Sistemi per l’energia
Note lessicali in relazione al corso
• Dispositivo. Oggetto(materiale o immateriale)
utilizzato per compiere una determinata
funzione.
• Sistema. Insieme di dispositivi connessi (nel
rispetto della compatibilità fisica e funzionale) e
coordinati (in ambito spazio-temporale) in grado
di perseguire un dato obiettivo.
Note lessicali in relazione al corso
• Processo. Sequenza temporale di attività (denominate anche
fasi) mediante le quali si persegue un dato obiettivo
(normalmente produttivo). Particolare tipo di sistema.
• Struttura. Complesso degli elementi costitutivi di un sistema
(considerati nei loro rapporti ed interdipendenza).
• Impianto. Insieme di dispostivi connessi, nel rispetto della
compatibilità fisica e funzionale, strutturalmente in grado di
produrre un bene (materiale o immateriale).
• Infrastruttura. Complesso degli impianti che cosentono e
condizionano un’attività.
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)
MATERIE PRIME
(carbone, petrolio, ecc.)
ENERGIA
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 .
Definizioni date 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 fisica
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)
Classificazione risorse
accertate
probabili
possibili
Attuale sfruttamento
sconosciute
Esplorazioni favorevoli
conosciute
Energia - Fonte
• Dato un sistema fisico esiste una funzione
energia
E = f(ai(t))
delle variabili di stato ai(t) osservabili che non dipende dal
tempo.
• Più intuitivamente : un sistema fisico contiene energia se
potenzialmente può compiere lavoro.
• 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.
FONTI DI ENERGIA
RADIANTE
Sole
MECCANICA
Animali, vento, cadute d’acqua
CHIMICA
Biomasse, combustibili fossili
TERMICA
Calore endogeno
NUCLEARE
Materie fissili
USI DELL’ENERGIA
Trattamento
della
materia
MECCANICA
Trasporti
TERMICA
Riscaldamento
RADIANTE
Illuminazione
ELETTRICA
Supporto
all’informazione
Vettori energetici
Il comportamento più naturale sarebbe quello di disporre di una
fonte 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 intermedi
fino ad ottenere quello più adatto per l’uso finale.
L’esempio più evidente è quello del vettore elettrico.
Vettore elettrico
E = g(V,1/d)
H = f( I,1/d)
I
H
d
P
E
s
r
Q
t
V
g
fonti
trasformazioni
radiante
fluido
dinamica
endogena
nucleare
chimica
m
ec
ca
ni
ca
te
r
m
ic
a
H FC
2
e
l
e
t
t
r
i
c
a
usi fin.
T
M
L
E
Principali elementi caratterizzanti
un sistema per l’energia
• Fonte : energia disponibile in natura che, mediante
controllo, può essere resa disponibile nelle forme
dell’utilizzazione finale.
• Utilizzatore : sistema fisico che permette di ottenere il
bene finale atto a soddisfare i bisogni.
• Vettore: sistema fisico che permette il trasferimento e
la conversione della forma dell’energia.
• Accumulo : sistema fisico in grado di conservare e
scambiare energia con un altro sistema.
Sistema energetico
fonte
infrastruttura
funzioni
Trasformazione della forma dell’energia
Trasformazione del vettore
Collettazione
Trasporto
Distribuzione
Accumulo
utilizzazione
Intensità energetica
i = 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=iq
dove 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/i
può 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
fonti
usi finali
Sole
Uomo
M
T
L
Caratteristica delle fonti :
- Sole : periodica (periodicità dovuta al moto degli astri,quindi non controllabile),
con una componente aleatoria dovuta alla nuvolosità,
sono grossolanamente controllabili gli usi finali mediante schermi.
- Uomo : controllabile.
fonti
usi finali
Sole
M
Uomo
T
Combustibile
L
fuoco
prometeo
Caratteristiche della fonte:
- controllabile nel tempo, nello spazio
- accumulabile
- trasportabile
fonti
usi finali
Sole
Uomo
Combustibile
M
T
Animali
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
L
E
Capacità di lavoro degli animali
Animale
Peso [kg]
Potenza [W]
Uomo
70
80
Asino
300
150
Bue
700
400
Cavallo
700
750
Il rendimento energetico di un uomo o di un cavallo che lavorano per tutto
il periodo giornaliero è di circa il 13%.
fonti
Sole
macchina a
vapore
WATT 1745
Uomo
Combustibile
Animali
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
T
usi finali
M
T
L
Impianto con macchina di Watt
………..
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
Intensità energetica i = W/q
Dove : W energia utilizzata per produrre la quantità q
Produttività p = q/t
Dove: q quantità prodotta nel tempo t
Potenza P = W/t
Considerando che q = W/i
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)
fonti
usi finali
Sole
M
Uomo
Combustibile
(en. pot. chimica)
T
T
Animali
L
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
pila
Volta 1800
E
1800 Volta presenta la “pila” a Napoleone
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
è stata elemento motore per lo sviluppo dell’industria
dell’energia ( petrolio, gas, energia elettrica)
fonti
lampadina
Edison 1882
Sole
M
Uomo
Combustibile
usi finali
T
T
M
L
Animali
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
E
E
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 ….
