fonti rinnovabili e cicli energetici innovativi -...

Unità Tecnico-Scientifica

Fonti Rinnovabili e Cicli EnergeticiInnovativi

INDICE

• Fotovoltaico • Energia da biomassa• Trasporto e mobilità• Diagnostica e controllo di sistemi e processi • Termofluidodinamica energetica • Combustione• Impiantistica energetica

• Fotovoltaico a concentrazione• Biomasse per produzione di energia e nuovi vettori energetici• Veicolo ibrido con accumulo integrato batterie/supercondensatori• Sistema diagnostico/previsionale delle criticità indotte dal traffico urbano • Trasferimento di calore e di massa in microscale• Combustione dell’idrogeno e cicli energetici ad emissione zero• Artificial Brother• Tetti fotovoltaici

• Qualificazione elettrodomestici• Qualificazione pannelli solari• Caratterizzazione di caldaie di piccola potenza per usi civili

S E T T O R I D I I N T E R V E N T O

O B I E T T I V I E S T R A T E G I E

P R O G E T T I S T R A T E G I C I

S E R V I Z I

S T R U T T U R A O R G A N I Z Z A T I V A

Sul retro: “Lampada ad arco” di Giacomo Balla

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OBIETTIVI E STRATEGIELe attività dell’Unità Tecnico-Scientifica Fonti Rinnovabili e Cicli Ener-getici Innovativi dell’ENEA sono orientate alla ricerca e allo sviluppotecnologico negli ambiti della produzione di energia da fonti rinnovabili e delmiglioramento dell’efficienza energetica nei settori industriale, civile e deitrasporti.L’Unità esercita nei confronti del mondo industriale e dei servizi un incisivoruolo di stimolo all’innovazione di prodotto e di processo nel settore delletecnologie energetiche strategiche e ambientalmente compatibili e partecipaalla nascita di nuove iniziative imprenditoriali in comparti innovativimediante la realizzazione di prototipi pre-industriali. Le attività dell’Unità, che consistono in sviluppo tecnologico, realizzazionedi progetti strategici d’interesse nazionale e servizi di qualificazione ener-getica, riguardano prevalentemente i seguenti settori:

• Fonti rinnovabili, in particolare fotovoltaico e biomasse. I principaliobiettivi che si vogliono conseguire sono: lo sviluppo del fotovoltaico aconcentrazione e delle tecnologie di produzione di celle a film sottili adelevata efficienza; lo sviluppo della tecnologia della gassificazione dellebiomasse e di processi innovativi per la produzione di nuovi vettori ener-getici. L’Unità partecipa, inoltre, alle attività del Grande Progetto ENEA“Solare Termodinamico”, finalizzate allo sviluppo di impianti solari aconcentrazione per la produzione di energia ad alta temperatura;

• Cicli energetici innovativi. L’Unità opera per lo sviluppo di nuovi sistemidi produzione dell’energia caratterizzati dall’abbattimento quasi completodelle emissioni, basati su nuove tecnologie di combustione (mild combu-stion), sull’utilizzo di combustibili ricchi di idrogeno e su sistemi ibriditipo celle a combustibile e microturbine a gas. Particolare rilevanza rive-stono le attività volte a favorire lo sviluppo e la diffusione dell’idrogenocome il “combustibile del futuro”, pulito ed economicamente compatibileper la produzione di energia elettrica; alcune delle attività in questoambito sono condotte in collaborazione con il Grande Progetto ENEA“Idrogeno e celle a combustibile”;

• Usi finali dell’energia, in particolare nel settore trasporti. Gli inter-venti riguardano lo sviluppo di tecnologie per la gestione e il controllodella mobilità e del traffico e la sperimentazione di nuovi sistemi perautoveicoli innovativi a ridotto impatto ambientale (principalmente vei-coli ibridi) destinati alle aree urbane.

Le attività di R&S di tecnologie e processi vengono sviluppate in collabora-zione con le principali industrie del settore, con centri di ricerca e univer-sità nell’ambito di progetti/programmi nazionali ed internazionali, e conenti regionali e locali che gestiscono attività nel campo energetico e deitrasporti.

Fonti Rinnovabili e Cicli Energetici Innovativi

L’Unità ha un organico di circa 240 persone, di cui 225 tra ricercatori e tec-nici altamente specializzati e con esperienza pluriennale, e dispone di rile-vanti risorse strumentali (laboratori, impianti sperimentali, codici di calco-lo, attrezzature e strumentazioni) spesso uniche a livello nazionale e/o par-ticolarmente innovative.Le attività vengono svolte presso i Centri di Ricerca di Casaccia (RM),Portici (NA), Trisaia (MT), Ispra (VA) e l’Area sperimentale Monte Aquilone(FG).Le competenze e risorse dell’Unità sono disponibili alla collaborazione conindustrie ed enti di ricerca, nonché con organismi pubblici ed enti regiona-li e locali impegnati nella programmazione e gestione delle politiche ener-getiche, del territorio e del traffico.

OBIETTIVI E STRATEGIE

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Settori diintervento

FOTOVOLTAICOObiettiviSviluppo di tecnologie e applicazioni avanzate e di componenti e impiantifotovoltaici innovativi – compresi i moduli fotovoltaici a concentrazione -finalizzato all’abbattimento dei costi.

Attività di ricerca e sviluppo - TecnologieLe attività, svolte prevalentemente presso i Centri di Ricerca di Portici eCasaccia e l’Area Sperimentale Monte Aquilone, sono relative:

• alle due filiere del silicio cristallino e dei film sottili;• allo sviluppo di impianti e componenti.

Per quanto riguarda il silicio cristallino le attività comprendono:

• sviluppo di nuovi tipi di celle solari ad alta efficienza,con tecniche e processi innovativi a basso costo el’utilizzo di nuovi e più efficienti design di cella;

• messa a punto di processi innovativi di fabbricazionedi celle al silicio cristallino mediante tecniche conelevata efficienza scalabili industrialmente;

• sviluppo di moduli fotovoltaici a concentrazione;• messa a punto di celle a film sottile di silicio policri-

stallino, cresciute per CVD (Chemical VapourDeposition) su substrati ceramici e ribbon.

Nel campo dei film sottili le attività sono concentrate su:

• sviluppo dei processi e delle tecnologie di lavorazionedi materiali a film sottile semiconduttori, dielettrici e

metallici e loro caratterizzazione dal punto di vista morfologico, strutturale,composizionale, elettrico ed opto-elettronico;

• sviluppo di celle fotovoltaiche innovative basate su strutture multigiunzionea film sottili di silicio amorfo e microcristallino e sue leghe, per lo sfrutta-mento ottimale dello spettro solare; eterogiunzioni silicio amorfo/siliciocristallino;

• progettazione e modelling ottico ed elettrico di dispositivi e componentifotovoltaici ed elettronici.

Per quanto attiene lo sviluppo di componenti e impianti, l’ENEA è impegnato:

• nello sviluppo, caratterizzazione e ottimizzazione di componenti (comemoduli e inverter), sistemi e impianti fotovoltaici stand-alone e connessialla rete;

• nel telemonitoraggio per la trasmissione dati da impianti fotovoltaici; • nel campo dell’ottica applicata ai dispositivi e ai sistemi fotovoltaici.

L’Unità è, inoltre, in grado di offrire i seguenti servizi:

• progettazione, sviluppo e sperimentazione di componenti e sistemi per lagenerazione diffusa, in configurazioni innovative per quel che riguarda ilsistema elettrico di trasmissione, condizionamento e controllo della potenza;studio dei problemi connessi all’esercizio in parallelo con la rete elettrica(qualità energia, protezioni, sicurezza) e analisi di compatibilità elettroma-gnetica associate a componenti e/o impianti;

• caratterizzazione di moduli fotovoltaici e componenti in laboratorio ed incondizioni reali di esercizio;

• sperimentazione di impianti di generazione fotovoltaica per applicazionistand-alone.

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FOTOVOLTAICO

Laboratori, impianti, strumenti s/w

Tecnologia del silicio cristallino

Il Laboratorio silicio cristallino (Centri di Ricerca di Portici e Casaccia), è dotato di:

• Clean room (Camera pulita), costituita da locali depolverizzati econtrollati in temperatura e umidità, in cui vengono eseguitiprocessi di tipo “microelettronico” come fotolitografia dei contattimetallici e deposizione sottovuoto di metalli e ossidi;

• Laboratorio di chimica e metallizzazioni;• Laboratori di serigrafia/dicing,

dotati di una piccola “linea pilota”per la realizzazione di celle ditipo commerciale fabbricate contecniche serigrafiche;

• Laboratori di diffusione termicae PECVD (Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition),per lo sviluppo e la messa apunto sia di processi di drogaggioper diffusione ad alta tempera-tura del silicio con fosforo oboro, sia di deposizione di stratidi nitruro di silicio per scarica inplasma;

• Laboratori di caratterizzazionedispositivi e materiali;

• Laboratorio di microscopia elettronica.

Tecnologia dei film sottili

L’Unità dispone, presso il Centro Ricerche Portici, di impianti ed attrezzatureper lo sviluppo di celle e moduli fotovoltaici a film sottile di silicio, sue leghe ead eterogiunzione silicio amorfo/silicio cristallino.

Il Laboratorio deposizione film sottili di materiali semiconduttori, dielettrici emetalli è dotato di:

• Impianti UHV (Ultra High Vacuum) per la sintesi da fase gassosa di filmsottili semiconduttori amorfi e policristallini, di nitruri e per il dry etching disemiconduttori e isolanti con tecniche PECVD (Plasma Enhanced ChemicalVapour Deposition), Very High Frequency PECVD, Hot Wire CVD, LowPressure CVD e RIE (Reactive Ion Etching);

• DC/RF Sputtering a 3 catodi magnetron per la deposizione su substrati da900 cm2 di film sottili di ossidi trasparenti e conduttori e di metalli in varieconfigurazioni elettrodo in moduli fotovoltaici;

• Sistema Metal Organic CVD a singola camera per la sintesi da fase gassosadi film sottili di ossidi metallici su substrati da 100 cm2.

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ll Laboratorio laser processing di film sottili dispone di:

• Sistema di Laser Scribing perl’interconnessione delle celle inserie in moduli a film sottile,completo di: un laser a statosolido Nd-YAG oscillante a 1064nm; un laser a stato solidoNd-YLF con una lunghezza d'ondadi 523 nm; sistema di focalizza-zione dei fasci, omogeneizzatoredi fascio;

• Laser CW Ar+ con lunghezzad’onda 514,5 nm; potenzamassima 2 W;

• Camera da vuoto con finestra diquarzo per irraggiamenti inambiente controllato.

Il Laboratorio di tecnologie elettroniche è dotato di:

• Camera bianca in classe 100 e 10000;• Profilometro meccanico;• Mask-Aligner KS 4";• Spinner KS 5";• AFM/STM con testa per analisi elettrochimiche ed in ambiente controllato;• Pattern Generator per maschere fotolitografiche.

Il Laboratorio di caratterizzazione ottica dimateriali e dispositivi a semiconduttoredispone di:

• Spettrofotometro UV/VIS/NIR;• Ellissometro;• Inseguitore solare.

Il Laboratorio di caratterizzazionemorfologica, strutturale e composi-zionale delle superfici e delle sezionidi materiali in forma di film sottili edi bulk è dotato di:

• Diffrattometro ad alta risoluzione;• Spettrofotometro FT-IR e micro-

scopio IR; • Microscopio elettronico a

scansione;• Spettrometro ad emissione ottica

per profili composizionali.

