Università degli Studi Guglielmo Marconi

Insegnamento
Sistemi di conversione termochimici ed elettrochimici
Docente
Prof. Bocci Enrico
Settore Scientifico Disciplinare
ING-IND/09
CFU
12
Descrizione dell'insegnamento

Reattori, batterie e celle a combustibile sono sempre più importanti in qualsiasi applicazione industriale e civile per cui il corso analizza le principali conversioni e impianti/sistemi termochimici ed elettrochimici.
La finalità è quella di fornire allo studente le conoscenze di base che gli consentiranno di comprendere i principali reattori termochimici e sistemi elettrochimici oggi esistenti ed elementi di dimensionamento e progettazione di tali sistemi (in particolare impianti di gassificazione e digestione da biomassa ed impianti con accumulatori/elettrolizzatori/celle a combustibile) e relative tecniche di acquisizione, controllo e analisi dati. Parte centrale del corso è illustrare le principali metodologie di analisi (termodinamica e cinetica) e di progetto di tali sistemi nonché i relativi principi di funzionamento.

Obiettivi formativi (espressi come risultati di apprendimento attesi)
Al termine di questo corso, lo studente sarà in grado di:
  • conoscere i principali processi e sistemi/impianti termochimici ed elettrochimici rivolti alla conversione dell’energia (reattori di combustione, pirolisi, gassificazione, digestione, accumulatori, celle a combustibile ed elettrolizzatori: descrittore di Dublino 1, Conoscenza e capacità di comprensione);
  • conoscere i principi di base che gli consentiranno di dimensionare componenti e progettare i sistemi attraverso l’analisi termodinamica e cinetica (capacità di applicare le conoscenze acquisite, Descrittore di Dublino 2, Conoscenza e capacità di comprensione applicate).
La verifica della capacità di apprendimento verrà effettuata tramite le prove d’esame, nonché sulla base delle discussioni tenute nell’ambito delle aule virtuali riguardanti gli esercizi svolti dal docente, nonché gli esercizi/questionari svolti in autonomia dallo studente stesso (Descrittore di Dublino 3, Autonomia di giudizio, Descrittore di Dublino 4, Abilità comunicative, Descrittore di Dublino 5, Capacità di apprendere: difatti tramite le valutazioni delle risposte errate al questionario lo studente si rende conto di cosa non ha appreso e tramite le aule virtuali e l’esame, specialmente quello in sede che prevede sempre una parte orale, lo studente acquisisce abilità comunicative e capacità di apprendere).
L’Aula virtuale è costruita e pensata per venire incontro alle esigenze dello studente, mediante una interazione diretta con lo stesso, tale da poter eliminare i dubbi e le incertezze che si hanno di volta in volta.
Quest’ultima si svolge come una esercitazione/ricevimento frontale.
Prerequisiti

Matematica: algebra elementare; funzioni trigonometriche; algebra dei numeri complessi; grafico delle funzioni di una variabile; limiti e derivate delle funzioni di una variabile; calcolo vettoriale elementare; sistemi di equazioni lineari algebriche; equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti.
Fisica: concetti e leggi fondamentali della meccanica, della termodinamica e dell’elettromagnetismo; grandezze fisiche principali ed unità di misura (comprese entalpia ed entropia); bilanci energetici; resistività elettrica dei materiali.
Chimica: concetti e leggi fondamentali della chimica; bilanci stechiometrici; diffusività; catalisi; adsorbimento e absorbimento.

Contenuti dell'insegnamento

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 impianto di digestione anaerobica e di un gassificatore accoppianti a un motore a combustione interna per la generazione di elettricità e calore.

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.

