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Alessandro D'ADAMO
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Modellazione di Macchine Elettrochimiche
Ingegneria dei materiali (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Il corso “Modellazione di Macchine Elettrochimiche e a Ridotto Impatto Ambientale” analizza e descrive le più avanzate tipologie di macchine a fluido (elettrochimiche e termiche) per la produzione di energia elettrica/termica nel campo dell’ingegneria meccanica ed energetica, nonché per la produzione di idrogeno/ossigeno tramite elettrolisi. Il corso si fonda su un laboratorio di progettazione virtuale basato su codici multidimensionali fluidodinamici (CFD-3D), in cui saranno creati modelli virtuali per ognuna delle macchine descritte. Su questa base saranno valutate soluzioni innovative per il miglioramento delle macchine su base numerica. Nel corso si riprenderanno i principi fondamentali di elettrochimica e termodinamica necessari per comprendere il funzionamento di celle a combustibile ed elettrolizzatori, di cui saranno descritte tipologie e criteri progettuali nel campo ingegneristico, analizzando criticamente limiti e prospettive di sviluppo. Si creeranno modelli 3D per ognuna delle principali macchine studiate, con discussione di tutti i processi fluidodinamici/elettrochimici coinvolti e ottimizzazione degli stessi usando la simulazione numerica. Il corso comprenderà il dimensionamento di un sistema energetico basato su celle a combustibile (balance of plant).
Prerequisiti
Principi di termodinamica ed elettrochimica.
Programma del corso
(1 CFU)
• Richiami di principi di elettrochimica e termodinamica applicati all’ingegneria
• Richiami di celle a combustibile: limiti termodinamici, efficienza e condizioni operative, criteri di progettazione di una fuel cell
(1 CFU)
• Richiami di elettrolizzatori: fondamenti e tipologie di elettrolizzatori (PEM, SOEC), limiti termodinamici, efficienza e condizioni operative, criteri di progettazione di un elettrolizzatore
(2 CFU)
• Combustibili per macchine termiche a ridotto impatto ambientale: richiami di principi di combustione, caratteristiche di idrogeno, ammonia, ecc. come combustibili per la decarbonizzazione, analisi tecnico/economico/ambientale e prospettive di sviluppo di macchine termiche a ridotto impatto ambientale
(2 CFU)
• Laboratorio di simulazione numerica CFD-3D: richiami di fluidodinamica numerica (equazioni di governo dei fluidi, tecniche di analisi numerica, introduzione al software), creazione e simulazione di un modello di cella a combustibile a idrogeno PEMFC (modellazione di una PEMFC, effetto delle proprietà dei materiali sulle performance di una PEMFC, analisi del bilanciamento idrico della membrana di una PEMFC, modellazione di un circuito di raffreddamento per uno stack PEMFC), creazione di un modello per SOFC, creazione e simulazione di un modello di elettrolizzatore PEM per la produzione di idrogeno e ossigeno (modellazione di un elettrolizzatore PEM, design virtuale di un modello migliorativo di elettrolizzatore PEM).
Metodi didattici
Lezioni frontali di teoria e laboratorio di simulazione numerica.
Testi di riferimento
Teacher’s notes
H. Versteeg, W. Malalasekera, “An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, 2nd Edition”, ISBN 9780273720317
F. Barbir, “PEM Fuel Cells - Theory and Practice, 2nd Edition”, ISBN 9780123877109
J. Larminie, A. Dicks, “Fuel Cell Systems Explained, Second Edition”, ISBN 9780470848579
Verifica dell'apprendimento
Esercitazione di laboratorio di simulazione fluidodinamica e prova orale sui contenuti del corso (30 minuti circa).
Risultati attesi
• Capacità di analizzare criticamente i principi fluidodinamici alla base del funzionamento di macchine elettrochimiche (fuel cells, elettrolizzatori)
• Capacità di progettare e ottimizzare celle a combustibile ed elettrolizzatori, e di progettare un sistema energetico basato su questi componenti