FOTOVOLTAICO

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FOTOVOLTAICO

Il Laboratorio di caratterizzazione elettrica ed elettronica di materiali e dispositivia semiconduttore dispone di apparati per:

• la determinazione di efficienza nominale, quantica e capacità in dispositivi asemiconduttore;

• la determinazione di densità degli stati di difetto all’interno della banda proibita,della lunghezza di diffusione dei portatori minoritari e del tempo di vita deiportatori transienti in semiconduttori;

• la misura della conducibilità e della costante di Hall nell’intervallo 77-500 K.

Il Laboratorio di testing di moduli fotovoltaici commerciali dispone di:

• Simulatore Solare per la determinazione dell’efficienzanominale dei moduli;

• Camera climatica e Camera a nebbia salina per testdi invecchiamento, test accelerati di resistenza agliUV;

• Termovisione IR per la determinazione di perdite dipotenza elettrica per effetto Joule.

Il laboratorio è, inoltre, in grado di valutare le perdite diisolamento dei moduli mediante misure di capacità.

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ENERGIA DA BIOMASSAObiettiviSperimentazione, sviluppo e messa a punto di tecnologie e processi avanzatidi conversione delle biomasse, finalizzati all’ottimizzazione del loro sfrutta-mento a scopi energetici o industriali.

Attività di ricerca e sviluppo - TecnologieLe attività, svolte prevalentemente presso il Centro Ricerche Trisaia, riguardanolo sviluppo di processi di conversione delle biomasse in:

1. combustibili liquidi e gassosi da utilizzare per laproduzione di energia termica o elettrica

2. prodotti di interesse industriale e zootecnico.

Le tecnologie sviluppate riguardano, in particolare:

1a. la gassificazione delle biomasse in varie configurazioniimpiantistiche o di processo in reattori a letto fisso e aletto fluido e, in particolare:

• la gassificazione in corrente di vapore (steam-gasifi-cation) per la produzione di un gas ricco in idrogenocon cui alimentare celle a combustibile;

• il reforming catalitico di biofuel (olio di pirolisi edetanolo) per la produzione di un gas ad elevato tenoredi H da utilizzare come vettore energetico;

1b. la conversione biologica delle biomasse lignocellulosichemediante idrolisi enzimatica e fermentazione dellacellulosa e della emicellulosa per ottenere etanolo;

2. la conversione in prodotti di interesse industriale ezootecnico, ad esempio mangimi per animali, mediantedestrutturazione di paglie e foraggi finalizzata adincrementarne il valore nutritivo.

Laboratori, impianti, strumenti s/wL’Unità dispone dei seguenti impianti dedicati alla sperimentazione, allo sviluppoe alla messa a punto deiprocessi e delle tecnologieenergetiche suddetti:

• Stazione sperimentalePirolisi e Gassificazione(PI.GA.), dotata di dueimpianti di gassificazionea letto fisso da 20-80kWe;

• Impianto di steam gasifi-cation per la produzionedi un gas ad alto tenoredi idrogeno (ImpiantoJoule);

• Impianto di gassificazione

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ENERGIA DA BIOMASSA

• Impianto continuo di Steam Explosion da 300 kg/h per il trattamentoidrotermico delle biomasse lignocellulosiche (Impianto STELE);

• Impianto di Steam Explosion batch da 10 litri.

L’Unità è, inoltre, dotata dei seguenti laboratori:

• Laboratorio di biotecnologie, dotato di un bioreattore con vessel da 2e 10 litri e di un bioreattore da 50 litri;

• Laboratorio di chimica preparativa e strumentale, con attrezzature per:

– analisi termica: termogravimetria (TGA) e analisi termica differen-ziale (DTA) per lo studio del comportamento termico delle sostanze;

– analisi cromatografica (HPLC/DAD, HPIC/PED-UVVIS-COND, GC/MS e GC/FID-TCD);

– analisi spettrofotometrica (UV-VIS, infrarossa e AAS);– analisi spettroscopica (ICP/MS).

Le attrezzature permettono inoltre di effettuare:– analisi della composizione elementare CHNS/O; determinazione del

contenuto di zolfo, fosforo ed alogeni, determinazione del contenuto dimetalli; determinazione del carbonio fisso e della sostanza volatile;

– determinazione del potere calorifico e del range di temperatura di fusionedelle ceneri;

– il monitoraggio dei processi svolti su scala impiantistica:• la determinazione del contenuto di specie organiche (molecole

aromatiche polinucleari, acidi carbossilici) ed inorganiche (HCl, NH3,NOx);

• la determinazione della composizione del gas di gassificazione;• la caratterizzazione del particolato.

Il laboratorio chimico è anche in grado di eseguire la completa caratteriz-zazione delle biomasse mirata a:– determinazione di estrattivi, emicellulosa, cellulosa e lignina sulla

biomassa alimentata;– pretrattamento, separazione e quantificazione delle componenti principali

della biomassa (lignina, cellulosa, emicellulosa) e relativa quantificazione;– idrolisi e fermentazione della componente cellulosica della biomassa con

relativa determinazione del contenuto di zuccheri e di etanolo;– sviluppo di metodiche analitiche.

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TRASPORTO E MOBILITÀObiettiviStudio, ricerca, sperimentazione e sviluppo di tecnologie finalizzate all’aumentodell’efficienza energetica e alla riduzione dell’impatto ambientale del sistemadei trasporti.

Attività di ricerca e sviluppo – TecnologieLe principali attività, condotte prevalentemente presso il Centro RicercheCasaccia, sono:

• sviluppo di sistemi per la pianificazione e supervisione del traffico passeg-geri e del processo di distribuzione delle merci in ambito urbano;

• sviluppo di sistemi di simulazione del trasporto intermodale delle merci su scala nazionale o regionale;

• modelli matematici per l’ottimizzazione dell’instradamento di passeggeri e merci;

• studi di sistema e sviluppi metodologici relativi ad interventi innovativi per la mobilità urbana (Mobility management, car sharing, trasporti collettivi flessibili, schemi logistici integratiper la distribuzione delle merci);

• modelli e metodi innovativi per la valutazione dell’impatto dellamobilità e delle politiche ambientali su scala urbana, regionalee nazionale;

• sviluppo di metodologie di misura in laboratorio e on board per la caratterizzazione di sistemi di trazione innovativi dal puntodi vista energetico ed emissivo;

• sviluppo di sistemi di controllo e di gestione di veicoli elettrici-ibridi, ottimizzati rispetto alle particolari modalità operative edalla gestione dei flussi di potenza tra generatore, sistema diaccumulo (batteria e/o supercapacitori) e generatore di potenza(motogeneratore o fuel cell);

• studi di sistema ed attività di modellistica per lo sviluppo di veicoli ibridi;

• sviluppo di metodologie di sperimentazione a banco per la caratterizzazionedelle batterie, il rilievo dei parametri dei modelli, la caratterizzazione deisistemi di accumulo;

• sviluppo di modelli di stima dello stato di carica delle batterie (Pb, NiMh, Li);

• supporto allo sviluppo di tecnologie della trazione ad idrogeno, in particolarerelativamente a prove di sistema su celle a combustibile, accumulo e sotto-sistema di trazione;

• sviluppo di tecnologie finalizzate alla sicurezza nei trasporti e, in particolare,alla sicurezza nei trafori.

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TRASPORTO E MOBILITÀ

Laboratori, impianti, strumenti s/w Laboratorio prova batterie

Comprende tre linee di prova, attrezzate conconvertitori DC/DC e camere climatiche, ingrado di effettuare prove vita che riproduconoi cicli elettrici di carica e scarica cui sonosottoposte le batterie; i cicli possono esseredefiniti in modo completamente flessibile. È possibile la prova di sistemi fino a 350 V,con correnti fino a 600 A, con temperaturada –40 a + 100 °C.

Laboratorio prova supercondensatori

Svolge per i supercondensatori prove analo-ghe a quelle del Laboratorio prova batterie,con scala di prova limitata a 40 V e 200 A.

Stazione di prova per sistemi di trazione

La Stazione permette la sperimentazione al banco degli azionamenti dei veicolielettrici, alimentati dal solo pacco batterie, e dei veicoli elettrici-ibridi, alimen-tati dal pacco batterie e da un sistema di generazione. L’impianto consenteprove d’insieme del sistema di trazione (motore, batterie, generatore, sistemadi controllo) prima della realizzazione del veicolo. Gli impianti e le apparec-chiature installate nella Stazione di prova, dimensionati per la componentisticadi veicoli medio leggeri fino all’autobus da 6 m, sono raggruppati in isolesperimentali o sezioni di prova interconnesse, dedicate ai singoli sottosistemidel sistema di trazione: generazione elettrica (fino a 30 kW), motori di trazione(fino a 150 kW), accumulo di energia (fino a 300 V).

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Banco a rulli

Permette la simulazione dei cicli di guida suveicoli commerciali e prototipi. Può alloggiareveicoli fino a 6 m di lunghezza e 42 q di pesototale, con potenza fino a 150 kW e consentel’esecuzione di cicli di prova dinamici e avelocità costante.

Laboratorio mobile prova sistemi ibridi

Realizzato intorno al drive train di unAltrobus da 6 m ed equipaggiato con sistemidi acquisizione dati, permette la prova sustrada di sistemi di trazione ibrida.

Sistemi di misura delle emissioni di veicoli

Sono disponibili sistemi per la misura inlinea delle emissioni dei gas normati (CO, NOx, HC), mediante tecnologia NDIRe del particolato in peso (tecnologia TEOM), ed un sistema di analisi chimicaoff line di altri gas inquinanti normati (gascromatografia per benzene, granu-lometria laser del particolato), prelevati con sistema di campionamento inlinea.

Laboratorio mobile per la stima dei parametri di traffico

Il laboratorio permette la misura dei parametri di traffico (flusso, velocità,classificazione dei veicoli) ed è attrezzato con telecamere su palo telescopico esistema di elaborazione in linea delle immagini; utilizza, inoltre, sistemi nonintrusivi wireless da posizionare in strada, basati su tecnologia magnetica.

IMPACTS - Sistemi avanzati di simulazione dell’impatto dei sistemi di trasporto

È un insieme di modelli per la stima di consumi ed emissioni derivanti daltraffico. Un primo modello TEE (Transport Energy Environment) riguarda lastima dei consumi energetici e delle emissioni inquinanti causati dal trafficoveicolare a livello di rete urbana. Il software è caratterizzato da un’elevataflessibilità di utilizzo per poter essere collegato a codici di simulazione deltraffico di vario tipo e per tener conto dell’influenza delle varie condizioni dimarcia sulle emissioni (motore freddo, traffico congestionato ecc.). La serie dimoduli COMMUTE permette la valutazione degli impatti di reti multimodali sumacro-scala. Il software relativo consente di valutare su reti stradali, ferrovia-rie, marittime ed aeree, impatti quali consumi ed emissioni, rumore ed incidenti.

