FISICA DELL'AMBIENTE E DEI SISTEMI ENERGETICI

Docenti: 
GAMBAROTTA Agostino
Codice dell'insegnamento: 
10006*16306*2016*2016*9999
Crediti: 
6
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Lingua dell'insegnamento: 

italiano

Obiettivi formativi

Il corso intende affrontare in modo complessivo le problematiche delle trasformazioni di energia da una forma all’altra e del loro impatto sull’ambiente. In particolare vengono trattati gli aspetti relativi alla sostenibilità energetica in termini di razionalizzazione energetica e uso di fonti rinnovabili di energia, trasformazioni di energia, utilizzazione di combustibili fossili nei processi di combustione che avvengono negli impianti termici motori.
Conoscenze e capacità di comprendere:Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di conoscere gli aspetti e le problematiche legate ai consumi di energia nel mondo nonché le principali filiere dell'energia intese come la successione dei processi di generazione ed utilizzazione dell'energia a partire dalle fonti energetiche (rinnovabili e non), agli impianti motori, all'utilizzazione dell'energia. Dovrà inoltre acquisire le nozioni di base relative ai cicli termodinamici ed alla loro efficienza con riferimento agli impianti motori termici più diffusi. Dovrà quindi conoscere i problemi, i limiti, i vantaggi e gli svantaggi delle diverse soluzioni oggi utilizzate e/o proposte per la generazione e l'utilizzo dell'energia.Competenze:
Lo studente dovrà essere in grado di effettuare valutazioni di massima sulle caratteristiche operative, sulle prestazioni e sulle emissioni inquinanti degli impianti utilizzati per la generazione di energia a partire dalle fonti primarie. Dovrà inoltre essere in grado di confrontare qualitativamente e quantitativamente (seppure con valutazioni di massima) soluzioni diverse per la generazione di energia a partire dalle fonti primarie.
Autonomia di giudizio:Lo studente dovrà possedere gli strumenti e le conoscenze necessarie per effettuare in maniera critica valutazioni di massima e confronti di filiere e soluzioni per la generazione e l'utilizzo dell'energia tenendo conto delle alternative eventualmente possibili.Capacità comunicative:Lo studente dovrà possedere gli strumenti necessari per presentare in maniera efficace valutazioni e confronti di soluzioni diverse per la realizzazione di specifici processi di generazione dell'energia attraverso rappresentazioni sia grafiche che numeriche relative alla caratterizzazione energetica ed ambientale delle alternative possibili. Capacità di apprendimento:Lo studente dovrà essere in grado, sulla base delle conoscenze di base fornite nel corso, di acquisire autonomamente le informazioni, le caratteristiche, i dati diversi che possano essere utili per conoscere le principali caratteristiche dei sistemi e delle soluzioni utilizzate e/o proposte per la generazione e l'utilizzo dell'energia.

Obiettivo del Modulo è lo studio delle interazioni tra l'ambiente ed i sistemi per la conversione dell’energia, con particolare riferimento ai fenomeni di inquinamento (chimico e termico) ed all'impatto ambientale relativo ai sistemi energetici. Conoscenze e capacità di comprendere:
Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di conoscere i principali problemi e le principali soluzioni oggi adottate per ridurre l'impatto ambientale derivante dai processi di generazione ed utilizzo dell'energia. Dovrà inoltre acquisire le conoscenze relative alla valutazione delle emissioni inquinanti degli impianti motori primi attraverso i parametri e le relative unità di misura impiegati per quantificare tali aspetti. Dovrà quindi conoscere i problemi, i limiti, i vantaggi e gli svantaggi legati alle soluzioni attuali per ridurre gli impatti a parità di risultato, ovvero con riferimento alla quantità di energia generata.
Competenze:
Lo studente dovrà essere in grado di valutare in maniera qualitativa e quantitativa le principali cause di impatto sull'ambiente derivante dai processi di generazione dell'energia tenendo conto dell'effetto utile finale, ovvero della quantità di energia generata ed utilizzata.
Autonomia di giudizio:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti e le conoscenze necessarie per valutare e confrontare in maniera critica soluzioni diverse per la generazione di energia, con particolare riferimento agli impianti a combustibili fossili ed alle alternative attualmente possibili.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti necessari per presentare in maniera efficace valutazioni e confronti di sistemi diversi per la generazione e l'utilizzo dell'energia con particolare riferimento agli impatti da essi causati sull'ambiente. Capacità di apprendimento:
Lo studente dovrà esse in grado, attraverso l'acquisizione di informazioni e dati tecnici sui sistemi oggetto di studio, di mantenere aggiornate le proprie conoscenze e competenze in merito alle soluzioni proposte e/o applicate per la generazione di energia ed ai relativi impatti sull'ambiente.

