche l’agire economico è per sua natura agire sociale. Un’ulteriore finalità dello studio si ravvisa nell’analisi dei processi di comunicazione ambientale messi in atto dalle organizzazioni produttive dell’energia nei confronti delle pubbliche opinioni, in una fase di potenziale ridistribuzione del mercato tra i diversi competitori. Sono evidenti in questo caso gli aspetti attinenti alla sociologia della cultura e della comunicazione. Gli strumenti utilizzati per condurre l’indagine sono essenzialmente riconducibili a due categorie: a) l’analisi documentale della letteratura teorica, delle fonti statistiche, dei documenti ufficiali degli enti pubblici e degli elaborati delle organizzazione produttive dell’energia: b) una serie di interviste in profondità condotte con testimoni privilegiati (utilizzando griglie semistrutturate).
This work begins with an outline of the main theoretical trends in Environmental Sociology and, in particular, the Ecological Modernization Theory. The empirical research studies three Italian electric power plants and, concerning this issue, it analyses some of the most meaningful aspects of international scenario. This analysis expresses critics on some elements of the Ecological Modernization Theory, and it will be of use in debating the energetic sector development and the connection between the national policy debate and the international organisms’ concrete action. The second objective of this thesis is to provide an assessment of the impact of the market liberalization on the social process of production of electricity. Another purpose of the study is to examine the role of power plants in the communication of environmental issues and ideas, in this historical period of market fragmentation, which is often followed by the increase in the number of competitors. The instruments used in this research are: Secondary Analysis of energy market data; content analysis of official documents created by governments and main energy companies. Some interview in-person made with managers and employers working for electric companies.

The Phd thesis undertakes to analyse the regulation of licenses in the setting of alternative-energy law. The research is focused about the tension between the interest in the exploitation of clean resources and the interest in the government of the areas and protection of the landscape. The most important licence for the realization of plants for the production of alternative energy is analysed under the procedural aspects and the aspects of the substantive law, as well does the jurisprudence.

Il tema della presente tesi è lo studio di progettazione e sperimentazione di un generatore termoelettrico, privo di parti in movimento, sfruttando il fenomeno dell’effetto Seebeck. La prima parte offre una panoramica introduttiva riguardo i moduli TEG e i loro possibili campi di applicazione. La seconda parte riassume le equazioni fisiche alla base del fenomeno e lo stato dell’arte della generazione termoelettrica, focalizzando l’attenzione sulle caldaie a biomassa. Nella terza parte è analizzato il procedimento progettuale dell’impianto. Partendo da un analisi comparativa di soluzioni esistenti e dall’obbiettivo di ottenere la massima efficienza dei moduli TEG si è arrivati alla determinazione dei vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. La quarta parte illustra la struttura del prototipo finale dedicato al laboratorio, la sua messa in servizio e il primo collaudo dell’impianto. I risultati ottenuti dai test sono il primo passo verso l’ottimizzazione del generatore termoelettrico che potrà quindi essere studio di un’interessante campagna sperimentale.

In questo elaborato è inizialmente proposta un’introduzione ai sistemi termici e fotovoltaici, partendo da una spiegazione della situazione legata alla crescente richiesta energetica globale ed all’aggravarsi della situazione riguardante l’inquinamento ambientale, per poi concentrarsi sulla convenienza dello sfruttamento di energia solare per poterla convertire in altre forme di energia grazie all’impiego di sistemi solari termici e fotovoltaici. In seguito, è analizzata la possibilità di poter usufruire dei vantaggi di entrambi i sistemi in un unico apparato, ovvero i sistemi termo-fotovoltaici; essi, infatti, garantiscono un aumento dell’efficienza di conversione delle celle solari ed una maggiore produzione di energia per unità di superficie rispetto ai sistemi separati, ma la loro commercializzazione è ancora alle fasi iniziali. Successivamente è proposta una trattazione sui sistemi termoelettrici, i quali, attraverso l’effetto termoelettrico, permettono la conversione di energia termica in energia elettrica, rendendosi interessanti per molte applicazioni, tra le quali il raffreddamento delle celle solari, pur presentando valori di efficienza bassi che nel corso degli anni stanno migliorando grazie alla ricerca di materiali termoelettrici innovativi. In conclusione, viene riportato uno studio, condotto da Fabbri e Greppi (2021), nel quale viene proposto un innovativo apparato di supporto e raffreddamento integrato per le celle di un pannello fotovoltaico, in modo tale da incrementare l’efficienza di conversione delle celle solari.