SYLOG – Sistema per la simulazione del trasporto merci intermodale nazionale

SYLOG è un sistema informatico, sviluppato dall’ENEA, che consente dieffettuare valutazioni strategiche e confronti di diversi scenari tecnologici einfrastrutturali del trasporto merci intermodale in Italia. SYLOG integra in unsistema GIS una banca dati alfanumerica relativa al Sistema Logistico Italianoed una catena di modelli i cui input e output sono contenuti nella stessa bancadati. La catena modellistica è costituita da:

• MTCP (Macroscale Transport Chain Planner), un software in grado di simulareil comportamento dell’utenza di un dato sistema di trasporto ricostruendo gliitinerari da origine a destinazione, nonché i flussi di traffico relativi agli archie ai nodi della rete multimodale;

• il modello GoTrEIN per la stima di consumi energetici ed emissioni deiprincipali inquinanti atmosferici;

• il modulo CBA per la determinazione degli indicatori di valutazione economicae finanziaria.


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MOBILITY - Modellistica per la pianificazione della mobilità urbana

Il sistema software integrato MOBILITY, sviluppato dall’ENEA, è un sistema disupporto alle amministrazioni locali per la pianificazione della mobilità urbanae l’elaborazione dei Piani Urbani della Mobilità (PUM). MOBILITY consenteall’utente di analizzare la situazione della rete di trasporto e di simulare diver-se ipotesi di intervento (infrastrutturale, funzionale, di controllo della doman-da, di modifica del servizio offerto dal trasporto pubblico ecc.) e di valutare exante, attraverso un insieme selezionabile di indicatori predefiniti, i risultatiottenibili in termini di riduzione del traffico, dei consumi e delle emissioni (digas inquinanti e rumore). La sua struttura software prevede una banca dati edun insieme di modelli matematici indipendenti, ma completamente integrati nelsistema, che sono gestiti da un’interfaccia grafica avanzata sviluppata inambiente GIS.

Modellistica per lo sviluppo di sistemi e tecnologie mirati alla sicurezzanei trasporti

Codice PHOENICSÈ un codice fluidodinamico a volumi finiti che permette ilcalcolo del campo di velocità dell’aria e delle temperatureall’interno di un dominio predefinito, in presenza di sorgentidi quantità di moto, di temperatura e di inquinanti (fumi).Il codice gira su una macchina seriale del Centro di Calcolodel Centro Ricerche Casaccia.

Codice SOLVENTQuesto codice è predisposto per la simulazione dei fenome-ni termofluidodinamici in tunnel con o senza ventilazione,anche in presenza di incendio.

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DIAGNOSTICA E CONTROLLO DI SISTEMI E PROCESSI

ObiettiviSviluppo di tecnologie innovative di monitoraggio, diagnostica, gestione econtrollo di processi e sistemi di generazione o di utilizzazione dell’energia.

Attività di ricerca e sviluppo - TecnologieLe attività, condotte presso il Centro Ricerche Casaccia, riguardano in particolare:

• sviluppo di sensori intelligenti e sistemi di diagnostica e supervisione diimpianti industriali basati su tecniche di previsione precoce e su sistemiesperti;

• integrazione di metodologie di analisi dati e modellistica con particolareriferimento alle tecnologie delle reti neurali, della logica fuzzy e dell’analisidelle immagini;

• sviluppo di metodologie avanzate di controllo adattivo ed ottimizzazione inlinea basate su approcci di tipo evolutivo (vita artificiale, algoritmi genetici)e di dinamica non lineare (analisi caotica);

• caratterizzazione energetica/emissiva on board di sistemi di trasporto;• sviluppo di sistemi strumentali e metodologie standardizzate per la qualifi-

cazione di veicoli ad emissione prossima allo zero;• sviluppo di tecnologie intelligenti per il controllo ottimale dei componenti di

veicoli innovativi;• progettazione, caratterizzazione e sviluppo di sistemi innovativi per la

climatizzazione e la ventilazione di edifici ad alto consumo energeticoattraverso la simulazione numerica, lo sviluppo di sensori intelligenti e dellestrategie di monitoraggio, gestione e controllo del sistema.

Le metodologie e i sistemi sviluppati possono trovare applicazione in ambitopetrolifero e su impianti di potenza, impiantistica energetica civile, combustoriindustriali, trasporti e veicoli.

DIAGNOSTICA E CONTROLLO DI SISTEMI E PROCESSI

Laboratori, impianti, strumenti s/wÈ disponibile una serie di sistemi software e hardware-software sviluppati inENEA:

• Il Network Combustion Laboratory (NCL) è un ambiente interattivo accessi-bile via internet, che consiste in un notevole patrimonio di dati, risorsehardware e software per la progettazione, analisi e diagnostica di processienergetici. Nell'NCL sono integrati un database multimediale di datisperimentali ed una serie di librerie e strumenti software on line basati sumetodologie avanzate (reti neurali, analisi caotica, analisi immagini,algoritmi genetici) per il controllo, la progettazione e l'ottimizzazione diprocessi energetici. Tutte le risorse di dati e software incluse nell’ambiente NCLsono condivise dalla rete di partner con cui l’ENEA ha condotto studi sullacombustione. Alcune risorse sono state messe a disposizione della comunitàscientifica nazionale ed internazionale; è possibile essere inseriti, su richiesta,nelle aree di accesso riservato NCL (sito ncl.casaccia.enea.it).

• La piattaforma ALIFE (Artificial Life) per l'ottimizzazione adat-tiva di processi energetici di varia natura è un ambiente moltoavanzato in termini di metodologie (vita artificiale e retineurali evolutive), che permette di modellare processi in evolu-zione ottimizzandone continuamente la gestione (controlloevolutivo) o adattando il modello sulla base dell'esperienza(modelli previsionali che imparano continuamente a migliorarela previsione). Attualmente è applicato al controllo adattivo diimpianti di termovalorizzazione di rifiuti solidi urbani.

• Il programma ADI (Ambiente Diagnostico Integrato) è unprogramma per l’analisi di processi energetici attraverso unaserie di indicatori di varia natura (diagnostica della strumen-tazione e di processo, qualità della produzione, efficienzaenergetica, emissione ambientale, valutazioni exergetiche-exergo-economiche) integrati in una rete di trasmissione che,in tempo reale, invia i dati su locazioni remote (internet,intranet).

• Il sistema PROMISE è un sistema esperto per la diagnostica e prognostica(determinazione interventi correttivi) dei cogeneratori per produzione divapore ed energia elettrica. PROMISE è in grado di effettuare una rilevazioneprecoce delle situazioni anomale e di valutarne la criticità, dando indicazionisulle cause e i possibili scenari di rischio.

• Il Laboratorio sviluppo strumentazione on board di veicoli è dedicato allosviluppo di sistemi di acquisizione e di trasmissione dati per la strumenta-zione on board di veicoli convenzionali (misure energetiche, di processo edi emissione) e veicoli innovativi (ibridi) per la loro caratterizzazione nellereali condizioni di esercizio.

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ObiettiviRicerca, sviluppo e dimostrazione relativi ai processi di trasferimento di energiatermica e di massa in componenti e sistemi, finalizzati sia al miglioramento deiprocessi, sia allo sviluppo di macchine innovative.

Attività di ricerca e sviluppo - TecnologieLe attività di ricerca, svolte dall’Istituto di Termofluidodinamica dell’ENEA cheopera presso il Centro Ricerche Casaccia, riguardano la progettazione termo-fluidodinamica di dispositivi e componenti industriali, quali macchine ad assor-bimento per il condizionamento, scambiatori di calore per cicli frigoriferi, altetemperature e applicazioni speciali (satelliti spaziali), valvole di sicurezza. Inparticolare esse sono relative a:

• sperimentazione ed analisi dati nel trasporto di sistemi mono e multifase;• analisi strutturale computerizzata (codici agli elementi finiti) e progettazione,

realizzazione e avviamento di impianti sperimentali e relative sezioni diprova, anche mediante l’utilizzo di dispositivi CAD;

• sviluppo e utilizzo di codici di calcolo;• progettazione, realizzazione, collaudo e avviamento di impianti sperimentali.

L’Istituto è, inoltre, in grado di fornire alle industrie produttrici i seguentiservizi di prova e/o qualificazione:

• prove di funzionalità su valvole di sicurezza;• qualificazione di scambiatori di calore compatti;• qualificazione di pompe di calore ad assorbimento;• qualificazione di chillers;• taratura di termocoppie e trasduttori di pressione.

Laboratori, impianti, strumenti s/wL’Istituto di Termofluidodinamica dispone di una seriedi impianti sperimentali, tra cui:

• CAPOC-2 (CAratterizzazione POmpe di Calore 2)per prove termofluidodinamiche su pompe di caloread assorbimento e/o loro componenti speciali;

• MISHTRA (MIcroScale Heat TRAnsfer) per prove diebollizione di fluidi refrigeranti e/o miscele di fluidirefrigeranti in canali capillari e non;

• STAF (Scambio Termico Alti Flussi) per prove diebollizione di acqua fino ai limiti estremi delloscambio termico (burnout) e di raffreddamento adacqua di pareti ad alta temperatura mediante spraymonodimensionali;

• BOIL (Boiling Of Immiscible Liquids) per studi discambio termico per contatto diretto gas caldi -spray di acqua, o per ebollizione per contatto direttodi fluidi;

TERMOFLUIDODINAMICA ENERGETICA

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TERMOFLUIDODINAMICA ENERGETICA

• BRIVIDO (Bubble RIsing Velocity Investigation with Direct Observation) perstudi di velocità di risalita delle bolle in colonne di liquido saturo fino allapressione critica;

• COMHETHA (COMpact Heat Exchanger Thermal-Hydraulic Activity) ePROHPHETHA (PROpane Heat Pump and Heat Exchanger Thermal-HydraulicActivity) per prove termofluidodinamiche su scambiatori di calore compattiper il condizionamento ambientale (evaporatori e condensatori), del tipoacqua-aria, refrigerante-aria, refrigerante-acqua, propano-aria, propano-acqua, su chillers e su interi gruppi frigoriferi;

• VASIB (VAlvole di SIcurezza in Bifase) per prove termofluidodinamiche suvalvole di sicurezza, di regolazione e condotti di scarico, attraversati damiscele bifase acqua-vapore, in condizioni critiche e non;

• REXSOR (RadiativeEXperimentation for SOlarReceiver) per prove di carat-terizzazione termica di unricevitore solare;

• MOSE (MOlten SaltExperiences) per prove dicaratterizzazione termofluido-dinamica di un ricevitoresolare e del relativo fluidotermovettore;

• MICROBO (MICROscaleBOiling) per prove di scambiotermico mono e bifase inmicrocapillari per sperimenta-zione su volo parabolico incondizioni di gravità ridotta(fino a 0,001 g).

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COMBUSTIONEObiettiviRicerca, sviluppo e dimostrazione di processi di combustione innovativi inturbine, caldaie e forni industriali alimentati con diversi combustibili: fossili(tipicamente gas naturale), miscele gassose a basso potere calorifico (derivatida biomasse, syngas, rifiuti), nuovi combustibili (ad esempio idrogeno). Tra iprocessi di combustione innovativi, particolare interesse rivestono le tecnologiedi mild combustion (moderate and intense low oxygen dilution) che accoppianol’alta efficienza di combustione ad elevata temperatura con le ridotte emissionidi gas serra (-30% CO2) e di inquinanti quali NOx e CO (riduzione di un ordinedi grandezza).

Attività di ricerca e sviluppo - Tecnologie• Modellistica e simulazione di processi termofluidodinamici e di cinetica

chimica, con codici CFD (Computational Fluid Dynamics) tridimensionali ecodici cinetici, di tipo commerciale o innovativi, sviluppati “ad hoc”.

