Obiettivi Formativi

Obiettivo del corso è quello di: far acquisire agli studenti un’adeguata conoscenza e comprensione dei problemi associati alla produzione di carburanti e combustibili a minor impatto ambientale mediante tecniche di raffinazione e di trasformazione chimica (processi di cracking termico e catalitico, reforming catalitico, idrocracking, processi termici e catalitici per la trasformazione di residui); nonché fornire gli strumenti per la comprensione delle attuali tecnologie e dei principi di funzionamento dei dispositivi per accumulo di energia termica ed elettrica per applicazioni mobili e fisse. Far sviluppare la capacità di applicare in maniera autonoma le nozioni teoriche acquisite, per impostare, analizzare e risolvere problemi attinenti ai settori dell’ingegneria meccanica e saper effettuare scelte progettuali autonome inerenti allo sviluppo delle diverse tecnologie e processi proposti. Alla fine del corso gli studenti: avranno familiarità con i principi dell’innovazione tecnologica dei diversi processi industriali e prodotti di trasformazione di materie prime di origine fossile e di materie prime rinnovabili a carburanti e combustibili; saranno in condizione di poter affrontare problemi di valutazione delle soluzioni tecnologiche più idonee per specifiche applicazioni nonché di gestire l'innovazione tecnologica di accumulo di energia con particolare attenzione agli aspetti ambientali. Un ulteriore obiettivo del corso è quello di far acquisire agli studenti: adeguata capacità di comunicazione mediante l’acquisizione di un linguaggio tecnico-scientifico specifico del settore e comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità a interlocutori specialisti e non specialisti. Inoltre, si propone di far sviluppare una mentalità flessibile e una robusta metodologia di studio e lavoro, la capacità di applicare le conoscenze acquisite nel risolvere problemi a tematiche nuove o non familiari, attraverso lo svolgimento di attività di sviluppo pratico di concetti teorici, utilizzando tecniche e strumenti adeguati con l’analisi di esempi pratici o applicazioni ed esercitazioni da svolgere sia individualmente che in gruppo.

Learning Goals

The course aims: to give students skills and knowledge on the fundamentals of the production of fuels with lower environmental impact by means of refining and chemical processing techniques (catalytic crack processes, catalytic reforming, hydrocracking, thermal and catalytic processes for processing of waste); to provide tools needful to understand current technologies and the operating principles of devices for thermal and electrical energy storage for mobile and fixed applications. Furthermore, it aims to develop the ability to apply the acquired knowledge in solving problems related to new or unfamiliar issues, by carrying out practical development of theoretical concepts, using appropriate techniques and tools with the analysis of practical examples or applications and exercises to be performed both individually and in groups; to make students able to acquire appropriate study, description and scientific investigation methods. To use properly the technical, graphics and scientific languages of the specific discipline to communicate clearly and unambiguously to specialist and non-specialist interlocutors. To apply independently their knowledge to solve engineering problems with suitable techniques and tools. The training objective is to make the student able to compare different techniques of transformation of raw materials of fossil origin and of renewable raw materials to fuels, and to apply knowledge and understanding to the design equipment (identification of performance parameters and sizing of facilities, etc.); to deal with the evaluation problems of the most suitable technological solutions for specific applications, as well as to manage the technological energy storage with particular attention to environmental problems.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste Esercitazioni in aula, svolte dagli studenti individualmente e in gruppo,  con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Seminari e visite guidate su aspetti specifici disciplinari sono utilizzati per stimolare l’interesse e aumentare il livello di approfondimento degli studenti. Tutte le attività sono svolte con supporto  di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. Exercises in classroom are also provided, carried out by students individually and in groups, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. Seminars and Offsite educational visits on specific disciplinary aspects are used to stimulate interest and increase the level of in-depth study of students. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

è richiesta la conoscenza di fondamenti di fisica, chimica ed elettrochimica.

Prerequisites

knowledge of basic notions of chemistry, physics and electrochemistry is required.

Verifiche dell'apprendimento

A completamento del primo modulo, si effettua una prova in itinere orale sugli argomenti del programma svolto, a cui viene attribuito un voto in trentesimi che peserà sull’esame finale per il 50%. Possono accedere a questa prova in itinere gli studenti  frequentanti e  non  frequentanti. La  prova  in itinere  avrà  validità  un anno solare. L’esame finale consiste in una  prova  orale  sugli  argomenti  del  programma  finalizzata  ad  accertare  le  conoscenze  acquisite  e  le  capacità  di applicarle in maniera critica adoperando un linguaggio tecnico ed un approccio metodologico adeguato. Lo studente che supera la prova in itinere  è esonerato durante l’esame finale dagli argomenti del primo modulo.

Assessment

At the end of the first module, an oral ongoing test is carried out on the topics of the executed program, to which a score of thirty is assigned and it will weigh on the final exam for the 50%. Attending and non-attending students can take the ongoing test.  The ongoing test will be valid for one calendar year. The final exam consists  of  an  oral  exam  on  the program  topics  aimed  to  ascertaining  the  acquired  knowledge  and  the  ability  to  apply  it  critically  using  an appropriate technical language and a methodological approach. The student who passes the ongoing test is exempted from the topics of the first module during the final exam.

