ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FONDAMENTI DI ENERGETICA | ING-IND/10 | LEZIONI | 60 |
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Lo studente che completa con successo l’intero percorso di questo corso acquisirà una conoscenza dei principi, dei processi e dei concetti dell’Energetica generale. Egli avrà una solida conoscenza delle risorse energetiche rinnovabili e conoscerà i principi fisici relativi al loro sfruttamento e alle applicazioni. Egli sarà capace di mostrare conoscenze dei concetti generali sulle indagini energetica e sulle analisi exergetiche di sistemi energetici. Egli conoscerà il contesto energetico italiano e internazionale. Egli avrà una conoscenza di base degli aspetti inquinanti legati all’utilizzo di sistemi energetici. Egli conoscerà la gli aspetti fisici della radiazione solare e i processi relativi al suo impiego in applicazioni energetiche (termiche e fotovoltaiche). Egli sarà capace di mostrare la sua conoscenza dei concetti generali delle biomasse solide, del biogas e dei biocombustibili. Egli conoscerà i principi dell’energia eolica e i processi impiegati per un suo uso efficiente.
The student who successfully completes the course will have the knowledge of main principles, processes and general concepts of Energetics. He will have a solid knowledge of the main principles of energy renewable sources and their use and exploitation. He will be able to show his knowledge of general concepts of the energetic audits and the energy system analysis methodology. He will know the italian and international energy scenario. He basically will know the main enviroment pollution linked to the energu production and exploitation. He will have an advanced knowledge of the solar radiation and their use in energy applications (thermal and photovolatic). He will be able to show his knowledge on the general concepts of the solid biomass, of byogas and byofuels. He will know the principles of the wind energy and process to efficiently use it.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di discutere i maggiori contenuti del corso usando un linguaggio chiaro e una metodologia appropriata. Lo studente dovrà esporre con chiarezza i concetti generali del corso e deve essere abile di collegare differenti argomenti del corso da un punto di vista teorico.
Metodo:
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.The student must demonstrate the ability to solve, with critical awareness, design and operation problems of thermal systems analogous to the ones introduced in classes.
Methods:
Lo studente che completerà il corso con successo sarà capace di eseguire una diagnosi energetica di un sistema con una critica consapevolezza. Egli sarà abile di predire the richieste di energia primaria e il loro impiego all’interno di sistemi energetici basati sull’utilizzo dell’energie rinnovabili (sole, biomasse e vento). Egli sarà in grado di fare un bilancio energetico annuale. Egli inoltre sarà capace di valutare l’impatto ambientale e il costo dell’impiego dei principali combustibili fossili e delle fonti rinnovabili. Lo studente sarà capace di progettare preliminarmente un processo energetico basato sull’uso dell’energia rinnovabile e valutare i principali aspetti economici legati alla produzione e all’approvvigionamento energetico.
The student who successfully completes the course will able to do an energy audit of an energy system with critical awareness. He will be to predict the primary energy requirements and uses of renewable energy plants (sun, biomass or wind) and yearly predict the energy rates. He will be able to basically evaluate the environmental impact and cost of the main fossil and renewable fuels use. The student will be able to preliminary design a renewable energy process and to evaluate the main economic aspects linked to the energy production and supplying.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di progettare preliminarmente un intervento di riqualificazione energetica basato sull’utilizzo delle fonti rinnovabili.
Metodo:
Lo studente dovrà redigere una relazione scritta sulla fattibilità tecnico economico di in intervento di riqualificazione energetica utilizzando impianti solari, biomasse o energia eolica. I contenuti minimi della relazione dovranno essere: analisi dei consumi esistenti o stima dei fabbisogni energetici di progetto, analisi del sito, analisi della capacità di produzione energetica della risorsa impiegata, impatto ambientale e descrizione dei principali componenti dell’impianto scelto.
The student will be assessed on his/her ability to preliminary design a plant for the renewable energy exploitation.
Methods:
Lo studente dovrà partecipare attivamente alle lezioni. Lo studente dovrà responsabilmente concludere i compiti assegnati durante il corso. Egli dovrà essere capace di analizzare i problemi in autonomia e di proporre soluzioni che da discutere in gruppi di lavoro. Egli dovrà adattare il proprio comportamento alla risoluzione dei diversi problemi tecnici incontrati durante il corso.
The student should busily attend the lessons. The student should complete the assigned taks with responsibility He should be capable of solving the problems alone and proposing solutions that must be discussed in working team. He should adapt own behaviour to circumstances in solving problems faced during the course.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di partecipare attivamente alle lezioni (chiedendo dettagli, individuando eventuali errori nei materiali didattici, commentando le soluzioni proposte dal docente e in ultima istanza, calcolare in autonomia i principali parametri tecnici dell’esercitazioni pratiche). Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di lavorare in gruppo
The student will be assessed on his/her ability to actively collaborate during the lessons (asking details, checking the eventual errors in the teaching materials, commenting the solutions proposed by teacher and lastly, calculate the main technical parametric during the practises). The student will be assessed on his/her ability to work in team during the last two lessons where a preliminary design of a renewable plant will be analysed in group and solved together.
