Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Sustainable use of biomasses for energy

01QXGMW, 01QXGND

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Chemical And Sustainable Processes Engineering - Torino
Master of science-level of the Bologna process in Energy And Nuclear Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 43.5
Esercitazioni in aula 16.5
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Pirone Raffaele Professore Ordinario ING-IND/27 30 10.5 0 0 5
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/27 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
L’insegnamento copre un campo emergente della moderna ingegneria di processo, sia di tipo energetico che chimica, centrato sulla revisione critica ed innovativa della processistica chimica industriale al fine non tanto di ridurre l'impatto sulla salute umana e sull'ambiente dei prodotti e dei processi, quanto piuttosto di "ripensare" al processo e alla tecnologia perché sia intrinsecamente sostenibile, anche e soprattutto dal punto di vista delle materie prime (necessariamente rinnovabili). Le lezioni mirano a dare una panoramica sui processi più innovativi attualmente impiegati o in fase avanzata di sviluppo tecnologico per lo sfruttamento “sostenibile” di risorse naturali e di natura vegetale (e quindi rinnovabili) per la produzione di energia di differente scala e tipologia. Inoltre, esse intendono fornire le conoscenze ingegneristiche (linee guida e tools scientifici) per misurare e incrementare la "sostenibilità" di un processo o di un prodotto.
The module covers an emerging field of modern process engineering, both energetic and chemical, centered on the critical and innovative review of industrial chemistry processes aimed not only to reduce the impact on human health and the environment of new products and processes, but with even more emphasis to "rethink" the process and the technology in order to be intrinsically sustainable, especially from the point of view of raw materials (necessarily renewable). The lessons aim to give an overview of the most innovative processes currently employed or in an advanced phase of development, for the "sustainable" exploitation of natural and vegetal resources (and therefore renewable) for the production of energy in different scale and typology. They also intend to provide engineering knowledge (guidelines and scientific tools) to measure and increase the "sustainability" of a process or a product.
L’insegnamento si colloca sul finire dei percorsi di studio degli allievi ingegneri chimici ed energetici ed ha l’ambizione di fornire alcune nozioni sui processi industriali di trattamento di biomasse al fine di ricavarne energia. Tuttavia, il risultato principale che si intende perseguire non è esclusivamente legato all’acquisizione di queste competenze, ma anche e soprattutto al completamento della formazione dell'ingegnere di processo attraverso l’applicazione delle competenze acquisite in altri insegnamenti dei corsi di studio, declinando in maniera “quantitativa” il concetto di sostenibilità degli approcci processistici proposti. Le lezioni presentano infatti problemi ed esempi di carattere pratico che susseguono le brevi nozioni di base illustrate; in tali problemi, l’approccio ingegneristico che richiama competenze ad ampio spettro che si suppone che l’allievo possegga devono servire a dare risposte puntuali sulla concretezza e fattibilità di ordine pratico delle soluzioni di processo analizzate. Alcune lezioni sull’analisi del ciclo vita di prodotti e processi (LCA) hanno questo tipo di funzione: devono cercare di aggiungere concretezza all’approccio teorico e andranno esercitate affrontando problemi realistici in cui si devono fare calcoli di tipo ingegneristico. Attraverso la frequenza del corso, lo studente dovrà acquisire: - la conoscenza approfondita delle natura e composizione chimica nonché della conseguente reattività di una serie di classi di materiali di origine vegetale di potenziale interesse ai fini energetici; - la capacità di comprendere i vari aspetti di un processo chimico-fisico per la trasformazione di biomassa in energia (termodinamica, cinetica, tipologia di reattori, condizioni operative, schemi di impianto, aspetti di sicurezza, ambientali ed economici) e di come il loro concorrere determini la prestazione industriale; - la capacità di risolvere problemi di calcolo relativi ad equilibri e bilanci di materia ed energia concernenti processi di trasformazione di biomasse; - la capacità di declinare in modo corretto il concetto di sostenibilità di un processo di produzione di energia, analizzando tutte le fasi del ciclo vita della materia prima e dei prodotti e processi di trasformazione in energia.
