Energia
cosa possiamo fare;
cosa NON possiamo fare;
cosa dovremmo fare
Angelo Tartaglia
Dipartimento di Fisica
Politecnico di Torino
12 - 1 - 2009
Pianeta Terra: come salvarlo?
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Energia
• La capacità o possibilità di estrarre un
lavoro da un dato sistema fisico
• L’energia in un sistema isolato rimane
assolutamente costante nel tempo
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L’energia si trasforma
• L’energia non si crea né si consuma
• L’energia si trasforma
Da una trasformazione energetica si può
ottenere lavoro, ma necessariamente una
parte dell’energia in gioco viene convertita
in disordine.
Secondo principio della termodinamica
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Fabbisogno energetico annuo
mondiale
Wu  5,4110 J
20
Wu  1,50 10 kWh
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Energia “di mercato” al 2010
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Flusso energetico annuo in
entrata nell’ambiente umano dal
sole
Ws  1,10 10 J
25
Ws  3,05 10 kWh
18
Ws  2104 Wu
~1/3 viene riflesso
Ws  1,4 10 Wu
4
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Dall’interno della terra
Wg  2,2 10 J
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Wg  0,002 Ws  28 Wu
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Energia gravitazionale del
sistema luna-terra-sole
Wm  2,3 10 J
20
Wm  0,4 Wu
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“Serbatoi” di energia
• Combustibili fossili
– Tempo di ricostituzione ~107 anni
• Biomasse
– Tempo di ricostituzione ~1÷10 anni
• Fissione nucleare
– Tempo di ricostituzione ~ infinito
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Consumo di petrolio
USA
Italia
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Fabbisogno energetico
crescente
+ 1,95% all’anno in 25
anni
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La curva di Hubbard
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La crescita esponenziale
y 14000
12000
+ 1,95% l’anno: in
~ 500 anni si
raggiunge Ws
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
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100
200
300
400
500
x
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La crescita economica fa
crescere anche le differenze
y
10
8
6
4
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
x
-2
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Gli obiettivi 2008-2020
-20% consumi di energia
• -20% emissione di CO2
• 20% sostituzione di fonti ad alto
impatto con fonti a basso impatto
•
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Riduzione del consumo
- 20% in 12 anni
Ip: crescita del PIL
- 1,9% all’anno
Esempio: +1% all’anno
Riduzione dei consumi per unità di PIL necessaria
- 2,9% all’anno
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Ipotesi andamento PIL
Obiettivo per il risparmio
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Effetto combinato
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Limiti dell’efficienza
Efficienza energetica:
lavoro utile
ε
 ε lim  1
energia consumata
Andamento nel tempo
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Andamento complessivo del
consumo di energia

eεt a  be  κt
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
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Tasso di riduzione del
consumo per unità di PIL
- 15 % all’anno (con un
margine del 34%)
Il consumo all’inizio diminuisce ma
poi inesorabilmente ricomincia a
crescere
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Vincolo generale
Se il prodotto interno lordo è fatto di cose e di
attività materiali e deve crescere, allora anche il
fabbisogno energetico deve necessariamente
aumentare
…ma il fabbisogno energetico non può
continuare ad aumentare
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La triade dei consumi
•Industriali 33%
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•Civili
33%
•Trasporto
33%
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Industria
Attività manifatturiere: efficienza
tramite mercato
Edilizia: efficienza difficilmente
incrementabile
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Usi civili
È possibile ridurre da 3 a 5 volte
i consumi domestici progettando
e costruendo meglio le case
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Finanziare gli investimenti retribuendo
e commercializzando il risparmio
(formula nota)
Energy Service Companies
ESCO
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Intervento pubblico a sostegno
Vincolare nuove edificazioni e interventi
su edifici esistenti al rispetto di
requisiti di efficienza;
• Intervenire sugli edifici pubblici;
• Contribuire (moderatamente) a fondo
perduto all’investimento dei privati e
fornire garanzie per mutui a tassi
agevolati.