Prerequisiti

La frequenza al corso richiede le conoscenze fornite dai corsi di Fisica, Chimica e Matematica.

La frequenza al corso richiede le conoscenze fornite dai corsi di Fisica Tecnica e di Macchine e/o Sistemi Energetici.

Contenuti dell'insegnamento

Aspetti generali. Il bilancio energetico del pianeta: contributi naturali ed antropici. Sostenibilità energetica: razionalizzazione ed uso di Fonti di Energia Rinnovabili. Consumi di energia nel mondo e fonti energetiche primarie. Caratteristiche delle fonti energetiche primarie: combustibili fossili e fonti rinnovabili. Tecnologie per l’utilizzazione delle fonti rinnovabili. Fonti rinnovabili e tecnologie per la loro utilizzazione. Fonte solare primaria: disponibilità della radiazione solare; collettore solare termico piano senza concentrazione: tecnologia di base ed efficienza; impianti per ACS; problemi di accumulo termico a breve e lungo termine; collettore solare termico sotto vuoto; cenni alla problematica dei collettori a concentrazione a media ed alta temperatura per calore di processo e per generazione elettrica. Cella solare FotoVoltaica: generalità sulla tecnologia e sulle sue caratteristiche; analisi dei vari tipi di moduli FV e delle loro caratteristiche; i moduli FV come elementi costruttivi; considerazioni sugli impianti stand-alone e grid-connected; problemi non tecnici legati agli impianti solari: costi, normative edilizie ed urbanistiche, incentivazioni.
Fonti solari secondarie. Biomasse: disponibilità e caratteristiche delle biomasse legnose da gestione di boschi; impianti per la combustione diretta, loro caratteristiche e loro gestione; impianti per la fermentazione anaerobica di biomasse animali e vegetali;caratteristiche e utilizzazione del biogas. Risorsa idraulica: disponibilità della risorsa; caratteristiche tecnologiche degli impianti e problemi di gestione, compatibilità ambientale. Risorsa eolica: disponibilità della risorsa, caratteristiche tecnologiche degli impianti, compatibilità ambientale.
Cicli termodinamici diretti e inversi; produzione di energia elettrica e cogenerazione; pompe di calore a compressione e ad assorbimento e loro applicazioni; trigenerazione. Processi di combustione: reazioni, meccanismi di formazione dei composti inquinanti, metodologia per la stima delle emissioni. Combustibili e loro caratteristiche. Cenni agli impianti a vapore, alle turbine a gas ed ai motori a combustione interna alternativi (MCI): principali emissioni degli impianti fissi e mobili e tecniche per la loro riduzione.

Aspetti generali. Richiami sulle macchine e sugli impianti. Richiami sulle fonti energetiche. Processi di conversione dell'energia. Trasformazioni energetiche negli impianti motori primi: rendimenti, consumo specifico di combustibile ed emissioni specifiche. Generalità sui fenomeni di inquinamento chimico e termico. Misura delle concentrazioni inquinanti. Cenni al sistema ambiente ed ai suoi comparti (idrosfera, atmosfera, geosfera). Cenni di meteorologia. Processi di combustione. Combustibili e loro caratteristiche. Impianti a vapore: combustibili, sistemi di combustione, soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni. Sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Turbine a gas: combustibili, sistemi di combustione, soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni. Sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Motori a combustione Interna: processi di combustione nei MCI ad accensione comandata e Diesel, sistemi e dispositivi per il controllo della carica e del processo di combustione. Emissioni inquinanti dei motori ad accensione comandata e Diesel: soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni e sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Impianti per lo sfruttamento di altre fonti energetiche e relativo impatto ambientale. Strumenti e metodologie di misura delle emissioni. Normativa nazionale ed internazionale.

