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? 1 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 2 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 3 Fabbisogno energetico annuo mondiale Wu 5,4110 J 20 Wu 1,50 10 kWh 14 Energia “di mercato” al 2010 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 4 Flusso energetico annuo in entrata nell’ambiente umano dal sole Ws 1,10 10 J 25 Ws 3,05 10 kWh 18 Ws 2104 Wu ~1/3 viene riflesso Ws 1,4 10 Wu 4 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 5 Dall’interno della terra Wg 2,2 10 J 22 Wg 0,002 Ws 28 Wu 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 6 Energia gravitazionale del sistema luna-terra-sole Wm 2,3 10 J 20 Wm 0,4 Wu 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 7 “Serbatoi” di energia • Combustibili fossili – Tempo di ricostituzione ~107 anni • Biomasse – Tempo di ricostituzione ~1÷10 anni • Fissione nucleare – Tempo di ricostituzione ~ infinito 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 8 Consumo di petrolio USA Italia 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 9 Fabbisogno energetico crescente + 1,95% all’anno in 25 anni 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 10 La curva di Hubbard 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 11 La crescita esponenziale y 14000 12000 + 1,95% l’anno: in ~ 500 anni si raggiunge Ws 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 12 - 1 - 2009 100 200 300 400 500 x Pianeta Terra: come salvarlo? 12 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 13 Gli obiettivi 2008-2020 -20% consumi di energia • -20% emissione di CO2 • 20% sostituzione di fonti ad alto impatto con fonti a basso impatto • 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 14 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 15 Ipotesi andamento PIL Obiettivo per il risparmio 12 - 1 - 2009 Effetto combinato Pianeta Terra: come salvarlo? 16 Limiti dell’efficienza Efficienza energetica: lavoro utile ε ε lim 1 energia consumata Andamento nel tempo 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 17 Andamento complessivo del consumo di energia eεt a be κt 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 18 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 19 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 20 La triade dei consumi •Industriali 33% 12 - 1 - 2009 •Civili 33% •Trasporto 33% Pianeta Terra: come salvarlo? 21 Industria Attività manifatturiere: efficienza tramite mercato Edilizia: efficienza difficilmente incrementabile 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 22 Usi civili È possibile ridurre da 3 a 5 volte i consumi domestici progettando e costruendo meglio le case 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 23 Finanziare gli investimenti retribuendo e commercializzando il risparmio (formula nota) Energy Service Companies ESCO 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 24 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. • 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 25 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% 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 26 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 27 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 28 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 29 Andamento temporale 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 30 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 31 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 32 Con l’edilizia in crescita l’obiettivo del – 20% in 12 anni non può essere mantenuto 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 33 Trasporti 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 34 Efficienza dei motori delle auto Italia = verde, UE = blu Dati in litri/100 km 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 35 Margini offerti dal recupero di efficienza: poco significativi 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 36 L’uso dell’auto in Piemonte 250 200 150 100 50 0 Auto 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 Benzina 1995 Percentuali Tendenze di consumi e parco auto 37 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 38 Per ridurre i km/persona occorre: Piani territoriali (contenimento della dispersione) 12 - 1 - 2009 Trasporto di massa Pianeta Terra: come salvarlo? 39 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 40 Sostituzione energetica • • • • 12 - 1 - 2009 Solare Idrico Eolico Biomasse Pianeta Terra: come salvarlo? 41 Solare fotovoltaico e/o a concentrazione Rendimento globale pratico ~ 10% 100 W/m2 1000 ore (convenzionali) all’anno 12 - 1 - 2009 Costo: alcune volte superiore a quello delle fonti convenzionali Pianeta Terra: come salvarlo? 42 Integrazione nelle coperture degli edifici Consumo annuo di una casa: ~ 100 kWh/m2 di calpestio 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 43 Recupero energetico: energia tramite copertura fotovoltaica/energia consumata; stessa cubatura 1 ~ l 1 ~ a l a 12 - 1 - 2009 l a Pianeta Terra: come salvarlo? 44 Pannelli fotovoltaici per rivestimenti Rendimento < 3% 25-26 W/m2 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 45 Eolico Convenzionale: scarse possibilità per il Piemonte 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 46 Alta quota: Kitegen Da sviluppare e testare a scala industriale 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 47 Idroelettrico • Disponibilità di acque libere in calo • Conflitto con altri usi dell’acqua in aree montane • Potenzialità di sviluppo marginali 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 48 Biomasse • Conflitto con altre colture • Monocultura estensiva • Pesticidi specifici ~ 100 MWht/annoettaro 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 49 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 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 50 Ce la faremo? Dovremmo cambiare vita… Il pianeta terra comunque se la caverà benissimo: il problema è nostro 12 - 1 - 2009 Pianeta Terra: come salvarlo? 51