IL CICLO DELL ENERGIA

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1 MASTER - Sistemi energetici da fonte rinnovabile - 1 L. - Progettazione dei sistemi energetici da fonte rinnovabile - 2 L. Prof. Vincenzo Naso 27/04/2012 IL CICLO DELL ENERGIA Prof. Vincenzo Naso 15/05/2012 Pagina 2 1

2 FONTI PRIMARIE (Energia Chimica, Elettromagnetica, Meccanica, Nucleare, Termica) (b) FONTI SECONDARIE (Energia Chimica o Nucleare) (d) (a) (c) VETTORI (e) ENERGIA ELETTRICA (f) Energia Meccanica, Termica, Elettrica per gli USI FINALI AGRICOLI DOMESTICI E SE RVIZI INDUSTRIALI TRASPORTI (Energia Elettrica, Meccanica, effetto utile Termica) scarico energia inutilizzata Pagina 3 Il Ciclo dell Energia: dalle Fonti Energetiche (naturali), attraverso i Vettori Energetici, all Effetto Utile (+ l impatto ambientale). 1- FONTI (PRIMARIE) DI ENERGIA 2- VETTORI ENERGETICI 3- UTENTI FINALI DI ENERGIA (effetto utile) + (rifiuti) Pagina 4 2

3 Energie rinnovabili e non rinnovabili. Energie sostenibili. Classificazione delle fonti energetiche primarie secondo il criterio della rinnovabilità Pagina 5 1- INSOSTENIBILITA DELL ATTUALE MODELLO ENERGETICO AMBIENTALE 2- GLI IMPIANTI E I REATTORI NUCLEARI, SI (?) 3- LE RINNOVABILI (E L EFFICIENZA) SI 4- MA NON BASTANO ENERGIE RINNOVABILI/SOSTENIBILI: ENERGIA NUCLEARE ENERGIE RINNOVABILI EFFICIENZA ENERGETICA Pagina 6 3

4 INSOSTENIBILITA DEL MODELLO DI SVILUPPO PROBLEMI QUANTITÀ DI ENERGIA CONSUMATA [ 13,5 MILIARDI TEP / ANNO ] FOSSILI [ NON RINNOVABILI ] [ 11,8 MILIARDI TEP / ANNO ] FER [ RINNOVABILI ] [ 1,7 MILIARDI TEP / ANNO ] DENSITÀ (CONCENTRAZIONE) DI DOMANDA DI ENERGIA [ CITTÀ INDUSTRIA TRASPORTI ] Pagina 7 LE RISERVE ENERGETICHE RISERVE ACCERTATE (MILIARDI TEP) CONSUMO ATTUALE (MILIARDI TEP) DURATA RISERVE (ANNI) CARBONE GAS NATURALE PETROLIO Le riserve di petrolio conosciute sono pari a circa 3 triliardi di barili; il consumo annuo è di 78 miliardi di barili Pagina 8 4

5 INSOSTENIBILITA DEL MODELLO DI SVILUPPO CONSEGUENZE QUANTITÀ DI EMISSIONI GLOBALI [ GAS SERRA ] DENSITÀ DI IMPATTO AMBIENTALE LOCALE [ INQUINAMENTO CITTÀ ] Pagina 9 Pagina 10 5

6 Pagina 11 Source Professeur Helmut Rott Universite d Innsbruck CONTROLLO DELLA CRESCITA DEI GAS SERRA: SCENARI SULLA CO 2 6

7 LA RIDUZIONE DEI GHIACCIAI POLARI TRANSIZIONE: Che si può fare? uso delle fonti rinnovabili efficienza degli impianti consumo energetico trasporto sostenibile sviluppo nuove tecnologie Pagina 14 7

8 3 SETTORI - CHIAVE Sorgenti energetiche rinnovabili Solare Eolico Biomasse Geotermico, Energia dal mare (correnti, etc.) Nuovi vettori energetici Idrogeno (verde); Elettricità (verde) Nuove Tecnologie Celle a combustibile Pagina 15 QUELLO CHE NON SI DEVE FARE: CONTARE SUI FOSSILI NON CONVENZIONALI (I SUCCEDANEI) - GAS HYDRIDES OIL SHALE(2.5 Gb; 72% in USA) SHALE GAS (30% del gas USA, oggi) OIL SANDS, EXTRA HEAVY OIL- NATURAL BITUMEN Pagina 16 8

9 Pagina 17 CONCENTRIAMO QUESTA ANALISI SU: 1- EFFICIENZA ENERGETICA 2- ENERGIA NUCLEARE 3- ENERGIE RINNOVABILI Pagina 18 9

