FISICA AMBIENTALE

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA) (FIS/07)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di 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 sarà 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. Avrà inoltre acquisito le nozioni di base relative ai cicli termodinamici ed alla loro efficienza con riferimento agli impianti motori termici più diffusi. Conoscerà quindi 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 sarà 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. Sarà inoltre 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 avrà acquisito 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 avrà acquisito 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 sarà in grado, sulla base delle conoscenze fondamentali fornite nel corso, di acquisire autonomamente le informazioni ed 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.

Prerequisiti

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

Contenuti dell'insegnamento

Aspetti generali. Il bilancio energetico del pianeta. Sostenibilità energetica. Consumi di energia nel mondo e fonti energetiche primarie. Combustibili fossili e fonti rinnovabili.
Tecnologie per l’utilizzazione delle fonti rinnovabili. Energia solare: solare fotovoltaico e solare termico. Biomasse. Energia idraulica. Energia eolica.
Utilizzazione dei combustibili fossili. Cicli termodinamici. Generazione di energia elettrica e cogenerazione. Pompe di calore 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.

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. Solare termico: disponibilità della radiazione solare; collettori solari termici; impianti per ACS; problemi di accumulo termico a breve e lungo termine; cenni ai collettori a concentrazione a media ed alta temperatura per calore di processo e per generazione elettrica. Solare fotovoltaico: generalità sulle tecnologie e sulle loro caratteristiche; analisi dei vari tipi di moduli FV; considerazioni sugli impianti stand-alone e grid-connected. 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; 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.

Bibliografia

Gli argomenti affrontati durante il corso sono presentati con analogo approccio e con identica simbologia nel testo seguente:
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.
Per ulteriori approfondimenti lo studente può inoltre consultare i testi seguenti:
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
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.
Le slide proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni e le esercitazioni (lucidi, schemi impiantistici, fogli Excel) verranno caricate sulla piattaforma Elly: per scaricare tale materiale da Elly è necessaria l’iscrizione al corso on line. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.

Metodi didattici

Le attività didattiche saranno condotte nella forma di lezioni frontali in aula nel corso delle quali gli argomenti del corso vengono affrontati sia da un punto di vista teorico, al fine di favorire la comprensione delle tematiche presentate (collegandole ove opportuno con le conoscenze già acquisite dallo studente), sia pratico (attraverso valutazioni quantitative delle emissioni e delle cause di impatto derivanti dai processi di conversione dell'energia). Nell'ambito del corso saranno presentati anche alcuni esempi numerici finalizzati 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.
A complemento dei metodi didattici finora esposti, se le condizioni lo consentiranno, verranno organizzate visite tecniche presso impianti e seminari su temi specifici trattati da specialisti del settore.
Il docente è disponibile durante l’orario di ricevimento ed anche su appuntamento (e-mail) per chiarimenti sulle lezioni.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell’apprendimento si realizza attraverso il solo esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità (ossia l‘acquisizione dei risultati di apprendimento) attraverso un colloquio orale.
Esso consiste in due domande teoriche sugli argomenti svolti nel corso 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.
Ciascuna delle due domande viene valutata su una scala da 0 a 30. Per superare l’esame è necessario che per entrambe le domande la votazione sia almeno pari a 18/30.
Il voto finale è ottenuto calcolando la media aritmetica dei voti delle due domande della prova orale (entrambi in trentesimi). Il voto finale viene comunicato al termine dell’appello di esame.
Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA per sostenere l’esame finale.

Altre informazioni

E' vivamente consigliata la frequenza alle lezioni.