MINERALI CRITICI PER LA SOSTENIBILITÀ E LE RINNOVABILI
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- MATTEO ARDIT
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- GEO/06
Obiettivi formativi
- Lo scopo del corso si fonda sulla stretta relazione esistente fra il mondo delle Geoscienze ed i materiali che lo caratterizzano (i Geomateriali) e le Scienze dei Materiali per lo sviluppo di energie rinnovabili ed edilizia sostenibile. Attraverso il trasferimento di conoscenze di base ed approfondimenti tematici sui minerali e materiali "critici", e la loro applicazione nel settore dell'energia rinnovabile e dell'edilizia sostenibile, lo studente acquisisce competenze che si interfacciano su diverse discipline scientifiche (quali mineralogia, giacimenti minerari, petrografia, ingegneria, ...) e viene sensibilizzato al concetto di sviluppo sostenibile. Tale forma di sviluppo si fonda sul concetto di salvaguardia dell'ambiente e dei beni liberi per le generazioni future.
Le principali conoscenze fondamentali apprese dagli studenti riguardano:
- elementi per la caratterizzazione fisico-chimica dei materiali;
- conoscenza delle principali fonti naturali di materie prime;
- concetti di base di tecniche comparative per la comprensione di fenomeni di natura fisica nei materiali;
- conoscenza di tecniche avanzate per la produzione alternativa di energia elettrica;
- sviluppo di conoscenze su materiali atti o potenzialmente atti allo stoccaggio di energia;
- conoscenza dell’impatto climatico da immissione di CO2 di origine antropica causata dalla produzione e l’utilizzo di materiali cementizi
- conoscenza dei materiali cementizi e dei processi produttivi del cemento a bassa immissione di CO2 sostenibili. Prerequisiti
- Conoscenze acquisite nei corsi di Fisica (I e II), Mineralogia e Laboratorio di Mineralogia, e Petrografia.
Contenuti del corso
- Il corso è suddiviso in due moduli comprendenti 20 e 10 lezioni, rispettivamente, di 2 ore ciascuna, per un totale di 60 ore di didattica frontale ed esercitazioni.
MODULO I
Clima, Energia, Materiali e Sostenibilità
- Introduzione al Corso & Cambiamenti climatici: prove, cause, effetti e soluzioni.
- Il panorama energetico globale: distribuzione delle risorse energetiche; Sviluppo economico, richiesta energetica, produttività economica e qualità di vita; Accesso a un approvvigionamento energetico sostenibile; Sostenibilità.
- Il panorama globale dei materiali: i materiali critici, i materiali critici per le energie rinnovabili, rischi nella catena di approvvigionamento dei materiali.
- Cattura e sequestro di CO2: le sorgenti di CO2; Opzioni di sequestro; Tecnologie di cattura; Materiali impiegati nelle tecnologie di cattura.
Fonti di Energia Non-rinnovabili del Futuro
- Idrocarburi nonconvenzionali: gas e petrolio nonconvenzionale; Gas da scisto sostenibile; Clatrati idrati.
- Energia nucleare & Trattamento e stoccaggio scorie: il processo di fissione; Cicli del combustibile; Materiali; Le scorie nucleari e il loro stoccaggio.
Fonti di Energia Rinnovabile
- Panoramica sulle rinnovabili: perché rinnovabili?; Energia solare; Fotovoltaico (+ concentrazione); Solare termico (+ concentrazione); Produzione di combustibile solare; Biomassa; Eolico.
- Energia geotermica.
- Energia eolica: turbine, pale, rotori e torri; l'eolico inshore e offshore; È sostenibile?
- Fotovoltaico: principi base; Celle e dispositivi fotovoltaici; Efficienza; I, II, e III generazione; Il fotovoltaico a concentrazione; Il concetto di multigiunzione.
- Accumulo di energia elettrochimica - Batterie agli ioni di litio; I componenti; Termodinamica e cinetica nelle batterie; Anodi e catodi.
