Dottorato in ENERGIA E AMBIENTE

Nei prossimi decenni le nazioni si troveranno ad affrontare sempre di più le tematiche legate all'energia e all'ambiente, per garantire, a livello mondiale, uno sviluppo effettivamente sostenibile; in tale visione di crescita, che coniuga le risorse disponibili con il rispetto della natura in tutti i suoi aspetti, assumono importanza fondamentale le conoscenze e le competenze interdisciplinari e transnazionali, essendo le uniche che permettono di affrontare in maniera organica problematiche complesse che coinvolgono non solo aspetti più propriamente tecnologici, ma anche dinamiche sociali, economiche ed ambientali su scale sempre più ampie.
Il Corso di Dottorato di Ricerca in Energia e Ambiente garantisce l’acquisizione di competenze e conoscenze multidisciplinari, fortemente integrate, al fine di formare figure professionali orientate al mondo della ricerca, dell’impresa, delle istituzioni governative, nazionali e internazionali, e della cooperazione. Tali figure sapranno affrontare, avvalendosi dei mezzi culturali acquisiti durante lo svolgimento del dottorato, la sfida dello sviluppo energetico, in armonia con la salvaguardia dell’ambiente e dell’uomo, in un contesto internazionale che veda partecipi, allo stesso modo, i paesi industrializzati, emergenti ed in via di sviluppo. Tale obiettivo è raggiunto attraverso cinque indirizzi culturali in cui si articola il corso di dottorato: "Fisica Tecnica Industriale ed Ambientale", "Macchine e Sistemi per l'Energia e l'Ambiente", "Ingegneria Nucleare", "Risparmio Energetico e Microgenerazione Distribuita", "Ingegneria Aerospaziale". I cinque percorsi, pur differenziandosi nell’entità dell’approfondimento su diversi contenuti specifici, hanno una comune base conoscitiva e, soprattutto, metodologica, tale da garantire una forte correlazione tra i differenti settori culturali che attengono alle scienze dell'energia, dell'ambiente e delle politiche di sviluppo. Il Dottorato di Ricerca in Energia e Ambiente, che ha una durata di tre anni, è organizzato in modo tale che sia possibile fruire di tutte le competenze presenti all’interno dei cinque indirizzi culturali e dei rispettivi contenuti scientifico-disciplinari. In particolare, poiché le tematiche legate alle scienze e tecnologie energetiche ed ambientali costituiscono un patrimonio comune a tutti i dottorandi, la struttura formativa del dottorato si articola in una prima fase didattica dedicata all'approfondimento di argomenti di formazione propedeutica e di base per la ricerca ed in due fasi successive, finalizzate, rispettivamente, all’approfondimento degli aspetti di interesse più specifico dei diversi indirizzi culturali e allo sviluppo della tesi.

Le principali tematiche trattate nell’ambito dell’indirizzo "Fisica Tecnica Industriale e Ambientale" consentiranno allo studente di sviluppare competenze avanzate di ricerca nei settori della termodinamica applicata, della termofluidodinamica teorica e computazionale, della trasmissione del calore, dell’energetica, dell’uso razionale dell’energia, dell’impiego delle fonti energetiche rinnovabili, della fisica ambientale, dell’acustica applicata e dell’illuminotecnica.
Esempi di studi e ricerche connessi a tali tematiche sono relativi a: l’analisi degli scenari energetici e di innovazione tecnologica; l'analisi termodinamica delle trasformazioni energetiche; lo studio e la progettazione di impianti di trigenerazione; lo studio e la progettazione di componenti e impianti termotecnici; lo studio, la progettazione e l’ottimizzazione di impianti di climatizzazione, raffreddamento, riscaldamento e ventilazione; lo studio, la progettazione e l’ottimizzazione di sistemi di distribuzione fluidica; lo studio del comportamento termofluidodinamico di sistemi e apparati convenzionali e innovativi; lo studio di nuove metodologie di incremento dello scambio termico; lo studio della termofisica dell’edificio; lo studio della riqualificazione energetica dell’ambiente costruito; lo studio e la progettazione dell’involucro edilizio; lo studio e la progettazione bioclimatica; lo studio e la pianificazione energetica e ambientale; lo studio del benessere termoigrometrico e della qualità dell’aria; l’analisi dei modi in cui le variabili socio-economiche influenzano e sono influenzate dalle variabili naturali e tecnologiche per lo sviluppo sostenibile; lo studio della progettazione acustica e illuminotecnica dell’ambiente esterno e confinato; lo studio, la progettazione e la realizzazione delle smart cities; lo studio della conservazione e valorizzazione dei beni culturali; lo studio della valutazione degli impatti ambientali; lo studio e l'analisi dell'ambiente terrestre e spaziale; i servizi di geolocalizzazione; la misura delle grandezze termiche, fluidodinamiche ed ambientali; la progettazione e sviluppo di apparecchiature per la sperimentazione fisica; la modellazione fisico-matematica di processi, sistemi, dispositivi, edifici e ambienti; lo sviluppo di modelli numerici per la simulazione termofluidodinamica.