The module is at the end of the Msc programs of chemical and energy engineer and has the ambition to provide some insights into the industrial processes of biomass treatment aiming to generate energy. However, the main result to be pursued is not only related to the acquisition of such skills, but also and above all to the completion of the process engineer training by applying the skills acquired in other modules in the course of the studies and declining in a “quantitative manner” the concept of sustainability of the proposed process approaches. The lessons in fact treats practical problems and examples that follow the brief basic concepts illustrated; in such problems, the engineering approach that recalls broad spectrum skills that is supposed the students possess must serve to provide effective responses to the practicality and feasibility of the process solutions analyzed. Some lessons on product and process life cycle analysis (LCA) have this type of function: they must try to add concreteness to the theoretical approach and exercise with realistic problems where engineering calculations have to be made. Through the attendance of lessons, the student will have to acquire: - the in-depth knowledge of the nature and chemical composition and the consequent reactivity of a series of materials of vegetable origin of potential interest for energy purposes; - the ability to understand the various aspects of a chemical-physical process for the transformation of biomass into energy (thermodynamics, kinetics, type of reactors, operating conditions, process schemes, safety, environmental and economic aspects) and how their concurrence determine the industrial performance; - the ability to solve calculation problems related to balance and material and energy balance relating to biomass processing processes; - the ability to properly declare the concept of sustainability of an energy production process by analyzing all stages of the life cycle of raw material and products and processes transformation into energy.
L'allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere la chimica generale, in particolare i concetti di equilibrio chimico, e di stechiometria semplice e complessa, la termodinamica e i fenomeni di trasporto di calore e materia. E’ auspicabile che l’allievo abbia qualche rudimento di cinetica chimica. Deve avere padronanza dei bilanci di materia e di energia su sistemi chiusi e in flusso. Deve conoscere le macchine termiche e i principi alla base dei processi di trasformazione dell’energia nelle sue varie forme. E' desiderabile che sappia effettuare ricerche bibliografiche su fonti in lingua inglese.
The student who accesses this module must know about general chemistry, in particular the concepts of chemical equilibrium, simple and complex stoichiometry, thermodynamics and heat and mass transport phenomena. It is desirable for the student to have some rudiments of chemical kinetics. It must master the balance of mass and energy on closed and flow systems. He has to know the thermal machines (pumps, compressors, turbines, etc.) and principles underlying the processes of energy transformation in its various forms. It is desirable to know that you can search bibliographic sources in English.
L’era del petrolio (risorse, sfruttamento, problematiche). L’età della Sostenibilità. Materie prime ed energia. Biomasse come alternativa ai combustibili fossili. Composizione chimica dei combustibili tradizionali e delle biomasse. Potere calorifero. Sfruttamento delle risorse ai fini energetici. Ruolo della catalisi e della biocatalisi. Biomasse agricole e forestali; Rifiuti organici; Rifiuti solidi urbani; Colture di microrganismi fotosintetici (microalghe, cianobatteri) e fotobioreattori quali produttori di energia. Applicazioni industriali di processi sostenibili (bioraffineria): produzione di bioetanolo, bio-olio; biodiesel e biogas da biomasse di differente natura (ligno-cellulosiche, zuccherine, oleaginose). Processi e impianti di conversione “a caldo”: combustione, gassificazione e pirolisi. Processi e impianti di conversione “a freddo”: fermentazione e digestione anaerobica; processo di produzione di biodiesel per transesterificazione di olii vegetali. Analisi e valutazione della spesa energetica nell’impiantistica associata ai processi. Definizione dei parametri di sostenibilità energetica e loro uso: ESI (Energy Sustainability Index) ed EROI (Energy Return On Investement). Analisi di ciclo vita (LCA) e sostenibilità energetica. Criteri tecnico-economici per la corretta analisi di fattibilità di processi innovativi. Il bilancio di energia sull’intero ciclo di produzione di energia da biomasse, e la valutazione della CO2 fossile e rinnovabile associata. Esercitazioni: Bilanci di materia e di energia sugli schemi di processo. LCA di prodotti e/o processi: case studies di problematiche peculiari in ambito energetico nello sfruttamento di biomasse. Valutazioni quantitative