La presente tesi costituisce un lavoro di rassegna sugli ultimi risultati e sulle prospettive di ricerca relative alle celle fotovoltaiche. Dopo un’introduzione sulle proprietà di interesse della radiazione elettromagnetica e dello spettro solare, si illustrano i meccanismi fisici di interazione radiazione-materia alla base dell’effetto fotovoltaico. Si descrivono poi il principio di funzionamento e i parametri caratteristici delle celle fotovoltaiche, e si discutono alcune strategie adottate per migliorare l’efficienza di conversione dell’energia solare in energia elettrica. Si presentano infine alcune delle tecnologie e architetture più recenti di celle solari: le celle fotovoltaiche a perovskite e le celle fotovoltaiche tandem silicio-perovskite, che hanno dimostrato grandi potenzialità di miglioramento delle prestazioni e risultano particolarmente interessanti per le elevate efficienze raggiunte e i bassi costi di produzione.

L'elaborato di tesi tratta un progetto di efficientamento energetico di un edificio plurifamiliare in ambito Superbonus 110%. L'attività di progettazione eseguita comprende la ricerca ed analisi di interventi adeguati al caso studio, la modellazione energetica dell'edificio ante e post intervento, la correzione dei ponti termici, e la progettazione del nuovo impianto centralizzato di riscaldamento. Di particolare interesse è il confronto tra le prestazioni energetiche dell'edificio prima e dopo l'intervento complessivo, in termini di consumi energetici, costi ed emissioni di inquinanti. Inoltre, è presentato il quadro economico dell'intervento, sulla base del quale sono state fatte delle valutazioni sulle possibilità di accedere agli incentivi statali previsti dal Bonus 110%. Infine, sono state prese in considerazione delle altre soluzioni di efficientamento energetico da integrare al progetto preliminare che impiegano fonti energetiche rinnovabili in modo da incrementare ulteriormente l'efficienza energetica dell'edificio in esame.

The present study deals with the issue of energy efficiency in buildings, considering that the choice of the optimal solution can be performed only starting from a joint design of all systems and technologies available, and bearing in mind that the final goals are the pursuit of the user’s overall wellbeing, energy saving and building functionality with respect to its intended use. For this reason, a set of issues have been investigated, very different from one another but that allowed for a wider perspective on the various aspects to be taken into account for a suitable and integrated design and for their interaction. Every experience encountered plays a different and specific role in defining the key-points of an integrated design, i.e. reducing thermal energy demands for heating, cooling and lighting purposes by acting on the whole building; reducing primary energy consumption by adopting highly efficient building services; maximizing the use of renewable energy sources to cater for electricity and thermal energy demands; optimizing the energy performance of buildings by using automated control and regulation systems and by setting a suitable building management and maintenance program. More specifically, Section 2 deals with the role of passive solar systems in reducing thermal energy demands when different constraints (morphological, urban planning and architectural ones…) existed, for the energy retrofit of both existing and newly built constructions. In Section 3 simplified models for the analysis of heat generators, with specific reference to the two Methods defined by UNI TS 11300-2 technical standard are examined. Section 4 explores the role of renewable energy sources. In particular, is described a hot water equipment supplying a hospital complex in the province of Milan, consisting of a gas-fired heat generator, a solar thermal plant and a heat pump extracting low temperature energy from groundwater intended for technical use, i.e. to preheat domestic water supplied by the water purification system. Finally, in Section 5 the role of building management is discussed. In particular, heat accounting systems and methods for the compensated share of heating expenses are analysed.

