Carlo Roselli

Termodinamica Applicata

Analisi exergetica e termoeconomica di componenti ed impianti di conversione energetica diretti ed inversi.

Microcogenerazione

Dal 1995 un gruppo di ricerca universitario è coinvolto in un’attività di studio sulla Microcogenerazione, MCHP (Micro Combined Heat and Power), per applicazioni nei settori residenziale e piccolo commerciale in collaborazione con aziende fornitrici di gas, aziende del settore industriale e supportate dalla Regione Campania. Le attività sono state svolte nell’ambito di progetti di ricerca nazionali (Progettazione, realizzazione e prova di prototipi di microcogeneratori per utenze domestiche e/o commerciali, finanziato dalla Regione Campania; Governance ed efficienza energetica, Sviluppo di linee guide e indici di riferimento per il legislatore, Ricerca del Sistema Elettrico finanziato dal Ministero dello sviluppo economico) ed internazionali (IEA-Annex 42 FC+COGEN-SIM The simulation of Building-Integrated Fuel Cell and Other Cogeneration Systems). Tali attività sono state divulgate in ambito nazionale ed internazionale.

Scopo della ricerca è l’analisi energetica, economica e di impatto ambientale connessa all’uso di sistemi di microcogenerazione (15 kW_el) adatti a soddisfare le richieste di energia termica ed elettrica di utenze del settore piccolo-commerciale e domestico. L’attenzione è stata rivolta ai problemi derivanti dal trasferimento di questa tecnologia ad applicazioni su piccola scala, in particolare alle difficoltà legate all’inseguimento dei profili di carico degli utenti finali, aleatori e fortemente variabili.

L’attività si è sviluppata con la progettazione e realizzazione di due laboratori attrezzati per simulare con prove “in-situ” le reali condizioni di funzionamento di piccoli cogeneratori. Un laboratorio, in particolare, è dotato sia di elettrodomestici (lavastoviglie e lavatrice) che di apparecchiature per il riscaldamento dell’acqua, sia nella loro configurazione tradizionale (solo con alimentazione elettrica) sia in configurazioni alternative più efficienti (alimentazione sia elettrica che termica). In rapporto ad applicazioni residenziali e piccolo commerciali, la stazione di simulazione è predisposta per soddisfare un carico elettrico variabile da 0 a 10 kW e un carico termico variabile da 0 a 30 kW. Ad oggi sono stati analizzati sperimentalmente due prototipi (di 1.7 kW_el e 3.0 kWel) di MCHP, basati su motori alternativi a combustione interna, ed un cogeneratore, di fabbricazione giapponese, caratterizzato da potenze di 6 kW_el e 13.5 kW_th.

È stato inoltre realizzato un database in cui sono analizzate diverse tecnologie di sistemi di microcogenerazione, basate su differenti motori primi (motori alternativi a combustione interna, celle a combustibile, motori a ciclo Stirling, micro-turbine a gas e a ciclo Rankine). Il database fornisce le più importanti informazioni sui modelli di microcogeneratore (oltre 70) oggi potenzialmente disponibili per le applicazioni del settore domestico e del piccolo terziario.

Micropoligenerazione

Dal 1995 un gruppo di ricerca universitario è coinvolto in un’attività teorica e sperimentale sulla poligenerazione di piccola taglia, MCCHP (Micro Combined Cooling Heating and Power) in collaborazione con aziende fornitrici di gas, aziende del settore industriale, università e enti di ricerca. Le attività sono state svolte nell’ambito di progetti di ricerca nazionali (Studio teorico e sperimentale della poligenerazione di piccola taglia con ruote essiccanti, PRIN07 finanziato dal MIUR; Strumenti e tecnologie per l'efficienza energetica nel settore dei servizi per la Creazione di una Virtual Power Plant per l’analisi sperimentale di sistemi di  poligenerazione di piccola taglia, Ricerca del Sistema Elettrico finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico) ed internazionali (IEA-Annex 54 Integration of Micro-generation and Related Energy Technologies in Buildings). Tali attività sono state divulgate in ambito nazionale ed internazionale.

