L’insegnamento di Energetica generale si pone l’obiettivo di fornire agli studenti gli strumenti necessari per poter avere una visione critica generale dei sistemi energetici globali.

Esso può essere suddiviso in due parti:

1)  la prima parte riguarda l’analisi exergetica. Essa si pone l’obiettivo di fornire agli studenti gli strumenti necessari per analizzare sistemi energetici complessi (dalla fonte primaria al consumo finale) tenendo conto contestualmente di quantità e qualità dell’energia;

2)   la seconda parte riguarda l’analisi dei bilanci energetici ed elettrici di Stati, nonché i principi di funzionamento del sistema e dei mercati elettrici. Essa si pone l’obiettivo di fornire agli studenti gli strumenti per valutare criticamente la situazione energetica globale di Stati o parti del Mondo, con un approfondimento sul settore elettrico.

Sono previsti seminari e visite tecniche presso un paio di impianti di produzione di energia elettrica.

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

•       conosce le grandezze che compongono il bilancio exergetico e ne comprende il significato;

•       è in grado di definire il bilancio exergetico per un qualunque sistema energetico complesso, identificando le distruzioni di exergia su cui porre particolare attenzione e calcolando i rendimenti exergetici;

•       è in grado di sviluppare riflessioni e giudizi in autonomia a partire dai risultati delle analisi exergetiche, individuando quali sono le parti di un sistema energetico complesso in cui è opportuno intervenire per ridurre le distruzioni di exergia;

•       conosce le grandezze che compongono i bilanci energetici ed elettrici di Stati e ne comprende il significato;

•       conosce i principi di funzionamento del sistema e del mercato elettrico italiano, nonché i ruoli dei diversi soggetti che vi operano;

•       è in grado di leggere i bilanci energetici ed elettrici di Stati e di analizzarli criticamente anche tramite l’utilizzo di appositi indicatori; è in grado di analizzare l’evoluzione delle grandezze che li compongono e di ipotizzare i motivi da cui tale evoluzione deriva;

•       è in grado di capire l’effetto che decisioni di vario tipo possono avere sui sistemi energetici ed elettrici, con particolare riferimento al sistema e al mercato elettrico italiano;

•      è in grado di sviluppare riflessioni e giudizi in autonomia in merito alla situazione e all’evoluzione energetica ed elettrica di Stati, a partire dalla lettura incrociata dei dati presenti nei bilanci energetici ed elettrici dei medesimi;

•   è in grado di esporre in modo sintetico le proprie riflessioni e i propri giudizi. Questa abilità viene valutata con particolare riferimento alla seconda parte dell’insegnamento (o per il tramite dell’approfondimento facoltativo o per il tramite di apposite domande in sede d’esame finalizzate proprio a valutare la capacità di cogliere gli elementi salienti di temi vasti esponendoli in modo chiaro e sintetico).

Prima parte

1. Introduzione. Fonti di energia: possibili classificazioni. La disponibilità teorica delle fonti rinnovabili. Riserve accertate, possibili e presunte di combustibili fossili. Disponibilità della fonte nucleare. Alcuni approfondimenti relativi alle modalità di utilizzo dell'energia nucleare e alle criticità afferenti alle scorie. Confronti con i fabbisogni energetici per l’umanità.

2.  Analisi exergetica. Definizione del bilancio exergetico generalizzato e analisi critica delle grandezze exergetiche che in esso compaiono. Exergia chimica. La distruzione di exergia e i rendimenti exergetici. Applicazione del bilancio exergetico ai sistemi semplici e ai sistemi energetici complessi (tra cui sistemi di riscaldamento, sistemi di produzione dell’energia elettrica, sistemi cogenerativi, sistemi “total energy” o sistemi più articolati dalla fonte primaria agli utilizzi finali). Applicazione del bilancio exergetico a sistemi che presentano reazioni chimiche di vario tipo, con particolare attenzione alle combustioni. Metodi di valutazione e di individuazione della cogenerazione ad alto rendimento. Cenni in merito all’applicazione dell’exergia all’economia: definizione del costo exergetico, definizione dei bilanci termoeconomici e relative applicazioni ad alcuni sistemi scelti come esempio.

