Progettare e gestire l efficienza energetica. Beretta F., De Carlo F., Introna V., Saccardi D. McGraw Hill 2012

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1 Progettare e gestire l efficienza energetica Beretta F., De Carlo F., Introna V., Saccardi D. McGraw Hill 2012

2 Cap. 1 Le fonti energetiche: previsioni e sviluppi

3 Richieste di energia La domanda di energia complessiva degli ultimi trent anni mostra un'evidente componente tendenziale crescente. International Energy Outlook: La domanda mondiale di energia è destinata a crescere a un tasso medio del 1,5% circa all'anno fino al 2030 Ogni cittadino italiano, nel 2004, ha consumato mediamente 2,5 TEP International Energy Agency (IEA): complessivamente, la quantità di energia prodotta nel mondo, nel 2008, è stata pari a 12,2 miliardi di TEP (ovvero circa 500 EJ)

4 Fonti energetiche Le fonti energetiche a oggi impiegabili sono classificabili in due tipologie: fonti esauribili e fonti rinnovabili Della prima famiglia fanno parte i combustibili fossili, come il carbone, il petrolio, il gas naturale e i combustibili nucleari come l'uranio. Alle fonti rinnovabili, invece, appartengono le biomasse combustibili e le energie idroelettrica, geotermica, solare ed eolica. Se osserviamo le fonti di energia dal punto di vista della loro disponibilità in natura, possiamo distinguerle tra fonti primarie e fonti secondarie Per energia primaria s'intende il potenziale energetico presentato dalle fonti energetiche nella loro forma naturale, ad esempio il petrolio, il gas naturale, il carbone, l'uranio naturale, l'acqua e altre fonti energetiche rinnovabili. L'energia secondaria è energia ricavata da energia primaria attraverso un processo di trasformazione e con una perdita di energia (ad esempio coke, mattonelle di carbone e catrame, elettricità, calore a distanza, idrogeno, olio combustibile o benzina).

5 Il petrolio Due terzi del petrolio raffinato è impiegato dal settore dei trasporti, un quarto viene assorbito dagli usi industriali, circa il 5% ha un uso residenziale e la restante parte si divide tra uso commerciale e per la produzione di energia elettrica

6 Il petrolio Le riserve certe constano in circa 1239 miliardi di barili Nel 2008 la produzione petrolifera mondiale è stata valutata in 82,1 milioni di barili al giorno. Circa il 66% delle riserve planetarie certe sono possedute solamente da sei Paesi (Arabia Saudita, Venezuela, Iran, Iraq, Kuwait, Emirati Arabi Uniti) Paese Riserve certe [miliardi di barili] Produzione [Mt/giorno] Autonomia [anni] Arabia Saudita 264, Venezuela 211,2 126 > 100 Iran 137, Iraq 115,0 120 > 100 Kuwait 101,5 122 > 100 Emirati Arabi Uniti 97, Urss 77, Usa 30, Cina 14, Kazakistan 39,

7 Il petrolio Per quanto riguarda la sicurezza energetica, il ristretto numero di Paesi produttori e le problematiche socio-politiche che affliggono alcuni di essi, rendono particolarmente complesso prevedere quale quantità di energia potrà essere prodotta e commercializzata. Il petrolio presenta molte problematiche ambientali sia nella fase di estrazione e raffinazione sia nel suo consumo da parte degli utilizzatori finali.

8 Il carbone Le più significative applicazioni del carbone in ambito energetico sono la produzione di elettricità, la produzione di acciaio e alluminio, la produzione di cemento e la trasformazione in combustibile liquido. Circa 5,8 miliardi di tonnellate di carbone e 953 milioni di tonnellate di lignite sono stati utilizzati in tutto il mondo nel I diversi tipi di carbone hanno usi diversi: il carbone da vapore (coal, noto anche come carbone termico) viene utilizzato principalmente nella produzione di energia e il carbone coke (noto anche come il carbone metallurgico) è principalmente usato nella produzione dell'acciaio.

9 Il carbone Attualmente, i principali produttori di carbone sono la Cina (2716 milioni di tonnellate prodotte nel 2008), gli Stati Uniti (993 t) e l India (484 t). Il carbone è il più abbondante, diffuso ed economico combustibile fossile: sulla base delle riserve certe a fine 2008, il carbone ha una riserva di produzione di circa 128 anni, ben maggiore dei 60 previsti per il gas naturale e 45 per il petrolio. Il carbone può essere utilizzato anche come alternativa al petrolio, infatti può essere convertito in combustibili liquidi, come benzina o gasolio, in vari processi diversi.