Molteplici soluzioni impiantistiche si prestano a finalità trigenerative per utenze residenziali e del piccolo terziario, sia con riferimento ai motori disponibili (alternativi a combustione interna, turbina a gas ed a vapore, a ciclo Stirling, celle a combustibile), che rispetto alle macchine frigorifere ad attivazione termica, ad assorbimento (ABHP, ABsorption Heat Pump) ed adsorbimento (ADHP, ADsorption Heat Pump) e pompe di calore mosse da motori endotermici (GHP, Gas engine driven Heat Pump) ed elettrici (EHP, Electric Heat Pump). Dispositivi di cogenerazione inoltre possono essere accoppiati ad Unità di Trattamento Aria, UTA, al fine di fornire energia elettrica per il refrigeratore di liquido ed energia termica di rigenerazione per sistemi di deumidificazione chimica o fisica dell’aria esterna.

L'utilizzo della trigenerazione trova giustificazione considerando che durante i mesi estivi l’energia termica potenzialmente disponibile dal cogeneratore solo di rado può essere utilizzata completamente “on site”, soprattutto nelle applicazioni di piccola scala, tipicamente appartenenti al settore domestico o piccolo commerciale, in cui l’aliquota per la produzione di acqua calda sanitaria risulta piuttosto limitata. D’altra parte, sempre nei mesi estivi, ormai da diversi anni si sta assistendo ad una crescente richiesta di energia frigorifera, per lo più per il condizionamento ambientale. In tale scenario un sistema di trigenerazione, basato su pompe di calore ad azionamento termico o su UTA dotate di sistemi di deumidificazione fisica dell’aria di processo, consente di utilizzare efficientemente l’energia termica recuperata dal processo cogenerativo per soddisfare le richieste frigorifere dell’utenza (raffrescamento ambientale).

Presso l’Università degli Studi del Sannio è stato ampiamente analizzato un trigeneratore di piccola taglia costituito da un’UTA in cui la potenza termica (12 kW) fornita da un microcogeneratore, MCHP, di consolidata tecnologia (motore alternativo a combustione interna a gas naturale) viene utilizzata per la fase di rigenerazione di una ruota deumidificatrice (Desiccant Wheel, in cui il materiale adsorbente è gel di silice) e per fornire potenza elettrica (6 kW) per gli autoconsumi dell'UTA e per azionare un refrigeratore di liquido condensato ad aria (potenza frigorifera 8 kW).

L'UTA permette, durante il funzionamento estivo (condizioni termoigrometriche esterne: temperatura =32°C, umidità specifica =15 g/kg, umidità relativa =55%), di trattare circa 800 m3/h di aria umida che raggiunge le condizioni di immissione nell'ambiente da condizionare (temperatura =13-19 °C ed umidità specifica =7-11 g/kg). Ulteriori componenti della UTA sono un sistema di raffreddamento evaporativo indiretto (IEC) e una batteria fredda alimentata con acqua refrigerata prodotta dal refrigeratore d'acqua. In particolare sono state condotte numerose prove sperimentali che hanno ampiamente coperto il dominio di condizioni termoigrometriche esterne tipico del clima mediterraneo (temperatura = 24 - 36 °C, umidità specifica = 6 - 16 g/kg), volte sia a caratterizzare le prestazioni del componente innovativo dell'UTA, il rotore adsorbente, che a ricavare le prestazioni energetiche, economiche e d'impatto ambientale del sistema energetico complessivo di poligenerazione.

Per ciascun componente dell’impianto è stato sperimentalmente calibrato e validato un modello, successivamente implementato in un software di ampia diffusione per l’analisi del sistema edificio/impianto (TRNSYS), che ha permesso di condurre analisi di sensitività e di simulare il funzionamento di differenti tipologie impiantistiche.

Infine, è stato elaborato il software di gestione remota del laboratorio virtuale denominato PoliLab, costituito da due sistemi di poligenerazione ubicati in Campania (Università del Sannio e Università della Campania). Esso è finalizzato all’ottimizzazione termo-economica di sistemi di poligenerazione distribuita con controllo centralizzato, secondo un approccio di Virtual Power Plant, che consente il controllo ottimale del funzionamento delle apparecchiature e la diagnostica dei malfunzionamenti.

Energia solare

Ottimizzazione termoeconomica di impianti ibridi di Solar Heating and Cooling, Modello ottico pannello solare Scheffler, Simulazione con SW dedicati (TRNSYS, MatLab) di collettori solari termici piani ed a concentrazione, di macchine frigorifere ad attivazione termica (assorbitori, assorbitori con fase di compressione), Modelli di impianti basati su pannelli fotovoltaici e PV-T.

Energia geotermica

Ottimizzazione termoeconomica di pompe di calore geotermiche, di scambiatori di calore, interagenti col sottosuolo (sonde geotermiche) o con fluidi geotermici, con fluidi termovettori convenzionali ed additivati con nanoparticelle.