Programma del Corso

Modulo “Tecnologie per la produzione di energia” -Introduzione: La questione energetica. -Combustibili fossili: Generalità. Combustione omogenea ed eterogenea. Combustione catalitica per la generazione di energia elettrica. -Carbone: Caratteristiche generali, usi e riserve. -Gas naturale: Caratteristiche  dei  gas-fields, componenti del gas naturale, processi per la produzione  di energia. Gas naturale e propano come combustibili. Metodologie alternative per la conversione di gas naturale -Petrolio:  L'industria  di  raffineria.  Importanza  politica  ed  economica  del  greggio.  Riserve  energetiche  nel  mondo. Storia  del  petrolio.  Caratteristiche  e  classificazione  dei  greggi.  Produzione  del  greggio:  formazione  dei  giacimenti, localizzazione dei giacimenti, estrazione. Natura dei giacimenti petroliferi. Distillazione del petrolio ed utilizzazione delle  frazioni  petrolifere. Schemi  di  raffinerie  integrate.  Operazioni  di  raffineria. Gassificazione dei residui e cicli integrati di gassificazione e produzione di energia elettrica. -Carburanti  e combustibili:  produzione  di  benzine  e  gasoli.  Impatto  ambientale  delle  benzine.  Evoluzione  nella formulazione  delle  benzine,  adeguamento  delle  benzine  alle  normative  a  tutela  dell'ambiente:  il  caso  USA  e  il  caso Europa.   Proprietà   delle   benzine.   -Gasoli  di   nuova   formulazione:   Marmitte   catalitiche   di   nuova   generazione. Carburanti alternativi. -Nuovi combustibili: Biocombustibili, etanolo, biodiesel da oli vegetali e da alghe, produzione termochimica di combustibili come il metanolo. Tecnologie di generazione on-board di idrogeno. Processi di produzione dell'idrogeno. Modulo “Tecnologie per l’accumulo di energia” -Tecnologie per l'accumulo di energia termica: Principali parametri per definire la performance dei sistemi di accumulo termico. Principi e tipologie di accumulo termico. Materiali per l’accumulo di calore sensibile. Materiali per l’accumulo di calore latente. Materiali a cambiamento di fase. Materiali per l'accumulo termochimico del calore. Tipologie di impianto, stoccaggio stagionale, accumulo termico negli edifici, produzioni del freddo, applicazioni particolari, impianti per la generazione elettrica. Applicazioni e prospettive. Dimensionamento di un accumulo termico. Fondamenti di simulazione multifisica di un accumulo termico. Procedure sperimentali per la valutazione di accumulo termico. -Vettori energetici non tradizionali: Idrogeno. Accumulo d’idrogeno meccanico (compressione, liquefazione), chimico (idruri), fisico (leghe metalliche, adsorbimento). Dispositivi per il rilascio e l’accumulo d’idrogeno. Sistemi di accumulo sui veicoli. Sistemi di accumulo nella trazione elettrica. -Accumulatori elettrochimici: Batterie a elettrolita liquido. Batterie a elettrolita non-liquido. Batterie Metallo-Aria. Batterie a flusso. Introduzione al modeling di dispositivi e sistemi elettrochimici. -Supercondensatori: Condensatori elettrolitici. Condensatori a doppio strato. Pseudocondensatori. Sistemi per supercondensatori. Impiego dei supercondensatori. Applicazioni nel settore dei trasporti. Inoltre,  saranno  condotte  esercitazioni  sull’impatto  ambientale  individuale  e  l’impronta  ecologica,  per contestualizzare il corso nella realtà attuale.

Course Syllabus

Module “Technologies for the energy production” -Introduction:  The energy issue.  -Fossil fuels: General information. Homogeneous and heterogeneous combustion. Catalytic combustion for the generation of electricity. -Coal: General characteristics, uses and reserves. -Natural gas: Characteristics of gas fields, components of natural gas, processes for the production of energy. Natural gas and propane as fuels. Alternative methodologies for the conversion of natural gas. -Oil: The refinery industry. Geopolitical and economical importance of oil. Energetic resources.  History. Characteristics and classification of oil. Oil production: field development, localization and identification of fields. Nature of oil fields. Distillation of oil and use of oil fractions. Schemes of integrated refineries. Topping and utilization of oil cuts. Main refinery processes. Residues gasification and integrated cycles of gasification with energy production. -Fuels and combustibles: gasoline and gasoil production. Environmental impact of gasoline. Evolution in the formulation of gasoline, adaptation of gasoline to environmental protection regulations: the US case and the European case. Properties of gasoline. -Newly formulated diesel fuel: New generation catalytic mufflers. Alternative fuels. -New fuels: Biofuels, ethanol, biodiesel from vegetable oils and algae, thermochemical production of fuels such as methanol. On-board generation of hydrogen. Module “Technologies for the energy storage” -Technologies for the storage of thermal energy: Main parameters to define the performance of thermal storage systems. Principles and types of thermal energy storage. Materials for sensible heat storage. Materials for latent heat storage. Phase change materials. Materials for thermochemical heat storage. Types of plant, seasonal storage, thermal storage in buildings, cold production, particular applications, plants for electricity generation. Applications and perspectives. Sizing of a thermal storage. Fundamentals of multiphysics simulation of a thermal storage. Experimental procedures for the thermal storage evaluation. -Non-traditional energy carriers: Hydrogen. Mechanical (Compression, liquefaction), chemical (hydrides) and physical (metal alloys, adsorption) hydrogen storage. Devices for the release and the storage of hydrogen. Storage systems on vehicles. Storage systems in the electric traction. -Electrochemical accumulators: Liquid electrolyte batteries. Non-liquid electrolyte batteries. Metal-Air Batteries. Flow batteries. Introduction to the modeling of electrochemical devices and systems. -Supercapacitors: Electrolytic capacitors. Double layer capacitors. Pseudocapacitors. Supercapacitor systems. Use of supercapacitors. Applications in the transport sector. In  addition,  exercises  will  be  conducted  on  the  individual  environmental  impact  and  the  ecological  footprint,  to contextualize the course in today's reality.