L’obiettivo formativo dell’indirizzo "Fisica Tecnica Industriale e Ambientale" è quello di formare una figura professionale altamente specializzata in grado di: svolgere attività di ricerca di alto profilo e di gestire l’innovazione tecnologica, al fine di ottimizzare l’efficienza energetica di sistemi e componenti, tradizionali e innovativi, impiegati per la produzione, distribuzione e utilizzazione dell’energia termica e frigorifera; sviluppare nuove metodologie, apparecchiature e tecnologie per il controllo dell’ambiente naturale e costruito; elaborare modelli per lo sviluppo sostenibile.

I temi di ricerca al centro dell’indirizzo "Macchine e Sistemi per l’Energia e l’Ambiente" sono orientati allo sviluppo di competenze avanzate nei settori delle tecnologie di conversione dell’energia convenzionali e rinnovabili, dei modelli per la gestione dell’energia in sistemi ingegneristici complessi e per la pianificazione energetica del territorio, delle tecnologie di controllo dell’impatto ambientale da processi di conversione, delle tecnologie diagnostiche e prognostiche applicate a sistemi e processi industriali, della termofluidodinamica computazionale applicata alle macchine a fluido. Esempi connessi a tali tematiche sono: lo sviluppo di modelli numerici per la simulazione di tecnologie energetiche, l'esecuzione di studi numerici e sperimentazione in bacino (in collaborazione con CNR-INSEAN) di impianti di conversione di energia da fonti marine; l'esecuzione di studi numerici e sperimentazioni su gassificatori a letto fluido per processi di gassificazione di biomasse legnose con cattura di CO2; l'esecuzione di studi numerici e sperimentazioni su stack e impianti pilota di sistemi di conversione di energia ad alta efficienza: celle a combustibile di tipo SOFC, DMFC e PEMFC; la modellazione di sistemi energetici complessi integrati, a fonti convenzionali e rinnovabili avanzate, in ambienti on- e off-grid; lo studio della pianificazione energetico-ambientale del territorio; l'analisi delle prestazioni energetiche e del processo di sistemi industriali mediante l'impiego di tecniche d'analisi di sistemi complessi e l'analisi della dinamica delle prestazioni nel tempo; l'applicazione delle tecniche di analisi delle social network alle reti di sensori; l'analisi delle prestazioni e delle emissioni inquinanti di motori alimentati con olii vegetali e olii alimentari esausti; lo sviluppo di modelli sintetici per l'ottimizzazione delle turbomacchine; la simulazione termofluidodinamica di flussi interni in turbomacchine e scambiatori di calore; la modellazione di flussi bifase e previsione dei fenomeni di formazione di deposito e/o erosione (in applicazioni turbomacchinistiche); l'analisi, sviluppo e implementazione di modelli di simulazione agli elementi finiti dei fenomeni di interazione fluido-struttura in ambito turbomacchinistico; la derivazione di nuove soluzioni nella progettazione delle turbomacchine con strumenti numerici in-house calibrati sul problema specifico (ad es. sistemi di controllo passivo in ventilatori assiali, test rig virtuali per sistemi di ventilazione); l'applicazione di tecniche LES, ibridi LES/RANS e URANS avanzate a problemi di fluidodinamica e scambio termico (ad es. raffreddamento interno di pale di turbina, aerodinamica di compressori).
L’obiettivo formativo dell’indirizzo "Macchine e Sistemi per l’Energia e l’Ambiente" è quello di formare una figura professionale altamente specializzata in grado di svolgere e gestire attività di ricerca industriale, progettare e gestire l’innovazione tecnologica di prodotto o processo in ambito energetico. In particolare, obiettivo dell’indirizzo è la formazione di competenze modellistiche, tecnologiche e gestionali nell’ambito dei sistemi di conversione dell'energia e negli usi energetici finali (nei settori primario, industriale, terziario e dei trasporti).
