Sistemi per l’energia

Sviluppo sostenibile

La terra è un sistema a risorse finite

Per raggiungere l’obbiettivo di uno sviluppo sostenibile occorre minimizzare lo sfruttamento delle risorse di base :

• energia

• materie prime

• ambiente (inteso come territorio geograficamente, socialmente ed economicamente definito)

Risorse

Energia

• Dato un sistema fisico esiste una funzione energia E=f(ai(t)) delle variabili di stato ai(t) osservabili che non dipende dal tempo.

• Un sistema fisico contenente energia è una fonte se è possibile rendere, almeno in parte, l’energia, in esso contenuta, disponibile in quantità e con caratteristiche adatte all’utilizzazione da parte dell’uomo.

• In altre parole se si controlla.

ENERGIA

MATERIE PRIME

(carbone, petrolio, ecc.)

AMBIENTE(gas serra, residui, ecc.)

Sviluppo sostenibile

• Azioni (comportamento) nello spazio e nel tempo in grado di assicurare le necessarie risorse all’umanità presente e futura.

Risorse naturali

• Sono i materiali esistenti in natura potenzialmente utili a produrre merci e soddisfare bisogni.

• Sono beni economici in quanto hanno le caratteristiche di : limitatezza, accessibilità e utilità.

• L’accessibilità e l’utilità dipendono dal progresso tecnologico che ne rende possibile l’estrazione e la trasformazione.

Variabilità delle risorse nel tempo

• Modifica delle necessità umane che portano a valutare diversamente le risorse.

• Sostituzione di una materia prima con un’altra per ottenere lo steso prodotto.

• Sintesi di nuovi materiali .

Definizione data da UN e WEC

Risorsa è la concentrazione naturale di materiali solidi, liquidi o gassosi nella o sulla crosta terrestre in forma tale che l’estrazione da essa di

materie prime sia potenzialmente ed effettivamente realizzabile.

Possono essere :

- Identificate (posizione, quantità e qualità note per evidenza geologica supportata da misurazioni strumentali);

- Non ancora scoperte (ipotetiche o supposte)

Si definisce riserva la quota di risorsa identificata dalla quale il materiale utile può essere economicamente estratto al momento della

determinazione (condizioni economiche attuali e tecnologie disponibili)

riserveN

on sfruttabili

possibili

probabili

accertate

Attuale sfruttamento

sconosciute

conosciuteEsplorazioni favorevoli

Aum

ento

di c

once

ntra

zion

e

Classificazione risorse

USI DELL’ENERGIA

TERMICA

ELETTRICA

MECCANICA

Riscaldamento

Illuminazione

Supporto all’informazione

Tratta-mento della

materia

Trasporti

LUMINOSA

FONTI DI ENERGIA

MECCANICA

TERMICA

RADIANTE

CHIMICA

NUCLEARE

Sole

Animali, vento, cadute d’acqua

Biomasse, combustibili fossili

Calore endogeno

Materie fissili

Il comportamento più naturale sarebbe quello di disporre di unafonte di energia e utilizzarla o convertirla direttamente nella forme dell’energia richiesta per l’uso finale.

Nella maggior parte dei casi questo non si fa.

Con le tecnologie oggi disponibili è preferibile effettuare una serie di trasformazioni che producono

vettori energetici intermedifino ad ottenere quello più adatto per l’uso finale.

L’esempio più evidente è quello del vettore elettrico.

Vettori energetici

fonti trasformazioni usi fin.

T

M

L

EH 2 FC

elettrica

termica

meccanica

radiante

fluido dinamica

endogena

nucleare

chimica

Vettore elettrico

ss ttrr

V

QQ

I

dP

H

E

H = f( I,1/d) E = g(V,1/d)

g

Intensità energeticai = w/q

dove : W energia necessaria per produrre la quantità q.La quantità q può essere un dato prodotto, un servizio o il PIL di

una data area. Il dato è abbastanza stabile sul brve-medio termine.

Da cui : w = i qdove q è la quantità prodotta con l’intensità i.

Questa formula può essere utilizzata per la previsione dei consumi energetici sul medio termine.