• Diagnostica avanzata non invasiva, ad alta risoluzione spaziale e temporale,sviluppata e messa a punto per l’impiego su attrezzature sperimentali dalaboratorio, impianti pilota e impianti reali.

• Sperimentazione su attrezzature ENEA e di altri centri di ricerca o partnerindustriali, per studi di base ed attività di sviluppo precompetitivo e didimostrazione.

• Progettazione, realizzazione, collaudo ed avviamento di impianti sperimentali.

Laboratori, impianti, strumenti s/wL’ENEA concorre, insieme ai principali centri di ricerca nazionali, alla rete NCL(Network Combustion Laboratory), con diversi laboratori e impianti e con unknow how consolidato e riconosciuto a livello internazionale.

Dedicata prevalentemente a studi e sperimentazioni sulla combu-stione è l’Area sperimentale COMET, attrezzata con vari disposi-tivi per la sperimentazione su prototipi o modelli in scala dibruciatori e camere di combustione di turbine a gas, caldaie, fornidi processo ecc. L’area può essere alimentata con metano, concombustibili gassosi di sintesi e con un sistema elettrolitico per laproduzione di idrogeno. Oltre a diverse sezioni di prova e combu-stori “convenzionali”, sono disponibili alcune attrezzature per losviluppo di nuove tecnologie:

• Forno Sperimentale MCD (Mild Combustion Demonstrator), perR&S nel campo della combustione mild o “senza fiamma”;

• Impianto COMET-HP (COMbustion Experimental Tests in High Pressure conditions), per la prova di bruciatori per turbogas in condizio-ni di similitudine (pressione 10 bar, preriscaldamento aria a 450 °C). L’impianto è particolarmente rivolto allo studio della instabilità termoacustica tipiche della combustione premiscelata, attraverso lo sviluppo e l’impegno di diagnostica avanzata;

• Impianto BAGIT (Biomass And Gas Integrated CHP Technology) per lo studio della co-combustione di metano e biogas in condizioni mild in impianti a ciclo combinato;

• Impianto IDEA (IDrogeno Experimental Activities) per studi di base sulle tecnologie di combustione di idrogeno in bruciatori per turbogas.

Altri impianti disponibili sono:

• Impianto MICOS (Multipurpose Installation for Combustion Studies) perprove di combustione ad alta temperatura policombustibile (tra cui idrogeno) per studi di processo e di ciclo;

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• Impianto DRIVE (Demonstration and Research on Internalcombustion and Vehicular Engines) per sperimentazione sumotori a combustione interna e miniturbine a gas;

• Impianto BEST (Boiler Experimental Studies) per prove sucaldaie di piccola potenza per usi civili.

È inoltre disponibile un ampio set di sistemi di misura e diagno-stica e strumenti di simulazione numerica, che fanno capo alaboratori di valenza internazionale:

• Laboratorio di spettroscopia molecolare, per lo sviluppo el’applicazione di tecniche di misura non intrusive, di tipopuntuale o per mappature bidimensionali, della temperatura edella composizione delle miscele gassose reagenti o dei pro-dotti di reazione, basate sull’impiego di tecniche di spet-troscopia lineare e non, in molti casi fondate sull’impiego dilaser di potenza continui o pulsati;

• Laboratorio di fluidodinamica per l’applicazione di tecniche didiagnostica laser, finalizzate alla misura e caratterizzazione dicampi fluidodinamici (velocità, turbolenza ecc.), ed allo studiodell’intima interconnessione tra fenomeni fluidodinamici efenomeni cinetico-chimici;

• Laboratorio di chimica ed analisi gas, per l’analisi in linea efuori linea di prodotti di combustione gassosi, liquidi o solidi.Il laboratorio si basa sull’impiego di sistemi a gas-cromato-grafia, a spettrometria di massa ed a spettrometria nell’infra-rosso;

• Laboratorio mobile di diagnostica della combustione: unitàmobile integrata su cui trovano alloggiamento sistemiavanzati per la diagnostica chimica, nonché strumenti per ilcampionamento isocinetico delle polveri. Il Laboratorio èspecificatamente pensato per operare “in campo”, su impiantireali o dimostrativi, esportando le tecnologie di diagnosticaavanzata, tradizionale patrimonio dell’Unità;

• Laboratorio numerico di simulazione termofluidodinamica echimica per attività di sviluppo ed applicazione di metodologieCFD, di tipo RANS (Reynolds Average Navier Stokes) e LES(Large Eddy Simulation). Le competenze le attrezzaturehardware e software consentono in particolare:- l’applicazione e la validazione di nuovi modelli di turbolenza e combu-

stione implementati in codici CFD commerciali (l’Unità è β-Tester delcodice FLUENT);

- lo sviluppo di nuovi modelli numerici di tipo LES, e la loro implementa-zione in propri codici di ricerca (es. HEART) e commerciali (es. FLUENT),per lo studio dinamico dei fenomeni (turbolenza, instabilità ecc.);

- la parallelizzazione di codici CFD seriali. Tipicamente lo sviluppo èorientato verso architetture di calcolo parallelo di tipo SM (SharedMemory) - MIMD e DM (Distributed Memory) – MIMD, ed ha comemacchine target le piattaforme di calcolo parallelo disponibili nell’am-biente di ‘Grid Computing’ realizzato in ENEA: Cluster FERONIA, ClusterIBM SP3 ecc..

- studi di cinetica chimica, mediante codici zero-dimensionali (es.CHEMKIN), finalizzati allo sviluppo e alla validazione di schemi ridotti deiprocessi cinetici completi.

COMBUSTIONE

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IMPIANTISTICA ENERGETICAObiettiviSviluppo di tecnologie mirate all’incremento dell’efficienza energetica e allalimitazione delle emissioni inquinanti e dei gas serra.

Attività di ricerca e sviluppo - TecnologieLe attività riguardano lo studio, lo sviluppo e la dimostrazione di processi,impianti e cicli avanzati per la produzione di energia mediante: combustibilifossili; fonti rinnovabili (solare, eolico e biomasse); combustibili “di opportu-nità” quali i gas di sintesi derivati da rifiuti civili, industriali, sottoprodotti diprocessi produttivi ecc.; idrogeno.

Più in particolare esse comprendono:

• sviluppo, messa a punto e caratterizzazione di processi e impianti basati susistemi innovativi di combustione, in relazione ai processi termochimici diossidazione (combustione diluita ad alta temperatura) ed ai combustibiliutilizzati (H2, syngas ad alto contenuto di H2 e/o ottenuti dalla gassificazionedi prodotti di partenza di vario tipo, quali biomasse e rifiuti industriali eurbani);

• studio e messa a punto di nuovi cicli a zero emissions, o – nel breve/medioperiodo – “towards” zero emissions, con particolare attenzione ai sistemiinnovativi per la produzione di idrogeno (ad esempio, processi chimici ener-gizzati dalla fonte termica solare) e agli impianti che utilizzano l’idrogenocome combustibile;

• caratterizzazione di impianti di taglia molto piccola basati su mini e microturbine a gas, integrati in sistemi ibridi con celle a combustibile;

• messa a punto e caratterizzazione di nuovi sistemi di generazione combinatadi energia elettrica e calore, con soluzioni impiantistiche integrate in gradodi fornire anche altri prodotti (es. industria chimica) e servizi (es. recuperoenergetico da sottoprodotti e rifiuti industriali e civili).

Laboratori, impianti, strumenti s/wI principali impianti e laboratori, ubicati presso il CentroRicerche Casaccia, sono:

Impianto ICARO (Impianto per la CogenerazioneAvanzata, Ricerca e Operabilità) per la produzionecombinata di energia elettrica e termica e per lasperimentazione sulla cogenerazione.L’impianto è costituito essenzialmente da una turbina agas di 2 MWe e da una caldaia a recupero, alimentatadai gas di scarico della turbina, in grado di coprire uncarico termico di 5 MWt – incrementabili a 7 MWt conpost combustione – della rete di teleriscaldamento delCentro Ricerche Casaccia.Su questo impianto vengono svolte attività legate allosviluppo di impianti di taglia medio-piccola integrati conil tessuto produttivo comprensoriale e adatti ad utilizzare

combustibili liquidi e gassosi di varia natura, che riguardano, in particolare:

• controllo di processo integrato e analisi dei dati di esercizio;• sviluppo componenti: turbogas, caldaie ecc.;• test di sistema, con riferimento alla diversificazione dei combustibili ed alla

integrazione con caldaie a recupero, teleriscaldamento ecc.;

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IMPIANTISTICA ENERGETICA

• studio di sistemi di rigenerazione;• realizzazione di un “data base multimediale” sulla cogenerazione (dati di

esercizio di ICARO e di altri impianti, dati di esercizio dell’intero sistemaICARO-Rete di teleriscaldamento) da rendere disponibile all’esterno.

Laboratorio di cogenerazione e sistemi impiantistici integrati per lo studio disistemi complessi, l’analisi dei cicli termodinamici e l’ottimizzazione delle solu-zioni impiantistiche. Sono a disposizione del laboratorio codici di simulazione ditipo commerciale (IPSE ecc.) e strumenti sviluppati ad hoc, come il program-ma RETI per l’analisi e l’ottimizzazione di reti di teleriscaldamento.

Laboratorio di diagnostica e controllo di impianti e processi per lo sviluppo erealizzazione di sistemi di misura ed analisi, la messa a punto di sistemi diacquisizione-analisi e controllo per la conduzione della sperimentazione suimpianti, anche con l’impiego di sistemi di telecontrollo.

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Progetti strategici

FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONEObiettiviIl progetto PhoCUS (Photovoltaic Concentrators to Utility Scale) ha lo scopo didimostrare la fattibilità tecnica del fotovoltaico a concentrazione e la suamaggiore potenzialità rispetto al fotovoltaico convenzionale (piano), ai fini delconseguimento della competitività economica con le altre fonti di energia. A livello internazionale il fotovoltaico a concentrazione è consideratoun’interessante opzione per ridurre in maniera significativa l’incidenza dei costidel componente fotovoltaico (il costo di investimento di un sistema fotovoltaicopiano, che si aggira intorno ai 7 €/W, è per il 50% dovuto al componentefotovoltaico e per il 30-35% alle sole celle solari), che viene sostituito conmateriali semi-convenzionali meno costosi. Negli impianti fotovoltaici a concentrazione la radiazione solare non va ad

incidere direttamente sullecelle ma viene concentrata daopportune lenti; è come se lecelle fossero investite nondalla radiazione provenienteda un unico sole ma da 100,200 o più soli (in funzione deltipo di lente utilizzata) conuna proporzionale riduzionedell’area effettiva delle cellesolari da utilizzare. La diffusione di tale applica-zione, parallelamente allosviluppo di componenti nonfotovoltaici a basso costo, faintravedere la possibilità diraggiungere, nel medio–lungotermine, un costo di sistemainferiore a 2 €/W.

