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MODELLI MULTISCALA DI CELLE ELETTROCHIMICHE APPLICATE ALLA TRANSIZIONE ENERGETICA

CODICE 108099
ANNO ACCADEMICO 2022/2023
CFU
  • 6 cfu al 1° anno di 11430 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI (LM SC.MAT.) - GENOVA
  • 5 cfu al 2° anno di 10376 INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO (LM-22) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-IND/23
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 1° Semestre
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

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

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    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.

    DOCENTI E COMMISSIONI

    Commissione d'esame

    BARBARA BOSIO (Presidente)

    LEZIONI

    INIZIO LEZIONI

    Le lezioni avranno inizio in accordo con il calendario proposto dalla Scuola di scienze matematiche, fisiche e naturali

    Orari delle lezioni

    L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    Durante lo svolgimento delle lezioni gli studenti saranno inviatati a preparare un elaborato relativo ad una applicazione specifica da presentare all’esame finale che consisterà in una prova orale.

    Saranno disponibili 2 appelli di esame per la sessione ‘invernale’ (gennaio e febbraio) e 3 appelli per la sessione ‘estiva’ (giugno, luglio, settembre). La prova, inoltre, potrà essere sostenuta anche durante le pause didattiche eventualmente previste in autunno e in primavera.

    MODALITA' DI ACCERTAMENTO

    L’esame orale prevede la discussione della relazione preparata e in un paio di domande che possono riguardare tutto il programma presentato a lezione, formulate in termini di quesiti teorici o in forma di problemi applicativi.  L’esame si prefigge di accertare le specifiche competenze acquisite e soprattutto la capacità di utilizzarle combinate assieme per orientarsi in casi applicativi concreti. Saranno valutate inoltre la qualità dell’esposizione, l’utilizzo corretto della terminologia tecnica e la capacità di ragionamento critico.

    Calendario appelli

    Data Ora Luogo Tipologia Note

    ALTRE INFORMAZIONI

    Si consigliano gli studenti lavoratori e gli studenti con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare il docente all’inizio del corso per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.