In questo elaborato sono state analizzate le prestazioni annuali di un impianto a pompa di calore a servizio di un edificio situato a Roma utilizzando un software di simulazione dinamica. Dopo l'analisi di due modelli base formati dalla pompa di calore accoppiata alternativamente con ventilconvettori e pannelli radianti, entrambi dotati anche di una resistenza elettrica ausiliaria, sono state implementate delle logiche innovative con lo scopo di migliorare le prestazioni energetiche dei modelli in inverno e in estate utilizzando la capacità di accumulo termico dell'involucro. Nella parte finale della tesi è stato implementato ai modelli anche un campo fotovoltaico per la produzione di energia elettrica. Successivamente è stata implementata anche in questi modelli una logica di controllo che sfrutta la capacità di accumulo termico dell'involucro edilizio.

In the last years, the electrical production from not predictable renewable energy sources has been increased together with the electrical systems improvement to allow the integration into the network. The high exploitation of renewable energy sources in small and large systems involves the use of different storage technologies. In the first part of the thesis the services provided by the storage technologies are analysed. In particular, services like time shift and renewable energy integration fit well with high capacity plants, while services like the power quality fit well with small capacity plants. Are also analysed the most common energy storage systems highlighting types of application, costs and future developments. The deep analysis of renewable sources integration are carried out with optimization techniques and two stochastic algorithms have been developed and applied to the systems. The different energy systems analysed are both stand alone and grid connected. Initially the energy hub approach is applied because it well fit to the complex systems representation. This approach is applied to a large grid connected system that requires electricity and thermal energy throughout the year. The object of the analysis is to determine the optimal operation of the machines in order to minimize the annual costs. Systems investigations go on with the analysis of a small stand alone system that must meet two requirements of the user. The energy system is equipped with facilities for the exploitation of local energy sources combined with storage systems. The objective of the analysis is to determine the optimal management of the energy system to reduce the overall management cost. Systems investigations go on with the analysis of a large stand alone system that must meet multiple user requirements. The energy system is equipped with facilities for the exploitation of local energy sources combined with storage systems. The objective of the analysis is to determine the optimal size and management of the installed machines in order to minimize the overall costs of the system. Systems investigations analysis go on with analysis of storage systems connected to the grid, in particular compressed air systems and pumped storage hydro power plants. The compressed air system is analysed with a yearly simulation model trough two different usage scenarios: as an independent storage facility connected to the grid and as a facility working in coordination with a wind farm. The goals for the two usage scenarios is to maximize the yearly revenue of the storage system operating in the electricity market. Pumped storage hydro power plants were analysed with the collaboration of a Norwegian research institute. The investigations were focussed on three upgraded pumped storage hydro power plants operating in coordination with offshore wind turbines in the North Sea. Investigations have defined new operation strategies to smooth off the off shore wind power fluctuations in accordance with the environmental constraints on the reserves. The carried out investigations have verified the energy storage systems potential in order to provide their contribution in the integration of renewable sources in the short and long term, in applications on the user side and on the generation side. The main research directions pointed out are related to the improvement of the management strategy and the improvement of the components through integrated research programs.
