Energy systems control

Sommario

Nel campo dei sistemi energetici, le tecniche di controllo e automazione sono strumenti base  per la gestione degli impianti e il miglioramento delle prestazioni. L'attività di ricerca svolta ha riguardato diversi impianti, eolici, solari, termo-idraulici e chimici, oltre a dispositivi elettrici e reti.

Alcuni progetti sono descritti di seguito.

• Controllo e modellazione degli impianti solari termodinamici (collaborazione con RSE)

Una promettente tecnologia consente di corredare un processo tradizionale basato su turbine a gas con un impianto di generazione tipo solare. Nello studio, si sono considerate centrali corredate da un ampio campo circostante di eliostati, che consentono di concentrare l'energia solare su recettori situati sui quattro lati della cima di una torre. Il progetto ha previsto la progettazione e il controllo del campo eliostatico, l'integrazione dei recettori di energia solare con la convenzionale turbina a gas e la caldaia a recupero.

• Interazione tra impianti fotovoltaici e la rete mediante sistemi di accumulo controllati (collaborazione con RSE)

Come tutte le risorse rinnovabili non programmabili, gli impianti fotovoltaici sono soggetti alla variabilità della radiazione solare a causa dell'instabilità atmosferica, con conseguente possibile eccedenza o carenza di energia generata. Per compensare tali squilibri, una soluzione è dotare l'impianto di un sistema di accumulo di energia, come ad esempio una batteria agli ioni di litio. Un sistema di questo genere è costituito dal generatore fotovoltaico, dal sistema di accumulo di energia, dal DC-bus e dall'inverter. Il controllo di tale insieme di dispositivi può essere organizzato in modo gerarchico, e progettato per massimizzare l'autoconsumo dell'unità di carico locale. In particolare, occorre bilanciare le potenze in situazioni di bassa o elevata generazione fotovoltaica, riducendo la variabilità della potenza scambiata con la rete. La strategia di controllo implementata è in fase di test in RSE impianto di test. I principali risultati ottenuti sono stati pubblicarti in un articolo su International Journal of Control.

• Una nuova tecnologia per la cattura dell’anidride carbonica (collaborazione con RSE)

Per la cattura post-combustione della CO2 in impianti di generazione alimentati a carbone, il trattamento chimico dei fumi mediante sorbenti solidi appare come uno dei processi tecnologicamente più promettenti e meno energivori. Questo progetto è dedicato al progetto del sistema di controllo per reattori a letto fisso, in cui il trattamento è svolto mediante ammina supportata su pellet solidi (reattore ad ammina). Per comprendere la dinamica dell'impianto è stato sviluppato un modello basato su equazioni differenziali alle derivate parziali, trasformato poi in un sistema di equazioni differenziali nonlineari alle derivate ordinarie di ordine elevato (840 variabili di stato). Un punto critico è il valore dei parametri cinetici, largamente incerto. Questi parametri sono stati perciò identificati a partire da dati raccolti in esperimenti svolti su un test rig nel laboratorio RSE di Piacenza (Italia). Questo studio è riportato in alcune memorie presentate a conferenze, e in un articolo pubblicato su una rivista di primo livello dell'American Chemical Society.

• Schemi di controllo avanzato per incrementare l'efficienza energetica di impianti di compressione gas (collaborazione con ABB Process Automation)

Le stazioni di compressione gas sono impianti necessari per la distribuzione del gas naturale. Le stazioni di compressione hanno lo scopo di mantenere il flusso di gas entro certe condizioni operative, in termini di portata, pressione e temperatura: questo scopo è raggiunto mediante l'uso di compressori di varie tipologie, interconnessi in vari modi (configurazioni parallele e/o seriali). Le condizioni operative di ogni compressore sono definite dal sistema chiamato "load sharing control system". Lo studio si è concentrato sullo sviluppo di un sistema di load sharing avanzato, in grado di caratterizzare il funzionamento di ogni compressore identificando i parametri di un modello matematico: i modelli di tutti i compressori sono usati all'interno di un problema di ottimizzazione quadratico con l'obiettivo di minimizzare il consumo complessivo di combustibile dell'impianto. Lo studio è stato sviluppato in collaborazione con i centri di ricerca e il centro di eccellenza ABB in Italia per le macchine rotanti e presentato in vari articoli e conferenze.

Risultati del progetto ed eventuali pubblicazioni scientifiche/brevetti

• Controllo e modellazione degli impianti solari termodinamici:

• Interazione tra impianti fotovoltaici e la rete mediante sistemi di accumulo controllati:

• Una nuova tecnologia per la cattura dell’anidride carbonica:

• Schemi di controllo avanzato per incrementare l'efficienza energetica di impianti di compressione gas: