Storia dell’energia: i combustibili solidi Università Carlo Cattaneo – LIUC a.a. 2003-2004 – Secondo semestre Storia economica Storia dell’energia: i combustibili solidi

Il paradigma del “legno” Impieghi combustibili Riscaldamento / cottura cibi Illuminazione Attività “industriali” I combustibili organici Legno, residui agricoli, sterco essiccato, oli animali o vegetali… NB: sono tutti materie prime per altri processi in concorrenza con combustione Il carbone di legna In economie tradizionali abituati a avere pochissimo riscaldamento, città buie (ronde medioevali e età moderna) Espedienti di società più povere combustibili per impiegare meno legna (esempio, le pentole cinesi per friggere) Olio di balena mantiene sua importanza fino a metà dell’ottocento (Moby Dick 1851) Usi industriali sfruttano contemporaneamente sia proprietà energetiche che chimiche (es. acciaio) Carbone di legna elimina umidità propria del legno, contenuto energetico per unità di volume 50% superiore, è inoltre molto puro (vicino a carbonio elementare) e adatto a usi industriali (metallurgia, vetro, birra…). È un sistema per trasportare l’energia: in produzione viene disperso il 60% dell’energia contenuta in legno utilizzato Fabbisogno di legna-carbone in paesi dell’Europa del nord si misura in tonnellate annue procapite Attività industriali funzionavano saltuariamente quando si accumulava abbastanza combustibile

Il carbone Caratteristiche Tipologie di carbone Impieghi Fossilizzazione resti antiche foreste Riserva di energia solare accumulata in millenni C, H, O, N, S + ceneri + sostanze volatili Tipologie di carbone Antracite/Litantrace (Paleozoico 570 mil. anni) Ligniti (Cenozoico 65 mil. anni) Torba (alto Neozoico 2 mil. anni) Impieghi Steam coal Cocking coal NB: si tratte sempre di una fonte di origine organica, ma diversa dalle precedenti, che erano una riserva praticamente immediata di energia solare accumulata. Va considerato come stock, non flusso Esistono tipologie di carbone diversissime a seconda della percentuale di elementi di base Ceneri sono materiale inerte, possono ostruire i sistemi di combustione o compromettere processi chimici Sostanze volatili si liberano come gas con riscaldamento a alta temperatura fuori da contatto aria Tipi di carbone variano per antichità, quindi grado di processo di carbonificazione (cioè contenuto di carbonio e umidità). Legno ha il 50% di carbonio, torba 60%, lignite 70%, litantrace 80%, antracite 95% Torba può avere umidità del 90% alla raccolta, antracite 5% Paleozoico = comparsa invertebrati marini; Cenozoico = scomparsa dinosauri Antracite/Litantrace: usate per produrre coke, giacimenti Usa, Russia, regione renana e UK. Oggi miniere hanno profondità media 450 m e alcune arrivano ai 1000 Lignite: in Germania, si trova anche in Italia (Sardegna, Toscana) Per ottenere coke: distillazione a 900° in assenza di aria, la parte di catrame che si condensa si usa in chimica

L’economia minerale Carbone noto già nel medioevo Sviluppo inglese e deforestazione Aumento popolazione e attività industriali XVII secolo Disponibilità minerale e vie d’acqua Dal carbone al coke 1709 Derby 1800 il gas illuminante Inghilterra ampiamente disboscata (anche per esigenze agricole) Destoccaggio di energia minerale equivale a aumentare apparentemente senza limite fattore fisso (T) > nel 1700 si estraggono 3 milioni t contro 600.000 resto mondo; nell’800 valori quadruplicati, equivale a 6 milioni ettari di foresta NB: carbone fossile è un surrogato: fa fumo, ceneri, non può essere usato in molte lavorazioni

La macchina a vapore Macchine e miniere James Watt Esaurimento vene superficiali Problemi di pompaggio, aerazione, trasporto Macchine di Savery e Newcomen James Watt Separazione motore e fonte di energia Moto rotatorio Innovazioni dopo scadenza brevetti Miglioramento materiali Alte pressioni Macchine più piccole e potenti XVII secolo: modellino di Denis Papin 1698: “Amico del minatore” di Thomas Savery (1 hp, ne entrano in funzione pochissimi esemplari) 1705: modifiche di Newcomen (ha domensioni di un edifico, rendimento dell’ 1%, 12 Hp, come un mulino, ne vengono costruite centinaia) 1769-1775: Watt tecnico laboratorio università di Glasgow, cerca di ridurre consumi macchiana Brevetto con Boulton (costruttore meccanico, alesaggio), produzono macchine standardizzate, 20 hp 1800-1850: scade brevetto e inizia ciclo innovazioni, grazie a progressi meccanica e siderurgia > diventa possibile diffusione ampia, anche al di fuori di Inghilterra

Il caso italiano Bassa disponibilità energetica Dipendenza dall’estero Fossili superano legna solo a inizio ‘900 Produzione nazionale solo carboni meno pregiati Dipendenza dall’estero Alti costi importazione Alti costi trasporto interni Scarsa diffusione macchina a vapore Fonti energia concorrenti ancora convenienti Problema trasferimento tecnologia Posizionamento in settori con meno opportunità sviluppo (ma a uso meno intensivo energia) In 1913 PIL pro capite italiano è la metà di quello Usa e Uk, inferiore a Irlanda e Cile. Ancora nel 1911 carbone inglese costa più del triplo che in UK Prezzo di Genova è il più basso in Italia, carbone è merce voluminosa, difficile da maneggiare La dotazione dei fattori spinge a adottare un modello di sviluppo dove ci sono poche possibilità di crescita (preferenza per efficienza statica, costo fattori di produzione, determina perdita efficienza dinamica, possibilità sviluppo) Le rese di motori a vapore sono molto condizionate da dimensioni, senza possibilità di grandi economie di scala, sono ancora vantaggiosi concorrenti tradizionali. Vapore competitivo solo su grandi motori Alto prezzo carbone scoraggia uso tecnologia > non si crea accumulo competenze tacite learnig by using > rimane tecnologia estranea a ambiente italiano. Es. non vengono usate le caldaie più complesse. Carbone promuove un sistema tecnologico che sfrutta sua regolarità funzionamento, versatilità > sviluppo di società basta sul carbone e sul vapore (trasporti, metalli, tipo unità produttive…). Elettricità aveva per il momento solo funzione di integrazione NB: industria elettrica e automobilistica (indipendenti da precedente paradigma tecnologico) si svilupperanno senza ritardi rispetto altri paesi, dopo prima guerra mondiale