Analisi matematica: Siano appresi i concetti di: funzione (anche a più variabili), limite, derivata, integrale, Trigonometria, Equazioni differenziali lineari.
Fisica: Misura delle grandezze fisiche e unità di misura. analisi dimensionale. Principi ed equazioni fondamentali della meccanica. Energia.
Algebra: Grandezze scalari e vettoriali. Elementi fondamentali del calcolo vettoriale.
Mathematics: The student should know the basic concepts of: function (even with more variables), limit, derivative, integral, trigonometry and the linear differential equations:
Physics: Main physical parameter measurement and measurement unit definition. Dimensional analysis. Principles and fundamentals of: mechanics and energy.
Algebra: scalar and vector parameters. Fundamentals of the operation with vectors and matrix.
Richiami di termodinamica
Definizioni di sistema termodinamico. Lo stato di equilibrio termodinamico e il postulato di stato. I principali parametri di stato e le loro unità di misura. I parametri intensivi: pressione, temperatura e le grandezze specifiche. I parametri estensivi: massa e volume. Il concetto di trasformazione e di reversibilità della trasformazione. Il calore e la sua trasmissione. Il principio zero della termodinamica. Il calore specifico. Il lavoro di trasformazione e quello continuo. Il regime permanente. Il lavoro meccanico e il lavoro di pulsione. Il primo principio della termodinamica. Definizione di volume di controllo. Schematizzazione di sistemi aperti ed applicazione del primo principio per: scambiatori di calore, turbine e compressori, camini, etc. Il secondo principio della termodinamica. Il ciclo di massimo rendimento: il ciclo di Carnot. Definizione di entropia. Il bilancio di entropia di un sistema aperto. Le proprietà delle sostanze pure. Le fasi di una sostanza. La fase aeriforme: l'equazione di stato dei gas perfetti. Le miscele dei gas. I vapori e le tabelle dei vapori saturi. Determinazione dello stato fisico nel caso di vapori, gas, liquidi e solidi.
Analisi Exergetica
Classificazione delle forme di energia: ordinata e disordinata. I concetti base dell'exergia: L'ambiente di riferimento, lo stato di equilibrio, l'exergia associata al lavoro, l'exergia associata allo scambio termico, l'exergia associata al flusso di massa.Exergia fisica e chimica. L'exergia fisica di un gas perfetto, L'exergia vicino allo zero assoluto. L'exergia chimica. L'exergia fisica dei sistemi chiusi. Il bilancio di un exergia dei sistemi chiusi: la relazione Gouy-Stodola per un controllo di massa. Valutazione delle irreversibilità. Il bilancio di exergia di un volume di controllo. La valutazione dell'irreversibilità in un sistema a flusso stazionario.Il rendimento di secondo principio. La rappresentazione grafica dei bilanci exergetici: il diagramma di Grassmann, il diagramma di Pie. Il concetto di fabbisogno di energia primaria e di impiego dell'energia. Il bilancio energetico italiano: l'energia elettrica, le fonti rinnovabili e l'energia spesa nei trasporti.
Sistema energetico Italiano e Internazionale
Il concetto di fabbisogno di energia primaria e di impiego dell'energia. Il bilancio energetico italiano: l'energia elettrica, le fonti rinnovabili e l'energia spesa nei trasporti. Le fonti combustibili fossili: il petrolio. La filiera del petrolio. La raffinazione del petrolio. Il brent e il prezzo del petrolio grezzo. Utilizzazione dei prodotti petroliferi. Le fonti combustibili classiche: il gas naturale. La filiera del gas naturale, Il mercato del gas naturale e la sua distribuzione in Italia. La tariffa di fornitura del gas naturale in Italia. Utilizzazione energetica del gas naturale.La combustione e i rischi ambientali. Forme di inquinamento. L'inquinamento termico diretto e indiretto. Il bilancio radiativo della terra e stima degli effetti dovuti al riscaldamento globale. L'effetto serra. I gas serra. Il problema della riduzione delle emissioni di gas serra. La stima delle emissioni di C02 per i principali processi di combustione di combustibili fossili
Energia Solare
L'energia solare: La radiazione solare, posizione del sole. Calcolo dell'ora dell'alba e del tramonto durante un anno solare. Irraggiamento solare in giornate serene, energia diretta incidente su un piano orizzontale e su un piano inclinato. Calcolo dell'energia diffusa (modello Liu-Jordan). Definizione del coefficiente di Albedo e calcolo della riflessione del suolo. Stima dell'ombreggiamento.Il solare termico. Il solare a bassa, media e alta temperatura. Il solare termodinamico. Le fornaci e le torri solari. Il solare a concentrazione: specchi a parabola, ellittici e lineari (Fresnel). Il solare a bassa temperatura: il pannello solare termico. Efficienza di un pannello solare. I componenti di un impianto e la stima dei fabbisogni di ACS. Il solare fotovoltaico. Il principio della cella fotovoltaica. La singola cella e la stringa. I componenti di un impianto fotovoltaico. Il pannello: silicio monocristallino, policristallino e amorfo. Le celle multi-giunzione. L'efficienza di un pannello fotovoltaico e il NOCT. Installazione di un impianto fotovoltaico: impianti grid-connected e stand-alone. Il concetto dello scambio sul posto. Dimensionamento di un impianto fotovoltaico e tempo di ritorno dell'investimento economico.
