Tipologia dei flussi energetici

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1 Tipologia dei flussi energetici Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 1

2 Crescita del fabbisogno di energia - Costi Legge del raddoppio del fabbisogno energetico: Con un tasso di crescita dei consumi energetici del 7% annuo il fabbisogno energetico raddoppia in 10 anni. Paesi in fase di sviluppo economico superano tassi di crescita del 7%. Paesi con economie sviluppate (Italia) hanno tassi di crescita più contenuti (0%-2%). Costo dell energia primaria L aumento del fabbisogno, l esaurimento di alcune fonti energetiche e l introduzione di vicìncoli sull impatto ambientale, sono le principali cause che determinano incrementi progressivi dei costi dell energia primaria. Andamento del costo del barile di petrolio Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 2

3 Crescita della popolazione Andamento demografico Andamento nei secoli La popolazione mondiale è rimasta pressoché costante per molti secoli A partire dal 1600 circa si è accresciuta con una legge di tipo esponenziale Il progresso scientifico e la rivoluzione industriale hanno portato ad una riduzione della mortalità e ad una crescente sviluppo economico e demografico Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 3

4 Evoluzione dei sistemi energetici [1] Conversion factor: 1 Toe = 42 GJ Alla crescita demografica ed allo sviluppo si è accompagnato un drastico aumento dei consumi di energia Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 4

5 Projections for the World Primary Energy Demand per region OECD Rest of the World Europe E previsto un incremento molto forte della domanda di energia nei paesi emergenti ed in via di sviluppo Source: International Energy Agency (OECD) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 5

6 Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 6

7 L energia elettrica rappresenta solo una frazione del consumo totale di energia (attorno al 20% a livello mondiale) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 7

8 Prestazioni Rendimento Prestazioni: Rendimento e Potenza Indice di conversione della fonte energetica in energia utilizzata. Potenza Importante sia in termini assoluti per soddisfare l incremento del fabbisogno, sia in termini specifici (riferita all unità di massa del fluido di lavoro o al peso/volume della macchina) in determinate applicazioni. Impatto ambientale Emissioni in atmosfera Esempio: Sistemi energetici basati su processi di combustione Contaminazioni o modificazioni dell eco-sistema terra Esempio: Sistemi Energetici a forte impatto territoriale come gli impianti idraulici o soggetti a possibili contaminazioni come quelli nucleari. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 8

9 Andamento dei rendimenti di conversione Andamento del rendimento della produzione di energia elettrica negli Stati Uniti d America Alla crescita dei consumi si è accompagnato un progressivo aumento dei rendimenti di conversione energetica. Questo è dovuto al progressivo incremento dei costi delle fonti energetiche e alla introduzione di norme restrittive sull impatto ambientale. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 9

10 Fabbisogno Energetico Italia (MTep) La tipologia di utilizzo è cambiata molto in anni recenti, con una forte crescita dell uso dell energia nei trasporti, nel settore civile e nel terziario. I consumi energetici nel campo industriale registrano un incremento costante ma moderato. Fonte: Rapporto Min. Ambiente 2001 Bilancio complessivo energia sistema Italia (MTep) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 10

11 Energia elettrica richiesta Italia (GWh) L andamento dei consumi di Energia elettrica in Italia nell ultimo quarto di secolo mostra un raddoppio dei consumi in circa 25 anni. L andamento della produzione di energia è abbastanza deficitario e viene colmato mediante l importazione da paesi terzi. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 11

12 Produzione lorda di energia Elettrica (Italia) [TWh] 1TWh = MWh Totale Termoelettrica Idroelettrica Nucleare Geo Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 12

13 Consumi specifici medi di combustibile [kcal/kwh] 1 kcal= 860 kwh C s = 860/η Riferito alla produzione netta Riferito alla produzione lorda Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 13

14 Energia Elettrica - Caratteristiche L energia elettrica è difficilmente immagazzinabile: Condensatori (in forma elettrostatica) Induttori (in forma elettromagnetica, SMES) Batterie di accumulatori (elettrochimica) Bacini idroelettrici Conseguente contemporaneità fra produzione ed impiego: L energia elettrica deve essere utilizzata nel momento in cui è prodotta Piccoli squilibri sono ammessi solo per pochi istanti e si hanno vincoli rigidi sul mantenimento della frequenza di rete (50-60Hz) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 14

15 Produzione oraria energia elettrica (Italia) Tot. prod. Italia Consumo interno lordo Idro Termo Geo Saldo scambi estero Il carico di base è soddisfatto principalmente da impianti termoelettrici. Il carico di punta è coperto principalmente dagli impianti idroelettrici e pompaggio. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 15

16 Impianti idroelettrici Ad acqua fluente (continua produzione variabile col regime di deflusso del bacino) A bacino (produzione regolabile su scala giornaliera e settimanale) A serbatoio (produzione regolabile su scala stagionale e pluriennale) Di pompaggio (sistema macchina motriceoperatrice per l accumulo di energia con efficienza globale h»70%). Compensazione carichi di punta con impianti di pompaggio - Italia Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 16

17 Termonucleari (ciclo a vapore) Impianti termoelettrici elevati costi d impianto e bassi costi di esercizio, non più in uso in Italia. rendimenti di conversione minori del 40% ma costi combustibile molto bassi, potenze elevate fino a 1000 MW. Termoelettrici tradizionali (ciclo a vapore) a carbone (H= ore/anno) a olio combustibile (H=7000 ore/anno) Turbogas rendimenti di conversione attorno al 40%, potenze fino a 1000 MW. Fino agli anni 70 adibiti alla copertura del solo carico di punta H=1000 ore/anno. rendimenti minori del 40% potenze fino a 250 MW. Nell ultimo decennio sempre più impiegati nei cicli combinati (gas-vapore) rendimenti fino al 60% potenze fino a 350 MW. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 17

