99532 - TERMOECONOMIA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente ha una conoscenza di base delle funzioni di disponibilità per sistemi termodinamici, dell'economia dell'energia e dell’ambiente applicata ai mercati e alle industrie delle fonti fossili e di quelle rinnovabili, relativamente agli aspetti critici sia della produzione che a quelli del consumo finale nei diversi settori. In particolare, lo studente è in grado di: Analizzare le politiche ambientali volte alla riduzione delle emissioni di CO2; Identificare le principali dinamiche dei mercati del petrolio, del gas e del carbone; Stimare i principali elementi di costo per i consumatori finali di energia nei diversi settori; Raccogliere e analizzare statistiche su prezzi e quantità dei mercati dell’energia. Calcolare il rendimento exergetico dei processi tecnologici Valutare il tempo di payback exergetico di interventi di riqualificazione energetica

Contenuti

Modulo 1: Economica dell’energia

Concetti elementari di economia e di politica dell’energia. Principi di base dell’economia dell’energia e dell’ambiente, dalla grande dimensione dell’energia che l’uomo moderno consuma, alla dispersione dell’energia. Risorse, beni, mercati e allocazione ottimale delle risorse. Energia, ambiente e fallimenti dei mercati, concetti di densità energetica. È l’energia un bene come gli altri? Quando è possibile fare dell’energia un bene primario, una commodity. Mercati competitivi, o politiche di regolazione e pianificazione. I tre pilastri delle politiche energetiche: ambiente, sicurezza e competitività.

Scenari energetici e il dominio dei fossili. Bilancio energetico mondiale e crescita dei consumi. Popolazione e urbanizzazione. Maggiore ricchezza, espansione del PIL e maggiori consumi di energia. I trend di lungo termine dei consumi di energia. Ruolo del gas, del petrolio e del carbone. Le biomasse povere e il danno che provocano. Il grande idroelettrico, la vera fonte rinnovabile. Le nuove rinnovabili e le difficoltà della loro crescita. La complessità del nucleare, i suoi problemi e i suoi vantaggi.

Emissioni di CO₂ e politiche di mitigazione. Crescita mondiale delle emissioni di CO₂. Analisi delle emissioni per settore. Il peso del consumo delle fonti fossili. Tentativo di bilancio delle emissioni di CO₂ di origine naturale e antropica. Storia della politica ambientale sull’ambiente e sul cambiamento climatico. Le politiche di mitigazione a livello internazionale: protocollo di Kyoto e l’accordo di Parigi. Il commercio dei permessi di emissione nell’Unione Europea. Previsione dei prezzi della CO₂ e le dinamiche recenti. Gli obiettivi Europei sulla riduzione delle emissioni di CO₂. Il caso Italia e le sue politiche.

La generazione elettrica, fonti rinnovabili, mercati e bollette. Perché l’energia elettrica non è una commodity energetica. I tentativi di farne un mercato. Generazione elettrica nel mondo, in Europa e in Italia per principali fonti primarie. Il ruolo delle importazioni. La crescita degli usi di elettricità. La supremazia del carbone. L’idroelettrico e le altre rinnovabili. Intermittenza, modulabilità e accumuli.

L’industria e il mercato del petrolio. Petrolio come principale fonte a copertura della domanda. Domanda mobilità e dipendenza da petrolio. Meccanismi di prezzo. Politica e futuri sviluppi. Raffinazione e distribuzione di petrolio. L’industria del petrolio in Italia e la rete carburanti. I prezzi della benzina e del gasolio alla pompa. Struttura del prezzo alla pompa.

Il gas naturale e la transizione. Il gas naturale e il suo mercato. Crescita dei consumi e vantaggi ambientali. Il ciclo combinato nella generazione elettrica. Il caso Italia e la crisi del 2022. Prezzi del gas sul mercato internazionale. Formule contrattuali di importazione del gas. Il legame del prezzo del gas con quello dell’elettricità. Le bollette del gas e dell’elettricità in Italia. Confronto di prezzi del gas e dell’elettricità con l’estero.