Programma esteso

Aspetti generali. Il bilancio energetico del pianeta: contributi naturali ed antropici. Sostenibilità energetica: razionalizzazione ed uso di Fonti di Energia Rinnovabili. Consumi di energia nel mondo e fonti energetiche primarie. Caratteristiche delle fonti energetiche primarie: combustibili fossili e fonti rinnovabili. Tecnologie per l’utilizzazione delle fonti rinnovabili. Fonti rinnovabili e tecnologie per la loro utilizzazione. Fonte solare primaria: disponibilità della radiazione solare; collettore solare termico piano senza concentrazione: tecnologia di base ed efficienza; impianti per ACS; problemi di accumulo termico a breve e lungo termine; collettore solare termico sotto vuoto; cenni alla problematica dei collettori a concentrazione a media ed alta temperatura per calore di processo e per generazione elettrica. Cella solare FotoVoltaica: generalità sulla tecnologia e sulle sue caratteristiche; analisi dei vari tipi di moduli FV e delle loro caratteristiche; i moduli FV come elementi costruttivi; considerazioni sugli impianti stand-alone e grid-connected; problemi non tecnici legati agli impianti solari: costi, normative edilizie ed urbanistiche, incentivazioni.
Fonti solari secondarie. Biomasse: disponibilità e caratteristiche delle biomasse legnose da gestione di boschi; impianti per la combustione diretta, loro caratteristiche e loro gestione; impianti per la fermentazione anaerobica di biomasse animali e vegetali;caratteristiche e utilizzazione del biogas. Risorsa idraulica: disponibilità della risorsa; caratteristiche tecnologiche degli impianti e problemi di gestione, compatibilità ambientale. Risorsa eolica: disponibilità della risorsa, caratteristiche tecnologiche degli impianti, compatibilità ambientale.
Cicli termodinamici diretti e inversi; produzione di energia elettrica e cogenerazione; pompe di calore a compressione e ad assorbimento e loro applicazioni; trigenerazione. Processi di combustione: reazioni, meccanismi di formazione dei composti inquinanti, metodologia per la stima delle emissioni. Combustibili e loro caratteristiche. Cenni agli impianti a vapore, alle turbine a gas ed ai motori a combustione interna alternativi (MCI): principali emissioni degli impianti fissi e mobili e tecniche per la loro riduzione.

Aspetti generali. Richiami sulle macchine e sugli impianti. Richiami sulle fonti energetiche. Processi di conversione dell'energia. Trasformazioni energetiche negli impianti motori primi: rendimenti, consumo specifico di combustibile ed emissioni specifiche. Generalità sui fenomeni di inquinamento chimico e termico. Misura delle concentrazioni inquinanti. Cenni al sistema ambiente ed ai suoi comparti (idrosfera, atmosfera, geosfera). Cenni di meteorologia. Processi di combustione. Combustibili e loro caratteristiche. Impianti a vapore: combustibili, sistemi di combustione, soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni. Sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Turbine a gas: combustibili, sistemi di combustione, soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni. Sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Motori a combustione Interna: processi di combustione nei MCI ad accensione comandata e Diesel, sistemi e dispositivi per il controllo della carica e del processo di combustione. Emissioni inquinanti dei motori ad accensione comandata e Diesel: soluzioni per ridurre la formazione delle emissioni e sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Impianti per lo sfruttamento di altre fonti energetiche e relativo impatto ambientale. Strumenti e metodologie di misura delle emissioni. Normativa nazionale ed internazionale.

