Sviluppo di metodologie innovative per l'analisi termoeconomica di sistemi energetici con componenti dissipativi

Progetto: Research project

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L’analisi termoeconomica rappresenta la frontiera più avanzata della ricerca nel campo delle metodologie volte alla determinazione di criteri ottimali di progettazione, gestione e maintenance di sistemi energetici complessi. Tale tipologia di analisi, basata sull’assunzione di criteri di allocazione dei costi (monetari ed exergetici) su base exergetica, utilizza concetti quali il “proposito produttivo” dei componenti e le conseguenti definizioni di efficienza e consente, tramite gli strumenti dell’Exergoeconomia Simbolica, di effettuare analisi diagnostiche e cost accounting di impianti di qualsivoglia complessità, come le centrali a ciclo combinato caratterizzate da diverse migliaia di flussi energetici e materiali. Le metodologie convenzionali, tuttavia, osservano difficoltà applicative allorquando l’impianto energetico include dei componenti “dissipativi”, ossia quelle tipologie di componenti per i quali non è semplice riconoscere un flusso (o una combinazione di flussi) che ne rappresenti il proposito produttivo; si pensi in tal senso al ruolo del condensatore in un ciclo a vapore o a quello della valvola di laminazione in una pompa di calore a compressione di vapore saturo. Il problema è già stato affrontato in letteratura, tramite l’introduzione di taluni concetti come quello di negentropia e di flusso di residuo; esso però non è ancora affatto risolto in quanto i suddetti approcci, pur fornendo una possibile interpretazione, tendono ad un’allocazione dei costi assolutamente arbitraria e, pertanto, priva di utilità nel caso di analisi con finalità applicative immediate. L’approccio che la ricerca si propone è di tipo strettamente induttivo, ed è mirato al riconoscimento di criteri e principi per l’allocazione dei costi derivanti direttamente dall’analisi di una molteplicità di casi studio; il criterio guida è la necessità di rendere compatibili le conclusioni ottenibili per mezzo di analisi di cost accounting o di ottimizzazione, e ciò può essere fatto solo a mezzo di analisi al margine (o differenziali) sui principali parametri di progetto dell’impianto. Applicazioni preferenziali per questo tipo di studio saranno gli impianti frigoriferi, i sistemi di dissalazione ed i sistemi con celle a combustibile a raffreddamento forzato operanti in modalità non cogenerativa (o electric production only); gli strumenti da utilizzare, in tal senso, potranno alternativamente essere modelli di simulazione numerica o prototipi di piccola o piccolissima scala per la misura dei parametri termodinamici d’interesse in esercizio. I risultati attesi della ricerca saranno la definizione di regole per il cost accounting di componenti dissipativi basate su analisi teoriche ed applicative, nonché, ove possibile, l’integrazione di tali principi nel quadro di una topologia vettoriale-matriciale omogenea a quella dell’Exergoeconomia Simbolica, per il data-processing di sistemi energetici di qualsivoglia complessità.

Layman's description

L'obiettivo principale del progetto di ricerca consiste nella definizione di una nuova metodologia per l'analisi termoeconomica, topologicamente affine alla già esistente Exergoeconomia Simbolica ma capace di una più realistica allocazione dei costi nel caso di componenti privi di proposito produttivo. A chi esamina accuratamente l'odierna morfologia delle metodologie termoeconomiche appare evidente la loro eccessiva convergenza sui metodi della ricerca operativa (Input-Output) e l'attenzione marginale rivolta alla termodinamica dei processi modellizzati. La ricerca in oggetto si propone di muovere proprio dalla termodinamica per riconoscere i criteri di allocazione dei costi più appropriati; in tal senso, la metodologia che si intende definire non dovrà includere un ristretto numero di regole assolutamente generali (come accade con le ben note "four propositions" nella Teoria del Costo Exergetico) bensì alcuni concetti chiave che inducano l'analista a riconoscere, caso per caso sulla base della sua expertise nel settore, i più corretti principi per l'attribuzione dei costi. Se ciò può apparentemente corrispondere ad una soggettivizzazione del metodo, è d'altra parte l'unico approccio capace di riconoscere i reali "propositi produttivi" di qualsiasi componente, anche di quelli dissipativi. La ratio ispiratirce di questo processo può essere chiarita a mezzo del classico esempio del condensatore di un ciclo a vapore: le rigide metodologie odierne necessitavano di una base per l'imputazione dell'exergia distrutta a causa del delta T finito, e riconoscevano arbitrariamente tale base nella negentropia, assumendo che il compito del condensatore fosse "dissipare l'entropia per la chiusura del ciclo termodinamico". Tuttavia, è ovvio riconoscere che la distruzione di exergia al condensatore è ottenuta al fine di avere un delta T finito che consenta superfici di scambio limitate e, pertanto, costi ragionevoli del condensatore. Ecco che una metodologia volta a riconoscere le reali origini delle scelte deve necessariamente guardare alla singola irreversibilità ed alla sua "funzione", all'interno di un ciclo termodinamico, in maniera obiettiva. E' obiettivo della presente ricerca sviluppare un approccio matriciale che, una volta fissate le regole di allocazione dei costi nei componenti multi-prodotto ed in quelli dissipativi, consenta di utilizzare i metodi di algebra lineare per la risoluzione di problemi di ottimizzazione, diagnostico e cost-accounting di impianti anche molto complessi. I metodi di risoluzione potranno essere implementati a mezzo di funzioni in ambiente MatLab, per poter affiancare l'analista energetico nelle valutazioni di progetto o di gestione dell'impianto. Le metodologie da utilizzare nella prima parte della ricerca saranno quelle tipiche dell'analisi induttiva; per i casi studio individuati si metteranno pertanto a punto dapprima i modelli analitici, a mezzo di software di simulazione (come REFPROP, EES, etc.) da acquisire o di modelli sperimentali miniaturizzati (nel campo ad esempio delle fuel cells). Si intende effettuare l'analisi su casi studio relativi a cicli frigoriferi, unità di dissalazione del tipo Multiple-Effect Evaporation (eventualmente utilizzando dati sperimentali di sistemi in esercizio nella nostra regione) e, se possibile, di micro-sistemi a fuel cells di tipo PEM; i flussi di residuo di interesse saranno nel primo caso l'exergia termica dissipata al condensatore e quela distrutta alla valvola di laminazione, nel secondo caso la salamoia concentrata scaricata dall'ultimo effetto evaporativo e nel terzo i cascami termici dissipati con il processo di raffreddamento a circolazione forzata. I dati ottenuti saranno poi utilizzati per l'effettuazione di analisi al margine, effettuate conducendo cost-accounting (per la determinazione dei costi exergetici medi) in due diverse condizioni termodinamiche, molto prossime tra loro; lo studio del gradiente me
StatoAttivo
Data di inizio/fine effettiva1/1/07 → …

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