Politecnico di Torino
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Anno Accademico 2017/18
01QXGMW, 01QXGND
Utilizzo sostenibile delle biomasse a fini energetici
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica E Dei Processi Sostenibili - Torino
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica E Nucleare - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Pirone Raffaele ORARIO RICEVIMENTO PO ING-IND/27 48 12 0 0 8
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/27 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
Presentazione
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.
Risultati di apprendimento attesi
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 legato soltanto 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 e 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 vista 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.
Prerequisiti / Conoscenze pregresse
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.
Programma
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; 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
Organizzazione dell'insegnamento
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.
Testi richiesti o raccomandati: letture, dispense, altro materiale didattico
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.
Criteri, regole e procedure per l'esame
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).
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2017/18
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