10 Il carbone La combustione del carbone comporta la formazione di anidride carbonica La cattura e sequestro dell anidride carbonica (Carbon Capture and Storage - CCS) costituisce una parte essenziale degli sforzi globali per ridurre le emissioni di CO 2

11 Il gas naturale Il gas naturale è una delle principali fonti energetiche utilizzate per la produzione di elettricità cicli termodinamici a vapore turbine a combustione interna cicli combinati Il consumo mondiale di gas naturale nel 2009 è stato di circa 3100 miliardi di metri cubi (Gm 3 ), una previsione di crescita per il 2030 che porterà il consumo a circa 4300 Gm 3. I principali produttori mondiali di gas naturale sono stati, nel 2010, gli Stati Uniti d'america, con 611 Gm 3 prodotti, seguiti dalla Federazione Russa con 589 Gm 3. Più distanziato, in terza posizione, si colloca il Canada con 160 Gm 3.

12 Il gas naturale Le modalità di trasporto del gas naturale sono principalmente due: in forma gassosa viene convogliato attraverso tubazioni mentre liquefatto (liquified natural gas LNG) può essere trasportato per via navale o terrestre all'interno di opportuni serbatoi per poi essere rigassificato in opportuni impianti. La grande crescita che la richiesta del gas naturale ha registrato negli ultimi anni è stata in gran parte causata dalla generazione di energia: più del 20% dell'energia complessivamente prodotta è derivata dalla combustione del gas naturale. Il gas naturale è fondamentale per gli usi industriali il 40% della produzione mondiale attuale è destinata al settore industriale che beneficia dei vantaggi economici e ambientali del gas naturale. Le basse emissioni di anidride carbonica e la possibilità di ottenere combustioni molto efficienti, stimolano un ampio impiego di questa risorsa.

13 Il gas naturale Il settore residenziale e commerciale è un altro grande consumatore: attualmente necessita, su scala mondiale, di circa 700 Gm 3 di metano Il consumo nel settore residenziale e commerciale è dato dal numero di abitazioni e dai livelli di comfort applicati nei vari Paesi La richiesta di gas è ridotta per opera del risparmio energetico e dell'uso razionale dell'energia La diffusione di sistemi solari termici per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria, contribuisce a una mitigazione della richiesta energetica.

14 L energia nucleare World Nuclear Association (WNA): le centrali nucleari, sfruttando l'uso prolungato di reazioni di fissione nucleare per generare calore e per fare un lavoro utile, forniscono circa il 6% dell'energia mondiale e il 13-14% dell'energia elettrica del mondo Gli Stati Uniti sono il principale produttore di energia nucleare con 192 milioni di TEP prodotte nel 2010, seguiti dalla Francia con 96 MTEP e dal Giappone con 66 MTEP. Gli incidenti nucleari di Chernobyl (1986) e il più recente disastro di Fukushima (2011) hanno però compromesso le prospettive di sviluppo di questa fonte energetica. La Germania ha deciso di chiudere tutti i reattori entro il 2022 L Italia, nel 2011, ha bandito l'energia nucleare. La Cina ha 25 reattori nucleari in costruzione, con piani per costruirne molti altri, mentre negli Stati Uniti si prevede di costruirne un altra dozzina.

15 L energia nucleare Oltre a essere destinata alla trasformazione in energia elettrica, l energia nucleare è anche impiegata in molte navi militari e in alcune navi civili come i rompighiaccio con propulsore nucleare marino. Nel 2010 il consumo di ossido di uranio, principale risorsa naturale per la fissione delle centrali elettronucleari, è stato di circa t. Le centrali nucleari non immettono in ambiente fumi di combustione, come le altre comuni centrali termoelettriche, per cui non contribuiscono al problema dell'effetto serra. Presentano, però, il gravoso problema di produrre scorie nucleari e radioattive. I sottoprodotti delle reazioni a catena continuano a essere radioattivi per periodi di tempo molto variabili che possono arrivare ad alcune migliaia di anni cesio 135 (135Cs): tempo di dimezzamento 2,3 milioni di anni

16 L energia nucleare La fusione nucleare è, per molti versi, la futuribile evoluzione dell impiego delle forze nucleari forti per la produzione di energia. Una nuova prospettiva di impiego è data dall uso delle trasmutazioni di alcune specie atomiche in altre, le cosiddette LENR (Low Energy Nuclear Reaction), ovvero reazioni nucleari a bassa energia, talvolta note come fusione fredda. La notorietà del fenomeno esplose nel 1989 con due elettrochimici, Martin Fleischman e Stanley Pons Recenti iniziative tra cui spicca l Energy Catalyzer, dell inventore Andrea Rossi, con il supporto del fisico e professore emerito Sergio Focardi, stanno riportando in auge la tecnologia con interessantissime prospettive.