The oil era (resources, exploitation, problems). The Age of Sustainability. Raw materials and energy. Biomass as an alternative to fossil fuels. Chemical composition of traditional fuels and biomass. Calorific value. Exploitation of resources for energy purposes. Role of catalysis and biocatalysis. Agricultural and forest biomass; Organic waste; Cultures of photosynthetic micro-organisms (microalgae, cyanobacteria) and photobioreactors such as energy producers. Sustainable industrial process applications (biorephinery): production of bioethanol, bio-oil; Biodiesel and biogas from biomass of different nature (lignocellulosic, sugary, oleaginous). "Hot" conversion processes and plants: combustion, gasification and pyrolysis. "Cold" conversion processes and plants: fermentation and anaerobic digestion; Biodiesel production process for transesterification of vegetable oils. Analysis and evaluation of energy expense in plant engineering associated with processes. Definition of energy sustainability parameters and their use: ESI (Energy Sustainability Index) and EROI (Energy Return On Investment). Life cycle analysis (LCA) and energy sustainability. Technical-economic criteria for the correct analysis of feasibility of innovative processes. The energy balance over the whole cycle of biomass energy production, and the assessment of associated fossil and renewable CO2. Exercises: Mass and Energy Balances on Process Schemes. LCA of products and/or processes: case studies of peculiar issues in the energy field in the exploitation of biomass. Quantitative evaluations.
Le lezioni in aula hanno una buona componente esercitativa (circa il 30% del totale) in aggiunta alle lezioni teoriche, nelle quali vengono illustrati i concetti e le nozioni associate ai processi proposti per lo sfruttamento delle biomasse. Le esercitazioni in aula sono relative alla risoluzione di problemi concernenti gli equilibri termodinamici o i bilancio di flussi, proposti come esemplificazioni ed applicazioni della trattazione teorica. In modo analogo sono svolte le esercitazioni di calcolo relative ai bilanci di materia ed energia. I problemi trattati nelle esercitazioni in aula sono analoghi a quelli che sono proposti nello scritto di esame. Esse coinvolgono i processi più importanti nelle tecnologie di trasformazione energetica e riguardano analisi quantitative sulle principali grandezze in gioco. La frequenza alle esercitazioni in aula è fortemente consigliata ma non obbligatoria.
Classroom lessons have a large component of numerical exercises (approximately 30% of the total) in addition to the theoretical lessons, which illustrate the concepts and notions associated with the proposed processes for biomass exploitation. Classroom exercises concern to the resolution of problems related to thermodynamic equilibria or flow balances, proposed as exemplifications and applications of the theoretical discussed subjects. Similarly, the calculation exercises relating to the balance of mass and energy are carried out. The problems discussed in classroom exercises are similar to those proposed in the final exam. They involve the most important processes in the field of energy transformation and relate to quantitative analyzes of the major and most significant parameters. Classroom attendance is strongly recommended but not mandatory.
Poiché il corso tratta una sintesi di argomenti scelti sul tema, è stato sviluppato materiale didattico apposito che è messo a disposizione degli allievi del corso tramite il portale della didattica. In modo analogo sono messi a disposizione esercizi e temi trattati nelle esercitazioni in aula, utili per la preparazione dell'esame scritto. Per approfondimenti si segnalano i seguenti testi: • Tracy C. Williamson, Green Chemistry: Frontiers in Benign Chemical Synthesies and Processes by Paul Anastas Ed, October 1998, Oxford University Press, ISBN: 019850170 • John C. Warner, Green Chemisry: Theory and Practice, Paul Anastas Ed., Oxford University Press, 2000, ISBN: 0198606988 • Stephen C., Garrett R.L., Designing safer chemicals: green Chemistry for Pollution Prevention, American Chemical Society, Washington D.C., 1996, ISBN 0-8412-3443-4 • Tundo P., Anastas P.T., Green chemistry: challenging perspectives, Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850455-1 • E.S. Stevens, Green Plastics: An Introduction to the New Science of Biodegradable Plastics. • Wool R., Sun X.-S., Biobased Polymers and Composites, Elsevier, August 2005, ISBN 0127639527 • J.A. Moulijn, M. Makkee, A. Van Diepen, Chemical Process Technology, Ed. Wiley, Chichester, UK, 2001.