La figura professionale così formata sarà in grado di: svolgere e dirigere attività di progettazione avanzata di sistemi e componenti innovativi; coordinare e gestire programmi di ricerca supportati dalla comunità internazionale e nazionale; coordinare e gestire attività di natura energetica ed ambientale nelle aziende e nella pubblica amministrazione; coordinare e gestire piani di valutazione e pianificazione energetico-ambientale; collaborare alla creazione di piani ed interventi di policy per lo sviluppo sostenibile.

Le principali tematiche trattate nell’ambito dell’indirizzo "Ingegneria Nucleare" consentiranno allo studente di sviluppare competenze avanzate di ricerca sugli aspetti progettuali, tecnologici, costruttivi, termotecnici, termoidraulici, termofluidodinamici, energetici, di gestione, di sicurezza e di impatto ambientale degli impianti nucleari a fissione e fusione e in generale di quelli ad alto rischio, nonché le applicazioni delle tecnologie nucleari, ad esempio in campo biomedico.
In particolare vengono approfonditi studi e ricerche su: impianti nucleari innovativi; impianti destinati alla gestione ed alla conversione dei rifiuti radioattivi; problematiche relative alla dismissione di impianti e laboratori nucleari; misure e strumentazione per gli impianti nucleari; applicazioni dei radioisotopi in campo industriale e medico; rilevamento della radioattività ambientale; sicurezza e protezione dalle radiazioni; modellizzazione e progetto di dispositivi in campo energetico, industriale e biomedico; tecniche matematico-numeriche per la simulazione di sistemi che implicano l'utilizzazione di particelle, radiazioni e plasmi; la protezione dell’ambiente e la sicurezza degli impianti ad alto rischio.
L’obiettivo formativo dell’indirizzo "Ingegneria Nucleare" si propone di approfondire le competenze per il calcolo, la progettazione e la gestione degli impianti di produzione di energia da fissione e fusione nucleare, affrontando in modo approfondito anche le problematiche di sicurezza e impatto ambientale, le analisi di rischio e affidabilità degli impianti e del ciclo del combustibile. La preparazione consentirà di formare una figura in grado di affrontare, con elevate capacità di approfondimento, tematiche interdisciplinari di ricerca avanzata nello studio di modelli e metodi per la descrizione delle problematiche fisiche e ingegneristiche avanzate e innovative, tipiche dei sistemi e delle applicazioni nucleari, in campo energetico, industriale, nelle applicazioni biomediche e ambientali, acquisendo le competenze per coordinare e gestire programmi di ricerca: in società e aziende impegnate nella progettazione e nella fabbricazione di componenti e nella realizzazione o nella dismissione e smantellamento di impianti e laboratori nucleari e convenzionali; in enti e società produttrici di energia da fonte nucleare e convenzionale; in enti di ricerca nel settore energetico in Italia e all’estero; in studi di progettazione e analisi dei rischi di impianti energetici complessi, anche al di fuori dell’ambito nucleare.

Le principali tematiche trattate nell’ambito dell’indirizzo "Risparmio energetico e Microgenerazione Distribuita" consentiranno allo studente di sviluppare le competenze per proporre nuovi sistemi di generazione e distribuzione dell’energia fondati sulla logica delle "smart grid" e basati su dispositivi di produzione dell’energia di piccola taglia, distribuiti sul territorio. In particolare saranno sviluppate: la modellazione di nodi di produzione/consumo di energia elettrica, termica e frigorifera, tenendo conto di diverse configurazioni e tipologie di impianti e del modello di cooperazione tra nodi; l’identificazione di algoritmi di auto-organizzazione delle reti a configurazione spaziale e funzionale variabile nel tempo; la proposta di protocolli di comunicazione e controllo distribuito della produzione di energia, per la gestione "real time" della domanda energetica, riducendo il divario domanda-offerta. Esempi connessi a tali tematiche sono: lo studio dell’evoluzione dei sistemi di produzione e consumo dell’energia verso una logica di distribuzione e partecipazione, per la nascita, a diversa scala, di comunità dell’energia (città, quartieri, piccoli comuni, piccoli agglomerati), all’interno delle quali si sviluppi una nuova consapevolezza sulle tematiche del risparmio energetico e una più coerente penetrazione della produzione di energia da fonte rinnovabile; lo studio della partecipazione delle comunità a progetti di politica internazionale, nazionale e locale orientata all’uso efficiente dell’energia, con individuazione di obiettivi di breve, medio e lungo termine e predisposizione di piani per lo sviluppo energetico ed ambientale, su scala anche urbana, comprendente il sistema degli edifici e la mobilità sostenibile; l’individuazione, la progettazione e la realizzazione d’interventi pilota per lo studio e la ricerca di nuovi e più efficienti impieghi delle risorse energetiche ed ambientali nel settore dell’edilizia, della pianificazione urbanistica e della mobilità sostenibile.
