Università degli Studi Guglielmo Marconi

Insegnamento
Sistemi di conversione termochimici ed elettrochimici
Docente
Prof. Bocci Enrico
Settore Scientifico Disciplinare
ING-IND/09
CFU
12
Obiettivi formativi

Il corso sistemi di conversione termochimici ed elettrochimici fornisce le basi per la comprensione delle trasformazioni elettrochimiche in particolare rivolte alla conversione dell’energia chimica in energia elettrica. Fornisce inoltre una panoramica esaustiva sui sistemi elettrochimici oggi esistenti ed elementi di dimensionamento e progettazione di tali sistemi.

Risultati di apprendimento attesi

Al termine di questo corso, lo studente sarà in grado di:

  • comprendere le trasformazioni elettrochimiche rivolte alla conversione dell’energia chimica in energia elettrica;
  • avere una visione d’insieme sui sistemi elettrochimici oggi esistenti;
  • conoscere gli elementi di base per il dime nsionamento e la progettazione dei sistemi elettrochimici.
Prerequisiti

Non sono richiesti requisiti specifici.

Programma del corso

Elementi di Termochimica
Concetti base. Processi termochimici per upgrade di combustibili e per generazione di calore. L’equilibrio termodinamico e le velocità di reazione. Processo, P&ID, Dimensionamento, Layout. Modelli sperimentali e teorici. Modelli all’equilibrio e cinetici. La fenomenologia delle reazioni. La risoluzione degli equilibri chimici. Le reazioni di Boudouard, di formazione del gas d´acqua, di formazione del metano, ecc. L’analisi all’equilibrio e la variazione dell’equilibrio al variare di temperatura, pressione, reagenti, prodotti e catalizzatori. Forme, tipologie, componenti e classificazione dei reattori: discontinui e continui in regime stazionario e variabile; in serie e ricircolanti;atmosferici e pressurizzati; a letto fisso: equicorrente, controcorrente a flusso traverso; a letto fluido: bollente, ricircolante, trascinato;isotermici, adiabatici, a riscaldamento diretto e indiretto. Principali parametri controllanti i processi termo/bio chimici: quantità, composizione chimica e forma fisica del riducente e dell’ossidante; umidità, capacità di campo e permeabilità; temperatura e acidità; tempo di residenza e di ritenzione. Pirolisi. Gassificazione. Combustione. Sostanze nocive, emissioni e condizionamento. Termodinamica e cinetica. Velocità di reazione, costante di Arrhenius e legge cinetica. Ordine di reazione e molarità. Energia di attivazione e stato di transizione. Profilo energetico di reazione. Espressioni della costante cinetica. Meccanismo di reazione. Principi e regimi di fluidizzazione.

Sistemi Termochimici
Biomassa e combustibili. Risorse, processi di conversione primaria e secondaria e usi finali. Scelta del processo. Scelta del combustibile. Lo schema impiantistico di un impianto di gassificazione. Reforming e gassificazione in aria, ossigeno e vapore. Parametri adimensionali. Definizione di digestione anaerobica. Fasi e parametri della digestione anaerobica. Tipologia di impianti di digestione anaerobica. Dimensionamento di un impianto di digestione anaerobica. Cenno ai costi di investimento e di esercizio nei sistemi termochimici. Ricavi e Flussi di cassa. Prospetto economico di un digestore e di un gassificatore.

Elementi di Elettrochimica
Concetti base. Differenti specie di conduttori elettrici. Conducibilità degli elettroliti. Elettrocatalisi. Definizioni, generatori ed elettrolizzatori, reazioni elettrodiche. Potenziale chimico, elettrico ed elettrochimico. Condizioni di equilibrio in un sistema elettrochimico. Significato fisico di potenziale elettrodico. Corrente di scambio. Forza elettromotrice. Convenzioni elettrochimiche e potenziali standard. Equazione di Nernst. Misure di potenziale e polarizzazione. Elettrodi di riferimento. Spostamento dalle condizioni di equilibrio. Cinetica elettrochimica. Sovratensione di attivazione (trasferimento di carica) Equazione di Butler e Volmer. Legge di Tafel e di Stern e Geary. Diagrammi Potenziale-Corrente di Evans. Sovratensione di concentrazione (trasporto di materia). Corrente limite. Corrosione galvanica e per aerazione differenziale.

