Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenza dei principi fisici alla base delle trasformazioni energetiche e delle risorse energetiche primarie, della loro disponibilità e tecnologie di utilizzo.
Contenuti sintetici
Definizione dei sistemi energetici e delle problematiche connesse.
Composizione del panorama energetico globale: risorse, impieghi e tendenze
Elementi di termodinamica
Dinamica dei fluidi per la conversione energetica.
Introduzione all'energia nucleare.
Fissione Nucleare.
Fusione Nucleare.
Fonti di energia rinnovabili: principi, sorgenti e tecnologie
Combustibili fossili: formazione, riserve, elementi di combustione e potere calorifico.
Cenni alle reti di distribuzione dell'energia elettrica e ai sistemi di storage.
Energy mix sostenibile
Programma esteso
DdD 1: Conoscenza e capacità di comprensione
Definizione dei sistemi energetici e delle problematiche connesse. Evoluzione del fabbisogno energetico. Sostenibilita' dei sistemi energetici. Capacity Factor, Energy Return On Investments.
Elementi di termodinamica. Cicli di interesse per la generazione di energia ed efficienze, esempi di applicazione in impianti di generazione.
Dinamica dei fluidi per la conversione energetica. Conservazione dell'energia in un fluido ideale, equazione di Bernoulli, dinamica di un fluido viscoso, forze di lift e drag, circolazione, flusso su un profilo alare, equazione di Eulero per una turbina.
Fonti di energia rinnovabili termiche a bassa entalpia: solare termico, geotermia, idrotermia. Esempi, disponibilita' potenziale, linee di sviluppo tecnologico.
Introduzione all'energia nucleare. Energia di legame, curva di stabilita', decadimento radioattivo, modello nucleare a goccia, cenni all'interazione di radiazione ionizzante con la materia.
Fissione Nucleare. Reazione a catena, energia di attivazione, cenni di neutronica, cinetica del reattore e moderatore. Schemi di funzionamento di reattori a neutroni termici e a neutroni veloci. Ciclo del combustibile
Fusione Nucleare . Reazioni di fusione, cenni di fisica del plasma termonucleare, cenni al confinamento inerziale del plasma, confinamento magnetico del plasma, dispositivi tokamak, schema di funzionamento del reattore termonucleare
Fonti di energia rinnovabili di origine meccanica di tipo streaming: eolico, onde di marea, onde marine. Esempi e disponibilita' potenziale, linee di sviluppo tecnologico.
Energia idroelettrica. Potenza in uscita da un bacino idroelettrico. Turbine a impulse e a reazione e rispettivi range di funzionamento
Energia da biomasse. Processi di conversione dell’energia posseduta dalle biomasse vegetali. Selezione delle biomasse per produzione energetica.
Solare fotovoltaico. Generalita’ sulle celle solari inorganiche. Semiconduttori. Celle al silicio. Tecnologie avanzate per l’ottimizzazione dell’efficienza
Combustibili fossili: formazione, riserve, elementi di combustione e potere calorifico.
Cenni alle reti di distribuzione dell'energia elettrica e ai sistemi di storage.
Combinazione delle fonti energetiche verso la sostenibilità
Prerequisiti
Conoscenze di termodinamica, elettromagnetismo e struttura della materia dalla laurea di primo livello
Modalità didattica
21 lezioni frontali di 2 ore
Sono inoltre previsti alcuni seminari integrativi che fanno parte del programma del corso e alcuni seminari complementari.
Parte integrante del corso è la preparazione di un approfondimento individuale secondo una delle seguenti tipologie, concordato con il docente e condotto con la sua supervisione (DdD 2: Conoscenza e capacità di comprensione applicate; DdD 3: Autonomia di giudizio; DdD 5: Capacità di apprendere)
APPROFONDIMENTO SU ARTICOLO SCIENTIFICO (esposizione di argomenti non trattati a lezione);
ANALISI DI CASO (Descrizione di situazione o esempio reale di cui si analizzano le interconnessioni
fra i diversi elementi/variabili alla luce di una o più paradigmi teorici);
PROJECT WORK (Sviluppo di un progetto originale a partire da una semplice idea o dall’analisi di
un caso esistente).
Materiale didattico
John Andrews, Nick Jelley. Energy Science: Principles, Technologies, and Impacts. Oxford University Press, 2017 (third edition or newer, fourth edition 2021)
Bob Everett, Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future. OUP Oxford, 2012
Ibrahim Dincer, Calin Zamfirescu. Sustainable Energy Systems and Applications. Springer Science 2011
Tushar K. Ghosh, Mark A. Prelas. Energy Resources and Systems: Volume 2: Renewable Resources. Springer Business & Economics 2011
Slides del corso messe a disposizione dal docente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Valutazione basata sui tre elementi seguenti
-Preparazione di una relazione scritta, con esposizione di un approfondimento svolto dallo studente, valutato secondo i criteri di originalità, rigore scientifico e chiarezza di esposizione (DdD 2: Conoscenza e capacità di comprensione applicate, DdD 3: Autonomia di giudizio).
-Svolgimento di un breve seminario con esposizione di un approfondimento svolto dallo studente, in presenza, valutato secondo i criteri di originalità, rigore scientifico e chiarezza di esposizione (DdD 4: Abilità comunicative).