Mentre : q = W/ipuò essere utilizzata per le previsioni economiche a breve termine

Intensità energetica

• E’ dipendente :

- dalle tecnologie utilizzate per la produzione di beni e servizi

- dall’efficienza delle trasformazioni energetiche dalle fonti primarie alla forma utile per la produzione di beni e servizi

Breve storia dell’energia

Uomo

Sole

M

T

L

fonti usi finali

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

fonti usi finali

fuoco

prometeo

Uomo

Sole

M

T

L

E

Combustibile

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

Cadute d’acqua

Vento

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

Animali

Vento

Cadute d’acqua

Calore endogeno

fonti usi finali

T

macchina a vapore

WATT 1745

Innovazioni • Introduzione di un vettore energetico intermedio

(vettore termico) : l’uso finale non è direttamente collegato alla fonte (energia sotto forma meccanica)

• Si ottiene energia meccanica da un combustibile• La trasformazione energetica può avvenire in

località diversa da quella della fonte ( la fonte ha energia accumulabile)

• Si possono costruire macchine di potenza sempre più grande ( aumento della produttività)

Correlazione tra produttività e potenza

Produttività p = q/t

Dove: q quantità prodotta nel tempo t

Potenza P = W/t

Dove : W energia utilizzata nel tempo t per la produzione

Considerando che q = W/i ( i intensità energetica)

si ottiene p = (1/i) P

Nota : è immediato che per aumentare la produttività occorre incrementare la potenza e diminuire

l’intensità energetica ( miglioramento del processo e delle trasformazioni energetiche)

Uomo

Sole

M

T

L

Combustibile

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

T

Epila

Volta 1800

Vento

Cadute d’acqua

Illuminamento

• L’illuminamento artificiale è una costante richiesta dell’umanità ed è iniziato con il fuoco

• Tanto più l’umanità si aggrega e si trasferisce in spazi più strutturati ( città), tanto più la vita sociale chiede illuminamento, prima per gli interni e quindi per gli spazi esterni ( strade, piazze, …)

• La richiesta di energia sottoforma radiante nel visibile costituisce elemento motore per lo sviluppo dell’industria dell’energia ( petrolio, gas, energia elettrica)

Uomo

Sole

M

T

L

E

Combustibile

Animali

Calore endogeno

fonti usi finali

T

EM

lampadina

Edison 1882

Vento

Cadute d’acqua

Edison • Un completo sistema di distribuzione dell'elettricità deve

essere sviluppato, e poiché io debbo competere col gas esso deve essere commercialmente efficiente ed economico, e la rete dei conduttori deve essere capace di alimentazioni da vari punti.

• Io debbo immaginare un sistema per misurare l'elettricità, come si misura il gas, in modo che io possa misurare la quantità di elettricità usata da ciascun consumatore. Questi misuratori ... debbono essere economici da costruire, di facile lettura e manutenzione.

• Mezzi e metodi debbono essere escogitati per mantenere un uguale voltaggio in ogni punto del sistema. Le lampade vicine alle dinamo debbono ricevere la medesima corrente delle lampade più lontane. Il bruciamento e la rottura di lampade non deve influire su quelle che rimangono efficienti nel circuito, e mezzi debbono essere impiegati per impedire violente fluttuazioni di corrente.

Edison• Uno dei maggiori problemi era di costruire dinamo più

efficienti e più grandi di quanto fosse stato fatto. Molti avevano stabilito che la resistenza interna dell'armatura dovesse essere uguale alla resistenza esterna; ma io mi misi in mente che avevo bisogno di vendere tutta la elettricità che producevo e non dovevo perderne nelle macchine: e perciò feci la resistenza interna piccola, ed ebbi disponibile per la vendita il 90% della energia prodotta.

• Oltre tutti questi molti altri elementi dovevano essere inventati o perfezionati, come artifici per impedire correnti eccessive, interruttori, sostegni di lampade, candelabri, e tutti i dettagli indispensabili per realizzare un sistema completo di illuminazione elettrica, che potesse competere con successo col sistema a gas.

• Tale era il lavoro da compiere nella prima parte del 1878. Il compito era enorme, ma noi mettemmo i nostri soldati alla ruota, ed in un anno e mezzo avemmo un sistema di illuminazione elettrica che fu un successo.

Edison• Una questione che si riferisce a questo sistema

è stata spesso fatta. Perché fissai 11 0 volt come tensione normale per la lampada a filamento di carbone? La risposta è che io basai il mio avviso sul meglio che potessi per ridurre il costo del rame, e le difficoltà che si incontravano per costruire lampade a voltaggio elevato. Pensai che 110 volt fossero sufficienti per assicurare lo sviluppo commerciale del sistema; e 110 volt è ancora il voltaggio normale ….

