Progetto e gestione di sistemi energetici complessi: alcune linee di ricerca

La disponibilità di risorse e la capacità di utilizzarle costituiscono presupposti essenziali per lo svolgimento delle attività umane. Nelle precedenti epoche storiche l’impiego di adeguate risorse materiali ed energetiche era limitato più da incapacità tecnologica che da un’effettiva scarsità delle medesime. Oggi, invece, i termini del problema si sono rovesciati: le risorse principali, sfruttate con grande intensità nella società industriale, sono in rapido esaurimento, mentre lo sviluppo esponenziale della popolazione mondiale ne richiede in quantità crescenti; ed un’ulteriore complicazione è dovuta all’impatto ambientale delle attività umane in un pianeta di dimensioni finite. Perciò l’interesse dei ricercatori e dei tecnici è sempre più rivolto allo studio di metodi per limitare i consumi di energia primaria a parità di risultati. A partire dalla rivoluzione industriale, quando le macchine furono introdotte e poi gradualmente diffuse nei sistemi produttivi e nella vita quotidiana, molto lavoro è stato fatto per aumentare i rendimenti della conversione e dell’utilizzazione di energia. In particolare, i rendimenti con i quali l’energia termica è trasformata in lavoro meccanico sono aumentati in modo straordinario. Questa evoluzione, naturalmente, non potrà continuare con lo stesso ritmo nel futuro, perché, man mano che ci si avvicina al valore massimo teoricamente raggiungibile, ogni ulteriore incremento di efficienza dei processi è pagato a prezzo sempre maggiore in termini di contenuto energetico degli impianti che li realizzano e delle tecnologie che li sostengono. Perciò l’orizzonte degli interessi scientifici si è progressivamente ampliato: dalla macchina, vista come componente, all’impianto, comprendente più macchine, e quindi al sistema di impianti. Mentre, infatti, vi sono ormai piccoli margini per migliorare ulteriormente il rendimento di una singola apparecchiatura, vi sono ancora larghe possibilità di intervento per incrementare l’efficienza di processi e sistemi complessi. Oggi, inoltre, non basta eseguire un buon progetto, capace di assicurare che il rendimento di una macchina o di un impianto nelle condizioni nominali di funzionamento sia adeguato: l’intera vita del sistema dev’essere considerata nella fase di progetto, tenendo conto dei seguenti aspetti: - comportamento del sistema e dei suoi componenti sia nel loro funzionamento nominale, sia nelle condizioni cosiddette di “off-design”, nelle quali essi dovranno spesso operare per adeguarsi alle richieste delle utenze, a mutate condizioni ambientali o a degrado di componenti; - disponibilità di fonti energetiche che possano sostenere il processo; - vincoli dovuti alle normative di carattere ambientale, sempre più severe; - aspetti economici. In definitiva, l’interazione tra gli aspetti energetici, ambientali ed economici deve costituire una guida non soltanto per i progettisti, ma anche per i responsabili delle scelte strategiche e dei criteri di esercizio degli impianti. Presso il Dipartimento di Ingegneria meccanica dell’Università di Padova il gruppo che lavora nel settore dell’ingegneria energetica si occupa da anni di questi problemi. Attualmente le attività sono dedicate allo studio di metodi e tecniche aventi l’obiettivo di ottimizzare il progetto e la gestione degli impianti, tenendo conto dei numerosi vincoli cui essi devono sottostare; particolare attenzione è dedicata alla diagnostica, attività strettamente collegata con quella di esercizio. Un’applicazione più estensiva di questi metodi può riguardare sistemi di maggiore complessità, ad esempio sistemi energetici regionali: in tal caso essa interesserebbe anche i politici, per i quali può costituire uno strumento capace di orientare verso scelte di carattere strategico.