L’obiettivo formativo dell’indirizzo "Risparmio energetico e Microgenerazione Distribuita" è quello di formare una figura professionale che, nell'ambito applicativo delle "smart grids", sia in grado di progettare, realizzare e verificare la struttura, la gestione ed i servizi di una Rete Distribuita di consumatori e produttori di Energia elettrica e termica (RDE).

Le principali tematiche trattate nell’ambito dell’indirizzo "Aerospaziale" consentiranno allo studente di sviluppare le competenze per sviluppare e utilizzare tecnologie capaci di monitorare con continuità i diversi scenari e di consentire un efficiente utilizzo delle risorse, offrendo lo spazio un ormai irrinunciabile punto di osservazione privilegiato per lo studio e la comprensione dei fenomeni geofisici e la caratterizzazione ambientale.
A partire dall’esperienza, a livello teorico, simulativo, realizzativo e operativo guadagnata negli anni in Sapienza (basti citare il programma San Marco e i microsatelliti UNISAT) e trasferita agli studenti circa le peculiarità dell’utilizzo delle piattaforme aerospaziali (velivoli ad ala fissa e rotante, palloni, e in particolare satelliti e sonde) per la comprensione e l’analisi dei fenomeni energetici e ambientali, saranno sviluppati e approfonditi temi relativi a le piattaforme stesse e i loro sottosistemi, i servizi di osservazione, telecomunicazione e navigazione che queste garantiscono, le specifiche tecniche di processamento dei dati. Inoltre, saranno sviluppate tecniche e procedure avanzate per la comprensione dei fenomeni legati alla gestione delle fonti energetiche e dei centri di produzioni di energia, al controllo ambientale e in generale a uno sviluppo tecnologicamente ed economicamente sostenibile.
Esempi connessi a tali tematiche sono relative a: l’osservazione della terra, il telerilevamento, l’image processing, la navigazione satellitare, inerziale e integrata, la meccanica e la robotica di derivazione spaziale, la meccanica orbitale che definisce il progetto di orbite e traiettorie di ascesa e rientro tali da rendere più efficienti le missioni; l’analisi e la gestione del particolare ambiente spaziale (ambiente termico e radioelettrico nella fase di rientro, e soprattutto ambiente di radiazione con gli effetti delle fasce di Van Allen e dei raggi cosmici, e i fondamentali problemi di affidabilità delle devices elettroniche e di radioprotezione per gli equipaggi umani); lo space debris; lo studio della. propulsione e della potenza elettrica in relazione a soluzioni tecnologiche più efficienti e sostenibili per le missioni spaziali, perfettamente aderenti ai temi e all’approccio interdisciplinare del dottorato.
L’obiettivo formativo dell’indirizzo "Aerospaziale" è quello di formare una figura professionale altamente specializzata in grado di svolgere e gestire attività di ricerca industriale, progettare e gestire l’innovazione tecnologica per le applicazioni energetiche e ambientali in ambito aerospaziale. In particolare, obiettivo dell’indirizzo è la formazione di competenze modellistiche, tecnologiche e gestionali nell’ambito dei sistemi di osservazione della terra, telerilevamento, image processing, della navigazione satellitare, della meccanica orbitale, della gestione dell’ambiente spaziale.
La figura professionale così formata sarà in grado di: svolgere e dirigere attività di progettazione avanzata di sistemi e componenti innovativi; coordinare e gestire programmi di ricerca supportati dalla comunità internazionale e nazionale; applicare le più avanzate tecniche aerospaziali nei dominî dell'energetica e del controllo ambientale; collaborare alla creazione di piani ed interventi di policy per lo sviluppo sostenibile.