L'insegnamento è stato concepito per fornire agli studenti gli elementi chiave di analisi e gli strumenti pratici per la comprensione di sistemi complessi sistemi, alla luce degli obiettivi di sostenibilità dell’industria di processo. Durante il corso verrà data importanza all'impatto delle attività antropogeniche e alla relazione tra cicli di produzione e consumo umani e cicli naturali presenti nel nostro pianeta, come i cicli del carbonio e dell'acqua. Successivamente i principi della termodinamica saranno introdotti e utilizzati per analizzare criticamente la sostenibilità dei sistemi di produzione complessi. In particolare, il corso si propone di fornire i concetti e gli strumenti per sviluppare e quantificare la sostenibilità dei processi produttivi, mediante la valutazione dei loro cicli vita e analisi energetiche. L'analisi dei processi chimici, attraverso l’identificazione degli impatti ambientali e energetici, avrà il fine ultimo di proporre l’adozione di tecnologie innovative, capaci di soddisfare le rese e le qualità di processo richieste dal sistema industriale e ridurre l’impatto ambientale di esse. Lo studio sinergico di fattibilità tecnica e sostenibilità dei processi chimici consentirà di introdurre e valutare l’adozione di tecniche specifiche e innovative che mirino a ottimizzare la quantità di materia ed energia negli impianti a partire dalla fase di progettazione, insieme alla minimizzazione delle fasi del processo e all'uso razionale delle utenze e dei servizi ausiliari. Tra queste tecnologie verranno analizzati i sistemi di bioraffineria e la loro macrostruttura. Sarà sviluppato il tema della sostituzione delle materie prime fossili, della messa a punto di processi chimici innovativi per la produzione di beni e servizi a partire da risorse rinnovabili, e anche una visione pragmatica e quantitativa del panorama delle fonti di energia rinnovabili attualmente più sviluppate o di interesse: tale visione, verrà fornita allo scopo di inquadrare le prospettive dell’industria chimica del futuro nello scenario che la società sostenibile vuole inseguire (biocombustibili, bioplastiche, ecc.) L’analisi di sostenibilità sarà svolta mediante il supporto della metodologia di Life Cycle Assesment (LCA), e l’analisi energetica sarà eseguita mediante il calcolo di alcuni indicatori principali, tra cui: l’Indice di Sostenibilità Energetica (ESI), il Ritorno di Energia sull'Investimento Energetico (EROI) e il Tempo di Ritorno Energetico (EPT). Per le nuove tendenze tecnologiche, l'applicazione del principio di conservazione della materia sarà utilizzata per la determinazione dell'impronta ecologica dell’acqua e delle sostanze inquinanti, seguendo i criteri di allocazione delle risorse e la valutazione delle prestazioni ambientali complessive. Durante il corso verranno svolte esercitazioni finalizzate a comprendere l’applicazione pratica dei concetti espressi in forma teorica.

L'obiettivo dell'insegnamento è quello di preparare gli studenti nel comprendere i molti aspetti legati alla sostenibilità e utilizzare le conoscenze fornite, analizzare e definire le caratteristiche di nuovi approcci per modificare le tecnologie per la produzione di beni e servizi per progredire verso la sostenibilità. Al termine del corso verrà richiesto allo studente di acquisire le conoscenze di base per affrontare problemi relativi a: - interazioni tra cicli naturali e attività antropiche - valutazione di come eseguire un'analisi di sostenibilità energetica - conoscenza dei principi dell'approccio sistemico per analisi di sostenibilità dei processi e prodotti: Life Cycle Analysis (LCA).

Conoscenza dei fondamenti delle operazioni unitarie dell’industria chimica. Padronanza della termodinamica in particolare di quella chimica. Padronanza dell’apparecchiatura dell’industria chimica. Conoscenza dei principi del calcolo numerico. Conoscenza dei processi chimici per le produzioni di base e della chimica fine.

