Advanced Energy Networks
Sviluppo, analisi e ottimizzazione di soluzioni (componenti e sistemi di gestione/controllo) per la conversione di energia termica in reti multi-energetiche.
L’infrastruttura oggetto di questo laboratorio ha l’obiettivo di permettere lo sviluppo di reti per la distribuzione di energia termica come parte di reti multi-energetiche. Queste reti sono caratterizzate da un significativo apporto energetico da parte vettori ottenuti da fonti energetiche rinnovabili: energia termica da solare, geotermico, calore di scarto; energia elettrica da fotovoltaico, convertita attraverso pompe di calore; energia chimica da idrogeno e altri combustibili prodotti a partire da biomassa e altre fonti energetiche rinnovabili, convertita attraverso combustione o processi elettrochimici. Inoltre queste reti integrano sistemi di accumulo di calore giornalieri e stagionali, che sfruttano calore sensibile, latente e termochimico oltre a innovativi processi ibridi (es. accumulo termo-meccanico).
L’infrastruttura è costituita da due banchi prova: 1) una rete termica, in grado di simulare una porzione di rete, che integra alcune unità di produzione di energia termica, due sistemi di accumulo (sensibile e latente) e due sottostazioni di scambio; 2) una sottostazione bidirezionale. Questi banchi sono fisicamente separati ma integrati attraverso scambio reciproco di dati che consentono di definire opportune condizioni al contorno.
Il banco “rete termica” è localizzato presso i laboratori dell’Energy Center ed è utilizzato per valutare il funzionamento di componenti di generazione, accumulo e scambio di energia termica in componenti che siano inseriti all’interno di reti termiche al variare delle condizioni di funzionamento della rete stessa. Il tratto di tubazione, avente una lunghezza di 100 m, simula una porzione di rete di teleriscaldamento, grazie al fatto che la temperatura e la portata in ingresso sono definite da un simulatore della rete completa, utilizzando un approccio hardware-in-the-loop. Tale approccio consente anche di simulare e valutare logiche per la gestione per reti urbane e comunità energetiche.
Il banco “sottostazione bidirezionale” ha l’obiettivo di riprodurre il comportamento di un prosumer termico all'interno di una rete di teleriscaldamento, simulando la produzione di energia termica presso l’utenza e gli scambi tra prosumer e la rete termica. Per quanto riguarda la generazione a livello di utenza, sono previsti un impianto solare termico e un impianto fotovoltaico per alimentare una pompa di calore di piccola taglia. L'infrastruttura del laboratorio è progettata per essere flessibile, consentendo la ricreazione di diverse configurazioni di funzionamento.
Tra gli obiettivi principali del laboratorio ci sono:
- Studiare la transizione dalle reti di vecchia generazione a quelle più moderne, sulla base del livello di ristrutturazione delle utenze. Di conseguenza, l’apparato deve essere in grado di simulare il comportamento del prosumer a diversi livelli termici sia lato produzione, sia lato consumo. Sulla base di queste temperature, deve potersi collegare alla rete termica in diverse modalità (e.g., alla mandata o al ritorno della rete di teleriscaldamento). Sempre relativo a questo obiettivo, la sottostazione deve risultare completamente configurabile, con scambiatori che, tramite l’aggiunta o la rimozione di piastre, possano essere utilizzati in diverse applicazioni.
- Esaminare l’integrazione di componenti quali le pompe di calore ed i sistemi di accumulo termico nelle reti di teleriscaldamento, valutandone sia l’effetto locale nella porzione di rete in cui sono inseriti, sia l’effetto complessivo sulla rete (o sulle reti). Il sistema deve quindi permettere varie opzioni di collegamento dei componenti per esplorare il maggior numero possibile di configurazioni e di condizioni di funzionamento degli stessi, includendo nell’analisi la dinamica del sistema energetico nel quale sono inseriti i componenti.
- Studiare le logiche di gestione ottimali della rete e della cessione di calore da sorgenti multiple.
- Offrire la possibilità di effettuare esperienze di laboratorio agli studenti della Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica e Nucleare (insegnamenti di Energy Networks, Energy Storage) e Ingegneria Meccanica (insegnamento di Numerical Design of Thermal Systems)
Uno dei task specifici che si propone il progetto riguarda l’integrazione ottimale di sistemi di accumulo con reti di teleriscaldamento tradizionali e di nuova generazione (reti a bassa temperatura e reti neutre).
Tra i principali obiettivi del progetto c’è quello di esaminare l’integrazione di sistemi di accumulo basati su calore latente, distribuiti in edifici collegati con reti di teleriscaldamento.
Tra gli obiettivi del contratto sono previsti l’integrazione di rinnovabili e calore di scarto, l’integrazione di sistemi di accumulo convenzionali e innovativi, l’integrazione di pompe di calore, l’abbassamento della temperatura di funzionamento di reti esistenti, la validazione di modelli numerici di reti di teleriscaldamento, lo sviluppo e l’integrazione di sottostazioni bidirezionali.
