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PORTALE DELLA DIDATTICA

Energetica e fonti rinnovabili

03MUSMK

A.A. 2020/21

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino

Mutua

01TYFMK

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 45
Esercitazioni in aula 32
Tutoraggio 12
Esercitazioni in laboratorio 3
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Gandiglio Marta - Corso 2   Ricercatore a tempo det. L.240/10 art.24-B ING-IND/10 37,5 10 0 0 3
Lanzini Andrea - Corso 1   Professore Associato ING-IND/10 37,5 10 0 0 4
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 8 B - Caratterizzanti Ingegneria energetica
2019/20
Il corso, proposto al secondo semestre del terzo anno della laurea in Ingegneria Energetica, intende fornire gli strumenti metodologici e le conoscenze ingegneristiche utili per l'analisi e la valutazione dei principali sistemi energetici industriali e civili, con particolare attenzione alla produzione e l'utilizzazione dell'energia termica ed elettrica. Vengono descritte e analizzate le soluzioni tecnologiche, impiantistiche e di sistema e viene dedicata particolare attenzione alle soluzioni innovative in merito all'uso razionale delle risorse primarie e alla sostenibilità ambientale. Per quanto riguarda le fonti rinnovabili, verranno insegnati i principi di funzionamento dei dispositivi e degli impianti di conversione dell'energia fornita da sorgenti rinnovabili, la potenzialità delle singole fonti ed i rapporti costi/benefici delle stesse. Il corso è articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni con applicazioni di calcolo e valutazioni tecniche di diverse tipologie di impianti. È prevista la realizzazione da parte degli studenti di un progetto preliminare di un impianto a fonte rinnovabile.
The course, proposed in the second semester of the third year of the Degree in Energy Engineering, aims to provide the methodological tools and engineering knowledge useful for the analysis and evaluation of the main industrial and civil energy systems, with focus on thermal and electrical energy conversion technologies. The technological, process and system solutions are described and analyzed. Emphasis is given to innovative solutions regarding the rational use of primary resources and environmental sustainability. With regard to renewable sources, the principles of operation of devices and systems for converting energy supplied from renewable sources will be taught, as well as the potential of individual sources and their cost / benefit ratios. The course is divided into theoretical lessons and exercises with calculation applications and technical evaluations of different types of systems. Students are expected to carry out a preliminary design of a renewable source plant.
Al termine del corso gli allievi avranno appreso quali siano gli elementi tecnologici e infrastrutturali che costituiscono un sistema energetico, nonché le principali tecnologie e politiche energetiche in atto per la decarbonizzazione. Gli studenti saranno in grado di eseguire valutazioni tecniche sulle prestazioni (energetiche ed ambientali) delle principali tipologie di impianti di produzione di energia termica ed elettrica, conosceranno le loro caratteristiche costruttive e funzionali e saranno in grado di effettuare i bilanci energetici degli impianti e sistemi energetici integrati a livello di edificio, industria o distretto, nel loro complesso e dei singoli componenti.
At the end of the course, the students will have knowledge on the technological and infrastructural elements that constitute an energy system, as well as the main technologies and energy policies in place for the decarbonization pathway. Students will be able to perform technical evaluations on the (energy and environmental) performance of the main types of thermal and electric energy production plants, they will know their constructive and functional characteristics and will be able to carry out the energy balances of energy systems either stand-alone or integrated at the level of building, industry or district.
Si richiedono conoscenze pregresse di analisi matematica, fisica, chimica, termodinamica e trasmissione del calore.
Prior knowledge of calculus, physics, chemistry, thermodynamics and heat transfer analysis is required.