Principi di sostenibilità dei processi: revisione del I e II principio della termodinamica; qualità dell'energia; consumo di energia e lavoro perso; generazione di entropia: cause ed effetti; analisi delle conversioni energetiche: dalle fonti ai servizi energetici finali; i principi di conservazione della materia; risorse e materie rinnovabili e non rinnovabili; modelli cinetici del consumo di materia in sistemi aperti e chiusi; impronta ecologica di prodotti e processi: principi e valutazioni. Analisi di cicli antropogenici complessi: bilanci di massa globali di attività antropogeniche: produzione di ammonio e fertilizzanti; la produzione di acido solforico; la chimica del cloro e l'uso dei suoi derivati nei sistemi di produzione; l'albero petrolchimico e delle materie plastiche; l'analisi dei processi di produzione della carta e del vetro; dai metalli ai beni finali e alla produzione di altri beni assemblati rilevanti. Analisi dei processi di produzione biotecnologica: i cicli del carbonio (biologico, cellulosico e fossile) e le fonti di carbonio come materie prime nel nuovo paradigma delle bioraffinerie; l'uso di processi biotecnologici per accoppiare attività antropiche e cicli naturali; la transizione verso una bioeconomia, la biotecnologia ambientale per la produzione di energia chimica e i processi di bonifica. Ecologia industriale: andamento storico degli usi della materia e dell'energia, i processi di decarbonizzazione delle fonti energetiche; efficienza energetica: energia per la produzione, energia intrinseca ed energia per usi finali; l'uso dell'efficienza globale di un sistema come strumento alternativo per la progettazione; l'efficienza globale e la sua rilevanza nell'uso della materia; dalle risorse ai prodotti finali dei servizi; servizi, prodotti e rifiuti; la progettazione del disassemblaggio e del riutilizzo. Teoria generale dei sistemi produttivi: fondamenti, capitale naturale, flussi; valutazione dei consumi occulti ed esterni per un determinato processo; teoria dello stato stazionario: variabili termodinamiche ed economiche; principi di feedback e l'evoluzione della produzione industriale. Principi di benchmark ambientale: lo sviluppo di indicatori di eco-efficienza come linee guida per la modifica delle linee di produzione. Sostenibilità energetica: risorse e riserve, tecnologie e servizi; il nuovo paradigma energetico: prossimità, adeguatezza e vitalità; forme di energia: diretta, indiretta, incorporata; criteri energetici per la selezione di tecnologie energeticamente sostenibili: ESI (Energy Sustainability Index), EROI (Energy Return On Investment), EPT (Energy Payback Time). Sostenibilità della materia: limitazioni, riutilizzo, riciclaggio; DE (Design for the Environment): progettazione per il riutilizzo, progettazione per il riciclaggio, progettazione per la degradabilità, progettazione ad evitare materiali pericolosi; ecoefficienza ed ecoservizio. Approccio sistemico: sostenibilità ambientale: LCA (Life Cycle Analysis): obiettivi e scopo, inventario, valutazione dell'impatto, interpretazione; LCA basato su matrice; LCA basata su software; indicatore proxy: energia incorporata, input materiali per unità prodotto/servizio, eco-footprint, eco-indicatore; combinazione di diversi indici con logica fuzzy. Processi chimici sostenibili: materie prime rinnovabili, biomasse, nuovi building block per una chimica sostenibile. I 12 principi della green Chemistry. Biofuels: bioetanolo, biodiesel, green diesel. Bioplastiche. Fonti di energia rinnovabile e problema dello stoccaggio dei picchi di produzione (H2 e idrogenazione catalitica della CO2) La gassificazione delle biomasse.

L'insegnamento prevede lezioni ed esercitazioni in aula, particolare attenzione verrà data all'uso di software per eseguire analisi LCA.

- "Energy for a Sustainable World", Nicola Armaroli and Vincenzo Balzani, WILEY-VCH, 2011 - "Efficiency and Sustainability in the Energy and Chemical Industries ", Jakob de Swaan Arons, Hedzer van der Kooi, Krishnan Sankaranarayanan, CRC, 2004 - "Designing for the Environment ", B. Ruggeri and A. Robasto, Ranieri Editore, 2002 - "Industrial Ecology" T.E.Gradel and B.R.Allenby, Prentice Hall, 1995 - "Energy and the wealth of Nations", C.A.S.Hall and Kent A.Klitgaard. Springer, 2012 - "Life Cycle Assessment of Renewable Energy Sources" A.Singh, D.Pant and S.I.Olsen Editors, 2013 Verranno inoltre forniti: materiale utilizzato in classe e studi approfonditi su argomenti specifici trattati a lezione.

Slides; Dispense;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

Exam: Compulsory oral exam;

... L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale del corso e la capacità di applicare le conoscenze acquisite nell'analisi della sostenibilità energetica ed ambientale di impianti e processi. L'esame consiste preliminarmente nello sviluppo di un progetto di gruppo; la tematica affrontata e la formazione del gruppo sono oggetto di scelte del pool dei docenti durante il corso. La realizzazione del progetto è finalizzata ad applicare e sviluppare i concetti acquisiti nel corso al fine di prenderne consapevolezza, utilizzando i software di LCA e di ottimizzazione energetica, sviluppando un argomento di interesse della processistica chimica (e analizzandone la sostenibilità) e proponendo una soluzione tecnologica innovativa e sostenibile. Il progetto sarà poi presentato mediante una relazione tecnica scritta e una presentazione orale, mediante supporto di slides, dai membri del gruppo. La relazione sarà consegnata a fronte di scadenze stabilite dai docenti. Il progetto riceve una valutazione valida per l’intero team, ma il successivo colloquio è individuale per ogni membro del gruppo e il voto finale è una media tra la valutazione comune del progetto e quella del colloquio orale, che dà luogo ad una valutazione per il singolo.

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.