Il carbone nel Novecento NB: diverso petrolio, non favorisce investimento estero. Nel 1913 carbone copre 74% consumi energetici globali, potenza macchine a vapore installate si è moltiplicata per 6 rispetto al 1840. Nel 1935 60%, petrolio 16% Usa: Miniere antracite controllate da pochi gruppi integrate con acciaierie o ferrovie. Ci sono quasi 6000 miniere indipendenti per altri tipi carbone NB: mercato nazionale prevalente, costi produzione molto bassi, ma alti trasporti fino a porti; rappresenta solo 12% export mondiali UK: Industria decentrata (1500 imprese operano su 3000 miniere) No concentrazione e razionalizzazione tecnica, taglio salari e tensioni sociali Vendite dirette a utenti principali + rivenditori indipendenti Da sola copre la metà delle esportazioni mondiali (esportano anche in alcuni paesi produttori, come D, alcuni tipi di fossile sono più adatti per usi specifici) Rivalutazione sterlina distrugge vantaggio costo nuove tecnologie: sciopero del 1926 1893: creazione del sindacato, controlla 85% produzione della Ruhr (riduzione produzione e stabilizzazione prezzi), integrato con acciaierie e creazione propria rete rivenditori. Con IWW perde ¼ sue riserve (Polonia e Francia) riparazioni, occupazione Ruhr 1923 ma il cartello sopravvive e si riorganizza > meccanizzazione, protezione mercato interno e aggressiva penetrazione all’estero. D è principale beneficiaria declino inglese anni 20-30, espansione sui mercati europei I: Fino alla metà degli anni trenta il mercato del carbone era gestito da una dozzina di importatori, emanazione di alcuni gruppi stranieri, mentre alcune grandi imprese (Terni, Ansaldo, gruppo Italgas…) acquistavano direttamente il proprio fabbisogno all’estero. Nel 1935 venne istituito il Monopolio carboni che divenne l’unico soggetto autorizzato all’importazione: esso era di fatto controllato dalla Ferrovie dello stato. Montecatini: ligniti Italia centrale Azienda Carboni Italiani (acai), un ente pubblico sorto nel 1936 per gestire la produzione nazionale di combustibili fossili. L’ acai rilevava l’Arsa, una società con oltre un secolo di storia (in quel periodo era gestita dalla Società anonima Trifailer) e le miniere sarde del gruppo Bacu Abbis. 3 milioni di t sui 15-16 consumati annualmente Il carbone nel Novecento Usa Concentrazione e decentramento Dimensione interna UK Principale esportatore Industria frammentata Crisi anni ‘20 e nuovi concorrenti Germania Collegamento con industria acciaio Cartello reno-westfalia WW1 e ricostruzione L’industria autarchica in Italia

Il carbone oggi Acciaio e elettricità I nuovi protagonisti Maggiore concentrazione, imprese multinazionali, diversificazione, incertezza futuro Declino Europa > fine dell’industria sussidiata Gli Stati Uniti > vasto mercato interno, elettricità Australia e Sud Africa > principali esportatori Cina e India > principali produttori / consumatori Il problema ecologico Nuove forme di produzione più intensiva (long wall, miniere cielo aperto) Nuovi impianti di combustione Nel 2000 prodotti oltre 3,6 miliardi di T di carbone (nel 1886 prodotte 403 milioni, il miliardo raggiunto nel 1907) Il 61% usato per elettricità, salirà al 68% nel 247. In acciaio si diffondono tecnologie risparmio coke Ondata di fusioni fine anni novanta Peabody (Us), Rio Tinto (Uk), Arch Coal (Us), RAG (D). NB: le 10 maggiori producono solo il 23% totale NB: le dieci maggiori imprese avevano, nel 2000, profitti 10 inferiori alla sola Exxon 1951 CECA: piano Schuman, impedire conflitto franco tedesco, consolidare ricostruzione tramite libera circolazione merci. Importante per sviluppo industria siderurgica, gestiste il ridimensionamento carbone, ma no piano energetico comunitario. Rimangono sussidi in Germania, Spagna, spariranno attorno al 2005. Esportano solo quando prezzi internazionali superano quelli interni; il 90% usato per elettricità (la metà della produzione energetica) Australia consuma meno del 27% propria produzione, Sud Africa è secondo (è anche uno dei maggiori consumatori) Cina principale produttore mondiale acciaio. 70% energia primaria consumata, Recente declino carbone in settori industriali e riscaldamento: riforme imprese statali e ricerca efficienza energetica. India: dipendenza energetica (genera 75% elettricità), presenza impresa stato NB: forme pulite di produzione e sfruttamento richiedono ancora investimenti enormi

