Course Syllabus

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L'obiettivo del corso è fornire agli studenti le competenze per comprendere le problematiche legate all'uso delle risorse energetiche e analizzare le potenzialità e i limiti delle tecniche che possono essere utilizzate per promuovere la sostenibilità energetica.
Il corso è strutturato in modo da trattare il tema della sostenibilità energetica a partire dai principi fisici alla base dei processi di trasformazione dell'energia, con l'obiettivo di insegnare agli studenti una metodologia di analisi rigorosa e quantitativa delle problematiche energetiche.

  • Introduzione alla sostenibilità energetica
  • Termodinamica
  • Macchine termiche
  • Macchine frigorifere
  • Risparmio energetico
  • Potenzialità e limiti delle fonti energetiche rinnovabili
  • Sistema energetico mondiale
  • Effetti del consumo energetico sull'ambiente

Introduzione alla sostenibilità energetica

  • Definizione di sviluppo sostenibile
  • Correlazione tra consumi energetici e crescita demografica
  • Introduzione al problema energetico
  • Definizione di energia e descrizione delle differenti forme di energia
  • Processi di conversione dell'energia
  • Definizione di energia primaria, secondaria e negli usi finali

Termodinamica

  • Concetto di sistema termodinamico e di temperatura
  • Primo principio della termodinamica e conservazione dell’energia
  • L’entalpia e sua applicazione nelle reazioni
  • Secondo principio della termodinamica: reversibilità e irreversibilità
  • Funzione entropia e la sua evoluzione
  • Rendimento termodinamico

Macchine termiche

  • Motori a combustione interna: ciclo Otto (motore a scoppio), ciclo Diesel (motore ad accensione spontanea), ciclo di Brayton (motore a turbina)
  • Motori a combustione esterna: ciclo Rankine
  • Cicli combinati gas-vapore
  • Sistemi di cogenerazione
  • Ottimizzazione delle macchine termiche

Macchine frigorifere

  • Definizione di macchine frigorifere e pompe di calore
  • Coefficienti di prestazione
  • Cicli frigoriferi a compressione di vapore
  • Fluidi refrigeranti
  • Cicli frigoriferi ad assorbimento e sistemi di trigenerazione
  • Energia rinnovabile da pompa di calore
  • Confronto energetico tra pompe di calore, caldaie a combustibile e impianti cogenerativi
  • Prestazioni delle pompe di calore aerotermiche
  • Applicazione geotermica delle pompe di calore

Risparmio energetico

  • Risparmio energetico e sostenibilità
  • Stima dei consumi energetici e valutazione dell'efficienza nei vari settori
  • Risparmio energetico nel settore dei trasporti
  • Tecniche di riduzione della dispersione del calore
  • Risparmio di energia elettrica
  • Confronto tra varie tecniche di risparmio energetico

Potenzialità e limiti delle fonti energetiche a basse emissioni

  • Analisi del potenziale delle principali fonti energetiche a basse emissioni (solare, eolica, idroelettrica, geotermica, biomassa, nucleare)
  • Confronto delle diverse fonti energetiche in termini di EROI (energy return on energy invested), capacity factor, occupazione del suolo, ciclo di vita, materie prime critiche e Levelized Cost of Energy (LCOE)
  • Il problema della discontinuità nella produzione di energia elettrica da fonti intrinsecamente variabili
  • Cenni sulle principali tecniche di accumulo dell'energia
  • Analisi di alcuni scenari energetici a basse emissioni

Sistema energetico mondiale

  • Dati sul consumo di energia primaria nel mondo
  • Trend temporali di utilizzo delle diverse fonti energetiche
  • Distribuzione geografica dei consumi di energia primaria (integrali e pro capite)
  • Energia elettrica: produzione su scala mondiale e ripartizione per fonti
  • Energia negli usi finali: ripartizione per fonti energetiche e per settori/applicazioni
  • Analisi dei trend passati e proiezioni future della domanda energetica
  • Aspetti peculiari del consumo energetico in Italia
  • Utilizzo delle fonti di energia rinnovabile in Italia e obiettivi per il futuro

Effetti del consumo energetico sull'ambiente

  • La temperatura sulla Terra
  • L’atmosfera e l’effetto serra
  • Il bilancio radiativo della Terra
  • Global warming e cambiamento climatico
  • La temperatura della Terra nel passato
  • Le forzanti radiative
  • Ricadute ed effetti sul clima
  • Emissioni di gas serra e scenari futuri

Conoscenze di base della laurea triennale in fisica

Tutte le lezioni sono svolte in presenza in modalità erogativa:

  • 21 lezioni da 2 ore ciascuna.

Fanno parte del programma del corso anche alcuni seminari integrativi che saranno erogati in presenza durante le ore di lezione.

Egbert Boeker and Rienk Van Grondelle - Environmental Physics: Sustainable Energy and Climate Change (3rd edition)

Y. A. Çengel – Termodinamica e trasmissione del calore - Quarta edizione – McGraw-Hill (2013)

David JC MacKay - Sustainable Energy — without the hot air (2008) -

Durante il corso verranno forniti ulteriori riferimenti bibliografici e saranno distribuite alcune dispense.

Secondo semestre

Esame orale - Non sono previste prove in itinere

  • Domande sugli argomenti trattati nel corso per il controllo della preparazione sul programma d’esame
  • Domande per la verifica della capacità di riflessione autonoma su alcuni aspetti legati alla produzione e all'uso dell'energia e su possibili approcci relativi alla sostenibilità energetica
  • Colloquio facoltativo su argomenti di approfondimento non trattati a lezione

Gli studenti Erasmus possono chiedere di svolgere la prova d'esame in lingua inglese.

