Introduzione all’energia Davide Damosso

La capacità di un sistema di compiere un lavoro è definita Definizioni Il concetto di energia non è un concetto primario Concetto di LAVORO: utilizzo di una forza per spostare qualcosa In senso lato: un processo che produce un cambiamento in un certo sistema è un lavoro La capacità di un sistema di compiere un lavoro è definita ENERGIA Se consideriamo l’energia impiegata (o il lavoro effettuato) nell’unità di tempo individuiamo la POTENZA definita come il lavoro compiuto nell’unità di tempo e si esprime in watt [W] e suoi multipli [kW, MW…]

Unità di misura Molto importante è l’unità convenzionale del TEP L’unità di misura fondamentale per l’energia è il JOULE 1 joule esprime l'energia usata (o il lavoro effettuato) per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro Altre unità di misura ricorrenti: [Wattora] = [Wh] = 3600 J [kwattora] = [kWh] = 3.6×103 J = 3.6 MJ [Mwattora] = [MWh] = 3.6×106 J = 3600 MJ [Gwattora] = [GWh] = 3.6×109 J = 3.6×106 MJ 1 kcal=1 kilocaloria = 4186 J = 1.163 Wh Molto importante è l’unità convenzionale del TEP 1 TEP (tonnellata equivalente di petrolio)=10 milioni di kilocalorie = 42 GJ (42 miliardi di joule)

Principi fondamentali L’energia non si crea, né si distrugge, ma SI TRASFORMA continuamente Ogni trasformazione porta con sé una “penalità” costituita da una parte di energia degradata e non più utilizzabile

Esempi di trasformazione Termica Chimica Elettrica Elettromagnetica (luminosa) Cinetica Nucleare Reazioni endotermiche Processi termoionici Lampadine a filamento Motori a scoppio Combustione Batterie Lucciole Muscoli Resistenze elettriche Elettrolisi Elettroluminescenza motori elettrici Collettori solari Fotosintesi clorofillilana Pannelli fotovoltaici Vele solari Attrito Reazioni radiolitiche Alternatori elettrici Cariche accelerate Fissione e fusione ionizzazione Batterie nucleari Ordigni nucleari Radioattività Da \ A Fonte: N. Armaroli, V. Balzani, Energia per l’astronave Terra, Zanichelli, 2008

Fonti energetiche Primarie disponibili in natura Secondarie/vettori Rinnovabili non esauribili o soggette a rigenerazione rapida, il loro utilizzo non ne pregiudica la disponibilità per le generazioni future Esauribili il tempo per la loro rigenerazione eccede la scala dei tempi umani Secondarie/vettori derivano da trasformazioni

Caratteristiche delle fonti Una fonte energetica può essere utilizzabile se è: CONCENTRABILE INDIRIZZABILE FRAZIONABILE CONTINUA REGOLABILE

Utilizzi dell’energia ITALIA Impegno energia primaria 185-195 Mtep Usi energetici finali 140 Mtep

Il tema quantitativo assoluto Quanta energia ci serve? Domanda di energia primaria mondiale ripartita per combustibile (Mtep) – IEA, World Energy Outlook 2009 1980 2000 2007 2015 2030 2007-2030* Carbone 1.792 2.292 3.184 3.828 4.887 1.9% Petrolio 3.107 3.655 4.093 4.234 5.009 0.9% Gas 1.234 2.085 2.512 2.801 3.561 1.5% Nucleare 186 676 709 810 956 1.3% Idroelettrico 148 225 265 317 402 1.8% Biomasse/rifiuti 749 1.031 1.176 1.338 1.604 1.4% Altre rinnovabili 12 55 74 160 370 7.3% Totale 7.228 10.018 12.013 13.488 16.790 *Questa colonna include l’incremento annuo medio nel periodo considerato.

Il tema quantitativo assoluto Quanta energia ci serve? Incremento della domanda - Trend regionali

Il tema quantitativo relativo: chi e come consuma l’energia

Quale efficienza… La ricerca dell’efficienza delle tecnologie porta ad un sempre migliore utilizzo dell’energia Il risparmio energetico è certamente un obiettivo da perseguire MA… Il paradosso dell’efficienza dimostra come le tecnologie da sole non siano in grado di affrontare la sfida energetica, certamente serve un cambiamento negli stili di vita Fonti: U.S. Energy Information Administration e BP

Quale energia Il tema ambientale Le fonti primarie esauribili sono intrinsecamente limitate A fronte di una domanda crescente il reperimento di fonti fossili è sempre più costoso Trend di incremento della CO2 (energy related) Fonte: IEA World Energy Outook 2009 L’incremento della domanda energetica è direttamente collegato all’incremento di emissioni CO2 (inquinante globale) Le fonti fossili sono responsabili di impatti ambientali locali

Quali soluzioni alternative Le rinnovabili, i nuovi vettori, la mobilità pulita sono soluzioni L’esempio chiarisce come sia complesso definire la sostenibilità di una soluzione Valutazioni complesse sono delicate e si prestano a strumentalizzazioni Valutazione Well to Wheel effettuata con indice unico (energetico/ambientale) comprendente l’internalizzazione del danno degli inquinanti (metodo ExternE) Fonte: Politecnico di Torino 2008

Quale energia – Il tema ambientale L’Unione Europea e il 20-20-20 Riduzione del 20% delle emissioni di gas serra rispetto al 1990 Riduzione del 20% della domanda energetica rispetto al suo andamento tendenziale 20% di produzione da fonti rinnovabili (rispetto al consumo finale lordo del 2020)

Le sfide energetiche Assicurare l’approvvigionamento energetico necessario all’economia e alla mobilità (tema quantitativo-assoluto-quanta energia ci serve?, ma anche strategico-chi gestisce il “rubinetto” dell’energia ?) Contenere i danni ambientali e climatici derivanti dall’uso dell’energia (tema qualitativo-come produco e utilizzo l’energia che mi serve?): La domanda energetica secondo il trend “business as usual” è certamente in crescita Di conseguenza le emissioni di gas serra sono destinate ad aumentare e le politiche in atto nei paesi OCSE vedono una stabilizzazione solo dopo il 2020 Consentire a tutti l’accesso a forme moderne di energia (tema etico ma anche quantitativo-relativo): Circa 1,5 miliardi di persone non hanno accesso all’elettricità, l’80% di queste si trova nell’Africa sub-sahariana o nell’Asia del Sud Contrastare l’aumento del costo dell’energia attraverso una maggiore apertura dei mercati, con conseguente “stress” delle infrastrutture energetiche esistenti