Sistemi elettrochimici
Classificazione e descrizione delle batterie primarie e secondarie. Componenti di celle e batterie. I materiali attivi, collettori di corrente, elettroliti, separatori e contenitori. Tensione, capacità ed energia. Fattori che influenzano le prestazioni. Corrente di scarica e capacità nominale. Criteri di selezione e applicazioni di Batterie. Batterie Primarie. Tipi, caratteristiche e prestazioni. La “Chimica” dei principali tipi di Batterie Primarie. Confronto tra le prestazioni delle batterie primarie.

Batterie Secondarie
Tipi, caratteristiche e prestazioni La “Chimica” dei principali tipi di Batterie Secondarie. Confronto tra le prestazioni delle batterie secondarie. Tipologie di ricarica. Celle a Combustibile. Classificazione e principi di funzionamento. Celle ad elettrolita polimerico (PEFC). Celle alcaline (AFC). Celle ad acido fosforico (PAFC) A carbonati fusi (MCFC) e a ossidi solidi (SOFC) Fattori che ne influenzano il rendimento: sovratensione di trasferimento di carica e di diffusione. Elettrolizzatori. Applicazioni.

Libri di testo

Oltre alle lezioni realizzate dal Docente ed ai materiali didattici pubblicati in piattaforma, è obbligatorio lo studio dei seguenti testi:

  • O. Levenspiel, Ingegneria Delle Reazioni Chimiche, Casa Editrice Ambrosiana, 1978
  • E. Bocci, Sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica, Maggioli editore, 2011
  • Giuseppe Bianchi, Torquato Mussini, Elettrochimica, Tamburini Masson Editore, 1976
  • Gianfranco Pistoia, Electric and Hybrid Vehicles, Elsevier, 2010
  • Handbook of Fuel Cell (Sixth Edition), EG&G Technical Services, Inc. Science Applications International Corporation, November 2002
  • Linden, D., Reddy, Handbook of Batteries (3rd Edition), McGraw-Hill, 2002
Criteri di valutazione
Tutte le prove di verifica e autoverifica intermedie previste dai Corsi ed erogate in modalità distance learning sono da considerarsi altamente consigliate e utili ai fini della preparazione e dello studio individuali. Le prove di verifica e autoverifica intermedie non sono obbligatorie ai fini del sostenimento della prova d´esame, la quale deve essere svolta in presenza dello studente davanti ad apposita Commissione ai sensi dell´art. 11 c.7 lett.e) del DM 270/2004.
Modalità della prova finale

L’esame si svolge in forma scritta e/o orale.

La prova ha la durata massima di 120 minuti.

L’esame consiste in un compito scritto contenente 4 esercizi, 2 sulla parte termochimica e 2 su quella elettrochimica.

Didattica erogativa
L'insegnamento prevede, per ciascun CFU, 5 ore di Didattica Erogativa, costituite da 2,5 videolezioni (tenendo conto delle necessità di riascolto da parte dello studente). Ciascuna videolezione esplicita i propri obiettivi e argomenti, ed è corredata da materiale testuale in pdf.
Didattica interattiva
L'insegnamento segue quanto previsto dalle Linee Guida di Ateneo sulla Didattica Interattiva e l'interazione didattica, e propone, per ciascun CFU, 1 ora di Didattica Interattiva dedicata alle seguenti attività: lettura area FAQ, partecipazione ad e-tivity strutturata costituita da attività finalizzate alla restituzione di un feedback formativo e interazioni sincrone dedicate a tale restituzione.
Ricevimento studenti

Previo appuntamento (e.bocci@unimarconi.it).