FasiNell’ambito del progetto PhoCUS sono previste attività sia di Ricerca & Svilupposia di dimostrazione e sperimentazione sul campo. Le prime, da svolgere presso i laboratori dei Centri di Ricerca di Portici eCasaccia, sono relative ai principali componenti dell’impianto, quali la cella, ildispositivo ottico, il modulo, la struttura ad inseguimento ed il sistema dicondizionamento della potenza.Le seconde prevedono l’installazione di impianti sperimentali presso il CentroRicerche Portici e la realizzazione di un impianto pilota da 25 kW nell’AreaSperimentale Monte Aquilone presso Manfredonia. Le attività di R&S e quelle di dimostrazione e sperimentazione sul campo sonostate avviate in parallelo in modo tale che, con la progettazione e realizzazionedei componenti prototipali dell’impianto pilota, vengano individuate le azionispecifiche finalizzate all’ottimizzazione dei singoli componenti. Lo sviluppo e la messa a punto delle tecnologie relative ai principali componenti,quali i concentratori ottici, il modulo, l'inseguitore solare, fino alla realizzazionedei prototipi da utilizzare nell'impianto pilota, saranno oggetto di specifichecollaborazioni con operatori nazionali.Si intende progettare e realizzare una unità standard da 5 kW, che possacostituire un sistema autonomo o un elemento modulare di un impianto dimaggiori dimensioni. L’impianto pilota sarà costituito da 5 unità base da 5 kW.L’installazione dell’impianto avverrà per fasi successive, in modo che possano

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FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

essere apportati tutti i miglioramenti che, sulla base delle prime prove speri-mentali, risulteranno necessari.La messa in funzione della prima unità da 5 kW nell’Area Sperimentale MonteAquilone è prevista entro il 2003; il completamento dell’impianto (con l’instal-lazione degli ultimi 10 kW) è previsto entro il 2004.

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiLa progettazione di un sistema fotovoltaico a concentrazione è più complessarispetto al fotovoltaico piano, soprattutto se si vuole assicurare un alto gradodi affidabilità, mantenere bassa l’incidenza della manutenzione e cogliere tuttii vantaggi tecnici ed operativi legati alla concentrazione della radiazione solare.In particolare: il modulo presenta una maggiore complessità, dovuta allanumerosità dei componenti da assemblare; risulta necessario far uso di unsistema di supporto dei moduli capace di “inseguire” il sole durante la giornatain modo da massimizzare la radiazione incidente; la struttura di cella deveessere più sofisticata per poter ottenere alti valori di efficienza in presenza diuna maggiore radiazione solare incidente.Si riportano nel seguito alcune delle principali caratteristiche del sistema infase di progetto.Ogni unità da 5 kW sarà costituita da un generatore fotovoltaico formato da 24moduli per una superficie complessiva dell’ordine dei 32 m2 installato su unasingola struttura ad inseguimento (eliostato). Il sistema di condizionamento della potenza della singola unità si basa sull’usodi inverter di tipo multistringa da connettere ad una rete in bassa tensione. Il modulo fotovoltaico avrà dimensioni dell’ordine di 1x1,3 m2 ed un’altezza di20-25 cm. L’efficienza nominale sarà dipendente dall’efficienza delle celle chesaranno utilizzate. Nel caso di celle con efficienza dell’ordine del 23,5% a 200soli, una buona progettazione del componente potrà assicurare una efficienzadi modulo del 20%. Il dispositivo ottico, che sarà integrato nei moduli (uno perogni cella) sarà un concentratore rifrattivo prismatico, sviluppato da ENEA edin corso di brevetto. Esso garantirà sulla cella, di dimensioni dell’ordine di1 cm2

, un fattore di concentrazione di 200. La struttura ad inseguimento sui due assi (alt-azimutale) dovrà coniugare bassicosti con soluzioni progettuali semplici che nello stesso tempo garantiscanoaffidabilità e correttezza di funzionamento. Ciò richiede una particolare atten-zione nel sistema di movimentazione e nel relativo sistema di controllo.Il prodotto, in termini di unità standard da 5 kW o di impianto di maggiorepotenza, è indirizzato al mercato della green electricity (energia elettrica dafonti rinnovabili), a livello di generazione sia diffusa (piccoli impianti, 5÷20kW) che centralizzata (impianti di potenza).Infatti il fotovoltaico a concentrazione, per le sue caratteristiche operative,consente di ottenere un profilo di produzione costante ed un maggiore fattoredi utilizzo annuo (capacity factor).Il coinvolgimento di un sistema industriale già consolidato per lo sviluppo deicomponenti di un impianto fotovoltaico a concentrazione potrà validamentecontribuire alla diffusione di tale tipo di applicazione.


Progetti strategici

BIOMASSE PER PRODUZIONE DI ENERGIA ENUOVI VETTORI ENERGETICI

Obiettivi

Il progetto integrato, che vede coinvolti, oltre all’ENEA, diversi partner indu-striali (Ansaldo, Fiat, Peugeot, Renault), università italiane e straniere(L’Aquila, Vienna, Londra, Belfast, Patrasso) ed enti di ricerca europei (VTT,ECN), si propone di:

• sviluppare processi e tecnologie per la produzione di biocarburanti liquidi(etanolo) da destinare alla produzione di H2 per autotrazione on board;

• sviluppare processi e tecnologie per la produzione di idrogeno mediante reforming catalitico di oli di pirolisi;

• sviluppare, mettere a punto e caratterizzare un processo di gassificazionea vapore di biomasse per la produzione di syngas ad alto contenuto di idro-geno per la generazione distribuita di energia elettrica mediante celle acombustibile;

• sviluppare e caratterizzare un processo di gassificazione con ossigeno perla produzione di un syngas ad alto contenuto di idrogeno da utilizzare incombustori di turbine a gas e in caldaie di post combustione;

• sviluppare processi e tecnologie di separazione dell’idrogeno dal gasprodotto da impianti di gassificazione che sfruttano differenti tecnologie.

FasiLe attività ENEA previste, svolte presso il Centro Ricerche Trisaia, sono cosìarticolate:

• ottimizzazione dei processi di pretrattamento delle biomasse, dell’idrolisienzimatica e della fermentazione per rendere competitiva la produzione dietanolo mediante processi biologici;

• upgrading degli oli ottenuti dalla pirolisi delle biomasse mediante stabiliz-zazione del prodotto;

• messa a punto di differenti tecnologie per la gassificazione da biomasse conproduzione di syngas ad alto tenore di idrogeno;

• sviluppo di tecnologie innovative per il cleaning e l’arricchimento in idrogenodel syngas prodotto;

• sperimentazione dell’integrazione dell’impianto di gassificazione con cellacombustibile a carbonati fusi (MCFC).

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Aspetti tecnologici e ricadute industrialiL’utilizzo di biocarburanti liquidi, in alternativa ai derivati del petrolio, saràpraticabile solo se ne sarà aumentata la disponibilità ed abbassato il costo. Una delle possibilità più concrete per ridurre i costi è l’utilizzo delle parti ligno-cellulosiche delle piante (fusto, foglie ecc.) che spesso costituiscono un residuodelle coltivazioni e processi industriali. L’etanolo prodotto può a sua volta essereutilizzato in motori a combustione interna, miscelato con la benzina o sottoforma di ETBE. Un’altra possibilità consiste nella produzione on board di idrogeno e utilizza-zione in celle a combustibile, eliminando quindi tutti i problemi connessi allostoccaggio dell’idrogeno. La produzione di biocombustibili gassosi rende molto più versatile l’impiegodelle biomasse e permette di utilizzarle direttamente in motori a combustioneinterna e in cicli combinati, con sensibili incrementi dei rendimenti energeticidi conversione e con possibilità di produrre direttamente energia elettrica perpotenze e richieste specifiche. In particolare la gassificazione con ossigeno e/o vapore permette di produrregas ad alto tenore di idrogeno che si presta ad essere utilizzato anche in cellea combustibile e/o per la produzione diretta di idrogeno.

BIOMASSE PER PRODUZIONE DI ENERGIA E NUOVI VETTORI ENERGETICI

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Progetti strategici


VEICOLO IBRIDO CON ACCUMULO INTEGRATOBATTERIE/SUPERCONDENSATORI

ObiettiviIl progetto specifico, che fa parte di un progetto più generale sull’accumuloelettrico che vede la partecipazione del Centro Ricerche Fiat e di alcuneUniversità (Pisa, Roma 3 ed altre), è finalizzato allo sviluppo di un sistema ditrazione denominato “Ibrido Triplo” – generatore + batteria + supercondensa-tore (SC) – per un autoveicolo per uso urbano, in grado di competere conveicoli alimentati con batterie al litio e a idruri metallici, di elevate prestazionima con alti costi.Il progetto nasce dalla constatazione dell’interesse connesso alle potenzialitàdella tecnologia dei veicoli ibridi ai fini della riduzione dei consumi e delleemissioni, senza penalizzare le prestazioni e la guidabilità. Le sue applicazionivanno dalla vettura per città al fuoristrada e all’autobus, dimostrandosivantaggiosa tanto per i veicoli tradizionali quanto per quelli con sistemi ditrazione alimentati con celle a combustibile. Le batterie al piombo, tradizionalmente adoperate per l’accumulo elettrico,rimangono le più diffuse ed economiche, ma presentano problemi di durata edaffidabilità nelle condizioni di funzionamento tipiche dei veicoli ibridi, checomportano un numero elevato di cicli, transienti di carica e scarica, esposi-zione a possibili sovracariche derivanti dal recupero in frenata. Le condizionioperative delle batterie al piombo possono essere notevolmente migliorateinserendo in parallelo dei supercapacitori che costituiscono un buffer di potenza,migliorando sia i rendimenti energetici (miglior recupero in frenata grazie allaresistenza interna più bassa ad elevate potenze) che le prestazioni dellebatterie in termini di durata.Il componente da sviluppare è quindi costituito dal sistema di accumulo“misto”, per il quale sono temi di ricerca e sviluppo: scelta della tecnologia dibase, dimensionamento, gestione e controllo. I laboratori interessati da questo progetto sono il Laboratorio prova sistemid’accumulo e la Stazione prova sistemi di trazione, ubicati presso il CentroRicerche Casaccia.

Fasi• Progettazione, realizzazione e messa a punto di un prototipo, utile alla

sperimentazione in laboratorio ed allo sviluppo delle strategie di controllo.Obiettivo di questa prima fase è la sperimentazione delle strategie di con-trollo individuate e la verifica della loro validità anche con l’invecchiamen-to della batteria.

• Progettazione, sulla base dei risultati ottenuti nella sperimentazione, di unsistema di accumulo (batterie e supercapacitori) da utilizzare in una vettu-ra di serie scelta dal Centro Ricerche Fiat. Aspetto importante di tale fasesarà la valutazione delle prestazioni del nuovo sistema rispetto all’alterna-tiva più costosa costituita dalle batterie al litio.

• Realizzazione e sperimentazione in campo del sistema.

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Aspetti tecnologici e ricadute industrialiI componenti principali del prototipo sono:

• il generatore, costituito da uno stack di celle a combustibile da 5 kW o, inalternativa, da un motogeneratore di potenza analoga;

• l’interfaccia di potenza, che consente il controllo dei singoli elementi delgeneratore per sfruttarne in maniera ottimale le caratteristiche;

• le batterie;• i supercondensatori;• un motore elettrico da 30 kW.

Le ricadute industriali sono quelle relative ad un sistema che, una volta messoa punto, può costituire un componente utilizzabile per la realizzazione di siste-mi di trazione ibrida più efficienti degli attuali, in particolare per la realizzazio-ne di autovetture alimentate con celle a combustibile.