Di seguito sono illustrati i programmi delle due parti, Energetica e Fonti Rinnovabili, che verranno sviluppate nel corso. A) ENERGETICA 1) CLASSIFICAZIONE DELLE FONTI DI ENERGIA 2) IL SISTEMA ENERGETICO ITALIANO NEL CONTESTO INTERNAZIONALE 2.1 Il sistema energetico italiano (bilanci, impianti e infrastrutture) 2.2 Fabbisogno di energia primaria 2.3 Fabbisogno di energia elettrica 2.4 Consumi finali per settore di attività 2.5 Politiche energetiche nazionali nel contesto internazionale 3) COMBUSTIBILI FOSSILI 3.1 Il ruolo della combustione 3.2 Il petrolio 3.2.1 Raffinazione del petrolio 3.2.2 Utilizzazione dei prodotti petroliferi 3.3 La filiera del gas naturale 3.3.1 Il mercato del gas naturale 3.3.2 La tariffa del gas naturale 3.3.3 Utilizzazione del gas naturale 3.4 Il carbone 3.4.1 Impiego del carbone 4) COMBUSTIONE 4.1 Caratteristiche dei principali combustibili commerciali 4.2 Stechiometria della combustione 4.2.1 Grandezze stechiometriche relative ai combustibili commerciali 4.2.2 Composizione dei prodotti della combustione 4.2.3 Inquinanti gassosi e solidi prodotti nella combustione 4.2.4 Analisi dei prodotti della combustione 4.2.5 Controllo delle emissioni inquinanti 4.2.6 Triangolo di Ostwald 5) GENERATORI DI CALORE 5.1 Classificazione in funzione del fluido termovettore 5.2 Classificazione in funzione del combustibile utilizzato 5.3 Classificazione in funzione della pressione in camera di combustione 5.4 Classificazione per fasce di potenza termica 5.5 Caldaie a condensazione 5.6 Bilancio energetico di un generatore di calore 5.6.1 Rendimento termico utile e rendimento di combustione 5.6.2 Perdita al camino per calore sensibile 5.6.3 Perdita al camino per calore latente 5.6.4 Perdita per convezione e irraggiamento 5.7 Strumenti e misure 5.7.1 Manometri ad U ad acqua e pressodeprimometri 5.7.2 Misure di portate (volumetriche e ponderali) 5.7.3 Misure di temperature mediante trasduttori di temperatura 5.7.4 Misure di opacità nei fumi mediante pompa di Bacharach 6) COGENERAZIONE E CICLI COMBINATI GAS - VAPORE 6.1 Termodinamica e tecnologie 6.2 Vantaggi energetici e ambientali della cogenerazione 6.3 Tecnologie di cogenerazione 6.3.1 Cogenerazione con motori diesel 6.3.2 Cogenerazione con turbine a vapore a contropressione e a spillamento 6.3.3 Cogenerazione con turbine a gas 6.3.4 Cogenerazione con cicli combinati gas - vapore 7) TELERISCALDAMENTO E MACCHINE FRIGORIFERE-POMPE DI CALORE 7.1 Teleriscaldamento 7.2 Consumi termici 7.3 Macchine frigorifere a compressione di vapore-pompe di calore 7.4 Cogenerazione e trigenerazione 7.5 Confronto tra generatori di calore e pompe di calore 8) CENNI SULLE CELLE A COMBUSTIBILE B) FONTI RINNOVABILI 9) ENERGIA SOLARE La risorsa sole: radiazione solare diretta, diffusa e riflessa. Disponibilità dell'irraggiamento solare sul territorio. - Descrizione dei principi di funzionamento, delle prestazioni e delle caratteristiche costruttive di collettori solari. Calcolo della producibilità col metodo f-chart. Valutazioni economiche ed energetiche. Cenni alle centrali solari a concentrazione (CSP). - Celle fotovoltaiche, principi di funzionamento, parametri significativi e relativa influenza sul rendimento. Tipologie di celle e schemi di impianti fotovoltaici. Valutazione della producibilità annua. 10) ENERGIA EOLICA Disponibilità della risorsa vento sul territorio italiano ed europeo. Principi di funzionamento e limite di Betz. Parametri caratteristici (dimensioni, numero di pale e curva caratteristica velocità del vento-potenza) di turbine eoliche. Centrali e parchi eolici, aspetti economici, impatto ambientale. 11) GEORISORSE La risorsa geotermica e sua disponibilità sul territorio. Principi di funzionamento e caratteristiche costruttive degli impianti geotermici. Tipologie impiantistiche, componenti principali e impatto ambientale delle centrali geotermoelettriche. Impianti a bassa entalpia: pompe di calore geotermiche (GCHP). 12) ENERGIA IDROELETTRICA La risorsa: portata, deflusso e curva di durata, concetto di Deflusso Minimo Vitale (DMV). Salto idraulico, perdite distribuite e concentrate e salto netto. Rendimento globale e potenza effettiva. Concetto di producibilità. Impianti idroelettrici ad acqua fluente e a deflusso regolato (a bacino, serbatoio e pompaggio). Tipologie e componenti degli impianti idroelettrici. Le turbine idrauliche. Scelta della turbina in funzione di caduta e portata. 13) BIOMASSE E BIOGAS La risorsa biomassa: disponibilità sul territorio italiano, applicazione e relative filiere, i biocombustibili, 'tronchetti', 'cippato' e 'pellets'. Combustione diretta, gassificazione, pirolisi, principi di funzionamento e caratteristiche costruttive di caldaie ed impianti a biomasse legnose. Cenni sugli RSU (Rifiuti Solidi Urbani) e sulla tecnologia cogenerativa. Produzione di biogas da scarti organici.
