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Il corso fornisce una panoramica completa del sistema energetico contemporaneo, affrontando in modo integrato le diverse fonti di energia e i principali aspetti tecnici, economici, ambientali e normativi. I contenuti spaziano dall’analisi del contesto energetico mondiale e nazionale, con particolare attenzione alla domanda e all’offerta di energia, alle politiche comunitarie, ai prezzi delle fonti primarie e alla pianificazione energetica italiana, fino allo studio approfondito delle tecnologie di produzione e conversione dell’energia. Vengono trattati i combustibili fossili, come carbone, petrolio e gas naturale, descrivendone le caratteristiche fisiche, i processi di estrazione, trasformazione, trasporto e impatto ambientale. Ampio spazio è dedicato alle fonti rinnovabili: si analizzano in dettaglio l’energia solare, sia termica che fotovoltaica, l’energia eolica, quella idroelettrica, geotermica, da biomasse e da rifiuti, includendo le tecnologie di conversione, il dimensionamento degli impianti, i sistemi di accumulo e gli aspetti ambientali correlati. Il corso include anche un’introduzione alle potenzialità dell’idrogeno come vettore energetico, illustrandone metodi di produzione, stoccaggio e utilizzo. Particolare attenzione è rivolta all’energia nucleare, attraverso l’analisi delle reazioni di fissione, dei tipi di reattori, della gestione delle scorie e delle nuove tecnologie emergenti. I contenuti affrontano anche i criteri per la valutazione degli impatti ambientali degli impianti, includendo metodologie di misura e strumenti normativi. L’intero percorso formativo mira a fornire una visione sistemica e aggiornata del settore energetico, preparando gli studenti a comprendere le sfide legate alla transizione energetica e allo sviluppo sostenibile. |
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| Obiettivi formativi |
Il corso si propone di fornire una solida formazione multidisciplinare nel campo dell’energia, affrontando i principali aspetti tecnici, economici, ambientali e normativi legati alla produzione, distribuzione e utilizzo delle diverse fonti energetiche. Gli obiettivi formativi comprendono: acquisire una visione sistemica del contesto energetico globale e nazionale, con attenzione all’evoluzione della domanda e dell’offerta, ai prezzi e alle politiche energetiche; comprendere i principi fisici e le tecnologie di conversione delle principali fonti di energia primaria, sia convenzionali (carbone, petrolio, gas naturale, nucleare) sia rinnovabili (solare, eolica, idroelettrica, geotermica, biomasse); approfondire le caratteristiche tecniche e prestazionali dei sistemi impiantistici, anche in relazione all’impatto ambientale e ai vincoli di sostenibilità. Il corso mira inoltre a fornire strumenti per l’analisi energetica, il dimensionamento di massima degli impianti, la lettura dei bilanci energetici e la valutazione di scenari futuri, con particolare riferimento al contesto italiano e alle strategie di transizione energetica, quali il PNIEC e i piani di contenimento dei consumi. |
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| Programma esteso |
Introduzione al corso – Energia contesto mondiale Richiami alle unità di misura dell’energia. Energia contesto mondiale. Influenza della crescita economica e demografica sui fabbisogni energetici mondiali (Paesi OECD, non OECD). Prezzi dell’energia (Prezzo del petrolio, prezzo del gas naturale, CO2 pricing). Domanda e offerta di energia primaria (Carbone, petrolio, gas naturale, uranio, rinnovabili). Politiche energetiche comunitarie. La situazione energetica italiana Domanda e offerta di energia, Consumi di energia, Fonti Energetiche Rinnovabili, Energia elettrica, Pianificazione in materia energetica, Scenari per l’Italia, bilanci energetici del sistema italiano. PNIEC (Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima). Piano nazionale di contenimento dei consumi di gas naturale. I combustibili Classificazione fisica (solidi, liquidi e gassosi) e classificazione in base all’origine (naturali o sintetici). Combustibili fossili. Il carbone: tipologie, genesi, caratteristiche energetiche e prestazioni ambientali in fase di conversione energetica. Il petrolio: genesi degli idrocarburi e disponibilità, formazione e composizione del petrolio, riserve. Migrazione e accumulo del petrolio. Esplorazione petrolifera. Prospezioni geologiche e geofisiche. Impianti e tecnologie di perforazione. Pozzi petroliferi, tecnologie di recupero del