VEICOLO IBRIDO CON ACCUMULO INTEGRATO BATTERIE/SUPERCONDENSATORI

Progetti strategici


SISTEMA DIAGNOSTICO/PREVISIONALE DELLECRITICITÀ INDOTTE DAL TRAFFICO URBANO

ObiettiviScopo del progetto è la progettazione e messa a punto di un sistema integrato(denominato MERLINO) costituito da sensori per la misura di parametri ditraffico ed ambientali e strumenti informatici per la diagnostica e la previsione,in aree urbane, di situazioni critiche del traffico in un tempo sufficiente ad indi-viduare soluzioni efficaci.

FasiIl progetto si articola nelle seguenti fasi:

• sviluppo di moduli s/w per l’integrazione di dati di misura del traffico, diparametri ambientali e meteo;

• sviluppo di modelli per la stima dello stato attuale del traffico sull’intera retea partire dai dati di flusso misurati in alcune sezioni stradali;

• sviluppo di una serie di modelli predittivi per la stima dello stato del trafficoa breve e medio termine, attraverso modelli di vita artificiale che si adattanoalla evoluzione del traffico sulla rete cittadina, per il calcolo di consumi edemissioni prodotti dal traffico (attuale e previsto) e la valutazione dell’evo-luzione dello stato della qualità dell’aria;

• sviluppo di sistemi di valutazione previsionale di criticità in termini dicongestione (su base oraria) ed ambientale (su base giornaliera) basatisull’analisi caotica delle fenomenologie del traffico;

• realizzazione di un ambiente s/w per la simulazione di interventi alternativia breve e medio termine sulla domanda ed offerta di trasporto per miglio-rare le criticità dal punto di vista del traffico e delle emissioni di inquinanti;

• realizzazione di un “laboratorio virtuale” finalizzato alla messa a punto eaggiornamento in campo, mediante collegamento telematico con i sistemidi misura della città pilota, dei modelli di previsione e simulazione (trafficoe ambiente).

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiVerrà realizzato un sistema informatico che integra dati di misura, dati storici,dati descrittivi della rete urbana del traffico e della domanda ed offerta ditrasporto in un data base relazionale, integrato con un GIS (GeographicInformation System) per l’interfaccia con l’utente.Per la valutazione dello stato attuale o dell’assetto futuro, il sistema si avvaledi un insieme di modelli che estrapolano nello spazio e nel tempo i dati ditraffico (flussi, velocità, densità) acquisiti in continuo dai sensori e dai sottosi-stemi posti in punti discreti della rete. Informazioni aggiuntive sono ottenutedalla descrizione fisico-funzionale della rete di trasporto e da valori storici deiflussi, dei livelli di inquinamento e delle condizioni meteo. La struttura dei modelli di previsione è differenziata in relazione al periodo diriferimento. Per un tempo breve (fino ad 1 ora) si utilizzano le reti neuralievolutive, basate su tecniche di vita artificiale, che forniscono scenari che siadattano continuamente al variare della situazione. Per tempi più lunghi (finoa 4 giorni) intervengono i modelli di dinamica caotica che si basano sull’indivi-duazione di attrattori ottenuti dalla composizione del flusso veicolare.Ottenute le previsioni, le stesse vengono estese, con il supporto dei dati stori-ci dell’area considerata, alla intera rete urbana. Quindi con opportuni codici,che calcolano consumi ed emissioni, e l’integrazione dei dati meteorologici, siottiene la previsione locale della qualità dell’aria.Le ricadute riguardano la pianificazione e gestione della mobilità urbana e sonoindirizzate prevalentemente ai gestori del traffico ed ai decisori a livello locale.Il sistema di supporto s/w riguarda sia gli aspetti di gestione on line dellamobilità e del traffico che la pianificazione di medio periodo.

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Progetti strategici


SISTEMA INTEGRATO PER LA PIANIFICAZIONE E LA VALUTAZIONE DIINTERVENTI SUL TRASPORTO URBANO

ObiettiviScopo del progetto è la realizzazione di un sistema integrato per l'analisi deglieffetti sulla mobilità, sulla qualità dell’ambiente, sulla salute dei cittadini esullo stato dei beni monumentali, di interventi gestionali e strutturali sul sistemadi trasporto urbano.

FasiIl progetto - cofinanziato dalla Commissione Europea attraverso il progettoISHTAR (Integrated Software for Health, Transport Efficiency and ArtisticHeritage Recovery) - iniziato nel 2001 e della durata di 3 anni, si articola in 5fasi:

• esame dello stato dell’arte nelle diverse discipline, selezione dei modelliesistenti da utilizzare, determinazione delle caratteristiche dei modelli edegli strumenti da sviluppare ex-novo, selezione dei casi studio

• acquisizione, realizzazione e/o sviluppo dei diversi moduli di simulazione eraccolta dati per la validazione ed applicazione del sistema

• integrazione dei moduli tramite ambiente GIS (Geographic InformationSystem), software di management e interfaccia utente

• applicazione e validazione del sistema nei 7 casi studio scelti: Atene,Bologna, Bruxelles, Graz, Grenoble, Parigi, Roma

• disseminazione dei risultati ed avvio della commercializzazione.

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiIl sistema includerà sia modelli esistenti che appositamente sviluppati e copriràl’intera catena di analisi di impatto.Esso partirà dall’analisi dei comportamenti dei cittadini, effettuata utilizzandouna metodologia ‘cellulare’ in grado di prevederne gli spostamenti, interagendocon il modulo di analisi del traffico, che prevede l’utilizzo di codici diversi e che,come l’intero sistema, avrà un campo di applicabilità variabile da un’ora ad unanno.Il modello dedicato agli impatti diretti dei trasporti, sviluppato da ENEA,fornirà per ogni tratto della rete i consumi di energia e le emissioni inquinanti,il rumore e la incidentalità del sistema trasporti. Tali dati saranno integrati daun modulo dedicato alle emissioni degli altri settori di attività (residenziale,industriale e agro-forestale). Il modulo di dispersione degli inquinanti valuterà le concentrazioni in aria sullabase dei dati emissivi e di dati meteo. Un modulo innovativo stimerà gli impatti sulla salute di singoli gruppi di popola-zione degli inquinanti atmosferici, dei livelli di rumore e degli incidenti sulla retestradale.Un modulo dedicato ai monumenti valuterà i danni derivanti dall’esposizioneagli inquinanti atmosferici. Infine un apposito modulo software valuterà l’efficacia dell’intervento analizzatoattraverso analisi costi-benefici ed analisi multi-criterio. Tali modelli saranno integrati utilizzando un Sistema Informativo Territorialedotato di una interfaccia con l’utente semplice ed intuitiva. Il sistema costituirà uno strumento altamente innovativo di ottimizzazionedegli interventi tecnologici, infrastrutturali e gestionali relativi al trasportourbano, poiché permetterà l’analisi integrata dei loro effetti. Grazie ad essosarà possibile valutare gli impatti delle politiche di trasporto in termini diqualità ambientale, salute dei cittadini e degrado dei beni monumentali.

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Progetti strategici


TRASFERIMENTO DI CALORE E DI MASSA IN MICROSCALE

ObiettiviGli obiettivi del progetto, finanziato da UE, ASI ed ESA, si riferiscono alla carat-terizzazione termofluidodinamica di microtubi, ovvero tubazioni caratterizzateda un diametro interno inferiore ai 500 micron per deflussi monofase, e 1-2mm per deflussi bifase.I microtubi utilizzano come fluidi di processo generalmente fluidi refrigeranti(quali FC-72 e R-134a) ed acqua. La caratterizzazione termofluidodinamica èrelativa ad alcuni aspetti specifici, quali: caratteristiche idrauliche, scambiotermico in monofase, ebollizione, visualizzazione del flow pattern, verifica dellecorrelazioni termofluidodinamiche note in geometrie tradizionali e sviluppo dieventuali nuove correlazioni e/o modelli. I vantaggi offerti dall’utilizzo di questi componenti avanzati sono legati almiglioramento delle prestazioni termiche che consente una notevole riduzione(miniaturizzazione) delle apparecchiature di scambio termico, con conseguenteriduzione dei volumi e dei pesi, quando questi parametri rappresentano unalimitazione alla progettazione (come ad esempio nelle applicazioni spaziali), edella carica di fluido refrigerante, con conseguente riduzione dell’impattoambientale, quando sia richiesto l’uso specifico di questi fluidi (come ad esempionel settore del condizionamento ambientale e del raffreddamento dei compo-nenti elettronici).

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Fasi• Prove sperimentali per la caratterizzazione termofluidodinamica di microtubi

di acciaio inossidabile, silice fusa e di materiale polimerico, per l’utilizzo inmicroscambiatori compatti, mediante l’impianto sperimentale MISHTRA(MIcroScale Heat TRAnsfer), disponibile presso i laboratori dell’Istituto diTermofluidodinamica Energetica nel Centro Ricerche Casaccia.

• Caratterizzazione in condizioni di gravità ridotta, utilizzando l’impiantoMICROBO (MICROgravity BOiling) nel contesto di campagne sperimentali suvolo parabolico, previa caratterizzazione a terra per le condizioni di riferi-mento.

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiLa potenzialità offerta dall’utilizzo di microtubi in scambiatori di calore didimensioni notevolmente ridotte rende questi componenti particolarmenteattraenti per le applicazioni spaziali oltre che per numerose altre possibiliapplicazioni. L’applicazione spaziale introduce un’altra variabile che rende lostudio e la ricerca ulteriormente complicati, ovvero la condizione di microgra-vità, particolarmente importante nel caso in cui il trasferimento del caloreavvenga con cambiamento di fase del fluido di processo.

L’impianto sperimentale MISHTRA, in funzione presso l’Istituto diTermofluidodinamica Energetica, è caratterizzato da componenti e strumenta-zione particolarmente avanzati al fine di consentire l’esecuzione di proveaccurate e ripetibili. L’utilizzo di microgeometrie richiede una sperimentazionecaratterizzata da una precisione ed un’accuratezza nelle misure particolarmentespinte, onde evitare di incorrere in errori inaccettabili che possono renderealeatoria e casuale ogni conclusione derivante dai risultati di ricerca ottenuti.Particolarmente critiche risultano le misure di caduta di pressione e di tempe-ratura locale, per la difficoltà di realizzare prese di pressione e di fissaretermocoppie in tubi di diametro così piccolo, ed il riscaldamento del tubo,specie quando si usano tubi di silice fusa. Questi ultimi sono fondamentali perla visualizzazione interna dell’ebollizione, che viene effettuata con tecniche dimicrocinematografia ultrarapida.

L’impianto sperimentale MICROBO, in fase di realizzazione presso l’Istituto diTermofluidodinamica Energetica, sarà montato, per ottenere condizioni dimicrogravità ridotta (fino a 10-3 g), a bordo di un aereo Airbus A-300 cheeseguirà voli parabolici, con campagne sperimentali di tre giorni per ognisemestre. La sperimentazione è decisamente challenging per le severe proble-matiche tecnologiche connesse con le microgeometrie, come già descritto perl’impianto MISHTRA, oltre alle condizioni al contorno di microgravità (vincoliingombro, pesi, potenze termiche disponibili particolarmente spinti).

Le ricadute industriali riguardano il settore spaziale, i microscambiatori per ilcondizionamento ambientale, il raffreddamento di componenti elettronici dipotenza, di computer portatili, di diodi laser ad alta potenza, la bioingegneria(applicazioni medicali).