T EMLCombustibile

PREFERENZA ALVETTORE ELETTRICO

perPRATICITA’ D’USO

Altre fonti

M

T

L

E

Combustibile

Calore endogeno

fonti usi finali

T

ME

Cadute d’acqua

Altre fonti

T

L

E

Combustibile

Calore endogeno

fonti usi finali

T

ME

Materiefissili T

fissione nucleareFermi 1942

M

Cadute d’acqua

T EM

T

PREFERENZAAL VETTORE ELETTRICO

perUTILIZZO ENERGIA NUCLEARE

Materiefissili

Altre fonti

L

E

Combustibile

cadute d’acqua

Calore endogeno

fonti usi finali

T

ME

materiefissili T

M

T

Principali elementi caratterizzanti un sistema per l’energia

• Fonte : energia disponibile in natura che, mediante controllo, può essere resa utilizzabile nelle forme dell’utilizzazione finale

• Vettore: sistema fisico che permette il trasferimento e la conversione della forma dell’energia

• Utilizzatore : sistema fisico che permette di ottenere il bene finale atto a soddisfare i bisogni

Funzioni caratterizzanti il processo energetico fonte-untilizzazione

• Trasferimento (trasmissione e distribuzione)

• Conversione della forma

• Conversione del vettore

• Accumulo

Occorre accumulareper

• Trasferire l’energia,nelle varie fasi del processo energetico, dalla fonte all’utilizzazione

• Sincronizzare la disponibilità dell’energia, nella forma richiesta, con l’utilizzo

Sistema energetico

fonte utilizzazione

Trasformazione della forma dell’energiaTrasformazione del vettoreTrasporto DistribuzioneAccumulo

infrastruttura

funzioni

Tecnica dell’energia

Filiera dell’energia• Estrazione/Raccolta• Collettazione• Pretrattamento :produzione di vettori energetici• Accumulo• Trasporto• Accumulo• Trasformazione (materia/forma

dell’energia):produzione di vettori energetici• Accumulo• Utilizzo (trasformazione finale nella forma utile)• Recupero/collocazione ambientale residui

• imposto da:–la diversa localizzazione delle aree di produzione e di utilizzo

TRASPORTO- l’elevato frazionamento degli apparati di uso finale

DISTRIBUZIONE

TRASFERIMENTO DELL’ ENERGIA

• trasportando materia in cui l’energia è accumulata (ad es. combustibili)

• trasmettendo l’energia senza trasferimento di materia (ad es. alberi rotanti, linee elettriche)

Il trasferimento dell’energia

può essere effettuato:

energia contenuta nell’unità di massa

combustibili nucleari

combustibili fossili

10 6 10-61

accumulatorielettrochimici

condensatoriindustriali

kWh / kg

H2

I principali trasferimenti di energia si effettuano:

• per ogni uso: trasportando combustibili

–con mezzi discontinui (ad es navi)

–con mezzi continui ( ad es. oleodotti)

• solo per usi elettrici: trasmettendo con elettrodotti

confronto tra:

fonte rete elettrica

trasporto combustibile

trasmissione di energia elettrica

Raggio d’azione

Distanza massima cui è economicamente conveniente trasportare la merce.

Dipende da:

- modalità di trasporto

- percorso possibile

- efficienza della trasmissione

Alcuni esempi

• Combustibili solidi e liquidi ad alto potere calorifico non hanno limiti, in pratica si possono solo avere concorrenza in base alla struttura logistica presente o da realizzare.

• Combustibili gassosi : alcune migliaia di km se trasportati in gasdotti, come i combustibili liquidi se liquefatti.

• Energia elettrica : alcune migliaia di km.• Energia meccanica : fino al centinaio di metri con alberi

rotanti, fino ad alcuni km per le trasmissioni a fune e a nastro.

• Energia termica : alcune centinaia di m con acqua calda, alcuni km con vapore.

sistemi• Isolati

• Interconnessi :con rete fisicacon rete logistica

• Con accumulo • Senza accumulo

CENTRALE CENTRALE

RETE DI RETE DI TRASMISSIONETRASMISSIONE

E INTERCONNES.E INTERCONNES.RETE DI RETE DI

DISTRIB.MTDISTRIB.MT

STAZIONE STAZIONE CABINA CABINA PRIMARIA PRIMARIA

CABINACABINAMT- BT MT- BT

RETE DI DISTRIB.BTRETE DI DISTRIB.BT

CARICOCARICO

RETE DI RETE DI DISTRIB.PRIMARIADISTRIB.PRIMARIA

Struttura di un grande sistema

Schema di principio rete gas

AP MP BP BBP

sG

Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas

Rete elettrica MT

Rete gas MP

Grandi reti per i combustibili

High pressure

Medium pressure

Low pressure

High voltage

Mediumvoltage

Low voltage

Areas covered by district heating

30MWt-500MWt up to 10km large grid

2

2-30MWt up to 1km medium grid

2

0.5-2MWt building local grid

Pressure reduction station

Power plant (cogeneration)

Electricity grid

Gas pipelines Power transformer

Interconnessione di reti energetiche

Interconnessione di reti energetiche

distribuzione del calore

cogenenerazione riduzione trasformatore

Rete elettrica Rete gasCombustibili liquidi e solidi

shippershipper interconnessione

ss

Interconnessione di reti per l’energia

• Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa

• Riduzione delle riserve

• Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per l’utilizzatore finale

• Ridondanze impiantistiche

• Complessità

Vantaggi Svantaggi