Sistemi per l’energia
Sviluppo
sostenibile
Risorse
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)
Energia
• Dato un sistema fisico esiste una funzione
energia E=f(ai(t)) delle variabili di stato ai(t)
osservabili che non dipende dal tempo.
• 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.
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 .
Definizione data 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 geologica
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
USI DELL’ENERGIA
Trattamento
della
materia
MECCANICA
Trasporti
TERMICA
Riscaldamento
LUMINOSA
Illuminazione
ELETTRICA
Supporto
all’informazione
FONTI DI ENERGIA
RADIANTE
Sole
MECCANICA
Animali, vento, cadute d’acqua
CHIMICA
Biomasse, combustibili fossili
TERMICA
Calore endogeno
NUCLEARE
Materie fissili
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.
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
Vettore elettrico
E = g(V,1/d)
H = f( I,1/d)
I
H
d
P
E
s
r
Q
t
V
g
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
fonti
usi finali
Sole
M
Uomo
T
Combustibile
L
fuoco
prometeo
fonti
usi finali
Sole
Uomo
Combustibile
M
T
Animali
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
L
E
fonti
Sole
macchina a
vapore
WATT 1745
M
Uomo
Combustibile
Animali
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
usi finali
T
T
L
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
Produttività p = q/t
Dove: q quantità prodotta nel tempo t
Potenza P = W/t
Dove : W energia utilizzata nel tempo t per la produzione
Considerando che q = W/i ( i intensità energetica)
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
T
T
Animali
L
Vento
Cadute
d’acqua
Calore
endogeno
pila
Volta 1800
E
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 costituisce 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 ….
PREFERENZA AL
VETTORE ELETTRICO
L
Combustibile
T
M
E
per
PRATICITA’ D’USO
fonti
usi finali
Altre fonti
M
Combustibile
Calore
endogeno
Cadute
d’acqua
T
T
M
E
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
PREFERENZA
AL VETTORE ELETTRICO
T
Materie
fissili
T
M
E
per
UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE
fonti
usi finali
Altre fonti
M
Combustibile
Calore
endogeno
T
T
M
E
cadute
d’acqua
materie
fissili
T
L
E
Principali elementi caratterizzanti
un sistema per l’energia
• Fonte : energia disponibile in natura che,
mediante controllo, può essere resa utilizzabile
nelle forme dell’utilizzazione finale
• Vettore: sistema fisico che permette il
trasferimento e la conversione della forma
dell’energia
• Utilizzatore : sistema fisico che permette di
ottenere il bene finale atto a soddisfare i bisogni
Funzioni caratterizzanti il processo
energetico fonte-untilizzazione
• Trasferimento (trasmissione e distribuzione)
• Conversione della forma
• Conversione del vettore
• Accumulo
Occorre accumulare
per
• Trasferire l’energia,nelle varie fasi del
processo energetico, dalla fonte
all’utilizzazione
• Sincronizzare la disponibilità dell’energia,
nella forma richiesta, con l’utilizzo
Sistema energetico
fonte
infrastruttura
utilizzazione
funzioni
Trasformazione della forma dell’energia
Trasformazione del vettore
Trasporto
Distribuzione
Accumulo
Tecnica dell’energia
Filiera dell’energia
•
•
•
•
•
•
•
Estrazione/Raccolta
Collettazione
Pretrattamento :produzione di vettori energetici
Accumulo
Trasporto
Accumulo
Trasformazione (materia/forma
dell’energia):produzione di vettori energetici
• Accumulo
• Utilizzo (trasformazione finale nella forma utile)
• Recupero/collocazione ambientale residui
TRASFERIMENTO DELL’
ENERGIA
• imposto da:
–la diversa localizzazione delle
aree di produzione e di utilizzo
TRASPORTO
- l’elevato frazionamento degli
apparati di uso finale
DISTRIBUZIONE
Il trasferimento dell’energia
può essere effettuato:
• trasportando materia in cui
l’energia è accumulata (ad es.
combustibili)
• trasmettendo l’energia senza
trasferimento di materia (ad es.
alberi rotanti, linee elettriche)
energia contenuta
nell’unità di massa
combustibili nucleari
H2
10 6
kWh / kg
combustibili fossili
accumulatori
elettrochimici
condensatori
industriali
1
10-6
I principali trasferimenti di
energia si effettuano:
• per ogni uso: trasportando combustibili
–con mezzi discontinui (ad es navi)
–con mezzi continui ( ad es. oleodotti)
• solo per usi elettrici: trasmettendo con
elettrodotti
confronto tra:
trasporto combustibile
fonte
rete elettrica
trasmissione di energia elettrica
Raggio d’azione
Distanza massima cui è economicamente
conveniente trasportare la merce.
Dipende da:
- modalità di trasporto
- percorso possibile
- efficienza della trasmissione
Alcuni esempi
• Combustibili solidi e liquidi ad alto potere calorifico non
hanno limiti, in pratica si possono solo avere
concorrenza in base alla struttura logistica presente o da
realizzare.
• Combustibili gassosi : alcune migliaia di km se
trasportati in gasdotti, come i combustibili liquidi se
liquefatti.
• Energia elettrica : alcune migliaia di km.
• Energia meccanica : fino al centinaio di metri con alberi
rotanti, fino ad alcuni km per le trasmissioni a fune e a
nastro.
• Energia termica : alcune centinaia di m con acqua calda,
alcuni km con vapore.
sistemi
• Isolati
• Interconnessi :
con rete fisica
con rete logistica
• Con accumulo
• Senza accumulo
RETE DI
RETE DI
TRASMISSIONE
E INTERCONNES. DISTRIB.PRIMARIA
CENTRALE
STAZIONE
CABINA
PRIMARIA
Struttura di un grande sistema
RETE DI
DISTRIB.MT
CABINA
MT- BT
CARICO
RETE DI DISTRIB.BT
Schema di principio rete gas
MP
AP
s
G
BP
BBP
Infrastrutture per il trasporto dell’energia elettrica e del gas
Rete elettrica MT
Rete gas MP
Grandi reti per i combustibili
Interconnessione di reti energetiche
High
voltage
High
pressure
30MWt-500MWt
up to 10km 2
large grid
Medium
voltage
Medium
pressure
2-30MWt
up to 1km 2
medium grid
Low
voltage
Low
pressure
0.5-2MWt
building
local grid
Areas covered by
district heating
Electricity
grid
Pressure
reduction station
Power
transformer
Power plant
(cogeneration)
Gas pipelines
Interconnessione di reti energetiche
interconnessione
shipper
s
shipper
s
distribuzione
del calore
riduzione
Rete elettrica
trasformatore
Rete gas
cogenenerazione
Combustibili
liquidi e solidi
Interconnessione di reti per l’energia
Vantaggi
Svantaggi
• Maggiore capacità di
gestione della domanda
della risorsa
• Ridondanze
impiantistiche
• Riduzione delle riserve
• Complessità
• Maggiore sicurezza
della disponibilità della
risorsa per l’utilizzatore
finale