10 1- EFFICIENZA ENERGETICA UNA RISORSA ENERGETICA ENDOGENA : L EFFICIENZA ENERGETICA ( e L ECO-INDUSTRIA o ECO-ECONOMIA) Pagina 19 Normativa Direttiva 2006/32/CE Efficienza energetica negli usi finali dell energia e servizi energetici D.lgs 115/2008 Direttiva 2002/91/CE Rendimento energetico nell edilizia D.lgs 192/05 e 311/06 Direttiva 2005/32/CE Requisiti per una concezione ecologica degli apparecchi che consumano energia Direttiva 2004/8/CE Promozione della cogenerazione basata sulla domanda di calore utile nel mercato interno dell energia D.Lgs 20/2007 Direttiva 92/75/CEE Etichettatura degli apparecchi domestici 10

11 Le potenzialità di risparmio energetico nell Europa dei 27 nel 2020: un business per gli imprenditori dell efficienza energetica Settore Edilizia abitativa (domestico) Edifici commercial i (terziario) Consumo calcolato di energia nel 2005 (Mtep) Consumo di energia al 2020 in caso di situazione invariata (Mtep) Risparmio potenziale di energia al 2020 (Mtep) Potenzialità di risparmio energetico al 2020 (%) % % Trasporti % Industria manifatturiera % Pagina ENERGIA NUCLEARE Pagina 22 11

12 Pagina 23 SITUAZIONE AL 30 LUGLIO 2010 WORLD* * NUCLEAR ELECTRICITY GENERATION 2010 billion kwh % e No. REACTORS OPERABLE 1 July 2011 MWe net REACTORS UNDER CONSTRUCTION 1 July 2011 No. MWe gross REACTORS PLANNED July 2011 No. MWe gross REACTORS PROPOSED July 2011 No. MWe gross URANIUM REQUIRED 2011 tonnes U , , , ,355 68,971 billion kwh % e No. MWe No. MWe No. MWe No. MWe tonnes U NUCLEAR ELECTRICITY GENERATION REACTORS OPERATING REACTORS BUILDING ON ORDER or PLANNED PROPOSED URANIUM REQUIRED Pagina 24 12

13 SITUAZIONE AL 31 LUGLIO 2011 Pagina 25 I PREGI ED I VANTAGGI DEGLI IMPIANTI NUCLEARI: LA SOSTENIBILITA Pagina 26 13

14 Numero annuo di avvio di costruzione di nuovi impianti Pagina 27 RICERCA E SVILUPPO: IV GENERAZIONE (E LA FUSIONE ) BREEDER, REFRIGERATI AL: - SODIO (Superphoenix; Cina; Russia; EU: Prototipo da 600 MW in Francia); - PIOMBO (Già in sottomarini; vantaggi del Piombo, ma problemi di compatibilità con leghe); - GAS (Elio) (più sicuri, ma pericolo di dispersione del gas) Pagina 28 14

15 3- LE FONTI RINNOVABILI Pagina 29 Pagina 30 15

16 IL CONFRONTO AD OGGI: 312 GW di Rinnovabili 386 GW di Nucleare 500 TWh da Rinnovabili TWh da Nucleare Pagina 32 16

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22 4- LE FONTI RINNOVABILI NON BASTANO OCCORRE INTEGRARLE CON: A EFFICIENZA ENERGETICA B - VETTORI ENERGETICI VERDI - ELETTRICITA VERDE - IDROGENO VERDE C - CICLI ENERGETICI E DELLE RISORSE CHIUSI Pagina 43 LIMITI DELLE F0NTI RINNOVABILI DISCONTINUITA ALEATORIETA BASSA DENSITA DI POTENZA/ ENERGIA NECESSITA DI ACCUMULO!!! Pagina 44 22

23 CONTINUA CON: CICLI CHIUSI DELL ENERGIA VETTORE IDROGENO Pagina 45 Cicli Aperti Il ciclo che porta ogni materia prima dal suo posto "naturale" alla nostra vita quotidiana è più o meno lo stesso per tutti i prodotti. Comprende attività note come: Estrazione Trasporto Prima Trasformazione Trasformazioni Successive Produzione Distribuzione Pagina 46 23

24 Schematizzazione di un SE a ciclo aperto INTERAZIONI CON L AMBIENTE FLUSSO DI ENERGIA USI FINALI Risorse energetiche Effetto Utile RIFIUTI Pagina 47 Oggi un sistema energetico: consuma risorse produce rifiuti usa fonti d energia esauribili e incerte Nel settore dell energia possiamo affermare di essere rimasti uomini primitivi: raccogliamo quello che ci ha dato la natura lo consumiamo buttiamo via i residui Quel che abbiamo imparato per il cibo lo dobbiamo applicare anche all energia: imparare a coltivarla pensare in termini di ecosistemi energetici Pagina 48 24