Completano il programma:
  • le dispense del corso (descrizione dettagliata di tutte le parti del corso);
  • gli esercizi del corso (una raccolta di molteplici esercizi svolti);
  • i video (su attività sperimentale realizzata dai docenti in laboratorio);
  • la descrizione degli strumenti e delle attività inerenti i processi termo ed elettro chimici che è possibile svolgere nel laboratorio di Paolo Emilio (come tesine, tesi di laurea, corso in presenza in laboratorio/tirocinio: https://www.unimarconi.it/it/laboratorio-di-applicazioni-industriali).
Attività didattiche
Le attività didattiche si articolano in didattica erogativa e didattica interattiva.
Per quanto riguarda la 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 formato .pdf. Le videolezioni riguardano in particolare sia argomenti di teoria sia numerose applicazioni pratiche sia questionari. Le applicazioni/esercitazioni e i questionari consentono allo studente di ampliare e testare il proprio bagaglio teorico-pratico e altresì di aumentare la capacità di misurare le competenze acquisite.
E’ di centrale importanza per lo studente migliorare la capacità di analisi e di sintesi che si sviluppa durante il corso, sia mediante la teoria che con la pratica, acquisendo il metodo scientifico (astrazione, modello, previsione, verifica sperimentale).
Per quanto riguarda la 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. Sono a tal proposito previste aule virtuali di due ore che consentono una interazione sincrona con lo studente. In particolare, il docente con le aule virtuali potrà rendicontare agli studenti, attraverso gli esami fatti e i test di verifica ed autovalutazione, quali sono i maggiori punti di sofferenza nella loro preparazione, per poter quindi intervenire su specifiche tematiche con ulteriori spiegazioni ed esercizi pratici.
Modalità di verifica dell'apprendimento
L’esame si svolge in forma scritta nelle sedi esterne. Nella sede di Roma, dopo una prima parte scritta dell'esame, il docente chiede oralmente la domanda di teoria.  La prova ha una durata di 120 minuti e, durante lo svolgimento della stessa è consentito esclusivamente l’uso di una calcolatrice non programmabile. L’esame consiste sia presso la sede di Roma che le altre sedi distaccate in un compito basato sugli esempi ed esercizi presenti nelle lezioni e nelle unità didattiche. La prova in particolare è composta da:
  • 1 domanda di teoria termochimica (tipologie di reattori e impianti, parametri controllanti i processi temochimici, etc. definiti nelle lezioni, valutato 8 punti);
  • 1 esercizio per la risoluzione di sistemi termochimici (risoluzione di una reazione all’equilibrio termodinamico, valutato 8 punti);
  • 1 domanda di teoria elettrochimica (tipologie di accumulatori e celle a combustibile, elettrodi e potenziali, Sovratensioni, etc. definiti nelle lezioni, valutato 8 punti)
  • 1 esercizio per la risoluzione di sistemi elettrochimici (dimensionamento di un pacco batterie o celle a combustibile, valutato 8 punti).
In questo modo, lo studente che risponde a tutte e 4 le parti perfettamente può raggiungere la votazione di 30 e lode (i.e. 32).
Le 4 parti sono divise in sotto parti con relativi punteggi in modo tale da rendere più imparziale possibile la valutazione del compito (e.g. le domande sono di solito 3-4 domande da 2 a 4 punti l’una; la risoluzione di esercizi prevede sempre prima 2 punti per la corretta individuazione dell’algoritmo di risoluzione, 3 punti per la correttezza delle equazioni di risoluzione, 3 per la correttezza dei risultati).
Sono altresì previste prove di verifica e di autoverifica intermedie erogate in modalità distance learning che riguardano lo svolgimento di test di autoapprendimento. Sebbene le prove di verifica e di autoverifica intermedie non contribuiscono alla formulazione del giudizio finale e 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, esse sono da considerarsi altamente consigliate e utili ai fini della preparazione e dello studio individuale. Infatti, la prova finale e le prove di verifica e di autoverifica intermedie consentono nel loro insieme di accertare la capacità di conoscenza e comprensione, la capacità di applicare le competenze acquisite, la capacità di esposizione, la capacità di apprendere e di elaborare soluzioni in autonomia di giudizio (Autonomia di giudizio).
Libri di testo

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

  • O. Levenspiel, Ingegneria Delle Reazioni Chimiche, Casa Editrice Ambrosiana, 1978
  • E. Bocci, Sistemi a biomasse: progettazione e valutazione economica, Maggioli editore, 2011
Elettrochimici
  • Handbook of Batteries (3rd Edition), McGraw-Hill, 2002
  • Handbook of Fuel Cell (Sixth Edition), U.S. Department of Energy, 2002
Si consiglia anche lo studio dei seguenti testi e siti web:
Per chi avesse lacune di base si consiglia di comprare un libro di base di chimica (e.g. Silvestroni).
Ricevimento studenti

Previo appuntamento via email (e.bocci@unimarconi.it).
L'orario di ricevimento in sede a Roma, in via Paolo Emilio 29 è il mercoledì dalle 9:30 alle 10:30, ma si possono concordare differenti date e orari. Difatti, tutti i giorni dal lunedì al venerdì dalle 9 alle 18 gli studenti possono venire al laboratorio di Via Paolo Emilio 29 (attrezzature e biblioteca al piano seminterrato, tel. 0637725341, e uffici al secondo piano, stanza in fondo, tel. 0637725268) per osservare e sperimentare componenti di elettrotecnica (da semplici componenti di circuiti a macchine e impianti. In laboratorio sono presenti resistenze, condensatori, induttanze, alimentatori e banchi resistivi e banchi di accumulatori e di super condensatori, schede millefori, connettori, motori, generatori, trasformatori, strumenti di misura, etc.).