Negli ultimi anni si è assistito ad una crescente produzione di energia da fonti rinnovabili intermittenti e alla necessità di un adeguamento dei sistemi elettrici per consentire una maggiore integrazione della produzione intermittente nella rete. L’elevato sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili nei sistemi di piccola e grande dimensione passa anche attraverso l’impiego di diverse tecnologie di accumulo. Nella prima parte della tesi sono analizzati i diversi servizi che possono offrire i sistemi di accumulo. In particolar modo, si ricordano servizi quali il time shift e l’integrazione di fonti rinnovabili che ben si adattano ad impianti di elevata capacità, oltre ai servizi come la qualità del servizio che si adattano ad impianti di piccola capacità. Sono inoltre analizzati i più comuni sistemi di accumulo dell’energia evidenziandone campi di applicazione, costi e sviluppi futuri. L’analisi approfondita della integrazione delle fonti rinnovabili nei sistemi deve essere condotta attraverso metodi di ottimizzazione e per questa ragione sono analizzati due algoritmi di tipo stocastico successivamente applicati allo studio dei sistemi. I diversi sistemi energetici analizzati sono di tipo sia non connesso che connesso alla rete elettrica. Inizialmente per studiare i sistemi è applicato il metodo degli energy hub che ben si presta a rappresentare sistemi complessi. Tale metodo è applicato ad un sistema di grandi dimensioni connesso alla rete che richiede energia elettrica e termica durante tutto l’anno. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare il funzionamento ottimale delle macchine al fine di ridurre i costi annuali. Le indagini continuano con l’analisi di un sistema di piccole dimensioni isolato dalla rete che deve soddisfare due richieste dell’utenza, è dotato di impianti per lo sfruttamento delle fonti energetiche locali abbinati ad accumuli. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare la gestione ottimale del sistema energetico per ridurre i costi di gestione del sistema. Le indagini proseguono con l’analisi di un sistema di grandi dimensioni isolato dalla rete che deve soddisfare molteplici richieste dell’utenza, è dotato di impianti per lo sfruttamento delle fonti energetiche locali abbinati a molteplici accumuli. L’obiettivo dell’analisi è quello di determinare la dimensione delle macchine installate e la gestione ottimale del stesse al fine di contenere i costi complessivi del sistema. L’analisi si sposta poi verso i sistemi di accumulo connessi alla rete elettrica, in particolar modo verso gli impianti ad aria compressa e agli impianti di pompaggio idroelettrico. Il sistema ad aria compressa è analizzato attraverso un modello di simulazione annuale in due scenari di utilizzo: come impianto di accumulo indipendente connesso alla rete elettrica e come impianto operante in coordinamento con un parco eolico. L’obiettivo per i due scenari di funzionamento è quello di massimizzare i guadagni dell’impianto di accumulo operante nel mercato elettrico. I sistemi di accumulo idroelettrici sono stati analizzati grazie ad una collaborazione presso un istituto di ricerca norvegese. Le indagini hanno riguardato tre impianti di pompaggio ripotenziati e operanti in coordinamento con sistemi eolici off-shore nel Mare del Nord. Le indagini hanno individuato nuove strategie di gestione degli impianti idroelettrici utili al livellamento della produzione eolica in abbinamento al rispetto dei vincoli ambientali sull’utilizzo delle riserve idroelettriche. Le analisi condotte hanno permesso di verificare come i sistemi di accumulo possano trovare applicazioni nella integrazione delle fonti rinnovabili nel breve e nel lungo termine, in applicazioni presso l’utente finale e presso la generazione. Le direzioni di ricerca principali puntano verso una maggiore indagine nelle tecniche dei gestione e maggiore ricerca sui singoli componenti attraverso programmi di ricerca sempre più integrati e completi.

Il recupero di vecchi manufatti destinati in tempi precedenti all’industria, come vecchie ferriere accompagnate da splendidi bottacci, sono una vera e propria miniera d’oro per il ripristino e la valorizzazione di questi luoghi oltre che per la produzione di energia da fonti rinnovabili, come l’idroelettrico su tutto il territorio italiano. Questa tesi si pone come obbiettivo quello di studiare la sostenibilità di recupero propria di uno di questi manufatti appartenenti alla storia industriale del nostro paese, sviluppando un modello per il calcolo della producibilità idroelettrica a partire dalla stima della disponibilità temporale della risorsa idrica. Lo studio ha riguardato il bacino idrologico sotteso ad una sezione di chiusura relativa ad una briglia sul torrente Silla a monte della zona industriale Panigale di Lizzano in Belvedere per studiare il comportamento idrologico di tale bacino ed estrarre una curva di durata delle portate associata alla sezione di chiusura. Si è poi sviluppato un codice che permette di ricavare la producibilità in base al rendimento della macchina scelta e che calcola la resa e la fattibilità dell’investimento nel caso in cui si decida di attuare il progetto proposto nell’elaborato.