Thesis etd-06142021-181106 |
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Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
OTTIERI, MAURIZIO
URN
etd-06142021-181106
Thesis title
Modellazione dinamica ed analisi di pompe di calore ad alta temperatura
Department
INGEGNERIA DELL'ENERGIA, DEI SISTEMI, DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI
Course of study
INGEGNERIA ENERGETICA
Supervisors
relatore Ferrari, Lorenzo
relatore Frate, Guido Francesco
relatore Frate, Guido Francesco
Keywords
- modellazione
- pompe di calore ad alta temperatura
Graduation session start date
15/07/2021
Availability
Withheld
Release date
15/07/2061
Summary
In un contesto energetico mondiale sempre più focalizzato sulla decarbonizzazione, due appaiono tra
gli obbiettivi più importanti: l’efficientamento dei processi industriali e l’implementazione delle fonti
energetiche rinnovabili. Per il primo obbiettivo uno dei principali sistemi implementati è il recupero
e la riqualificazione dell’energia termica di scarto, che può essere svolto in modo efficiente dalle
pompe di calore ad alta temperatura (HTHP). Per il secondo non è possibile un completo sviluppo a
lungo termine che non passi anche dalle tecnologie di accumulo, per gestire fonti intermittenti e
aleatorie. Il tema dell’accumulo energetico è particolarmente sensibile, in quanto, nonostante ci siano
molte soluzioni tradizionalmente proposte, queste si rivelano poco efficaci in termini economici,
ambientali o legati al territorio. In quest’ottica una delle soluzioni proposte è l’accumulo di energia
termica attraverso l’utilizzo di pompe di calore tradizionali (HP) e HTHP, nella pratica nota come
Power to Heat. I vantaggi di questa tecnica risiedono inoltre nella possibilità di collegare la domanda
di energia termica a quella elettrica. Allo scopo di implementare le prestazioni delle pompe di calore
si è studiata la possibilità di inserirle in contesti dove, oltre all’input elettrico fornito, sia presente
anche un input termico (ad esempio solare) di cui verrà innalzata la temperatura. Tra le varie
implementazioni proposte in questi sistemi è presente anche la possibilità di ricavare nuovamente
energia elettrica dall’accumulo termico, utilizzando processi termodinamici, nella pratica nota come
Pumped Thermal Electricity Storage (PTES). L’obbiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello
in grado di simulare il funzionamento dinamico delle HTHP e la successiva analisi del modello stesso.
Nel presente elaborato viene prima data una panoramica sulle potenzialità e sui possibili settori di
applicazione, oltre ad alcune nozioni riguardo le HTHP. Successivamente vengono illustrati i
passaggi che hanno portato alla realizzazione di un modello per il funzionamento dinamico delle
HTHP, per due possibili architetture selezionate, realizzato utilizzando la libreria Simscape di
Simulink, ambiente di modellazione dinamica di MATLAB. Dopo aver testato la risposta dinamica
delle due architetture sviluppate con alcune variazioni al gradino sulla temperatura di ingresso al
condensatore ed all’ evaporatore, si è passati all’analisi di un caso studio in cui inserire entrambe. Il
caso studio prevede l’analisi di un sistema Power to Heat, in cui l’energia termica prodotta in un
campo di collettori solari piani con tubi sottovuoto viene convertita da una HTHP ed accumulata ad
una temperatura superiore. Nel sistema è presente, inoltre, un serbatoio che avrà la funzione di buffer,
andando ad aumentare il tempo di funzionamento del sistema e riducendo gli sbalzi dovuti a
produzione discontinua.
gli obbiettivi più importanti: l’efficientamento dei processi industriali e l’implementazione delle fonti
energetiche rinnovabili. Per il primo obbiettivo uno dei principali sistemi implementati è il recupero
e la riqualificazione dell’energia termica di scarto, che può essere svolto in modo efficiente dalle
pompe di calore ad alta temperatura (HTHP). Per il secondo non è possibile un completo sviluppo a
lungo termine che non passi anche dalle tecnologie di accumulo, per gestire fonti intermittenti e
aleatorie. Il tema dell’accumulo energetico è particolarmente sensibile, in quanto, nonostante ci siano
molte soluzioni tradizionalmente proposte, queste si rivelano poco efficaci in termini economici,
ambientali o legati al territorio. In quest’ottica una delle soluzioni proposte è l’accumulo di energia
termica attraverso l’utilizzo di pompe di calore tradizionali (HP) e HTHP, nella pratica nota come
Power to Heat. I vantaggi di questa tecnica risiedono inoltre nella possibilità di collegare la domanda
di energia termica a quella elettrica. Allo scopo di implementare le prestazioni delle pompe di calore
si è studiata la possibilità di inserirle in contesti dove, oltre all’input elettrico fornito, sia presente
anche un input termico (ad esempio solare) di cui verrà innalzata la temperatura. Tra le varie
implementazioni proposte in questi sistemi è presente anche la possibilità di ricavare nuovamente
energia elettrica dall’accumulo termico, utilizzando processi termodinamici, nella pratica nota come
Pumped Thermal Electricity Storage (PTES). L’obbiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello
in grado di simulare il funzionamento dinamico delle HTHP e la successiva analisi del modello stesso.
Nel presente elaborato viene prima data una panoramica sulle potenzialità e sui possibili settori di
applicazione, oltre ad alcune nozioni riguardo le HTHP. Successivamente vengono illustrati i
passaggi che hanno portato alla realizzazione di un modello per il funzionamento dinamico delle
HTHP, per due possibili architetture selezionate, realizzato utilizzando la libreria Simscape di
Simulink, ambiente di modellazione dinamica di MATLAB. Dopo aver testato la risposta dinamica
delle due architetture sviluppate con alcune variazioni al gradino sulla temperatura di ingresso al
condensatore ed all’ evaporatore, si è passati all’analisi di un caso studio in cui inserire entrambe. Il
caso studio prevede l’analisi di un sistema Power to Heat, in cui l’energia termica prodotta in un
campo di collettori solari piani con tubi sottovuoto viene convertita da una HTHP ed accumulata ad
una temperatura superiore. Nel sistema è presente, inoltre, un serbatoio che avrà la funzione di buffer,
andando ad aumentare il tempo di funzionamento del sistema e riducendo gli sbalzi dovuti a
produzione discontinua.
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