OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento si propone di introdurre gli studenti alle tematiche proprie dell’attuale contesto di transizione energetica. In questo scenario l’attenzione sarà focalizzata sulle tecnologie elettrochimiche “power to gas” e “gas to power” studiate mediante modelli chimico-fisici applicati su diverse scale fenomenologiche, evidenziando la rilevanza delle proprietà microscopiche sulle prestazioni macroscopiche in un’ottica di scale-up industriale.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento è proposto come particolarmente indicato per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nelle Tecnologie".

La partecipazione alle attività formative proposte (lezioni frontali, esercizi, visite, seminari), lo studio individuale e la discussione in gruppo permetteranno allo studente di:

• orientarsi nell’attuale contesto di transizione energetica (vincoli ambientali, green technologies, risorse rinnovabili, vettore idrogeno, stato dell’arte e potenziali sviluppi, ...)

• conoscere le principali tipologie di celle elettrochimiche, le loro potenzialità e i relativi margini di ottimizzazione sia per la produzione di energia sia per lo stoccaggio della stessa sotto forma di idrogeno o syngas;

• conoscere i fondamenti di funzionamento delle celle elettrochimiche discriminando processi, proprietà e vincoli chimico-fisici che li governano (cinetiche elettrochimiche, fenomeni di trasporto di materia e energia, caratteristiche dei materiali, …).

• saper impostare modelli di simulazione di celle elettrochimiche discriminando la scala fenomenologica di interesse e le relative correlazioni con le altre scale (da quella dei componenti di cella a quella di impianto)

• fare esperienza di simulazione al calcolatore, utilizzando software commerciali integrati con codici scritti ad hoc, a scopi progettuali, predittivi, diagnostici o di controllo

• saper elaborare dati sperimentali e progettare un design of experiment preliminare per la convalidazione dei modelli e l’identificazione di parametri chimico-fisici.

• applicare le competenze acquisite a specifici contesti propri dell’ingegneria ambientale, discutendo vantaggi e svantaggi delle soluzioni applicabili e stimando i principali indici di prestazione e impatto ambientale.

PREREQUISITI

Per un proficuo apprendimento sono necessarie conoscenze base di analisi matematica, chimica e fisica; tuttavia non è prevista alcuna propedeuticità formale.

MODALITA' DIDATTICHE

Il modulo prevede lezioni frontali in presenza in aula. Alla presentazione di contenuti teorici si alternano lezioni con esercizi al calcolatore svolti in aula informatica per favorire l’apprendimento e la discussione di specifici esempi di applicazione. Potranno essere inoltre proposte attività integrative quali visite di istruzione o seminari.

Le competenze trasversali in termini di abilità comunicativa e autonomia di giudizio verranno acquisite tramite la discussione di esempi concreti di problemi complessi.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il programma del modulo prevede la presentazione e discussione dei seguenti argomenti:   

1.  Contestualizzazione transizione energetica

• Il problema ambientale
• Fonti e tecnologie per la produzione di energia
• Il vettore idrogeno
• Ruolo dei modelli chimico-fisici

2.  Tipologie di celle elettrochimiche

• Caratteristiche: materiali, reazioni, configurazioni, prestazioni.
• Applicazioni: in modalità “Gas to Power” e “Power to Gas” (celle a combustibile ed elettrolizzatori)
• Stato dell’arte

3.  Funzionamento di celle elettrochimiche

• Termodinamica e cinetica (Nernst, Butler Volmer, Faraday, contributi di polarizzazione, …)
• Bilanci macroscopici e locali di materia ed energia
• Key Performance Parameter e Environmental Impact Indicator

3. Modellizzazione

-       Impostazione delle equazioni che descrivono i processi di interesse su diverse scale fenomenologiche (dai componenti di cella al sistema impiantistico)

-       Principali strumenti di simulazione: logiche di programmazione e software commerciali

-       Esercitazioni al computer

4. Convalidazione dei modelli

-       Elaborazione ed interpretazione di dati sperimentali

-       Identificazione di parametri chimico-fisici

-       Design of experiment

6. Attività integrative

-    Visita al laboratorio CapLab - Electrochemical Cells for Carbon Capture and Energy Transistion (laboratorio congiunto Università di Genova – EcoSpray Technologies)

-    Interventi seminariali di esperti del settore

-    Visite di istruzione (eventualmente virtuali) presso realtà di ricerca o industriali correlate.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Il materiale didattico utilizzato durante le lezioni sarà disponibile nell'Aulaweb dell’insegnamento. Gli appunti presi durante le lezioni e il materiale in Aulaweb sono sufficienti per la preparazione dell’esame. Alcuni testi saranno suggeriti a lezione per approfondimenti.