Il corso prevede di fornire gli elementi conoscitivi e le caratteristiche funzionali degli impianti di produzione dell’energia termica ed elettrica per via termica e quindi di introdurre e sensibilizzare lo studente alle problematiche di sicurezza e di impatto sull’ambiente connesse alle differenti fasi di vita e alla gestione degli impianti energetici e delle fonti primarie di energia. Si utilizzerà un duplice approccio: da un lato, verranno analizzati gli aspetti formativi (problemi progettuali, leggi costitutive di funzionamento dei componenti, prestazioni, meccanismi di formazione e di rimozione degli inquinanti); dall’altro, si offrirà una panoramica dello stato dell’arte e dello sviluppo tecnologico di sistemi, macchine ed impianti energetici. Verranno inoltre introdotte le teorie di base per l'economia delle fonti energetiche per poi passare ad offrire una panoramica di strumenti/criteri utili ai fini della progettazione e della valutazione, in particolare, delle prestazioni energetiche ed ambientali di sistemi energetici.

Al termine del corso gli allievi devono:
- essere in grado di conoscere le caratteristiche costruttive e funzionali delle centrali termiche per la produzione di energia elettrica, i principali componenti ed il ciclo dei combustibili usati; saper usare correttamente le tecniche di calcolo nella valutazione delle prestazioni degli impianti termoelettrici;
- conoscere i meccanismi di formazione degli inquinanti negli impianti energetici e le tecnologie (primarie e secondarie) per l’abbattimento degli stessi; conoscere le tecniche e le metodologie di base per quantificare le alterazione di componenti ambientali dovute alle varie fasi di esercizio di impianti energetici, con particolare riguardo alle emissioni di inquinanti in atmosfera;
- conoscere i concetti fondamentali alla base delle analisi di sicurezza/rischio degli impianti energetici; conoscere e saper utilizzare le (basilari) tecniche qualitative e quantitative più adottate nelle analisi di sicurezza/rischio;
- rinvenire ed utilizzare parametri statistici sulle prestazioni energetico ambientali di vari paesi e regioni del mondo; riconoscere prodotti di largo consumo a basso impatto ambientale e saper risolvere problemi di ottimizzazione.

Conoscenze di base di: Chimica, Termodinamica applicata e trasmissione del calore, Termocinetica e Termofluidodinamica.

1. Introduzione e descrizione dei contenuti del corso (3h).

2. Fonti primarie di energia, supply (21h):
2.1. Carbone: Diffusione e classificazione delle risorse, coltivazione delle miniere, preparazione del carbone, sicurezza delle miniere, ripristini. Trasporto del carbone.
2.2. Petrolio: Diffusione e classificazione delle risorse, formazione degli idrocarburi, classificazione dei giacimenti e dei greggi, esplorazione, tecnologie di perforazione e produzione, onshore e offshore. Sicurezza offshore, incidenti rilevanti, manutenzione, impatto ambientale. Principali corridoi di approvvigionamento
2.3. Elementi di raffinazione, impianti di raffinazione.
2.4. Gas naturale: Diffusione delle risorse. Il gas naturale in Italia. Reti di gasdotti: condotte, impianti, centrali di compressione e di stoccaggio. Progettazione e costruzione di un gasdotto, manutenzione. Attraversamenti sub alveo e fluviali. Posa in alto fondale. Principali corridoi di approvvigionamento. Gas naturale liquefatto: approvvigionamenti e impianti di rigassificazione in Italia.
2.5. Fonti fossili non convenzionali.
2.6. Uranio: Estrazione dell’uranio, produzione, raffinazione, conversione, trasporto.
2.7. Idrogeno: Cenni sulla produzione. Gli idrogenodotti: normativa e casi studio.

3. Centrali per la produzione di energia elettrica (cicli termodinamici, macchine ed impianti) (circa 35h):
- il contesto della produzione di energia elettrica e delle risorse energetiche;
- il sistema di produzione dell’energia elettrica in Italia.
3.1. Centrali elettriche convenzionali con ciclo a vapore:
- riesame del ciclo termodinamico in relazione allo stato tecnologico (richiamo);
- valutazione delle prestazioni: rendimenti, costi di produzione del kWh ed importanza della loro ottimizzazione, analisi mediante secondo principio;
- generatori di vapore: tipologie, componenti (evaporatori, surriscaldatori, risurriscaldatori, economizzatori, degasatori, ...), circolazione, controllo della combustione, perdite e rendimento, combustibili impiegati;
- condensatori e smaltimento del calore in ambiente: problematica generale, normative, ottimizzazione degli scambiatori di calore, sistemi ad acqua aperti, a secco, con torri evaporative;
- altri componenti significativi del "Balance Of Plant (BOP)" (turbine a vapore, etc.).
3.2. Centrali elettriche con turbine a gas e ciclo combinato:
- ciclo a gas ideale e reale (richiamo), analisi entropica;
- tecnologia ed analisi delle prestazioni dei componenti principali del BOP di un impianto con ciclo a gas: compressori, turbine (con raffreddamento pale), combustori (e combustibili);
- influenza delle condizioni ambientali sulle prestazioni di un impianto con ciclo a gas;
- ciclo combinato gas-vapore: assetto e ottimizzazione del recupero termico, caldaie a recupero, prestazioni.
3.3. Brevi cenni sulle centrali termonucleari.