Tali seminari possono riferirsi alternativamente a
APPROFONDIMENTO SU ARTICOLO SCIENTIFICO (esposizione di argomenti non trattati a lezione);
ANALISI DI CASO (Descrizione di situazione o esempio reale di cui si analizzano le interconnessioni
fra i diversi elementi/variabili alla luce di una o più paradigmi teorici);
PROJECT WORK (Sviluppo di un progetto originale a partire da una semplice idea o dall’analisi di
un caso esistente).
-COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE. Colloquio orale volto a verificare il livello di conoscenza e comprensione dei contenuto del corso. (DdD 5: Capacità di apprendere; DdD 1: Conoscenza e capacità di comprensione degli argomenti trattati nel corso).
Non sono previste prove in itinere
Orario di ricevimento
Orario di ufficio, previo appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge of the physical principles at the basis of primary energy resources, of their availability and possibility of use. Energy transformations. Combination of energy sources for sustainability
Contents
Definition of energy systems and related problems.
Global energy landscape: resources, uses and trends
Elements of thermodynamics
Fluid dynamics for energy conversion.
Introduction to nuclear energy.
Nuclear fission.
Nuclear Fusion.
Renewable energy sources: principles, sources and technologies
Fossil fuels: formation, reserves, combustion elements and calorific value.
Introduction to electricity distribution networks and storage systems.
Sustainable low carbon energy mix
Detailed program
DdD 1: knowledge and understanding
Definition of the energy systems and related problems. Evolution of the energy request. Sustainability of energy systems. Capacity Factor, Energy Return On Investments.
Dynamics of fluids for energy conversion. Conservation of energy in an ideal fluid, Bernoulli equation, dynamics of a viscous fluid, lift and drag forces, circulation, flow on a wing profile, Euler equation for a turbine.
Elements of thermodynamics. Thermodynamic cycles for energy production and their efficiency, examples of application in power plants.
Introduction to nuclear energy. Binding energy, stability curve, radioactive decay, drop model of the nucleus, hints of the interaction of ionizing radiation with matter.
Nuclear Fission. Chain reaction, activation energy, neutronics, reactor kinetics and moderator. Operating diagrams of thermal neutron and fast neutron reactors. Fuel cycle
Nuclear fusion. Fusion reactions, hints of thermonuclear plasma physics, inertial confinement of plasma, plasma magnetic confinement, tokamak devices, thermonuclear reactor operation scheme.
Renewable sources of low-enthalpy thermal energy: solar thermal, geothermal, hydrothermal. Examples, potential availability, lines of technological development
Renewable sources of energy of mechanical origin: wind, tides, sea waves. Examples and potential availability, lines of technological development.
Hydroelectric energy. Power output from a hydroelectric basin. Impulse turbins and reaction turbines and respective operating ranges
Biomass energy. Energy conversion processes of plant biomass. Selection of biomass coltures for energy production.
Prerequisites
Knowledge of thermodynamics, electromagnetism and structure of matter from the first level degree
Teaching form
Taught class 21 lectures of 2 hours
Some seminars on specific topics will be organized as parts of the course program, plus some seminar on complementary topics
An integral part of the course is the preparation of an individual study according to one of the following typologies, agreed with the teacher and conducted under his supervision (DdD 2: applying knowledge and
understanding; DdD 3: making judgements; DdD 5: learning skills)
IN-DEPTH ANALYSIS OF A SCIENTIFIC ARTICLE (presentation of topics not covered in class);
CASE ANALYSIS (Description of a situation or real example whose interconnections are analysed
between the different elements/variables in the light of one or more theoretical paradigms);
PROJECT WORK (Development of an original project starting from a simple idea or from the analysis of
an existing case).
Textbook and teaching resource
John Andrews, Nick Jelley. Energy Science: Principles, Technologies, and Impacts. Oxford University Press, 2017 (third edition or newer, fourth edition 2021)
Bob Everett, Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future. OUP Oxford, 2012
Ibrahim Dincer, Calin Zamfirescu. Sustainable Energy Systems and Applications. Springer Science 2011
Tushar K. Ghosh, Mark A. Prelas. Energy Resources and Systems: Volume 2: Renewable Resources. Springer Business & Economics 2011
Lecture notes.
Semester
Second semester
Assessment method
Evaluation based on the following three elements
-Written report, on topics and insights inherent to the course. (DdD 2: Applying knowledge and understanding, DdD 3: Making judgements).
-Presentations held by students. (DdD 4: Communication skills)
Such seminars can be related to
IN-DEPTH ANALYSIS OF A SCIENTIFIC ARTICLE (presentation of topics not covered in class);
CASE ANALYSIS (Description of a situation or real example whose interconnections are analysed
between the different elements/variables in the light of one or more theoretical paradigms);
PROJECT WORK (Development of an original project starting from a simple idea or from the analysis of
an existing case).
-Interview.
Oral examination - (DdD 5: Learning skills, DdD 1: Knowledge and understanding of the course topics).
No intermediate evaluation will be organized
Office hours
Monday - Friday by appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Giuseppe Gorini
-
Carlo Sozzi