gas. Trasporto e raffinazione del petrolio. Caratterizzazione del greggio. GPL, benzina, Jet fuel, oli combustibili, cracking catalitico degli idrocarburi, Hydro-cracking, reforming catalitico. Combustibili gassosi. Giacimenti di gas naturale da riserve convenzionali e non convenzionali. Trasporto e stoccaggio del gas. Introduzione all’energia solare Interazione radiazione – materia. Interazione radiazione – atmosfera. Spettro elettromagnetico solare. Caratteristiche della radiazione solare. Concetti di Air Mass 1 (AM1) e Air Mass 0 (AM0). Bilancio energetico dell’atmosfera. Modelli energy balance per la modifica del RF (radiative Forcing). GWP – Global Warming Potential. Cenni ai fenomeni di UHI e metodi di controllo artificiale dell’albedo terrestre. Materiali cool. Mappe delle risorse solari. Sfruttamento di energia solare. Energia solare termica Classificazione del sole secondo il diagramma di Hertzsprung-Russell. Struttura solare. Moto del sole. Energia del Sole. Spettro di emissione. Radiazione solare diretta e diffusa. Calcolo della radiazione solare. Misura della radiazione solare. Tecnologie di conversione diretta dell’energia solare in calore. Solare termico a bassa, media e alta temperatura. Tipologie e schemi di diversi collettori (materiali, funzionamento, costo, temperature di esercizio dei fluidi termovettori, rendimenti e casi di utilizzo). Bilancio termico dei pannelli piani. Rendimento istantaneo. Rendimento misurato. Collettori parabolico-cilindrici. Rendimento istantaneo. Altri tipi di collettori (collettori parabolici e parabolico-cilindrici). Fluidi termovettori (acqua, vapore, oli minerali, oli sintetici, metalli liquidi, Sali fusi) Componenti di un circuito di un impianto solare termico (pompe, valvole di sicurezza, vasi di espansione, valvole di spurgo, serbatoi di accumulo dell’energia termica). Circuiti aperti o chiusi a circolazione naturale o forzata. Impianti a torre solare. Impianti con concentratori solari. Tecnologie per lo stoccaggio di energia termica: stagni solari. Muri di Trombe. Energia solare fotovoltaica Corrente di conduzione nei metalli. Densità di corrente. Densità di carica. Cenni alla teoria delle bande. Struttura cristallina e conduzione nei semiconduttori. Semiconduttori puri o intrinseci. Semiconduttori estrinseci o drogati. Corrente di diffusione. Giunzioni p-n. Effetto fotovoltaico. Effetto fotoelettrico. Cella fotovoltaica. Massimo rendimento teorico di una cella fotovoltaica. Curva caratteristica voltamperometrica. Curva caratteristica di una cella fotovoltaica in funzione della temperatura e in funzione della radiazione solare. Tipologie di celle fotovoltaiche. Celle in silicio monocristallino. Metodo Czochralski di produzione di una cella. Trattamenti antiriflesso ARC. Celle in silicio policristallino. Celle in silicio amorfo. Celle a film sottili. Celle CdTe (Telluro di cadmio). Celle multi-giunzione. Modulo fotovoltaico. Collegamento tra moduli. Stringhe fotovoltaiche. Schema di un campo PV (inverter, trasformatori e punti di consegna). Ombreggiamento e diodi di by-pass. Calcolo del rendimento di un pannello fotovoltaico. Dimensionamento di massima di un impianto fotovoltaico. Fotovoltaico a concentrazione (ricevitore solare, concentratore solare, fattori di concentrazione, angoli di accettanza). Concentratori ottici diffrattivi e riflessivi, sistemi di tracking. Smaltimento e riciclaggio di un impianto PV a fine vita. Energia eolica Considerazioni generali sul moto dei venti: energia cinetica del vento. Limite di Betz. Relazione tra velocità del vento e potenza: curva di potenza. Fattore di capacità. Produzione di energia. Statistiche sulla velocità e direzione del vento in un sito. Fattore di vorticità. Turbine eoliche ad asse orizzontale e verticale (caratteristiche specifiche). Diametri del rotore. Componenti di un aerogeneratore eolico. Mappa del vento in Italia e risorse eoliche in Europa. Stima della velocità del vento in quota (formula di Hellmann). Anemometri per la misura della velocità del vento. Curva di durata del vento. Stima della potenza massima estraibile da un aerogeneratore sulla base delle curve caratteristiche. Atlante del vento. Schema di un impianto eolico. Eolico offshore. Impatto ambientale di un impianto eolico (rumore, interferenze elettromagnetiche, impatto visivo, effetti su flora e fauna, emissioni indirette). Aspetti economici: costi di impianto, di esercizio e manutenzione). Aerodinamica della pala eolica ed effetto risultante di un flusso d’aria su un profilo alare. Wind