Energia dalle Biomasse
Le biomasse: definizione e classificazione. La politica agricola comunitaria e il suo impatto sulle colture energifere. I biocombustibili solidi. Forme commerciali e stima del rapporto energetico. Stima delle emissioni di Co2 evitate: la filosofia dei certificati verdi. Generazione diretta di energia elettrica attraverso l'uso di combustibili solidi. Le biomasse: conversione indiretta dell'energia. La produzione di biogas da liquami zootecnici. La digestione anaerobica e la produzione di biogas. Le tecniche di digestione: a secco, a umido e a semi-dry. Schemi di impianti per liquami ed esempi realizzativi. Schemi di impianti a biogas senza riscaldamento. Le biomasse e la conversione indiretta dell'energia: il biotenaolo. La reazione chimica alla base della fermentazione per la produzione di etanolo. I processi per la produzione di bioetanolo: il pretrattamento, detossificazione, l'idrolisi, la fermentazione e la distillazione. Il bioetanolo per autotrazione.l biocarburanti: biodiesel. Colture energetiche per la produzione di bio-diesel. Composizione dell'olio vegetale. Il processo di transesterificazione. Il rapporto energetico del biodiesel in funzione dell'energia spesa per la sua realizzazione.
Energia Eolica
Energia eolica: modelli di stima del clima e della velocità del vento. Correzione dovuti alla oleografia del terreno. Modelli di macroscale, mesoscala e microscala.Energia eolica: il coefficiente di potenza, i tipi di turbina eolica, la curva di potenza e accoppiamento di curva di potenza con frequenza della velocità di distribuzione. Esempio di stima delle ore equivalenti di un impianto. Analisi della metodologia per la valutazione energetica di un impianto a energie rinnovabili: Audit energetico e individuazione dei fabbisogni di energia primaria e degli impieghi. Analisi del sito. Progettazione di massima della potenzialità produttiva dal punto di vista energetico. Scelta del tipo di impianto dei sotto componenti. Valutazione dell'impatto economico. Valutazione dell'impatto ambientale
Thermodynamic Retrieval
Definition of a thermodynamic Systems. The main characterising parameters and their measurement units: Pressure, temperature, specific volume and density. The thermodynamic process. The definition of heat and the specific heat of substances. The concept of work. The energy and mass balances applied to a control volume. Examples of energy balance of several basic thermal machines: compressors, turbines, pumps and heat exchangers. The second law of thermodynamic. The most efficient heat engine: the Carnot engine. Definition of Entropy and the entropy balance of a control volume. The pure substance thermodynamic properties. The different phases of a substance: liqui, solid and gas. The ideal gases equation. Satured vapours and the satured vapour tables. Definition of the thermodynamic state in case of liqui, solid, satured vapour, superheated vapour and gases.
Exergy Analysis
Classification of forms of energy: ordered and disordered energy. Basic concepts of exergy: The reference environment, the equilibrium and the dead state. The exergy associated with a work transfer, the exergy associated with a heat transfer and the exergy associated with a steady stream of matter. The pyisical and chemical component of exergy.Exergia fisica e chimica. Physical exergy of a perfect gas. Exegy close to the absolute zero. The cemical exergy of a control volume.Exergy balance of a closed system. The non-flow exergy. The Gouy-Stodola equation. Irreversibilities evaluation methodology and calculations in simple components. Exergy balance of a control region in a steady-state regime. The rational efficiency. Pictorial representation of the exergy balance: the Grassmann diagram and the Pie Diagram.