Since the module deals with a synthesis of chosen topics on the subject of biomass exploitation, a special educational material has been developed and made available to students through the teaching portal. Likewise, exercises and topics dealt with in classroom exercises are available, useful for the preparation of the exam. For further information please note the following texts: • Tracy C. Williamson, Green Chemistry: Frontiers in Benign Chemical Synthesies and Processes by Paul Anastas Ed, October 1998, Oxford University Press, ISBN: 019850170 • John C. Warner, Green Chemisry: Theory and Practice, Paul Anastas Ed., Oxford University Press, 2000, ISBN: 0198606988 • Stephen C., Garrett R.L., Designing safer chemicals: green Chemistry for Pollution Prevention, American Chemical Society, Washington D.C., 1996, ISBN 0-8412-3443-4 • Tundo P., Anastas P.T., Green chemistry: challenging perspectives, Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850455-1 • E.S. Stevens, Green Plastics: An Introduction to the New Science of Biodegradable Plastics. • Wool R., Sun X.-S., Biobased Polymers and Composites, Elsevier, August 2005, ISBN 0127639527 • J.A. Moulijn, M. Makkee, A. Van Diepen, Chemical Process Technology, Ed. Wiley, Chichester, UK, 2001.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
L’esame è costituito da una prova scritta: un problema di calcolo che analizzi la sostenibilità di un processo concreto di tipo innovativo, solitamente legato allo sfruttamento di risorse rinnovabili, corredato da qualche domanda di tipo nozionistico/descrittiva sui fondamenti di sostenibilità di processo appresi; durante la prova è consentito consultare libri, dispense, manuali, formulari vari, tranne gli appunti “manoscritti”; costituisce obiettivo della prova scritta la valutazione della capacità di eseguire calcoli applicativi in contesti “aperti”, cioè quando non tutte le variabili di stato sono fissate, e le opzioni decisionali sono demandate allo studente (sulla scorta delle nozioni apprese sugli specifici processi reali). L’esame ha una durata di due ore. Il voto dello scritto è in scala da 18/30 a 30/30, e nella generalità dei casi costituisce la valutazione finale complessiva dello studente. A richiesta da parte dell’allievo, alla prova scritta si può aggiungere una prova orale di tipo opzionale, nella quale è proposta una domanda di tipo nozionistico, con l’obiettivo di rifinire il voto acquisito (+/- 2 punti sul voto maturato con la prova scritta).
Exam: written test; optional oral exam;
The exam consists of a written test: a computational problem that analyzes the sustainability of an innovative type of process, usually related to the exploitation of renewable resources, accompanied by some descriptive or theoretical question about process sustainability fundamentals. During the exam, it is allowed to consult books, dispensations, manuals, and similar material, but "manuscript" notes (only “printed” material is permitted); It is the goal of the written test to evaluate the ability to perform application calculations in "open" contexts, ie when not all state variables are fixed, and decision-making options are given to the student (on the basis of the concepts learned on specific real processes). The exam lasts two hours. The vote of the written exam ranges from 18/30 to 30/30, and, in general, is the overall student's final grade. At his request, an optional oral examination may be added to the written test, in which one question about some notion learned during the lessons is asked, with the aim of completing the acquired grade (+/- 2 points on the vote matured with written test).


© Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi, 24 - 10129 Torino, ITALY
m@il