25 Protone Neutrone 3,2 MeV n Schematizzazione di un SE a ciclo chiuso INTERAZIONI CON L AMBIENTE 2 H + Fusione 2 H + VETTORI PULITI USI FINALI He Risorse Energetiche Rinnovabili Effetto Utile Occorre tendere all'individuazione di cicli che, partendo da risorse rinnovabili, siano in grado di "chiudersi completamente Pagina 49 L era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici Molti parlano della futura era dell idrogeno: è molto più corretto fare riferimento innanzitutto all affermarsi deciso - e, in una certa misura, ineluttabile- dell era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici. Una società ed uno sviluppo basati, quindi, sulla distribuzione e sulla possibilità di produzione di alcuni vettori di energia. La principale e decisiva novità sarà rappresentata proprio dall ingresso dell idrogeno tra questi vettori Pagina 50 25

26 Principali vettori energetici oggi utilizzati Elettricità Biocombustibili Idrogeno Fluidi termovettori Trasmissioni meccaniche Irraggiamento Pagina 51 Pagina 52 26

27 Necessità di produrre H 2 Tra questi vettori, l idrogeno, a differenza dei combustibili di origine fossile, è un vettore - combustibile che non è disponibile libero in natura, ma in aggregazione con altri componenti, (ad es.: acqua, idrocarburi, biomasse) e deve perciò essere prodotto (peraltro con dispendio di energia primaria) Pagina 53 Pagina 54 27

28 PROCESSI DI PRODUZIONE dell IDROGENO Non rinnovabili (Combustibili fossili) Produzione di idrogeno Rinnovabili Pagina 55 Pagina 56 28

29 L IDROGENO PUO ESSERE CONSIDERATO PULITO ED ECOCOMPATIBILE SOLO SE PRODOTTO CON ENERGIE RINOVABILI E A CICLO CHIUSO Pagina 57 SCHEMA DEL CICLO DI PRODUZIONE E UTILIZZO DELL IDROGENO Pagina 58 29

30 STOCCAGGIO DELL IDROGENO A BORDO Gas compresso Pressioni: Standard attuale: fino a 350 bar In corso di standardizzazione: 700 bar Energia spesa per la compressione 4 7 % del contenuto energetico (in funzione della pressione di stoccaggio) Idrogeno liquido Temperatura di stoccaggio C Energia spesa per la liquefazione Circa 30 % dell energia stoccata Idruri Metallici Pagina TRASPORTO e DISTRIBUZIONE di IDROGENO Il trasporto dell idrogeno può essere considerato similare al trasporto del gas naturale (in forma gassosa), o al trasporto di oli combustibili (se in fase liquida, quindi con tutte le condizioni già viste nell esempio del serbatoio BMW). Pagina 60 30

31 Pagina 61 SISTEMI ENERGETICI A IDROGENO Essenzialmente l idrogeno in campo energetico può essere utilizzato o in pile a combustibile (fuel cell) per la produzione di energia elettrica o in motori a combustione interna (MCI) con produzione di energia meccanica (in ambo i casi ovviamente trasformabili in seguito in diverse forme energetiche). FUEL CELL MCI Pagina 62 31

32 BMW 750 hl Il motore a combustione interna trasforma l'idrogeno direttamente in potenza propulsiva, senza quella ulteriore perdita di energia legata alla trazione di un motore elettrico. La potenza di quest'ultimo diminuisce al crescere del numero di giri creando problemi soprattutto in fase di sorpasso, mentre il sistema a combustione interna fornisce potenza in alcuni casi anche superiore rispetto ai normali motori a benzina. L'autonomia è di circa 350 Km ma all'interno della vettura è posizionato un bottone che permette di cambiare l'alimentazione da idrogeno a benzina. Motore: 5400 cc (12 cilindri a V) Da 0 a 100 Km/h in 9,6 sec. ed a una velocità massima di 226 km/h Pagina 63 Funzionamento di una cella a combustibile Combustibile Energia Elettrica Acqua Calore Pagina 64 32

33 Economia dell Idrogeno Sorgenti di energia primaria: Produzione di idrogeno con sistemi catalitici Reforming- ossidazione parziale, etc. Gassificazione CO2 H 2 E. E.E Pagina 65 FUTURO: IDROGENO E FUEL CELL Pagina 66 33

34 APPLICAZIONI FC Pagina 67 Auto con cella a combustibile Combustibile Energia Elettrica Acqua Calore Idrogen Serbatoio di o idrogeno Metano lo Idrogeno electric motor - Pagina 68 34

35 AUTO Provoq (500km 145 km/h) FC 70kW + Battery St 670 bar Clarity (430 km 160 km/h) FC 100 kw, St 350 bar Class B F-Cell (400km 180 km/h) FC 100 kw St 700 bar Kluger V (560km 175 km/h) FC 90 kw + Battery ST 700 bar Pagina 69 Stazioni di rifornimento di Idrogeno Norvegia Irvine (CA-USA) Valdaro (I) Tokyo Pagina 70 35

36 Autostrade per Idrogeno Norvegia B. C. Canada Hydrogen Highway California (USA) Giappone Pagina 71 36