Esercizi risolti. Il mercato dei beni di consumo più o meno competitivo. Raccolta delle statistiche circa lo sviluppo dei singoli paesi del mondo. Calcolo della riduzione della CO2 a livello mondiale grazie al gas e alle fonti rinnovabili. Lettura di una bolletta dell’elettricità. Analisi di una fattura del gas ad un’industria. Come trovare le migliori forniture sul mercato libero per una famiglia e per un’impresa.

 

Modulo 2: Analisi exergetica

Sintesi dei fondamenti della termodinamica dei sistemi chiusi. Definizioni di base. Primo principio ed energia. Secondo principio. Impossibilità di macchina di moto perpetuo di seconda specie. Definizioni di temperatura termodinamica e di entropia. Principio di non diminuzione dell’entropia. Principio della massima entropia. Flusso e produzione di entropia.

Sistema semplice ed equazione di Gibbs. Relazione fondamentale ed equazione di Gibbs per un sistema semplice chiuso. Condizioni necessarie per l’equilibrio mutuamente stabile di due sistemi semplici chiusi che possono scambiarsi energia e volume. Lavoro compiuto in un processo quasistatico di un sistema semplice chiuso.

Fondamenti della termodinamica dei sistemi aperti. Entalpia ed entropia di un sistema aperto. Entalpia molare di formazione ed energia libera di Gibbs molare di formazione. Relazione fondamentale ed equazione di Gibbs di un sistema aperto. Differenziali dell’entalpia e dell’energia libera di Gibbs. Condizioni per l’equilibrio mutuamente stabile di due sistemi aperti. Equazione di Eulero. Potenziale chimico di un gas ideale e di un costituente di una miscela di gas ideali.

Reazioni chimiche ed equilibrio chimico. Segno dei coefficienti stechiometrici. Coordinata di reazione. Cambiamento di composizione in un processo discontinuo. Cambiamento di composizione in un flusso stazionario. Grado di reazione. Reazioni multiple. Entalpia, energia libera di Gibbs ed entropia di reazione. Potere calorifico inferiore e superiore. Condizione di equilibrio chimico. Equilibrio chimico di una miscela di gas ideali.

Funzioni di disponibilità dei sistemi chiusi e disponibilità nel deflusso. Disponibilità adiabatica. Diagramma energia-entropia. Energia disponibile ed esempio. Funzione di disponibilità di Keenan ed esempio. Bilanci di energia e di entropia per un volume di controllo. Disponibilità nel deflusso (flow availability). Energia libera di Gibbs come caso particolare di disponibilità nel deflusso.

Exergia ed exergia nel deflusso. Exergia. Exergia molare ed exergia molare nel deflusso di una sostanza pura. Exergia di un flusso di calore. Exergia molare nel deflusso di un gas ideale. Exergia specifica nel deflusso di una miscela di aria e vapore d’acqua. Exergia molare nel deflusso dell’acqua liquida. Exergia molare di un combustibile chimico. Calcolo dell’exergia molare del metano.

Rendimento exergetico. Rendimento exergetico di obiettivo. Rendimento exergetico di un processo discontinuo. Casi particolari di produzione e di utilizzazione di lavoro utile ed esempi. Rendimento exergetico di un processo di flusso stazionario e casi particolari: produzione e utilizzazione di lavoro utile, scambiatore di calore. Rendimento isoentropico.

Consumo mondiale di exergia non rinnovabile ed emissioni di CO₂ equivalente. Dati di consumo mondiale di energia e stima del consumo mondiale annuo di exergia non rinnovabile. Global warming potential ed emissioni annue di CO₂ equivalente.

Tempo di payback energetico e di emissione. Embodied energy, annual energy saving e tempo di payback energetico. Embodied carbon, annual carbon saving e tempo di payback di emissione. Metodo di calcolo dell’embodied energy e dell’embodied carbon. Calcolo dell’embodied energy e dell’embodied carbon di una pompa di calore con sorgente aria e di una pompa di calore accoppiata al terreno. Calcolo del tempo di payback energetico e di emissione della sostituzione di una caldaia a gas con una pompa di calore con sorgente aria o accoppiata al terreno.