The course comprises of two parts, Energetics and Renewable Energy Sources, whose detailed programs are illustrated below. A) ENERGETICS 1) CLASSIFICATION OF ENERGY SOURCES 2) THE ITALIAN ENERGY SYSTEM IN THE INTERNATIONAL CONTEXT 2.1 The Italian energy system (budgets, facilities and infrastructures) 2.2 Primary energy requirement 2.3 Electricity requirement 2.4 Final consumption by sector of activity 2.5 National energy policies in the international context 3) FOSSIL FUELS 3.1 The role of combustion 3.2 Oil 3.2.1 Oil refining 3.2.2 Use of petroleum products 3.3 The natural gas supply chain 3.3.1 The natural gas market 3.3.2 The natural gas tariff 3.3.3 Use of natural gas 3.4 Coal 3.4.1 Use of coal 4) COMBUSTION 4.1 Characteristics of the main commercial fuels 4.2 Combustion stoichiometry 4.2.1 Stoichiometric quantities relating to commercial fuels 4.2.2 Combustion products composition 4.2.3 Gaseous and solid pollutants produced in combustion 4.2.4 Analysis of combustion products 4.2.5 Control of polluting emissions 4.2.6 Ostwald triangle 5) HEAT GENERATORS 5.1 Classification according to the heat transfer fluid 5.2 Classification according to the fuel used 5.3 Classification according to the pressure in the combustion chamber 5.4 Classification by thermal power bands 5.5 Condensing boilers 5.6 Energy balance of a heat generator 5.6.1 Useful thermal efficiency and combustion efficiency 5.6.2 Chimney leakage due to sensible heat 5.6.3 Chimney loss due to latent heat 5.6.4 Loss due to convection and radiation 5.7 Instruments and measures 5.7.1 U-shaped water pressure gauges and pressure gauges 5.7.2 Flow rate measurements (volumetric and weight) 5.7.3 Temperature measurements using temperature transducers 5.7.4 Measures of opacity in the fumes by means of a Bacharach pump 6) COGENERATION AND COMBINED GAS - STEAM CYCLES 6.1 Thermodynamics and technologies 6.2 Energy and environmental benefits of cogeneration 6.3 Cogeneration technologies 6.3.1 Cogeneration with diesel engines 6.3.2 Cogeneration with backpressure and bleed steam turbines 6.3.3 Cogeneration with gas turbines 6.3.4 Cogeneration with combined gas - steam cycles 7) DISTRICT HEATING AND REFRIGERATING MACHINES-HEAT PUMPS 7.1 District heating 7.2 Thermal consumption 7.3 Steam compression refrigeration machines-heat pumps 7.4 Cogeneration and trigeneration 7.5 Comparison between heat generators and heat pumps 8) NOTES ON FUEL CELLS B) RENEWABLE SOURCES 9) SOLAR ENERGY The sun resource: direct, diffused and reflected solar radiation. Availability of solar radiation in the area. - Description of operating principles, performance and construction characteristics of solar collectors. Calculation of the producibility with the f-chart method. Economic and energy assessments. Notes on concentration solar power plants (CSP). - Photovoltaic cells, operating principles, significant parameters and relative influence on performance. Types of cells and photovoltaic system schemes. Evaluation of annual producibility. 10) WIND ENERGY Availability of the wind resource on the Italian and European territory. Operating principles and Betz limit. Characteristic parameters (dimensions, number of blades and wind-power speed characteristic curve) of wind turbines. Power plants and wind farms, economic aspects, environmental impact. 11) GEOTHERMAL ENERGY The geothermal resource and its availability in the territory. Operating principles and construction features of geothermal plants. Plant types, main components and environmental impact of geothermal power plants. Low enthalpy systems: geothermal heat pumps (GCHP). 12) HYDROELECTRIC ENERGY The resource: flow rate, flow and duration curve, concept of Minimum Vital Flow (DMV). Hydraulic leap, distributed and concentrated losses and net leap. Overall efficiency and effective power. Concept of producibility. Hydroelectric plants with flowing water and regulated outflow (basin, reservoir and pumping). Types and components of hydroelectric plants. Hydraulic turbines. Choice of turbine according to fall and flow rate. 13) BIOMASS AND BIOGAS The biomass resource: availability on the Italian territory, application and related supply chains, biofuels, 'logs', 'chips' and 'pellets'. Direct combustion, gasification, pyrolysis, operating principles and construction characteristics of boilers and wood biomass plants. Outline of urban solid waste (MSW) and cogeneration technology. Production of biogas from organic waste.