Thomas Alva Edison was born in Milan,
Ohio in 1847.
The picture is from 1878.
Edison, nell’arco della sua vita,
presentò più di 1600 brevetti
Macchina di Watt e alternatore : sistema Edison
PREFERENZA AL
VETTORE ELETTRICO
L
Combustibile
T
M
E
per
PRATICITA’ D’USO
Mobilità
fonti
usi finali
Altre fonti
M
Combustibile
Calore
endogeno
T
T
M
E
Cadute
d’acqua
Stato della tecnologia a metà del ‘900
L
E
fissione
nucleare
fonti
usi finali
Fermi 1942
Altre fonti
M
Combustibile
Calore
endogeno
T
T
M
E
Cadute
d’acqua
Materie
fissili
T
L
E
Enrico Fermi works with an
electronic control for a
neutron chopper during his
Argonne days.
PREFERENZA
AL VETTORE ELETTRICO
T
Materie
fissili
T
M
E
per
UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE
fonti
Combustibile
Calore
endogeno
usi finali
T
T
M
E
Eolico,cadute
d’acqua, …..
materie
fissili
solare
M
L
E
T
Stato attuale
Economia dell’energia
STRATIFICAZIONE DEI SISTEMI
ECONOMIA
POLICY
INFORMAZIONE
PROCESSO
Il bene energia
• L’energia è un bene in grado di soddisfare un
numero sempre crescente di bisogni.
• E’, da tempo, talmente indispensabile da
essere considerata una “commodity”.
• E’ talmente rilevante, per la nostra società, la
disponibilità e l’accesso a questa risorsa da
assurgere ad elemento di “pubblica utilità”.
Il prodotto energia
• Se si considera il carbone, la benzina, il gasolio,l’olio
combustibile è, comunemente, immediato parlare di
prodotti
• Per il metano è già un po’ meno immediato parlare di
prodotto, anzi, per molti, è assimilabile più ad un
servizio
• L’energia elettrica per i più è un servizio e non un
prodotto : questo aspetto è stato trattato dalla
Comunità Europea che nel 1986 ha definito l’energia
elettrica un prodotto
• Considerare l’energia un prodotto è fondamentale per
definire e strutturare il mercato della stessa, in
particolare il libero mercato che è diventato obiettivo
prioritario in ambito Comunitario
Il servizio per l’energia
• E’ il rendere disponibile l’energia all’utenza in maniera
sicura e di adeguata qualità
• E’ il rende possibile all’utenza l’accesso alla risorsa
• Condizione necessaria per un libero mercato
dell’energia e/o per espletare un servizio di pubblica
utilità è l’accesso non discriminatorio alle infrastrutture
energetiche ( TPA) dei soggetti che interagiscono nel
mercato, produttori ed utenti.
La liberalizzazione dei mercati
Decreto “Bersani” 79/99
Ha recepito la Direttiva Europea 96/92 CE
Decreto “Letta” 164 / 2000
Ha recepito la Direttiva Europea 98/30/CE.
Direttiva 2003/54/CE
considerazioni
• Perché la concorrenza funzioni occorre che l’accesso
alla rete sia fornito senza discriminazioni, in modo
trasparente e a prezzi ragionevoli. (riduzione delle
barriere infrastrutturali)
• I clienti dell’energia elettrica dovrebbero poter
scegliere liberamente il loro fornitore …….. essi
dispongano di un diritto reale ed effettivo di scegliere il
loro fornitore. (libertà)
• Gli stati membri possono designare un fornitore di
ultima istanza. (tutela)
Il contesto di policy europeo
• La decisione del Consiglio Europeo del 6 ottobre 2006 inerente gli
“Orientamenti strategici comunitari per la coesione economica, sociale e
territoriale (2007-2013)”, punta a realizzare una stretta sinergia tra le tre
dimensioni:
economica, sociale ed ambientale
• L’integrazione tra crescita e tutela dell’ambiente viene confermata della
nuova politica europea in materia energetica che mira a:
• 1. realizzare un vero mercato interno dell’energia agendo in particolare
su due fattori: una maggiore indipendenza dei soggetti che gestiscono le reti
da quelli che producono energia e lo sviluppo delle interconnessioni come
fattore indispensabile per la creazione di un mercato comune;
• 2. accelerare il passaggio ad un’economia a basse emissioni di
carbonio, agendo sullo sviluppo delle fonti rinnovabili, sulla diversificazione
del mix di fonti, sulla ricerca nel campo delle tecnologie energetiche in grado
di abbattere le emissioni della produzione di energia;
• 3. dotarsi di un Piano per l’efficienza energetica di impatto multisettoriale,
con la proposta di un nuovo accordo internazionale per il raggiungimento di
obiettivi quantitativi comuni entro il 2020.