•
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Piani territoriali e PRG
• I piani regolatori prevedono
normalmente espansioni dell’edificato
residenziale con un tasso di crescita
anche di 20 volte superiore a quello della
popolazione
• In provincia di Torino l’espansione
residenziale da PRG era (nel 1997) del
10,26% a fronte di un calo della
popolazione dello 0,75%
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Crescita in atto superiore all’1% all’anno
Metri cubi di case per persona
250
Metri cubi
200
150
100
50
0
1951
1961
1971
1981
1991
2001
Anni
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Consideriamo un margine dell’80%
nell’efficienza in presenza di un tasso di
crescita annuo del 1% nelle volumetrie
L’obiettivo viene raggiunto con un tasso
di miglioramento dei rendimenti del 4%
all’anno
La domanda di energia ricomincia a crescere
dopo 60 anni
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Margine del 50% e tasso di crescita del 2% annuo
Obiettivo raggiunto se l’efficienza cresce
dell’11% all’anno
Non basta intervenire solo sulle nuove edificazioni
Subito dopo (2022) il fabbisogno
ricomincia a crescere
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Andamento temporale
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Intervento solo sulle nuove case
Se le nuove case sono ogni anno il 2% di
quelle che già ci sono e ognuna consuma solo il
20% di una casa esistente
…il consumo complessivo cresce dello
0,4% all’anno
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Sostituzione delle case
esistenti
Se ogni anno il 2% del patrimonio edilizio viene
sostituito con case che consumano solo il 20%
delle precedenti allora…
…il consumo complessivo diminuisce
dell’1,6% all’anno
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Con l’edilizia in crescita
l’obiettivo del – 20% in 12
anni non può essere
mantenuto
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Trasporti
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Efficienza dei motori delle auto
Italia = verde, UE = blu
Dati in litri/100 km
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Margini offerti dal recupero di efficienza:
poco significativi
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L’uso dell’auto in Piemonte
250
200
150
100
50
0
Auto
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Pianeta Terra: come salvarlo?
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Benzina
1995
Percentuali
Tendenze di consumi e parco auto
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Per centrare l’obiettivo occorre ridurre
dell’1,9 % all’anno i km percorsi/persona
La crescita dell’edificato sparso
implica una crescita dei km da
percorrere a un tasso superiore a
quello dell’abitato
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Pianeta Terra: come salvarlo?
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Per ridurre i km/persona occorre:
Piani territoriali
(contenimento della dispersione)
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Trasporto di massa
Pianeta Terra: come salvarlo?
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Motori alternativi al motore a
scoppio
Con prospettive industriali e commerciali
entro i prossimi 15 anni hanno tutti
rendimenti globali inferiori a quello di un
motore a scoppio
L’uso dell’idrogeno come carburante
implica un aumento dei consumi
energetici
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Sostituzione energetica
•
•
•
•
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Solare
Idrico
Eolico
Biomasse
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Solare fotovoltaico e/o a
concentrazione
Rendimento globale pratico ~ 10%
100 W/m2
1000 ore (convenzionali) all’anno
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Costo: alcune volte superiore a quello
delle fonti convenzionali
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Integrazione nelle coperture
degli edifici
Consumo annuo di una casa:
~ 100 kWh/m2 di calpestio
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Recupero energetico: energia tramite copertura
fotovoltaica/energia consumata; stessa cubatura
1
~
l
1
~
a
l
a
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l
a
Pianeta Terra: come salvarlo?
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Pannelli fotovoltaici per
rivestimenti
Rendimento < 3%
25-26 W/m2
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Eolico
Convenzionale: scarse possibilità per il Piemonte
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Pianeta Terra: come salvarlo?
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Alta quota: Kitegen
Da sviluppare e
testare a scala
industriale
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Pianeta Terra: come salvarlo?
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Idroelettrico
• Disponibilità di acque libere in calo
• Conflitto con altri usi dell’acqua in
aree montane
• Potenzialità di sviluppo marginali
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Biomasse
• Conflitto con altre colture
• Monocultura estensiva
• Pesticidi specifici
~ 100 MWht/annoettaro
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Per raggiungere gli obiettivi
europei:
•
•
•
•
•
Evitare l’espansione dell’edificato
Ridurre il volume degli spostamenti
Riqualificare il patrimonio edilizio esistente
Integrare negli edifici elementi fotovoltaici
Agevolare il trasferimento tecnologico in
ambito di aumento di efficienza e
sostituzione di fonti
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Pianeta Terra: come salvarlo?
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Ce la faremo?
Dovremmo cambiare vita…
Il pianeta terra comunque se la caverà
benissimo: il problema è nostro
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Pianeta Terra: come salvarlo?
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intervento Prof. Tartaglia 12-1-09