TRASFERIMENTO DI CALORE E DI MASSA IN MICROSCALE

Progetti strategici


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COMBUSTIONE DELL’IDROGENO E CICLI ENERGETICI AD EMISSIONE ZERO

Obiettivi Il progetto è rivolto principalmente allo studio ed allo sviluppo di processiinnovativi di combustione di idrogeno per la generazione di energia in impiantiturbogas e a ciclo combinato. Verrà anche studiato l’impiego di syngas ricco di idrogeno, ottenuto da gassi-ficazione di sottoprodotti di processi industriali, biomasse ecc., e verrannomessi a punto cicli termodinamici innovativi con utilizzo di combustibili idroge-nati – fino a H2 puro - in grado di garantire elevata efficienza di conversioneenergetica ed emissioni nulle.

FasiLe attività, condotte presso il Centro Ricerche Casaccia, si articolano nelleseguenti fasi:

• caratterizzazione di differenti tecnologie di combustione di H2 in turbina agas, in configurazioni combustive del tipo a diffusione o premiscelata, diluitaa stadi o senza fiamma (mild), con iniezione di acqua (in forma liquida ovapore), catalitica;

• sviluppo di modelli di simulazione sia di cinetica chimica, sia di termofluido-dinamica, facendo ricorso anche a metodologie di calcolo ad alte prestazionie a metodologie di Large Eddy Simulation (LES);

• sperimentazione delle possibili opzioni realizzative di combustione e indivi-duazione delle migliori soluzioni;

• studio e sviluppo di cicli per la produzione di energia basati sull’impiego diidrogeno, con comburente aria oppure O2, caratterizzati da elevata efficienzadi conversione energetica;

• realizzazione di un apparato sperimentale per lo studio dei cicli idrogeno-ossigeno di scala significativa (potenza termica 1-2 MW), per prove speri-mentali di cicli innovativi per impianti di generazione di potenza;

• sviluppo di un simulatore s/w dedicato ad impianti operanti con cicli idroge-no-aria e idrogeno-ossigeno;

• campagne di prova per lo studio e l’ottimizzazione di cicli idrogeno/ossige-no, testando differenti opzioni di sistema e modalità operative, condottepresso il Centro Ricerche Casaccia e presso le installazioni sperimentali diAnsaldo Caldaie.Verranno individuati e caratterizzati due cicli ottimali da prendere a riferi-mento per ulteriori studi ed attività di ricerca pre-competitiva, di medio elungo periodo.

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiI combustibili tradizionali per turbine a gas a ciclo aperto, e in cicli combinati,sono olio distillato leggero e gas naturale; utilizzando questi combustibilipregiati si riesce ad ottenere livelli di emissioni di ossidi di azoto molto bassi.Tuttavia, il rilascio in atmosfera di CO2 non è limitato dalla natura nobile di talifonti energetiche che, anzi, costituisce una misura della completezza direazione.Il ricorso all’idrogeno, o a miscele gassose ad alto contenuto di idrogeno,permette di ridurre la quantità di ossidi di carbonio immessa in atmosfera. Vi sono, tuttavia, importanti problemi di tipo tecnologico da superare per offriresul mercato un prodotto affidabile, in grado di avere una vita media compara-bile con i sistemi a combustibili tradizionali; per raggiungere tale scopo èfondamentale una fase di ricerca industriale.Dal punto di vista tecnologico, l’orientamento attuale del mercato energetico èquello di individuare e sfruttare fonti cosiddette alternative, cioè che possono

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COMBUSTIONE DELL’IDROGENO E CICLI ENERGETICI AD EMISSIONE ZERO

essere utilizzate in dispositivi già esistenti effettuando solo accettabili modifichehardware. Dal punto di vista dei cicli, quelli di Rankine e Brigton, legati alla soluzione diproblemi tecnologici sui materiali, rappresentano lo stato dell’arte per quantoattiene lo sfruttamento di combustibili convenzionali.L’introduzione di nuovi cicli, basati sulla iniezione di vapore in camera di com-bustione di una turbina a gas, avranno il vantaggio di:

• controllare la temperatura massima;• aumentare la potenza del ciclo;• sfruttare il riscaldamento diretto del vapore.

L’impiego dell’idrogeno e della tecnologia di combustione mild realizzeranno,inoltre, un forte abbattimento di inquinanti e di gas serra (CO2).Dal punto di vista delle ricadute economiche, occorre osservare che il mercatodei turbogas e del repowering di impianti esistenti sta vivendo un periodo digrande espansione. La domanda è trainata da Stati Uniti e, a livello europeo,con le dovute proporzioni, da Italia e Spagna.Tutti gli analisti concordano nel prevedere un mantenimento della domandasugli attuali livelli nel medio e lungo periodo, attendendo una crescita di richiestein Europa, conseguentemente alle privatizzazioni in corso e future, ed un risve-glio dell’Estremo Oriente.Il progetto ENEA, rafforzando la capacità competitiva dell’industria nazionale,contribuirà ad assicurare i volumi di ordini previsti e, di conseguenza, laredditività complessiva.Il progetto prevede la realizzazione di infrastrutture ad hoc – a partire daimpianti esistenti – per l’effettuazione di campagne di prova fino a 10 bar.I componenti principali del sistema sperimentale per lo studio dei cicliidrogeno–ossigeno da realizzare sono: un generatore di idrogeno e ossigenoper elettrolisi dell’acqua, una camera di combustione in scala ridotta operantea pressione atmosferica, una turbina a gas ed, in parallelo, sistemi valvolari diperdita di pressione e laminazione.Il simulatore s/w sarà caratterizzato da un’elevata flessibililità relativamentealle possibili configurazioni d’impianto (cicli combinati, rigenerazione e recuperodel calore da svariate sezioni ecc.), nonché alla capacità di simulare con estre-ma accuratezza i componenti critici; esso verrà messo a punto mediante i datisperimentali e, allo stesso tempo, sarà di ausilio nella fase di ottimizzazionedei cicli più complessi.

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Progetti strategici


ARTIFICIAL BROTHERObiettivi"Artificial Brother" è un progetto di ricerca congiunto tra ENEA e UCSD(University of California San Diego) che punta allo sviluppo di una metodologiafortemente innovativa per la gestione e ottimizzazione di processi complessi,come ad esempio quelli relativi ad impianti per la produzione di energia,ispirandosi alle capacità di adattamento delle specie biologiche. L'idea chiave è quella di un nuovo approccio dell’Intelligenza Artificiale:anziché trasferire l'intelligenza di un esperto ad una macchina che controlla eguida il processo, si vuole fare in modo che la macchina sviluppi autonoma-mente intelligenza per risolvere lo specifico problema.

FasiIl progetto si articola in tre fasi. La prima fase è stata quella della ideazione del progetto e dello studio difattibilità. Questa fase, condotta insieme alla UCSD (University of CaliforniaSan Diego) dove risiede uno dei più importanti gruppi di ricerca sulla teoria delCaos, si è conclusa con successo e con una serie di riconoscimenti internazio-nali che hanno stimolato l'avvio della seconda fase: quella della dimostrazioneindustriale prototipale del sistema.La seconda fase ha riguardato il lancio e l’approvazione di un progettoeuropeo, il progetto ECOTHERM (Evolutionary Control of Thermal SustainableProcesses), che mira alla ottimizzazione e al controllo in linea di un processoenergetico, al fine di massimizzare l'efficienza energetica e contenere quantopiù possibile le emissioni inquinanti. Il progetto si concluderà con la dimostra-zione su due impianti a piena scala per la termovalorizzazione dei rifiuti solidiurbani (impianto AGEA di Ferrara ed impianto AVR di Rotterdam).La terza fase consiste nella estensione della metodologia a diversi altri settori,dato il carattere assolutamente generale del principio di ottimizzazioneevolutiva. In questo senso sono già stati realizzati un apparato per il controlloadattivo ottimale di un circuito elettronico (circuito di Chua), uno studio difattibilità per la ottimizzazione di una rete internet (rete MPLS) e di una retedi distribuzione dell’energia (vapore), un sistema per la predizione dei flussi ditraffico al fine di prevenire le emergenze (progetto MERLINO).

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ARTIFICIAL BROTHER

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiIl cuore di questo approccio metodologico è “una società di individui artificiali”che vive in un computer e riceve continuamente informazioni dal processo(misure, regolazioni, prestazioni). Queste informazioni vengono codificate nel patrimonio genetico di "esseri" chevengono immessi nella società artificiale. Gli “individui” possono muoversi ed interagire in questo ambiente, competere,riprodursi ed evolvere attraverso mutazioni genetiche e meccanismi di interco-municazione producendo nuove configurazioni di regolazione del processo. Una sorta di meccanismo competitivo porta a selezionare progressivamentequegli individui che corrispondono a prestazioni ottimali (ad esempio: bassoinquinamento, alta efficienza energetica).In sostanza il sistema sviluppa adattamento che corrisponde alla ricerca di unasoluzione ottimale del problema del controllo.In virtù di questa capacità intrinseca la società artificiale non ha bisogno delladefinizione di modelli a priori o di strategie di controllo predefinite, ma è ingrado di svilupparle in modo autonomo e progressivo. All'inizio "artificial brother" deve apprendere le diverse condizioni operativeassunte dal processo, ma progressivamente sviluppa una capacità di selezionedelle migliori condizioni operative e diventa in grado di guidare esso stesso ilprocesso adattandosi continuamente ai cambiamenti (invecchiamento, cambia-menti strutturali), modificando di volta in volta le strategie di controllo edottimizzazione. Il metodo, che permette di ricostruire autonomamente la modellizzazione delfenomeno in studio, può consentire notevoli ricadute industriali:

• in primo luogo, relativamente alla definizione di una serie di prodotticommerciabili per gli impianti di termovalorizzazione di rifiuti solidi urbani(sistema FDD per la analisi dinamica delle fiamme, sistema di supervisioneremotizzato, sistema di controllo);

• in secondo luogo, riguardo alla disponibilità di piattaforme softwareingegnerizzate per affrontare le problematiche di ottimizzazione, diagnosticaprecoce, controllo, predizione, modellazione di processi complessi, qualiregolazione del traffico, sistemi estremamente compatti (chips) per l'industriaelettronica di massa e sistemi di smistamento per le reti energetiche edinformative.

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Progetti strategici


TETTI FOTOVOLTAICIObiettiviLe attività di ricerca e sviluppo della cosiddetta “generazione distribuita” pervia fotovoltaica (FV) e la diffusione di questa tecnologia, costituiscono il cuoredel “Programma Tetti Fotovoltaici”. Nato da una collaborazione tra ENEA e Ministero Ambiente e Tutela delTerritorio che lo promuove e finanzia, persegue i seguenti obiettivi:

• diffusione della tecnologia fotovoltaica per applicazioni nella edilizia;

• indirizzamento del costo degli impianti (che si prevede decresca nel corso del programma, per raggiungere al suo termine gli stessi obiettivi di costo assunti a livello internazionale);

• instaurazione di un mercato certo e duraturo;• rafforzamento della competitività dell’industria italiana;• miglioramento della qualità delle installazioni;• disseminazione delle conoscenze sul territorio nazionale

e creazione di un clima favorevole di stimolo per gli investimenti di settore e per l’imprenditorialità locale.