Esercizi risolti. Produzione di entropia nella parete esterna di un edificio. Frazioni molari in uscita e potenza termica erogata da un bruciatore a metano. Exergia di un flusso di calore erogato a una stanza. Distruzione di exergia nel mescolamento di due gas ideali. Analisi exergetica di un impianto fotovoltaico. Rendimento exergetico e rendimento isoentropico di una turbina a vapore. Analisi exergetica del ciclo di una pompa di calore aria-acqua. Calcolo dell’exergia specifica nel deflusso di CO₂ liquida e gassosa. Calcolo del potere calorifico inferiore e dell’exergia molare del benzene liquido. Analisi exergetica di una valvola di laminazione. Confronto fra il rendimento exergetico di una caldaia a condensazione e quello di una pompa di calore.

Testi/Bibliografia

Modulo 1: Economia dell’energia

Letture suggerite:

R. Kerry Turner, David Pearce, Environmental Economics: An Elementary Introduction, Johns Hopkins Univ Pr.

 

Modulo 2: Analisi exergetica

Slide di Termoeconomia M, Modulo 2 – Analisi Exergetica, redatte dal docente e disponibili su https://virtuale.unibo.it.

Testi per approfondimenti (materiale non necessario per l’esame)

E.P. Gyftopoulos and G.P. Beretta, Thermodynamics: Foundations and Applications, Dover 2005.

G. P. Beretta and E. Zanchini, Rigorous and General Definition of Thermodynamic Entropy, in: Thermodynamics, edited by M. Tadashi, InTech, 2011, p. 23.

E. Zanchini and G.P. Beretta, Recent Progress in the Definition of Thermodynamic Entropy, Entropy 16, 1547-1570, 2014.

E. Zanchini and G.P. Beretta, Thermodynamic entropy and temperature rigorously defined without heuristic use of the concepts of heat and empirical temperature, in: Kelvin, Thermodynamics and the Natural World, Chapter 12, Witt Press 2015.

E. Zanchini, T. Terlizzese, Molar exergy and flow exergy of pure chemical fuels, Energy 34, 2009, 1246–1259.

E. Zanchini, A more general exergy function and its application to the definition of exergy efficiency, Energy 87, 2015, 352-360.

Riferimenti per dati termodinamici (materiale non necessario per l’esame)

David R. Lide Editor-in-Chief, CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th Edition, 2009-2010, CRC Press, 2009 (ed edizioni successive).

NIST – National Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

NIST-JANAF Thermochemical Tables, NIST Standard Reference Database 13, Last Update to Data Content: 1998, https://janaf.nist.gov/

G Hammond, C. Jones, Inventory of Carbon & Energy (ICE) Version 2.0, University of Bath, UK, 2011.

Metodi didattici

Modulo 1: Economia dell’energia

Le lezioni verranno effettuate con presentazioni in classe di slide in PowerPoint. Verranno condotti esercizi relativi a casi concreti. Sono previste testimonianze di persone dell'industria energetica.

 

Modulo 2: Analisi exergetica

Il metodo didattico è costituito da lezioni teoriche e da esemplificazioni applicative svolte dal docente in aula, illustrate prevalentemente mediante slide. Le lezioni saranno videoregistrate.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova orale con voto in trentesimi, che comprende due domande per ciascuno dei due moduli. Per ottenere il voto massimo (30 e lode) lo studente deve dimostrare di avere capito pienamente i temi oggetto di domanda e di sapersi esprimere con chiarezza. Il mancato superamento dell'esame si ha quando lo studente dimostra di non avere alcuna conoscenza di un argomento fondamentale o di averlo compreso in modo totalmente errato.

Strumenti a supporto della didattica

Modulo 1: Economia dell’energia

Lezioni in PowerPoint e in formato pdf; Materiale didattico disponibile in rete: https://virtuale.unibo.it.

 

Modulo 2: Analisi exergetica

Strumenti audiovisivi; Materiale didattico disponibile in rete: https://virtuale.unibo.it.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enzo Zanchini

Consulta il sito web di Davide Tabarelli