4. Impatto ambientale dei sistemi energetici (circa 20h):
4.1. Concetti di base:
- sistema ambiente ed i suoi comparti;
- effetti delle attività antropiche sull’ambiente;
- tipologie di impatti ambientali, componenti e fattori di impatto;
- requisiti di compatibilità ambientale di un impianto industriale.
4.2. Panoramica sulle emissioni (inquinanti) e sulle problematiche associate:
- unità di misura della concentrazione di inquinanti in miscele gassose, diluizione, conversioni;
- problematiche ambientali a livello globale (cenni): effetto serra, depauperamento strato ozono, piogge acide (cause ed effetti, normativa Europea e Italiana, indicatori);
- principali inquinanti atmosferici (PM10, CO, SOx, NOx, C6H6): effetti sulla salute, valori limite, indicatori;
- meccanismi di formazione e distruzione di inquinanti in sede di combustione (fondamenti) e parametri influenti.
4.3. Metodi per la riduzione delle emissioni inquinanti (in particolare, SOx, NOx e polveri) da centrali termoelettriche convenzionali:
- Tecniche di abbattimento primario (con particolare riferimento alle caldaie): combustione a stadi, ricircolazione gas di scarico, diluizione con inerti, combustione premiscelata;
- Tecniche di abbattimento secondario: denitrificazione catalitica (Selective Catalytic Reduction-SCR), desolforazione (scrubbers) e abbattimento polveri dai fumi delle centrali, linea completa di trattamento fumi.
4.4. Emissioni di biossido di carbonio (CO2), principi sui metodi di separazione e stoccaggio.
4.5. Quantificazione delle concentrazioni di inquinanti in atmosfera: modelli di dispersione.
4.6. Cenni sulla Normativa Europea e Italiana sulla Valutazione di Impatto Ambientale (VIA), sulla struttura di uno Studio di Impatto Ambientale (SIA), sui metodi per l’individuazione degli impatti critici e catene di impatto.

5. Sicurezza degli impianti energetici (circa 20h):
5.1. Concetti fondamentali dell’analisi di sicurezza: percezione e accettabilità del rischio, prevenzione e mitigazione.
5.2. Principali norme sulla sicurezza negli impianti energetici (cenni).
5.3. Fondamenti di teoria della probabilità, propedeutici alla trattazione degli argomenti al punto 5.4.
5.4. Basi sulle tecniche qualitative e quantitative più utilizzate nelle analisi di sicurezza di impianti industriali.

6. Uso finale dell’energia ed ottimizzazione (24h):
6.1. Usi finali dell’energia e analisi di bilancio - Gli usi finali all’interno della catena energetica: domande, settori e tecnologie. I bilanci energetici, il Bilancio Energetico Nazionale. Il fabbisogno energetico.
6.2. Il contesto internazionale: criticità ambientali, geopolitiche ed economiche. Gli effetti delle crisi geopolitiche sull’approvvigionamento energetico. Il prezzo del petrolio e la sua evoluzione in relazione agli accadimenti internazionali.
6.3. Dinamiche evolutive dei sistemi energetici. Gli indicatori energetici e le fonti di dati per l’analisi statistica. Introduzione della logistica. La competizione multipla, la trasformazione di Fischer-Pry, i cicli di Kondratiev. La penetrazione delle fonti energetiche (Marchetti e Nakicenovic).
6.4. La caratterizzazione tecnico/economica di una tecnologia. Il costo di produzione dell’energia elettrica e la sua formazione. Elementi di programmazione lineare. Il concetto di ottimizzazione di un sistema energetico e la sua applicazione alla produzione di energia elettrica.

Le esercitazioni in aula prevedono l’applicazione di metodi e modelli trattati a lezione.

- Appunti e slides forniti dai docenti.
- Babcock and Wilcox, "Steam, its generation and use", Edited. S. C. Stultz and j. B. Kitto, Babcock & Wilcox Company, 1992.
- K. Rayaprolu, "BOILERS for POWER and PROCESS", CRC Press Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742, International Standard Book Number-13: 978-1-4200-7537-3 (Ebook), 2009.
- V. Ganapathy, "Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Generators. Design, Applications, and Calculations", ABCO Industries, Abilene, Texas, U.S.A., Marcel Dekker, Inc. ISBN: 0-8247-0814-8
Assessment and grading criteria, 2003.
- G. Lozza, "Turbine a gas e cicli combinati", Esculapio, 2006.
- E. Zio, "Introduction to the basics of reliability and risk analysis", Editore: World scientific, Anno edizione: 2007.

L'esame consiste in una prova scritta costituita da esercizi di calcolo e domande teoriche su tutti i diversi macro-argomenti trattati (punti 2-6 del programma, ognuno dei quali corrisponde ad un elemento/obiettivo della sezione Risultati di apprendimento attesi).
La durata massima della prova è di 3h. L’uso del materiale didattico (libri, appunti, etc.) non è consentito. La valutazione massima è 30/30.