18 Idroelettrici sfruttano l energia potenziale dell acqua accumulata in bacini esistono impianti di pompaggio come veri e propri sistemi di accumulo di energia Termoelettrici Tipologie di impianti di produzione - Italia vapore o cicli combinati gas-vapore 19MW (2000) 25MW (2002) Solare 38 MW (2006) Biomasse 285 MW (2000) Eolico 363 MW (2000) Geotermoelettrici 627 MW (2000) ecc. Fonti alternative MW (2000) Oltre MW (2000) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 18

19 Utilizzo delle rinnovabili a livello mondiale Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 19

20 Fonti energetiche Energie Rinnovabili Energie rinnovabili, sono quelle fonti energetiche naturali il cui utilizzo comporta una sostanziale conservazione delle fonti primarie. Da fonte primaria Radiazione solare Impianti motori idraulici Energia eolica Energia solare Da fonte primaria Campo gravitazionale Energia delle maree Da fonte primaria Formazione sistema solare Energia geotermica 1TWh = MWh Dati Italia 2000: Consumo totale elettricità 297 TWh Da rinnovabili (TWh ): Idroelettrica 44,1 Eolica 0,56 Solare Fotov. 0,017 Biomassa 1,84 Geotermia 4,70 Totale Rinnov: 51,3 17% Totale Rinnov: 7,13 2,4% (non-idroelettr.) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 20

21 Geotermoelettrica (GWh) Solare fotovoltaico (MWh) Potenza MWe e produttività annua (GWh, o MWh) da rinnovabili in Italia Eolica (GWh) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 21

22 Energia elettrica da biomasse, biogas e RSU (GWh) Italia Produzione biocombustibili Italia Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 22

23 2004 Produzione lorda - idroelettrica 448,0 - termoelettrica ,2 - geotermoelettrica 5.437,3 - eolica e fotovoltaica 4,3 - altre rinnovabili: 384,5 Toscana Totale produzione lorda ,2 Quota rinnovabili 33,9 % Situazione Energetica Toscana, 2004 e 2005 (dati in GWh) La situazione in Toscana e le politiche di sviluppo 2005 Totale Produzione lorda ,3 Toscana (Piano Indirizzo Energetico Regionale - PIER - del 2005 ampliamento del Piano - Superi o deficit rispetto alla richiesta 4.953,1 Energetico Regionale - PER , approvato a gennaio 2000) La legge regionale 39 del 24/2/2005 ha introdotto il PIER (Piano di Indirizzo Energetico Regionale) ed alcune facilitazioni, tra cui (Art. 11) l Autorizzazione Unica per gli impianti a FER FER tipologie Potenza nominale al 2012 in base agli obiettivi del PER 2000 in MWe Produzione stimata al 2012 in base agli obiettivi del PER 2000 in GWh/a Potenza nominale al 2012 in base agli obiettivi del PIER 2005 in MWe PIER Toscana, 2005 Idroelettrico Solare termodinamico Solare FV Geotermoelettrico Biomassa gas legno Eolico TOTALE Produzione stimata al 2012 in base agli obiettivi del PIER 2005 in GWh/a Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 23

24 Costo di produzione energia elettrica da fonti rinnovabili Dati 2004 Max Planck Institute Il ricorso alle fonti rinnovabili comporta un costo di produzione dell energia elettrica maggiore rispetto alle fonti tradizionali La ricerca e l applicazione di economie di scala possono portare a progressive riduzioni di tali costi Le fonti rinnovabili sono competitive per applicazioni particolari od in caso di incentivazione politica Solo incrementi significativi e duraturi del prezzo di petrolio e GN da una parte e profonde mutazioni nelle politiche ambientali dall altra, possono promuovere lo sviluppo dell impiego delle energie rinnovabili. Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 24

25 Ripartizione dei costi per eolico di grande taglia (oltre 1 MWe). Costo impianto 1 kwe = 1200 (picco), 2004 Italia Costo elettricità: 5-7 c /kwh (siti di buona ventosità) Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 25

26 MW di picco solare fotovoltaico Costo impianto 1 kwe = (picco, >10 kwe), 2004 Italia Costo produzione elettricità: c /kwh Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 26

27 La conversione dell energia e l effetto serra [1] Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 27

28 [1] Nota: la produzione di energia elettrica contribuisce per il 30% circa alle emissioni di CO2 da sistemi di combustione. Il contributo più rilevanete è quello dei trasporti (IEA). Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 28

29 Invenzioni delle macchine 1769: J. Watt inventa un motore alternativo a vapore con condensatore 1816: R. Stirling inventa il motore Stirling (che utilizza la rigenerazione) 1839: J. Ericsson sviluppa diversi prototipi di motori Ericsson 1876: N. Otto sviluppa il motore ad accensione comandata Barsanti e Matteucci (Firenze) hanno per lungo tempo e a ragione rivendicato la paternità del brevetto depositato precedentemente a quello di Otto 1883: C. Laval sviluppa una turbina a vapore 1892: R. Diesel propone il principio del motore ad accensione spontanea (Diesel) 1930: F. Whittle sviluppa la prima turbina a gas per propulsione aeronautica 1944: In Germania è sviluppato il primo motore per razzi 1952: F. Bacon inventa i principi delle celle a combustibile Corso: SISTEMI ENERGETICI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 29

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