sottotitolo Milano, Novembre 201

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1 Sostenibilità di approvvigionamento, consumi e produzione di energia elettrica; integrazione fra fonti fossili e rinnovabili; prospettive concrete di sviluppo sottotitolo L energia: molti ne parlano e pochi la conoscono L energia non si produce!! Si converte Limiti tecnologici e non solo dei sistemi energetici Altri aspetti tipici delle rinnovabili o simili la storia del CIP6/92 e della AEEG 42/02 e seguenti Milano, Novembre 201 Aristide F. Massardo

2 Prof. Ing Aristide F. Massardo A.F. Massardo: Full Professor of Energy Systems (since 2000) Director Rolls-Royce Fuel Cell Systems University Technology Centre (since 2004) and member Rolls-Royce Advisory Technology Board. Taslkj a.d c.kdc c kc dkc kc sdc sk cks cskd k cskd ckdc d c Chair Closed Cycle Technical Committee (American Society of Mechanical Engineers ) and Cycle Innovations Committee Author of more than 125 international papers (103 international journals); 8 patents; 7 Best Paper Awards ASME Associate Editor: (i) Applied Energy; (ii) Applied Thermal Engineering; (iii) Aircraft Engineering and Space Technology. Member EU H2-FC Platform and JTI Research Group (N-ERGHY) Evaluator for EU FP6 and FP7; Chair of evaluations EU-FP7-2008, 2009 and 2010 ENERGY Future Emerging Technology FET proposals. Member of the European Research Council (Panel 08 Industrial and Process Engineering). Consultant of the Italian Authority for Electricity and Gas (AEEG) for subsidies evaluation for Cogeneration (about 8000 MW). Member of the GSE Expert Board for Renewables and Cogeneration

3 Prof. Ing. Alberto Traverso Alberto Traverso, PhD Università degli Studi di Genova, Scuola Politecnica Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica, Gestionale e dei Trasporti (DIME) via Montallegro 1, Genova Italia tel.: , cell.: , fax: e mail: alberto.traverso@unige.it web: Alberto Traverso; Assistant Professor of Energy Systems at University of Genoa (DIME) since 2005 Main duties: Adjunct Assistant Professor at West Virginia University (USA) since 2010, Research scholar at National Energy Technology Laboratory NETL(USA) since 2009, Point of Contact and Vice Chair i for Cycle Innovations Committee of the American Society of Mechanical Engineers ASME in Past Appointment: Experienced researcher under Marie Curie EnSOFC grant ( ), at Rolls Royce Royce FCS laboratories, UK, and under Marie Curie Bio SOFC SOFC grant ( ), at AGH laboratories, Poland. External reviewer for Cambridge University PhD in Consultant for VAST Power Systems Inc. (USA) in 2002 and 2003.

4 Indice delle presentazioni La comprensione del problema della conversione dell energia alcune considerazioni generali. Alcuni esempi: (i) Itaipu Binacional la più grande centrale rinnovabile del mondo; (ii) un incidente in una grande diga in Russia; (iii) un ciclo combinato gas vapore; (iv) la conversione diretta con le celle a combustibile. I limiti termodinamici e tecnologici nella conversione dell energia. Le macchine per la conversione dell energia e le loro prestazioni. ecc.

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6 Il prezzo dell energia: driven factor insieme al prezzo del gas

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9 Conversione dell energia - Terminologia Macchina: Sistema energetico costituito da organi meccanici e impianti ausiliari opportunamente collegati con lo scopo di operare delle conversioni energetiche; Sistema che svolge lavoro meccanico e che converte una forma di energia in un altra di caratteristiche diverse. Macchina a Fluido Macchina che si serve di trasformazioni termodinamiche di un fluido per lo scambio/conversione di energia Impianto motore Sistema che converte forme di energia primaria in energia meccanica. Impianto motore termico Sistema che converte energia termica (o ad essa riconducibile come la combustione o la fissione nucleare) in energia meccanica.

10 Tipologia dei flussi energetici

11 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 possono superare tassi di crescita del 7%. Paesi con economie sviluppate (Italia) hanno tassi di crescita più contenuti (1%-3%). Costi energetici L aumento del fabbisogno, le leggi di mercato, l esaurimento di alcune fonti energetiche e, negli ultimi anni, l introduzione di norme sull impatto ambientale, sono le principali cause che determinano incrementi progressivi dei costi energetici.

12 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

13 Alla crescita demografica si è accompagnato un drastico aumento dei consumi di energia Negli ultimi 150 anni sono cresciuti con legge di tipo quasi esponenziale

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15 L energia elettrica rappresenta solo una frazione del consumo totale di energia (attorno al 20% a livello mondiale)

16 Prestazioni: Rendimento e Potenza Rendimento 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.

17 Andamento medio dei rendimenti di conversione Alla crescita dei consumi si è accompagnato un progressivo aumento dei rendimenti di conversione energetica (sviluppo tecnologico). Questo fatto è dovuto al progressivo incremento dei costi delle fonti energetiche e alla introduzione di norme restrittive sull impatto ambientale.

18 1. L andamento dei consumi di Energia elettrica in Italia nell ultimo quarto di secolo mostra un raddoppio dei consumi in circa 25 anni. 2. L andamento della produzione di energia è abbastanza deficitario e viene colmato mediante l importazione da paesi terzi. Anche se negli ultimi anni l introduzione di cicli combinati ha consentito di aumentare notevolmente la capacità produttiva nazionale. 3. Oggi esistono problematiche di gestione degli impianti correlate alla liberalizzazione del mercato elettrico che richiede una notevole flessibilizzazione degli impianti con conseguente aggravio dei costi di gestione.

19 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: 1. L energia elettrica deve essere utilizzata nel momento in cui è prodotta 2. Piccoli squilibri sono ammessi solo per pochi istanti e si hanno vincoli rigidi sul mantenimento della frequenza di rete (50-60Hz)

20 Tipologie di impianti di produzione Italia Idroelettrici: sfruttano l energia potenziale dell acqua accumulata in bacini esistono impianti di pompaggio come veri e propri sistemi di accumulo di Energia. Termoelettrici: basate sulla produzione di vapore o cicli combinati gas-vapore Fonti alternative Solare Biomasse Eolico Celle a combustibile Geotermoelettrici ecc.

21 Impianti idroelettrici 1. Ad acqua fluente (continua produzione variabile col regime di deflusso del bacino) 2. A bacino (produzione regolabile su scala giornaliera e settimanale) 3. A serbatoio (produzione regolabile su scala stagionale e pluriennale) 4. Di pompaggio (sistema macchina motrice-operatrice per l accumulo di energia con efficienza globale h»70%).

22 Compensazione carichi di punta con impianti di pompaggio - Italia

23 Impianti termoelettrici Termonucleari (ciclo a vapore) elevati costi d impianto e bassi costi di esercizio, non più in uso in Italia (FINO A QUANDO??). 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) in esaurimento rendimenti di conversione non superiori al 40%, potenze fino a 1000 MW. Turbogas 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 (gasvapore) rendimenti fino al 60% potenze fino a 400 MW per unità.

24 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 Dati Italia 2000: Consumo totale elettricità 297 TWh Da rinnovabili (TWh ): Idroelettrica 44,100 Eolica 0,563 Solare Ftov. 0,017 Biomassa 1,84 Geotermia 4,705 Totale Rinnov: 51,3 17% Totale Rinnov: 7,13 2,4% (non Hydroel.)

25 BILANCIO ENERGETICO ITALIANO 2009 DA FONTE GSE

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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

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