Bibliografia

M.Bianchi, A.De Pascale, A.Gambarotta, A.Peretto – “Sistemi energetici - Impatto ambientale” - vol.3, pp.1-544, ISBN 88-371-1754-X, Pitagora Editrice, Bologna, 11/2008.
S.Turns, “An introduction to Combustion. Concepts and Applications”, McGraw-Hill, New York, 1996
A.Bisio, S.Boots, "Encyclopedia of energy technology and the environment", Wiley, 1995
R.Vismara, "Ecologia Applicata", Hoepli, 1992
M.L.Davis, D.A.Cornwell, "Introduction to Environmental Engineering", McGraw-Hill Int.Ed., 1991
P.A.Vesilind, J.J.Peirce, R.Weiner, "Environmental Engineering", Butterworth Publishers, 1988
A.H.Lefebvre, "Gas Turbine Combustion", McGraw-Hill, 1983
I.Glassman, "Combustion", Academic Press, 1977
J.B.Edwards, "Combustion: the formation and emission of trace species", Ann Arbor Science, 1974
G.Ferrari, "Motori a Combustione Interna";, Il Capitello, 2016
Vengono inoltre messi a disposizione degli studenti i testi delle lezioni. Si consiglia la consultazione di riviste e di siti Web indicati di volta in volta.

M.Bianchi, A.De Pascale, A.Gambarotta, A.Peretto – “Sistemi energetici - Impatto ambientale” - vol.3, pp.1-544, ISBN 88-371-1754-X, Pitagora Editrice, Bologna, 2008.
S.Turns, “An introduction to Combustion. Concepts and Applications”, McGraw-Hill, New York, 1996
G.Ferrari, "Motori a Combustione Interna", Il Capitello, 2016
R. Vismara, "Ecologia Applicata", Hoepli, 1992
M.L.Davis, D.A.Cornwell, "Introduction to Environmental Engineering", McGraw-Hill Int.Ed., 1991
P. A.Vesilind, J.J.Peirce, R.Weiner, "Environmental Engineering", Butterworth Publishers, 1988
A.H.Lefebvre, "Gas Turbine Combustion", McGraw-Hill, 1983
I.Glassman, "Combustion", Academic Press, 1977
J.B.Edwards, "Combustion: the formation and emission of trace species", Ann Arbor Science, 1974

Metodi didattici

Nel corso delle lezioni verranno approfondite le nozioni fondamentali per lo studio di massima dei processi di conversione ed utilizzazione dell'energia a partire dalle fonti energetiche primarie. Nell'ambito del corso saranno presentati anche alcuni esempi numerici finalizzate a consentire allo Studente di acquisire la necessaria dimestichezza con le unità di misura e con la valutazione di massima delle caratteristiche operative dei sistemi impiegati per la generazione e l'utilizzo dell'energia.

Nel corso delle lezioni verranno approfondite le problematiche generali connesse con i processi di conversione dell'energia e con i relativi impatti sull'ambiente. Il corso sarà affiancato da esercitazioni finalizzate alla valutazione quantitativa delle emissioni e delle cause di impatto derivanti dai processi di conversione dell'energia nonché da visite tecniche presso impianti e da seminari su temi specifici trattati da specialisti del settore.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell'apprendimento si realizza attraverso colloquio orale nel corso del quale lo Studente dovrà presentare (per mezzo degli strumenti informatici che ritiene, ad es.Powerpoint) uno studio originale relativo ad una specifica filiera, soluzione, processo utilizzato, proposto od utilizzabile per la generazione e l'uso dell'energia. Lo studio dovrà contenere anche valutazioni quantitative (anche se di massima) sviluppate autonomamente e criticamente dallo Studente sul tema scelto. Nel corso della presentazione verranno poste domande di chiarimento sull'argomento affrontato: saranno valutate in particolare la capacità critica, la proprietà di esposizione e la capacità di correlare gli argomenti trattati.

La verifica dell'apprendimento si realizza attraverso un colloquio orale basato su domande teoriche e sull'applicazione della teoria a problemi anche originali: saranno valutate in particolare la capacità critica, la proprietà di esposizione e la capacità di correlare gli argomenti trattati.

Altre informazioni

E' vivamente consigliata la frequenza alle lezioni.

E' vivamente consigliata la frequenza alle lezioni del corso.