Obiettivi formativi
L'obiettivo generale del corso è l'acquisizione da parte degli studenti delle conoscenze - sia teoriche che applicative - del problema energetico e della valutazione delle sue possibili soluzioni. In particolare, viene evidenziata la fisica alla base dei processi di produzione dell'energia con riferimenti alla riduzione dei consumi energetici e alla sostenibilità delle risorse naturali impiegate. In particolare lo studente dovrebbe essere in grado di:
1. Capire le metodologie inerenti la gestione e l'analisi dei sistemi di produzione dell'energia.
Conoscere le principali fonti di energia rinnovabile e non e la loro interazione con l'ambiente (Sviluppo Sostenibile).
Essere in grado di utilizzare il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia tipica delle fonti di energia rinnovabile. (Conoscenza e capacità di comprensione - knowledge and understanding)
2. Saper individuare la soluzione meno invasiva, da un punto di vista ambientale, per la produzione di energia utilizzando fonti rinnovabili. Essere in grado di impostare i bilanci energetici tenendo conto della sostenibilità ambientale della produzione energetica. (Capacità di applicare conoscenza e comprensione - applying knowledge and understanding)
3. Essere in grado di esporre i risultati degli studi anche ad un pubblico non esperto. Saper presentare ad un pubblico esperto o non esperto le peculiarità di una determinata fonte di energia rinnovabile all'interno del più generale problema dell'approvvigionamento energetico. (Abilità comunicative - communication skills)
4. Saper valutare i limiti delle fonti di energia rinnovabili considerandone sia i punti positivi, sia i punti negativi in funzione dei costi e della sostenibilità ambientale. (Autonomia di giudizio - making judgements)
5. Collegare i diversi argomenti trattati tra loro e con le discipline di base ed affini. Aggiornarsi mediante la consultazione delle pubblicazioni scientifiche proprie del settore. (Capacità di apprendimento - learning skills)
Prerequisiti
I corsi di Fisica dei primi due anni della laurea triennale:
Fisica 1
Fisica 2
Laboratorio di Fisica 1
Laboratorio di Fisica 2
Contenuti dell'insegnamento
Il problema energetico è centrale per il presente ed il futuro delle attività umane. Il controllo dello sfruttamento delle risorse energetiche e la riduzione dell’impatto ambientale, conseguente al loro uso, non sono soltanto questioni contingenti di carattere politico-economico, ma rappresentano soprattutto una sfida e un’impresa scientifica-tecnologica i cui obiettivi strategici possono essere raggiunti con azioni complesse, volte da un lato all’aumento dell’efficienza della produzione e dell’uso dell’energia e, dall’altro, allo sfruttamento e alla introduzione di energie rinnovabili e di nuove tecnologie. Diventa perciò necessaria una conoscenza sempre più mirata delle fonti di energia sia classiche (fossili) che innovative (rinnovabili).Fornire una base metodologica nel settore dell’utilizzazione delle risorse energetiche e delle tecniche per controllare l’impatto ambientale dei sistemi energetici mostrando come effettuare un uso razionale dell’energia ed implementare sistemi e tecnologie sostenibili è l'obiettivo principale del corso.
Programma esteso
ENERGIA E SOSTENIBILITÀ: Origini e significato del concetto di sostenibilità, Sostenibilità energetica
L’ENERGIA E LE SUE FONTI: Il concetto di energia, Definizione e forme di energia, Fonti primarie e secondarie di energia, Fonti energetiche convenzionali e alternative, Fonti rinnovabili e non rinnovabili, Equilibrio energetico - azioni antropiche.
LE FONTI FOSSILI: Il petrolio - Il gas naturale - Il carbone - Confronto tra i costi delle fonti fossili.
IL NUCLEARE: La fusione nucleare - La fissione nucleare: vantaggi e svantaggi - I reattori a fissione di terza e di quarta generazione - Costi dell’energia prodotta da fonte nucleare.
LE FONTI RINNOVABILI: Definizione di energia rinnovabile, Energia da fonti rinnovabili classiche
Energia idroelettrica - Vantaggi e Svantaggi dell’idroelettrico - Costi dell’energia prodotta da fonte idroelettrica
Energia geotermica - Vantaggi e Svantaggi del geotermico - Costi dell’energia prodotta da fonte geotermica
Energia eolica - Vantaggi e Svantaggi dell’eolico - Costi dell’energia prodotta da fonte eolica.
Biomasse
Tecnologie di conversione delle biomasse - Processi di conversione termochimica - La combustione diretta e co‐combustione (cofiring) - Carbonizzazione - Gassificazione - Pirolisi - Processi di conversione biochimica - Digestione aerobica e anaerobica - Fermentazione alcoolica - Estrazione di oli vegetali e produzione di biodiesel- Steam explosion – Potenzialità, vantaggi e svantaggi nell’utilizzazione delle biomasse a scopi energetici - Costi dell’energia prodotta da biomasse.