The italian and the international energy scenario
The energy audit. The definition of primary energy requirements. The energy scenario in Italy and in the rest of the world. The italian energy production: electrical energy, the renewable sources exploitation and the energy requirement for travel. The primary energy requirements supplied by the fossil fuels. The energy coming from crude oil: the crude oil refining. The brent oil and the crude oil prices. Main use of the petroleum derivatives. Other fossil fuels: the natural gas. The natural gas chain. The natural gas italian market. The natural gas network in Italy. The gas price. Energy exploitation of the natural gas.The fossil fuel combustion and the environmental riskes. Different forms of pollution: the direct and indirect thermal pollution. The radiative energy balance of the earth and a prelimanry evaluation of the global warming potential (GWP). The greenhouse gases emission and the their reduction problem. The effect of the Carbon dioxide and the evaluation of the equivalent carbon dioxide emission of the common fossil fuels.
Solar Energy
The solar radiation and the sun location. Calculation of the sunset and sunrise time at different earth location during an entire solar year. Direct solar radiation in a clean sky. The incident radiation on a horizontal and a tilting plane at different earth location. Diffuse solar energy definition and calculation (Liu-Jordan Model). Albedo coefficient and calculation of a energy reflected by ground. Shading factors.The thermal sun energy. The solar energy at low, mid and high temperature. The thermodynamic solar energy. The solar power tower and other concentration solar plants: parabolic, elliptical and Fresnel mirrors. The low temperature solar energy: the solar thermal panel. Thermal efficiency. The components of a solar plants and the evaluation of the warm water requirement for civil application. The photovoltaic solar panel. The Photovoltaic effect and the physical behaviour of a single cell and a strings of cells. The components of a photovoltaic plant. The PV panel: mono-cristalline, poly-cristalline and amorphous silicon. The multi-junctions cells. The electrical conversion efficiency e the NOCT. The PV plant arrangement grid-connected and stand-alone. The “Scambio sul Posto” formula.Design of a PV plant and economic performance evaluation.
Biomass Energy
The biomass: definition and classification. The european agricultural policy and its impact on the high energetic crops. The solid biofuels. Commercial shapes and Evaluation of the Energy rate. Evaluation of the avoided carbon dioxide emissions.Electrical energy production with solid biofuels. Technologies for gasification of biomass and animals wastes. The anaerobic digestion and the syngas production. The digestor kinds: dry, wet and semi-wet. Different animal wastes gasification plants: examples and operative flowcharts.The indirect energy production: bioethanol. The chemical reaction of the bioethanol production. The bioethanol production: pre-treatment, purification, hydration, fermentation and distillation. Bioethanol as fuels for cars and other transportation media.The bio-oils. The high energy crops to product bio-oils. Vegetal oil chemical composition. The transesterification. The energy rate of a common bio-oil (energy supplied on energy given to product it).
Wind Energy
The nature of the wind, geographical variations of the wind resources, Wind-speed variations, Wind prediction and forecasting. Wakes and Wind Farm. Wind turbines. Turbine performances, design and control. Aerodynamics of turbines: the power curve and the torque coefficient. The Weibull Distribution. The cut-in and the cut-off velocity. Turbine-wind coupling. Evaluation of productivity and the definition of the equivalent number of hours. Design of a reference case.
La non frequenza e caldamente sconsigliata. Gli studenti non frequentanti dovranno contattare il docente e stilare un piano personale di studio
Non attendance is highly not recommended. The non-attending student should personally contact the teacher and make a personal learing plan.
L'esame sarà orale. Il candidato dovrà esporre un breve progetto di prefattibilità di un impianto ad energia rinnovabile nella prima parte dell'esame, mentre sarà valutata la conoscenza degli argomenti trattati durante il corso e non esplicitamente verificati durante l'esposizione dello studio.
Oral Exam. During the first part of the examination, the student should explain a preliminary energy analysis of a renewable energy plant. In the second part of the examination the student will be assesed on the rest of the programme.
nessuno
none
Istruzioni ed informazioni per Student stranieri Erasmus.
Il docente è disponibile a fornire materiale didattico, ricevimenti e supporto sia in lingua italiana che in lingua inglese.
Le lezioni sono in lingua italiana, tuttavia il docente è disponibile a fornire approfondimenti in lingua inglese ancne durante le lezioni ordinarie se richieste dallo studente.
Le modalità di esame per gli studenti Erasmus saranno concordate con lo studente stesso. Nonostante che l'esame sia orale, il docente è disponibile a preparare un test a risposta multipla che sarà svolto dallo studente e commentato insieme al professore durante l'esame stesso.
Instructions for the Erasmus Incoming Students
The Teacher can provide teaching material, individual teaching speech and other educational support both in litalian and in english.
All the academc lessons are in Italian. The teacher can provide clarifications and further insigh of the topic in english even during the standard lessons if the attending student needs od them.
Assessment Modes: The assessment modes for the Erasmus Student can be agreed with the teacher. Although the assessment is oral, the teacher is available to prepare a written test with multiple choices for the student coming from another institutition. The answers givne by the student will be orally discussed at the end of the test.