17 L energia geotermica L'energia geotermica deriva dal calore naturale della Terra, ottenuto principalmente a causa del decadimento degli isotopi radioattivi naturali di uranio, torio e potassio. A causa del calore interno, il flusso medio di calore che attraversa la superficie della Terra è di circa 82 mw/m 2 Le risorse geotermiche a bassa profondità si possono verificare a causa di: intrusione di roccia fusa (magma) di profondità che comporta grandi quantità di calore; alto flusso di calore superficiale, a causa di una crosta sottile che favorisce un gradiente di temperatura elevata; risalita di acque sotterranee da profondità di diversi chilometri, riscaldate a causa del gradiente di temperatura normale; isolamento termico di rocce di profondità, grazie alla formazione di uno strato di rocce isolanti con bassa conducibilità termica; riscaldamento anomalo di rocce superficiali per decadimento di elementi radioattivi.

18 L energia geotermica Pozzi di produzione geotermica scendono comunemente a più di 2 km di profondità ma, attualmente, raramente si addentrano molto oltre i 3 km. Assumendo un gradiente geotermico medio, a 1 km di profondità una formazione rocciosa asciutta avrebbe una temperatura di C in molte parti del mondo (ipotizzando una temperatura media annua dell'aria di 15 C) e a 3 km la temperatura sarebbe di C.

19 L energia geotermica Le risorse geotermiche variano fino a 300 C rispetto alla temperatura ambiente. In generale, le risorse superiori a 150 C sono utilizzate per la generazione di energia elettrica. Risorse inferiori a 150 C sono normalmente utilizzate direttamente per riscaldamento e il raffreddamento con sistemi ad assorbimento. Risorse con temperatura nel campo dei C possono essere utilizzate con pompe di calore geotermiche sia per riscaldamento sia per raffreddamento. Le risorse geotermiche sono classificabili in tre forme principali. Le risorse idrotermali convettive I sistemi a vapore dominante (vapore secco) I sistemi ad acqua dominante (vapore umido)

20 L energia geotermica Le pompe di calore geotermiche (Ground-source heat pump - GHP) usano la temperatura relativamente costante del terreno per fornire riscaldamento, raffreddamento e acqua calda sanitaria per abitazioni, scuole, edifici pubblici e commerciali. Una piccola quantità di energia elettrica è necessaria per il funzionamento di un compressore ma l'energia prodotta dal sistema è dell'ordine di quattro volte questo ingresso. Le GHP sono disponibili in due configurazioni di base: ad anello chiuso e ad anello aperto Nei sistemi ad anello chiuso, il circuito è costituito da tubazioni in polietilene ad alta densità posizionato sia in orizzontale (1-2 m di profondità) sia in verticale (50-70 m di profondità). Una soluzione acquaantigelo circola attraverso il tubo per raccogliere il calore dal terreno durante l'inverno o restituire il calore al suolo in estate. Il sistema a ciclo aperto utilizza acque di falda o di lago direttamente nello scambiatore di calore e poi scarica in un altro pozzo, flusso, lago o sul terreno (per esempio per l'irrigazione), a seconda delle normative locali.

21 L energia geotermica A fine 2008, erano installati circa MW di elettricità geotermica, con una produzione annuale di oltre GWh. L'energia geotermica è generalmente classificata come una risorsa rinnovabile: l'energia rimossa dalla risorsa viene continuamente sostituito da altra energia su scale temporali simili a quelle richieste per la rimozione di energia. La rigenerazione delle risorse geotermiche è un processo che si verifica su scale temporali diverse, a seconda del tipo e delle dimensioni del sistema produttivo, del tasso di estrazione e degli attributi della risorsa. L'ostacolo maggiore allo sfruttamento dell'energia geotermica è l'elevato rischio finanziario in confronto non solo con l'uso del gas naturale ma anche con la maggior parte di altre forme di energia rinnovabile. I rischi di sviluppo sono alti e la previsione della qualità di una risorsa richiede investimenti di capitale nella perforazione dei pozzi di perlustrazione. La risorsa, infine, deve essere vicina a una zona che mostri elevata domanda.

22 L energia idroelettrica L'energia idroelettrica è attualmente utilizzata in oltre 160 Paesi. A fine 2008 la potenza globale di energia idroelettrica installata era pari a circa 874 GW. Questa capacità è derivata da circa stazioni, con circa unità di generazione. Molti Paesi si affidano all energia idroelettrica (Figura 1.4) per soddisfare i picchi di richiesta piuttosto che per soddisfare il carico base. Carico di base: Periodo di tempo in cui la richiesta di elettricità si mantiene attorno al valore più frequente. Picco di domanda: Periodo di tempo sufficientemente prolungato (almeno mezz ora in ambito elettrico) in cui la potenza elettrica richiesta è significativamente più elevata di quella media.

23 Bibliografia Beretta, De Carlo, Introna, Saccardi, Progettare e gestire l efficienza energetica McGraw Hill 2012