Seconda parte

3. Bilanci energetici e bilanci elettrici di uno Stato. Il bilancio energetico di uno Stato, con descrizione delle grandezze da cui è composto e delle convenzioni adottate. Approfondimento sulla situazione energetica dell’Europa e dell'Italia: evoluzione storica, stato attuale, prospettive. Previsione dei fabbisogni energetici per l’umanità a medio e lungo termine. Energia elettrica e potenza elettrica. Il bilancio elettrico di uno Stato, con descrizione delle grandezze da cui è composto. Descrizione critica delle recenti evoluzioni del mix produttivo di energia elettrica in Europa e in Italia per effetto delle fonti non programmabili e della generazione distribuita. Indicatori utili per l'analisi dei bilanci energetici ed elettrici di uno Stato. Le politiche ambientali europee finalizzate alla promozione della riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra, dello sviluppo delle fonti rinnovabili e dell’efficienza energetica. Gli obiettivi europei al 2020 e gli strumenti per il loro raggiungimento. Discussioni relative agli obiettivi al 2030.

4. Il sistema e i mercati elettrici. Struttura e principi di funzionamento del sistema elettrico e del mercato libero dell’energia elettrica in Italia.  Gli attori coinvolti e le loro interrelazioni. La remunerazione dell’attività di gestione delle reti elettriche e la raccolta di quanto necessario tramite le tariffe di trasmissione, di distribuzione e di misura. La copertura degli oneri generali di sistema. Modalità di accesso al sistema elettrico nel caso di clienti finali, produttori e prosumer (cioè soggetti che al contempo producono e consumano energia elettrica). I mercati all'ingrosso dell’energia elettrica (principi concettuali ed elementi applicativi), il dispacciamento elettrico e la regolazione degli sbilanciamenti, con particolare riferimento alla situazione italiana. Commento degli impatti sul sistema elettrico derivanti dalla diffusione di impianti alimentati da fonti rinnovabili e della generazione distribuita; relativa evoluzione regolatoria necessaria per utilizzare al meglio i nuovi impianti di produzione di energia elettrica e la demand response. I mercati retail dell'energia elettrica.

Allo studente sono richieste conoscenze di base di termodinamica, fisica tecnica, chimica e di sistemi energetici (quali quelle, ad esempio, acquisite nel triennio della Laurea di Ingegneria Energetica del Politecnico di Milano).

L’esame consiste in una prova scritta e una prova orale, anche sostenibili in appelli diversi:

1)   la prova scritta è relativa all’analisi exergetica (prima parte dell’insegnamento) e consiste in un esercizio (12 punti) e una domanda di teoria (3 punti) sull’analisi exergetica. Può essere assegnato un punto di bonus nel caso di prove scritte ordinate e ricche di commenti alle scelte effettuate;

2)   la prova orale è relativa alla seconda parte dell’insegnamento: una domanda è relativa ai bilanci energetici ed elettrici e/o alle politiche ambientali (7,5 punti), mentre l’altra domanda è relativa al sistema elettrico e ai mercati elettrici (7,5 punti). Una di queste domande può essere parzialmente sostituita dalla breve presentazione di un approfondimento facoltativo, scelto tra quelli che verranno messi a disposizione del docente: in questo caso l’approfondimento facoltativo vale 5 punti (i restanti 2,5 punti relativi ai medesimi argomenti sostituiti dall’approfondimento sono associati a una domanda rapida). Può essere assegnato un punto di bonus nel caso di approfondimenti facoltativi ampiamente commentati.

Vengono anche previste, in alternativa, due prove in itinere, entrambe scritte: una relativa all’analisi exergetica (strutturata come la prova scritta di cui sopra) e una relativa alla seconda parte dell’insegnamento (con un esercizio relativo al bilancio energetico ed elettrico di uno Stato e una domanda che presuppone una risposta ampia e ragionata relativa alle politiche ambientali e/o al sistema elettrico e mercati elettrici). Le prove in itinere, se superate con esito positivo, consentono di completare l’esame entro pochi giorni dal termine dell’insegnamento.

Indipendentemente dalla modalità scelta, in sede d’esame, oltre alle conoscenze che derivano dallo studio di quanto presentato a lezione, viene valutata la:

-        capacità di impostazione dell’analisi exergetica di un sistema complesso in cui sono presenti diverse forme energetiche, dalle fonti primarie agli usi finali;

-        capacità di giudicare i risultati numerici ottenuti dall’analisi exergetica (nella modalità scritta) o di stimare l’ordine di grandezza dei risultati ottenibili (nella modalità orale);

-        capacità di analizzare la situazione energetica ed elettrica di uno Stato a partire dai dati disponibili e avvalendosi di appositi indicatori;

-        capacità di ipotizzare criticamente l’effetto che decisioni di vario tipo possono avere sui sistemi energetici ed elettrici, con particolare riferimento al sistema e al mercato elettrico italiano;

-        capacità di esposizione sintetica delle proprie conoscenze, degli approfondimenti sviluppati (ove previsti) e delle proprie riflessioni.