Difesa pubblica della tesi di dottorato dell'ETSi

 

Data: venerdì 7 luglio 2023.

Ora: 10:00

Ubicazione: Aula Professor Juan Larrañeta, Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria dell'Università di Siviglia.

Il dottorando Andrés Carro Paulete difenderà pubblicamente la sua tesi di dottorato intitolata "Meccanismi di danno e rottura sotto fatica in compositi a fibra lunga con strati ultrasottili", supervisionata dai professori Ricardo Chacartegui Ramírez  del Dipartimento di Ingegneria Energetica della Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria dell'Università di Siviglia e Carlos Ortiz Domínguez del Dipartimento di Ingegneria dell'Università Loyola.

Ci troviamo attualmente nel mezzo di una transizione del sistema energetico globale, volta a sostituire le fonti energetiche convenzionali (gas, petrolio, carbone) con una generazione al 100% rinnovabile. Supportato dalla riduzione delle emissioni di gas serra per mitigare gli effetti del cambiamento climatico, l'uso predominante delle energie rinnovabili sta emergendo come un fattore chiave in termini di sviluppo del mercato, indipendenza energetica e sostenibilità. Le risorse rinnovabili hanno una natura stocastica e intermittente, che può influire negativamente sulla qualità dell'energia e sulla stabilità della rete. L'accumulo di energia, che consente di superare lo sfasamento giornaliero e stagionale tra la disponibilità di risorse rinnovabili e la domanda di energia, è essenziale per migliorare la flessibilità dei sistemi energetici basati sulla generazione al 100% rinnovabile. Lo sviluppo di nuovi sistemi di accumulo di energia su larga scala, altamente efficienti e a basso costo, che utilizzino materiali poco costosi con un impatto ambientale minimo è necessario per sfruttare appieno le risorse rinnovabili.

Questa tesi affronta lo studio di diverse tecnologie di accumulo di energia termica su larga scala con un potenziale impatto a vari livelli di temperatura e di sviluppo. Il suo obiettivo è contribuire allo sviluppo di nuove soluzioni di accumulo di energia altamente efficienti ed ecocompatibili, integrabili in grandi centrali elettriche, facilitando l'integrazione di fonti energetiche rinnovabili. Lo studio copre l'intero processo, dalla formulazione iniziale del concetto allo sviluppo del concetto a livello di modello, con supporto sperimentale. La ricerca si concentra su tre promettenti tecnologie di accumulo di energia termica, classificate per livello di temperatura. Il contributo alla ricerca è suddiviso in tre capitoli, ciascuno dedicato a uno specifico livello di temperatura.

Il sistema di accumulo di energia elettrotermica che utilizza cicli transcritici di anidride carbonica (CO2) come tecnologia di accumulo di energia termica a bassa temperatura, nell'ambito più ampio dei sistemi di energia termica, è in una fase iniziale di sviluppo tecnologico. È in fase di sviluppo la validazione tecnico-economica del sistema di accumulo di energia a bassa temperatura e si sta integrando un nuovo studio sulla sua integrazione con lo stoccaggio geologico di CO2. La CO2 catturata in una centrale elettrica o in un impianto industriale viene utilizzata come fluido di lavoro nel ciclo termodinamico proposto per immagazzinare energia elettrica da fonti rinnovabili sotto forma di energia termica e CO2 in formazioni sotterranee. Questo processo sfrutta le alte pressioni utilizzate nel ciclo transcritico di CO2, raggiungendo un'efficienza di andata e ritorno del 40-50%, a seconda delle condizioni operative.

Il sistema di accumulo termochimico di energia basato sull'idrossido di calcio come tecnologia di accumulo di energia termica a media temperatura è attualmente in fase di sviluppo tecnologico in laboratorio. Questo sistema di accumulo termochimico di energia si basa sulla reazione reversibile di disidratazione/idratazione dell'idrossido di calcio. È in fase di sviluppo una validazione tecnico-economica dettagliata del sistema di accumulo di energia a media temperatura. Un aspetto innovativo è la discussione delle sfide tecnologiche del sistema, evidenziando l'importanza del recupero del calore latente di condensazione dal vapore generato nella reazione di disidratazione, che rappresenta il 38% dell'energia solare termica che raggiunge il reattore. Vengono analizzati casi estremi, sia quelli in cui tutto il calore latente viene recuperato, sia quelli in cui viene rilasciato nell'ambiente. Vengono proposti diversi meccanismi di recupero, come un ciclo Rankine ad ammoniaca o l'accumulo di vapore pressurizzato, mantenendo l'indipendenza delle fasi di carico e scarico.

Il sistema di accumulo termochimico basato sul Calcium Looping, come tecnologia di accumulo termico ad alta temperatura, è il più avanzato tra i sistemi termochimici in termini di maturità tecnologica. L'analisi tecnico-economica condotta colloca la tecnologia in una posizione altamente competitiva rispetto ad altri sistemi di accumulo termico, con un'efficienza di conversione termica-elettrica che può raggiungere il 48% e un costo livellato dell'elettricità (LCOE) di circa 100 MWh. Un aspetto innovativo di questo lavoro è la presentazione della progettazione, dello sviluppo e del collaudo di una campagna sperimentale presso un impianto pilota su scala kW, il primo del suo genere per la tecnologia Calcium Looping, in cui l'autore ha svolto un ruolo di primo piano. Questa campagna sperimentale posiziona la tecnologia nella fase di dimostrazione dello sviluppo tecnologico in un ambiente pertinente, eseguendo le reazioni di calcinazione e carbonatazione in pochi secondi in un reattore a flusso trascinato, alle condizioni di temperatura e pressione del sistema di accumulo Calcium Looping. Ciò consentirebbe l'integrazione del sistema di accumulo in grandi centrali termoelettriche.

La tesi è strutturata come segue. Il primo capitolo, dedicato all'introduzione, presenta il contesto e le opportunità di ricerca individuate, gli obiettivi stabiliti nella tesi sulla base di tali opportunità e definisce l'ambito dello studio. Analizza inoltre lo stato dell'arte, descrive la metodologia e il piano di ricerca in base agli obiettivi stabiliti e presenta i risultati derivati ​​dalla tesi e la struttura del documento. Dopo l'introduzione, i contributi alla ricerca vengono presentati attraverso l'analisi di tecnologie di accumulo di energia su larga scala per alte, medie e basse temperature. Questa sezione comprende i capitoli 2 (accumulo a bassa temperatura basato su cicli transcritici di CO2), 3 (accumulo a media temperatura con tecnologia a idrossido di calcio) e 4 (accumulo ad alta temperatura con tecnologia a loop di calcio). Infine, un capitolo è dedicato alla discussione dei risultati, ai lavori futuri e alle conclusioni della ricerca. Le appendici contengono le pubblicazioni prodotte dall'autore durante lo sviluppo di questa tesi di dottorato.