FasiL’ENEA, che è responsabile delle attività tecnico-scientifiche del programma,cura la predisposizione delle specifiche tecniche (criteri di progettazione, requi-siti tecnici e funzionali degli impianti, valutazione dei progetti, modalità diverifica tecnico-funzionale degli impianti ecc.), effettua il monitoraggio el’analisi del funzionamento di un campione di impianti, assicura il monitoraggioe il reporting dell’iniziativa e svolge campagne informative e attività formativadi settore.L’ENEA svolge anche attività di ricerca, sviluppo e sperimentazione di compo-nenti e sistemi fotovoltaici dedicati alla generazione distribuita in connessionealla rete elettrica. Si prevede lo sviluppo di competenze e procedure di prova e l’allestimento diinfrastrutture per:

• l’esecuzione di prove di moduli fotovoltaici, conparticolare riferimento a quelli dedicati all’inte-grazione nelle strutture edilizie;

• la caratterizzazione di inverter, prioritariamentedi piccola taglia, che dovrà includere anche l’e-secuzione di prove di tipo, eventualmente fino apervenire alla qualificazione di prodotto;

• la definizione delle modalità di connessione allarete e la sperimentazione dei dispositivi di prote-zione, alla luce delle norme di riferimento invigore, analizzando le problematiche e le possi-bili soluzioni anche sulla base delle esperienzematurate all’estero e delle caratteristiche deicomponenti oggi in commercio;

• il monitoraggio e l’analisi delle prestazioni funzionali ed energetiche degliimpianti fotovoltaici realizzati nell’ambito del programma strumentandoopportunamente un campione significativo di tali impianti; l’analisi includeràsia la valutazione di produzione di impianti tipo (efficienze, analisi delleperdite ecc.), sia l’esame delle anomalie di guasto, dei guasti e dei problemidi esercizio degli stessi impianti.

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TETTI FOTOVOLTAICI

Aspetti tecnologici e ricadute industrialiIl programma si propone di diffondere le applicazionifotovoltaiche integrate negli edifici e connesse alla reteelettrica, al fine di creare condizioni favorevoli all’ab-battimento dei costi e alla messa a punto da partedell’industria nazionale di prodotti e componenti piùaffidabili.Gli incentivi pubblici offerti potranno creare condizionieconomicamente accettabili (soprattutto per la piccolautenza), tali da determinare, nell’arco di alcuni anni, lacreazione di un vero mercato, sempre meno assistitodal contributo pubblico.La più importante ricaduta del progetto riguarda, quindi,lo stimolo alla creazione inItalia di una domanda di foto-voltaico stabile e duratura neltempo, costituendo così unsostegno al rafforzamentodell’industria nazionale delsettore, che vede importantisbocchi e prospettive disviluppo anche nei mercatiinternazionali, in fortissimacrescita negli ultimi anni.

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QUALIFICAZIONE ELETTRODOMESTICIServizi offertiPresso il Centro Ricerche di Ispra (Laboratori certificati ISO 9002) vengono svolteattività di servizio, oltre che sperimentali e di ricerca, su apparecchi del freddo edi illuminazione per il settore civile e terziario. In particolare, i laboratori consentono:

• la determinazione del profilo energetico di sistemi di illuminazione e componentiin condizioni di lavoro;

• la determinazione dell’influenza delle caratteristiche dell'ambiente sull'illumina-mento;

• l’analisi dei sistemi di regolazione del flusso luminoso;• la verifica sperimentale di software illuminotecnico;• la determinazione delle prestazioni di elettrodomestici del freddo;• la determinazione del consumo energetico di elettrodomestici del freddo secondo

normativa;• la determinazione dell’influenza dell’ambiente e delle abitudini degli utenti sulle

prestazioni di elettrodomestici del freddo;• studi sperimentali su prototipi innovativi di elettrodomestici del freddo;• la determinazione dell’efficienza dei componenti di elettrodomestici del freddo.

UtentiI principali utenti delle attività di qualificazione sono prevalentemente enti pubblicinazionali ed internazionali, enti locali e industria. Queste attività, svolte sia diret-tamente che per loro conto, sono finalizzate a:

• fornire supporto tecnico qualificato;• collaborare alla valutazione delle prestazioni energetico-ambientali dei nuovi

prodotti;• qualificare apparecchiature;• effettuare attività di vigilanza e di controllo sulla rispondenza degli apparecchi

domestici in commercio alla normativa energetico-ambientale vigente.

Attrezzature, laboratori e impiantiAll’attività di qualificazione di elettrodomestici sono dedicati due laboratori cheoperano in regime di qualità certificato ISO 9002:

• CORVO, laboratorio di prova per le verifiche energetico - ambientali di sistemi diilluminazione;

• ICELAB, laboratorio di prova per le verifiche energetico - ambientali di elettro-domestici del freddo.

Il Laboratorio di illuminotecnica CORVO dispone di:

• cella di prova (con dimensioni 4,5 x 4,5 x 3,2 m), dotata di sistema di movi-mentazione elettromeccanico del sensore di misura sugli assi x-y, che simula uncomune locale per uso civile o terziario;

• banco di misura di grandezze elettriche;• strumentazione portatile per monitoraggi in campo.

Il Laboratorio di prova per gli elettrodomestici del freddo ICELAB è dotato di duecamere climatiche (CC1 e CC2), con il controllo di temperatura, umidità relativa,velocità dell’aria, con i seguenti range di funzionamento:

• CC1: temperatura 10÷48 °C, umidità relativa 30÷90%• CC2: temperatura 0÷70 °C, umidità relativa 30÷90%.

Ogni camera climatica può ospitare 3 apparecchi in prova.

SERVIZI

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SERVIZI

QUALIFICAZIONE PANNELLI SOLARIServizi offertiIl Laboratorio per la qualificazione di pannelli solari termici, ubicato presso il CentroRicerche Trisaia e in fase di accreditamento presso il SINAL, esegue:• prove su pannelli solari sia vetrati che scoperti secondo normative internazionali

ed europee (ISO 9806 ed EN 12975) per quanto attiene:– la determinazione di: curva di efficienza istantanea in condizioni stazionarie e

resa energetica in condizioni transitorie; perdite di carico; costante di tempo;capacità termica; modificatore dell'angolo di incidenza;

– la qualificazione in senso stretto, mediante prove atte a verificarne le capacitàdi resistenza a condizioni di funzionamento anomale, agli agenti atmosfericied all'invecchiamento.

• prove di caratterizzazione delle prestazioni termiche giornaliere ed annuali disistemi solari per la produzione di acqua calda per uso igienico-sanitario, pervarie tipologie climatiche e in diverse condizioni operative, secondo le metodo-logie riportate nelle normative ISO 9459–2 ed EN 12976–2.

UtentiProduttori di pannelli e sistemi solari.

Attrezzature, laboratori e impiantiIl laboratorio è dotato di:• impianti per la caratterizzazione termica dei collettori solari dotati di piattaforme

ad inseguimento• impianti per la caratterizzazione termica di sistemi solari per la produzione di

acqua calda sanitaria• un sistema di verifica della tenuta del collettore a pressioni elevate• un sistema per la verifica della resistenza a brusche variazioni di temperatura a

seguito di shock termici interni ed esterni • una stazione di prova per la verifica degli effetti di invecchiamento del collettore

dovuti all’assenza di fluido per lunghi periodi• un impianto per la simulazione della caduta di pioggia sul collettore e il rileva-

mento delle eventuali infiltrazioni• un impianto per la simulazione di carichi positivi (neve) e negativi (vento) sulla

copertura del collettore e sul sistema di fissaggio• un sistema di verifica della resistenza della copertura del collettore agli impatti

(grandine). Il laboratorio utilizza, inoltre, avanzati software di simulazione numerica ed elaboracodici di calcolo relativi alla simulazione di impianti solari temici a basse temperature.

Servizi offertiPresso il Centro Ricerche Casaccia è disponibile l’impianto BEST (BoilerExperimental Studies) per la determinazione del rendimento termico delle caldaiea gas per usi civili, aventi una potenza massima di 35 kW.L’impianto e la relativa strumentazione sono predisposti per la verifica sperimentaledell’efficienza e dell’affidabilità di vari dispositivi di sicurezza, con particolareriguardo a quelli relativi alla segnalazione del pericolo di fughe di CO in ambientiabitativi.

UtentiPer l’alta precisione della strumentazione di processo, l’impianto BEST è in gradodi fornire un utile supporto a quanti - organismi privati, verificatori tecnici ed entilocali - sono preposti alla verifica della corretta applicazione della normativa rela-tiva al controllo degli impianti termici.

Attrezzature, laboratori e impiantiL’impianto BEST è in grado di riprodurre differenti condizioni anomale di funziona-mento (quali: ostruzione della canna fumaria, ridotta ventilazione del locale caldaiaed inversione del flusso del camino), con studio delle fenomenologie associate edei dispositivi idonei alla loro risoluzione.

CARATTERIZZAZIONE DI CALDAIE DI PICCOLA POTENZA PER USI CIVILI

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STRUTTURA ORGANIZZATIVA

Ing. Giorgio PalazziDirettoreUnità Tecnico Scientifica Fonti Rinnovabili e Cicli Energetici InnovativiENEA - Centro Ricerche CasacciaVia Anguillarese, 30100060 S. Maria di Galeria (Roma)tel. 06-30483039 fax 06-30484990e-mail: [email protected]

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STRUTTURA ORGANIZZATIVA

Ing. Vincenzo G. CincottiResponsabileUnità di Supporto Tecnico GestionaleENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30484324 fax 06-30486452e-mail: [email protected]

Ing. Mauro AnnunziatoResponsabileGruppo Supervisione e Controllo Sistemi EnergeticiENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30484405 fax 06-30484811e-mail: [email protected]

Ing. Vincenzo PorpigliaResponsabileNucleo di AgenziaENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30484020 fax 06-30486486e-mail: [email protected]

Dott.ssa Anna De LilloResponsabileSezione Ingegnerizzazione delle Fonti RinnovabiliENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30484007 fax 06-30486486e-mail: [email protected]

Ing. Giacobbe BraccioResponsabileSezione Energia da BiomasseENEA - Centro Ricerche TrisaiaS.S. Jonica, 106 - km 419,50075026 Rotondella (Matera)tel. 0835-9743387 fax 0835-9743210e-mail: [email protected]

Ing. Gian Piero CelataResponsabileSezione Istituto di Termofluidodinamica EnergeticaENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30483905 fax 06-30483026e-mail: [email protected]

Ing. Carlo PrivatoResponsabileSezione Tecnologie FotovoltaicheENEA - Centro Ricerche PorticiLocalità Granatello80055 Portici (Napoli)tel. 081-7723273 fax 081-7723344e-mail: [email protected]

Ing. Giuseppe GirardiResponsabileSezione Impianti e Processi EnergeticiENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30483364 fax 06-30486752e-mail: [email protected]

Ing. Maurizio RomanazzoResponsabileSezione Tecnologie per gli Usi Finali dell'EnergiaENEA - Centro Ricerche Casacciatel. 06-30483702 fax 06-30486504e-mail: [email protected]

Edito dall’ENEAUnità Comunicazione

Lungotevere Thaon di Revel, 76 - 00196 Romawww.enea.it

Edizione del volume a cura di Diana Savelli e Francesco Vivoli

Progettazione e realizzazione grafica: Cristina Lanari

Stampa: Litografia Fabiano snc - Canelli (AT)

Finito di stampare nel mese di aprile 2003

ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L’ENERGIA E L’AMBIENTE

fonti rinnovabili e cicli energetici innovativi -...

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