Application of the CFD in two case studies: an innovative low-enthalpy geothermal system and a carbon dioxide adsorption column.

Il lavoro di tesi si basa sullo studio della Fluidodinamica Computazionale (CFD) come tecnica utile alla progettazione ed all'ottimizzazione di due sistemi destinati alla produzione di energia rinnovabile. I casi studio sono: un impianto a pompa di calore geotermica ed una colonna per l'adsorbimento dell'anidride carbonica. La procedura standard per il dimensionamento di un impianto a pompa di calore geotermica considera i picchi di potenza cui può essere sottoposto l'impianto durante il periodo invernale o estivo. Il primo caso studio è un impianto a pompa di calore geotermica, innovativo rispetto la configurazione standard poiché provvisto di un sistema di accumulo di calore interrato disposto fra le sonde geotermiche e la pompa di calore. Grazie alla presenza dell'accumulo termico, come dimostrato da campagna di monitoraggio, l'impianto prototipale si è rivelato in grado di coprire i fabbisogni energetici dell'utenza tramite l'impiego di un sistema di scambio geotermico sottodimensionato (la potenza scambiata con il terreno è stata ridotta in misura del 66%). Allo studio del prototipo esistente ha seguito una modellazione dell'impianto tramite un'analisi CFD, finalizzata alla progettazione di due possibili interventi di miglioramento. La prima miglioria prevede la rimozione degli scambiatori di calore cilindrici all'interno dell'accumulo termico, originariamente previsti per ragioni di sicurezza, e la riprogettazione dell'impianto esistente secondo un unico circuito cui sono collegati la pompa di calore, il sistema di accumulo e le sonde geotermiche. Il secondo intervento prevede la progettazione di un nuovo e più compatto sistema di accumulo termico, basato sull'impiego dei materiali a cambiamento di fase (PCM) per l'accumulo di energia. Ciascuno degli interventi migliorativi proposti è valutato considerando l'energia elettrica assorbita e l'energia termica prodotta (o sottratta) e, tramite simulazioni CFD, si dimostra che sono raggiungibili incrementi del coefficiente di prestazione (COP) in misura del 20%. La prima configurazione proposta prevede un COP complessivo pari a 4.1 durante la stagione invernale e 5.7 durante quella estiva. La seconda configurazione (quella basata sull'impiego dei PCM per l'accumulo termico) è caratterizzata da un COP pari 4.1 durante la stagione invernale e 5.9 durante la stagione estiva. In quest'ultima configurazione progettuale, il volume necessario all'accumulo termico è di circa dieci volte minore rispetto a quello prototipale e può essere facilmente disposto all'interno del locale tecnico dell'impianto. L'adsorbimento dell'anidride carbonica su un mezzo poroso è un processo utile alla produzione di biometano, tramite upgrading del biogas, e a tutte quelle applicazione che prevedono la separazione ed il sequestro della CO2 da una miscela gassosa. Il secondo caso studio oggetto di tesi prevede la caratterizzazione e la classificazione di un mezzo poroso di origine naturale che può essere impiegato per l'adsorbimento della CO2: il tufo. Questa roccia porosa di origine vulcanica, reperibile a basso costo come sottoprodotto dell'industria mineraria ed edile, è stata sottoposta ad analisi laboratoriali, finalizzate a valutarne l'impiego come adsorbente in applicazioni industriali che prevedono la cattura della CO2. In particolare, sono state misurate le proprietà fisiche (porosità, densità, ecc.) e di adsorbimento (capacità di adsorbimento, livello di saturazione, ecc.). Le proprietà fisiche del tufo sono misurate tramite la tecnica della porosimetria ad intrusione di mercurio (MIP) mentre le proprietà di adsorbimento sono state misurate tramite due apparati appositamente progettati. Una volta caratterizzato il materiale adsorbente, il processo di adsorbimento è stato simulato tramite tecnica CFD impiegando un innovativo modello fenomenologico. I risultati dimostrano che il tufo può essere impiegato con successo in applicazioni basate sulla rimozione dell'anidride carbonica tramite adsorbimento su mezzo poroso (Pressure Swing Adsorption), risultando un'alternativa maggiormente sostenibile sotto il profilo ambientale ed economico rispetto le zeoliti sintetiche. Entrambi i casi studio sono stati sottoposti alla stessa metodologia di analisi. Con studio del sistema esistente e dal riconoscimento di quei parametri operativi che più ne influenzano i rendimenti, è stato sviluppato un modello CFD che consideri i principali fenomeni fisici coinvolti nei processi simulati. Tutte le simulazioni sono in regime dinamico. La trasmissione di calore e la turbolenza dei flussi sono modellati con l'equazione dell'energia ed il modello k-. Le equazioni di continuità sono discretizzate tramite il metodo agli elementi finiti e risolte con l'algoritmo PISO e con modelli di calcolo appositamente progettati per ciascun caso studio. Tutti i risultati delle simulazioni sono stati sottoposti ad una procedura di validazione con dati sperimentali.