farms. Effetti scia e modello di Jensen. Flickering. Cenni all'Energia idroelettrica Energia di una massa d’acqua. Richiami al teorema di Bernoulli tra due sezioni di un impianto idraulico. Energia captata da un impianto idroelettrico. Rendimento globale dell’impianto e rendimenti dei singoli componenti. Turbine idrauliche: Pelton, Francis, Kaplan. Carte idrogeologiche del territorio e regime pluviometrico (afflussi e deflussi). Profilo longitudinale di un corso d’acqua. Curva idrodinamica. Impianti ad acqua fluente: diagramma di durata, dimensionamento e criteri di progetto. Impianti a bacino: dimensionamento a portata o a volume costante e criteri di progetto. Impianti di accumulo e pompaggio. Impianti idroelettrici in Italia: numerosità e produzione di energia. Idroelettrico nel mondo. Energia geotermica Caratteristiche generali dell’energia del sottosuolo. Componenti di un sistema geotermico: sorgente, serbatoio di accumulo, fluido termovettore. Classificazione delle sorgenti geotermiche a bassa, media e alta entalpia. Sorgenti geotermiche: idrotermiche, geo-pressurizzate e petrotermiche. Sistemi a vapore dominante e ad acqua dominante. Impieghi delle acque geotermiche in funzione della temperatura. Impianti geotermici ad alta entalpia per la produzione di energia elettrica: schema a contropressione, schema a condensazione, impianti binari. Sonde geotermiche. Impatto ambientale dei sistemi geotermici. Geotermia in Italia numerosità degli impianti e produzione di energia elettrica. Geotermico per il teleriscaldamento nel mondo. Cenni all'Energia nucleare Radioattività. Combustibili nucleari. Dosimetria: dose assorbita, dose equivalente. Reazione di fissione e organi di regolazione. Reattori nucleari. Impianti BWR (Boiling Water Reactor), PWR (Pressurized Water Reactor), PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor), LWGR (Light Water Graphite Reactor), GCR (Gas Cooled Reactor). Impianti autofertilizzanti veloci (FBR). Centrali nucleari nel Mondo. Energia nucleare in Italia. Aspetti economici. Reazione di fusione. Scorie radioattive. Classificazione e gestione dei rifiuti radioattivi. Nuove tecnologie SMR/AMR (Small Modular Reactor/Advanced Modular Reactor). Capacità elettrica mondiale del nucleare. Costi del nucleare. Cenni all'Energia da rifiuti Definizione di rifiuto. Caratteristiche merceologiche e contenuto energetico del Rifiuto Solido Urbano. Sistemi di smaltimento: raccolta differenziata, discarica, compostaggio, termovalorizzazione e incenerimento. Tecnologie di termodistruzione: forni a griglia, forni a tamburo rotante, forni a letto fluido, gassificazione, pirolisi, tecnologie al plasma, forni a fusione elettrica. Abbattimento degli inquinanti. Trattamento e produzione di rifiuti in Italia ed Europa. TMB. CSS. Cenni all'Energia da biomasse Richiami alla definizione di biomassa. Classificazione, composizione e tipologie di biomasse. Caratterizzazione della biomassa lignocellulosica residuale. Conversione energetica. Pretrattamenti convenzionali e innovativi. Valorizzazione dei sottoprodotti della conversione energetica. Conversione termochimica: tecnologie ed esempi. Conversione biochimica: tecnologie ed esempi. Focus sulla produzione innovativa di bioidrogeno da biomassa. Aspetti ambientali Cenni ad aspetti ambientali correlati alla gestione degli impianti di conversione energetica delle biomasse e dei rifiuti. Metodologia di quantificazione dell’impatto odorigeno mediante olfattometria dinamica in accordo alla UNI EN 13725:2022. Cenni all'Idrogeno Generalità e proprietà fisiche dell’idrogeno. Impieghi attuali, filiera e metodi di produzione: elettrolisi, steam reforming, gassificazione, processi biologici, metodi alternativi (fotoelettrolisi, sonofotolisi). Stoccaggio dell’idrogeno: in fase liquida, con idruri metallici e nanostrutture di carbonio, con ammoniaca, in fase solida attraverso i clatrati idrati. Costi dello stoccaggio e del trasporto. Cenni alle Celle a combustibile Generalità sui sistemi elettrochimici di conversione energetica. Principio di funzionamento di una cella a combustibile alimentata a idrogeno. Reazioni anodiche e catodiche. Cenni di termodinamica delle celle a combustibile. Curva di polarizzazione. Rendimenti di cella: termodinamico, di tensione, di corrente. Effetto della pressione e della temperatura sulle prestazioni di cella. Principali tipologie di celle a combustibile. Celle a bassa temperatura: AFC, PEFC, PAFC, DMFE. Celle ad alta temperatura: MCFC, SOFC. |
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