Lunedì - Venerdì previo appuntamento via e-mail (davide.chiesa@unimib.it)

ENERGIA PULITA E ACCESSIBILE | CITTÀ E COMUNITÀ SOSTENIBILI | CONSUMO E PRODUZIONE RESPONSABILI | LOTTA CONTRO IL CAMBIAMENTO CLIMATICO
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The objective of the course is to provide students with the skills to understand issues related to the use of energy resources and to analyze the potential and limitations of techniques that can be used to promote energy sustainability.
The course is structured to cover the topic of energy sustainability from the physical principles underlying energy transformation processes, with the goal of teaching students a methodology for rigorous and quantitative analysis of energy issues.

  • Introduction to energy sustainability
  • Thermodynamics
  • Thermal machines
  • Refrigeration machines
  • Energy saving
  • Potential and limits of renewable energy sources
  • World energy system
  • Effects of energy consumption on the environment

Introduction to energy sustainability

  • Definition of sustainable development
  • Introduction to the energy problem
  • Correlation between energy consumption and population growth
  • Definition of energy and description of different forms of energy
  • Energy conversion processes
  • Definition of primary, secondary, and end-use energy

Thermodynamics

  • Concept of thermodynamic system and temperature
  • First principle of thermodynamics and conservation of energy
  • Enthalpy and its application in reactions
  • Second principle of thermodynamics: reversibility and irreversibility
  • Entropy function and its evolution
  • Thermodynamic efficiency

Thermal machines

  • Internal combustion engines: Otto cycle (internal combustion engine), Diesel cycle (compression ignition engine), Brayton cycle (turbine engine)
  • External combustion engines: Rankine cycle
  • Combined gas-steam cycles
  • Combined heat and power systems
  • Optimization of thermal machines

Refrigeration machines

  • Definition of refrigeration machines and heat pumps
  • Coefficients of performance
  • Vapor compression refrigeration cycles
  • Refrigerant fluids
  • Absorption refrigeration cycles and trigeneration systems
  • Renewable energy from heat pumps
  • Energy comparison of heat pumps, fuel-fired boilers and cogeneration systems
  • Performance of aerothermal heat pumps
  • Geothermal application of heat pumps

Energy saving

  • Energy saving and sustainability
  • Energy consumption estimation and efficiency evaluation in various sectors
  • Energy saving in the transportation sector
  • Techniques for reducing heat loss
  • Electricity savings
  • Comparison of various energy-saving techniques

Potential and limits of low-emission energy sources

  • Analysis of the potential of major low-emission energy sources (solar, wind, hydro, geothermal, biomass, nuclear)
  • Comparison of different energy sources in terms of EROI (energy return on energy invested), capacity factor, land occupancy, life cycle, critical raw materials, and Levelized Cost of Energy (LCOE)
  • The problem of discontinuity in electricity generation from intrinsically variable sources
  • Notes on the main energy storage techniques
  • Analysis of some low-emission energy scenarios

World energy system

  • Data on primary energy consumption in the world
  • Temporal trends in the use of different energy sources
  • Geographic distribution of primary energy consumption (integral and per capita)
  • Electricity: world-scale production and breakdown by sources
  • Energy in end uses: breakdown by energy sources and by sectors/applications
  • Analysis of past trends and future projections of energy demand
  • Peculiar aspects of energy consumption in Italy
  • Use of renewable energy sources in Italy and targets for the future

Effects of energy consumption on the environment

  • The temperature on Earth
  • The atmosphere and the greenhouse effect
  • The Earth's radiative budget
  • Global warming and climate change
  • Earth's temperature in the past
  • Radiative forcings
  • Impacts and effects on climate
  • Greenhouse gas emissions and future scenarios

Basic knowledge of bachelor's degree in physics

All lectures are given in-presence in delivery mode:

  • 21 lectures (2 hours each).

Also part of the course program are some supplementary seminars that will be delivered in-presence during the lecture hours.

Egbert Boeker and Rienk Van Grondelle - Environmental Physics: Sustainable Energy and Climate Change (3rd edition)

Y. A. Çengel – Introduction to thermodynamics and heat transfer – McGraw-Hill

David JC MacKay - Sustainable Energy — without the hot air (2008) -

Additional literature references will be provided during the course and some lecture notes will be available.

Second semester

Oral Examination - There are no intermediate tests.

  • Questions on topics covered in the course to check preparation on the examination program
  • Questions to check the ability to reflect autonomously on some aspects related to energy production and use and possible approaches related to energy sustainability
  • Optional colloquium on additional topics not covered in the course

Erasmus students may request to take the exam in English.

Monday - Friday by appointment by e-mail (davide.chiesa@unimib.it)

AFFORDABLE AND CLEAN ENERGY | SUSTAINABLE CITIES AND COMMUNITIES | RESPONSIBLE CONSUMPTION AND PRODUCTION | CLIMATE ACTION
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Key information

Field of research
FIS/07
ECTS
6
Term
Second semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
42
Degree Course Type
2-year Master Degreee
Language
Italian

Students' opinion

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Bibliography

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Enrolment methods

Manual enrolments

Sustainable Development Goals

AFFORDABLE AND CLEAN ENERGY - Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all
SUSTAINABLE CITIES AND COMMUNITIES - Make cities and human settlements inclusive, safe, resilient and sustainable
RESPONSIBLE CONSUMPTION AND PRODUCTION - Ensure sustainable consumption and production patterns
CLIMATE ACTION - Take urgent action to combat climate change and its impacts