Progetto preliminare, con l’analisi dei fabbisogni e della produzione di energia elettrica e termica, di uno stabilimento industriale, o altra utenza, caratterizzata da autoproduzione di energia rinnovabile: si esaminano e confrontano, dal punto di vista energetico, diverse soluzioni tecnologiche. Esercizi sui generatori di calore, sulle pompe di calore, sugli scambiatori di calore presenti negli impianti studiati, ecc. Esercizi sul dimensionamento di massima di impianti basati sulle fonti rinnovabili. Stima della producibilità, dei costi e della convenienza economica. Esercizi applicativi di alcuni aspetti della teoria.
Preliminary design, with an analysis of the needs and production of electrical and thermal energy, of an industrial plant, or other utility, characterized by self-production of renewable energy: different technological solutions will be examined and compared, from the energy point of view. Exercises on heat generators, heat pumps, heat exchangers present in the systems studied, etc. Exercises on the general dimensioning of plants based on renewable sources. Estimation of producibility, costs and economic convenience. Application exercises of some aspects of the theory.
• G. Comini,G. Croce, S. Savino: Energetica generale, V Edizione, SGE Editoriali, Padova 2011 • B. Sørensen, Renewable Energy, Associated Press, 2000. • M. Cucumo, D. Kaliakatsos, V. Martinelli, Energetica, Pitagora Editrice, Bologna 2006. • M. Calì Guida all’energia nella natura e nelle civiltà umane. (con la collaborazione di Borchiellini R, Fracastoro G, Lanzini A, Leone P, Lucia U e Napoli R). Esculapio Editrice, 2014 http://www.editrice-esculapio.com/cali-guida-allenergia-nella-natura-e-nelle-civilta-umane/ • G. Toso, Fonti Rinnovabili di energia, Voll. I e II, Levrotto & Bella, 2011 • Materiale caricato sul sito dai docenti
• G. Comini,G. Croce, S. Savino: Energetica generale, V Edizione, SGE Editoriali, Padova 2011 • B. Sørensen, Renewable Energy, Associated Press, 2000. • M. Cucumo, D. Kaliakatsos, V. Martinelli, Energetica, Pitagora Editrice, Bologna 2006. • M. Calì Guida all’energia nella natura e nelle civiltà umane. (con la collaborazione di Borchiellini R, Fracastoro G, Lanzini A, Leone P, Lucia U e Napoli R). Esculapio Editrice, 2014 http://www.editrice-esculapio.com/cali-guida-allenergia-nella-natura-e-nelle-civilta-umane/ • G. Toso, Fonti Rinnovabili di energia, Voll. I e II, Levrotto & Bella, 2011 • Lecture notes from the teachers
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Progetto di gruppo;
Exam: Written test; Group project;
L’esame finale prevede una prova scritta con esercizi numerici e domande di teoria e la consegna obbligatoria di una relazione di un progetto preliminare di un impianto a fonte rinnovabile. Lo scopo è la verifica dell'apprendimento dei concetti di base legati all'uso delle varie fonti di energia, delle soluzioni impiantistiche nei loro aspetti tecnico economici, e della interazione con l'ambiente legata all'uso della energia. Lo studente deve essere in grado di realizzazione un progetto preliminare (o studio di fattibilità) di un impianto di generazione elettrica o termica da fonte rinnovabile.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Group project;
The final exam includes a written test with numerical exercises and theoretical questions and the mandatory presentation of a report of a feasibility study of a renewable plant. The duration of the test is 90 minutes with questions with both a closed answer (quiz) and an open answer in which to provide the demonstration of formulas or calculation procedures. It will be possible to use a table of relevant formulas agreed with the teacher during the course. The aim is to verify the learning of the basic concepts related to the use of various energy sources, plant solutions in their technical and economic aspects, and interaction with the environment linked to the use of energy. The student must be able to carry out a preliminary project (or feasibility study) of a renewable electric or thermal generation plant.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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