Materiali: Approfondimento
- Classificazione dei materiali.
- Perovskiti: la fase dominante del mantello; La struttura cristallina; Celle solari a perovskite; Perovskiti ad alogenuri di piombo; Perovskiti ad alogenuri di piombo inorganiche nanocristalline e la loro fotoluminescenza.
MODULO II
Cementi Sostenibili a Basso Impatto di CO2
- Impatto, domanda, consumo, previsioni; Concetto di “value chain”; Valutazione del ciclo di vita (LCA); Economia circolare.
- Prospettive di riduzione della CO2 nei cementi; Il livello del clinker: chimica, produzione e processi di idratazione del clinker; Il ciclo del carbonio nei cementi.
- Nozioni di base sul metodo Rietveld; Analisi quantitativa di fase / Rietveld di cementi; Analisi quantitativa di fase / Rietveld online presso il cementificio; Casi studio.
- Il livello del clinker: efficienza energetica; Carburanti; Materiali cementizi supplementari (SCMs).
- Il livello del calcestruzzo: processi di deterioramento; Classi di esposizione; Intensità del legante; Livello di struttura; Riciclo del calcestruzzo.
- Rifiuti edili e da demolizione; uso aggregati riciclati nel calcestruzzo.
- Clinker alternativi: limitazioni dalla geochimica terrestre e requisiti base dei leganti; cementi Portland belitici; silicati di calcio carbonatabili (CCSCs); cementi calcio-sulfo alluminati (CSA); cementi Belite-Ye'elimite-Ferrite (BYF); cementi a base di calcio silicati idraulici per via idrotermale; cementi super-solfatati da loppa d’altoforno (SSC); cementi basati su magnesia (MC); cementi modificati energeticamente e nanocemento/nanocalcestruzzo.
- Geopolimeri: introduzione; sintesi; fonti silicoaluminati; caolinite/metacaolinite; microstrutture; modelli strutturali; applicazioni sul campo.
- Quadro riassuntivo leganti alternativi.
- Strategie riduzione CO2 nella value chain del cemento. Metodi didattici
- - Lezioni frontali in aula e in modalità remota sia con possibilità di frequenza online (streaming live delle lezioni) che con materiale (presentazioni e dispense) disponibile per la frequenza offline.
- Discussioni aperte per la verifica della comprensione degli argomenti trattati.
- Possibili incontri con esperti dei diversi settori. Modalità di verifica dell'apprendimento
- Lo studente dovrà produrre una relazione scritta su una tematica a scelta di proprio interesse. Oltre alle competenze acquisite durante il corso, la relazione sarà un approfondimento sul tema scelto. Esempi inerenti ai materiali e le tecnologie impiegate sono incoraggiati. La relazione dovrà contenere una riflessione ragionata sulla possibile criticità dei materiali impiegati nella tecnologia trattata e la possibile sostenibilità inerente alla tematica scelta.
La relazione (mediamente di lunghezza pari a 5/6 pagine in formato A4) dovrà essere inviata prima di sostenere l'esame orale ed avrà un peso complessivo pari ai 2/3 della valutazione finale dell'esame.
Dopo valutazione della relazione, lo studente sosterrà una prova orale della durata di circa 30/45 minuti nella quale verrà richiesta una profonda conoscenza della tematica sviluppata nella produzione dell'elaborato scritto (relazione), testata attraverso quesiti puntuali (durata di circa 20/25 min). La prova orale proseguirà in forma di discussione aperta sulle altre tematiche svolte durante il corso.
La prova orale avrà un peso complessivo pari a 1/3 della valutazione finale dell'esame. Testi di riferimento
- Materiale didattico fornito dal docente.
Argomenti specifici possono essere sviluppati attraverso i seguenti testi:
- D.S. Ginley & D. Cahen - Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability (2012)
- M.F. Ashby - Materials and Sustainable Development (2016)