Energia solare - Equilibrio Terra-Sole - Effetto serra.
Solare fotovoltaico - Descrizione della tecnologia fotovoltaica - La cella fotovoltaica - Le diverse tecnologie a confronto - Il sistema di condizionamento e controllo della potenza - La producibilità elettrica da fotovoltaico - Vantaggi e Svantaggi del fotovoltaico - Costi dell’energia prodotta mediante tecnologia fotovoltaica.
Energia solare: Solare termico a bassa temperatura - Vantaggi e Svantaggi del solare termico a bassa temperatura - Costi dell’energia prodotta da solare termico a bassa temperatura.
Energia solare: Energia solare termodinamica a concentrazione - Il concetto - Tecnologie di captazione dell’energia solare - Sistemi a collettori parabolici lineari (Parabolic Trough) - Sistemi a collettori lineari Fresnel (Linear Fresnel Reflector)- Sistemi a torre centrale (Solar Tower) - Sistemi a collettori parabolici circolari (Dish Stirling) - Costi della tecnologia solare termodinamica.
FONTI RINNOVABILI DEL FUTURO: Uno sguardo alle più promettenti innovazioni delle tecnologie di conversione - Energia marina - Lo sviluppo tecnologico e il potenziale energetico relativo all’energia marina - Energia osmotica (gradiente salino) - Energia mareomotrice - Energia dalle variazioni (intervalli) di marea - Costi - Energia dalle correnti di marea - Costi - Energia dalle correnti marine - Costi - Energia dal moto ondoso - Costi- Energia talassotermica.
Bibliografia
Appunti dalle lezioni
DJC. MacKay, Sustainable Energy - without the hot air; UIT Cambridge, ISBN: 978-1-906860-01-1 (scaricabile e consultabile gratuitamente su http://www.withouthotair.com/)
C. Julian Chen, Physics of Solar Energy, ed. Wiley, ISBN: 978-0-470-64780-6
Twidell & Weir, Renewable energy resources, ed. Taylor and Francis, ISBN: 978-0-419-25320-4
Metodi didattici
Le attività didattiche saranno condotte mediante lezioni frontali alternate ad esercitazioni con il coinvolgimento degli studenti.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate al termine di ogni lezione sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l'iscrizione on-line al corso.
Le slide vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
L'accertamento delle competenze avverrà attraverso un unico colloquio orale individuale la cui durata è indicativamente pari a circa 60 minuti.
Il colloquio verterà sia sugli aspetti teorici del corso che su quelli più propriamente applicativi. Per quanto concerne questi ultimi, la discussione della parte pratica prevede l'accertamento delle competenze acquisite dallo studente, mediante la risoluzione di esercizi, riguardo ad uno dei seguenti temi: fonti fossili, nucleare a fissione, nucleare a fusione, solare fotovoltaico, solare termico, solare termodinamico, idroelettrico, eolico, biomasse, rinnovabili del futuro (pressione osmotica, mareomotrice, gradiente salino, gradiente di temperatura, moto ondoso).
La valutazione dell'apprendimento sarà focalizzata sulla valutazione dei risultati attesi, in accordo con i descrittori di Dublino.
Il voto sarà dato in trentesimi e varierà da 18/30 a 30/30 con lode. L'obiettivo della prova d'esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento delle conoscenze, competenze e abilità indicate. Il voto sarà espresso, secondo il seguente schema di valutazione:
- Ottimo (30-30 e lode) : Ottima conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Ottima capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Eccellenti capacità espositive.
- Molto buono (27-29): Buona conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Buona capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Ottime capacità espositive.
- Buono (24-26): Buona conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Discreta capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche. Buone capacità espositive.
- Discreto (21-23): Discreta conoscenza e comprensione degli argomenti trattati. Limitata capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti e nell'affrontare nuove problematiche.
- Sufficiente (18-20) : Conoscenza minima degli argomenti trattati e limitata capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi proposti.
- Insufficiente(<18) : Manca di una conoscenza accettabile degli argomenti trattati e/o non dimostra una sufficiente capacità di applicare le conoscenze acquisite per risolvere gli esercizi.
Altre informazioni
Possibilità di ampliamento del programma in base alle esigenze specifiche degli studenti.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo corso è improntato alla conoscenza pratica delle energie rinnovabili, alla loro applicabilità in diversi contesti all'interno del concetto di sviluppo sostenibile inteso come incontro sinergico tra le esigenze sociali, economiche e ambientali. Cod 07: Energia pulita e accessibile