L’elettricità – Una sintesi Una FORMA di energia Elettricità statica conosciuta in antichità Scienza e industria fine Ottocento Il Novecento secolo dell’elettricità Un sistema tecnologico Produzione centralizzata da pluralità fonti Trasporto a lunga distanza Piccoli motori efficienti, massima flessibilità Viene meno svantaggio di alcuni paesi e settori: elettricità non è legata a fonte di generazione specifica Macchine elettrostatiche, alte tensioni ma non correnti apprezzabili 1799 pila di Volta: corrente continua Studi inizio 800 (Ampère, Faraday) > applicazioni in cui sufficienti tensioni poco elevate (galvanoplastica, telegrafia) Pile inadeguate x sistemi di illuminazione > 1869 Gramme dinamo (induzione elettromagnetica) Concorrenza con illuminazione a gas Turbina a vapore 1881 Il mito del Novecento 1871-1881: Edison risolve problemi sistema produzione centralizzata (es. intensità illuminazione non deve cambiare a seconda elementi collegati). Economie di scala, grandi gruppi, concentrazione tecnologica e finanziaria. Riduzione costi produzione/trasporto permette altri usi oltre che illuminazione La fabbrica si trasforma: liberi da rigidità energia idraulica e vapore

L’energia nucleare Un nuovo paradigma energetico? Il caso italiano Fissione atomo uranio 235 > si liberano neutroni > processo a catena. Atomi risultanti hanno massa inferiore di quella di partenza > E=mc2 (plutonio 239) Blocchi di grafite per “rallentare” neutroni, barre in grado assorbire neutroni per controllare reazione (cadmio) Tecniche arricchimento uranio e produzione plutonio permettono creazione bombe A Ricerca legata a industria bellica, Eisenhower lancia in sede Onu programma per assistenza sviluppi pacifici 1954: Russi inaugurano reattore di Obnisk Reattori a acqua in pressione (Usa 1957, costituisce lo standard), Raffreddamento a gas (Uk 1956), reattori veloci autofertilizzanti (a plutonio, Uk 1959, poi Fr) Costi fissi enormi (anche per smantellamento), combustibile incide solo per il 2% sui costi (petrolio 25%) Non rispettato principio si “sequenzialità”: scarsa standardizzazione e diffusione: no produzione “di massa” impianti Economie di scala > Producono troppa elettricità: necessario aumento consumi elettrici (70% industriale, 180% residenziale tra 1975-1985). NB da metà anni 80 prezzo petrolio crolla. 1979: incidente Three Mile Island, 1986 Chernobyl, problema proliferazione militare NB: NO LEGAME CON SETTORE MILITARE 1946 CISE (inizialmente privato, elettrici e costruttori impianti); 952 CNRN (poi CNEN): Felice Ippolito, geologo Napoli, favorevole intervento pubblico Approccio multifiliera per sottovalutazione costi (no per sperimentazione scientifica): 1958 Latina (Agip), 1959 Garigliano (Iri), 1961 Trino (Edison). Progetto CIRENE Inadeguatezza a affrontare problema sistemico (no partecipazione in processo selezione tecnologia, dipendenza da licenze, mancanza di coordinamento tra attori coinvolti, no learnig by using) 1963 Enel: Ippolito arrestato nel 1964, scelta per la “monocultura” petrolifera. Avviate solo Caorso e Montalto di Castro Nel 1975 (PEN) si prevedevano 40-60 reattori entro al 1990 (media realizzazine mondiale è del 60%).Referendum 1987. L’energia nucleare Un nuovo paradigma energetico? 1942: Enrico Fermi, la pila atomica 1953: Atom for Peace Lo standard tecnologico Anni ’80: crisi economica e crisi “politica” Il caso italiano Ingresso precoce (Felice Ippolito) Difficoltà coordinamento e sviluppo capacità Il fallimento del programma nucleare

Bibliografia C.Bardini, Senza carbone nell’età del vapore, Milano, Bruno Mondadori, 1998 J.G.Clark, The Political Economy of World Energy, New York-London, Harvester Wheatsheaf, 1990 Mokyr, La leva della ricchezza, Bologna, Il Mulino, 1990

Storia dell’energia: i combustibili solidi Università Carlo Cattaneo – LIUC a.a. 2003-2004 – Secondo semestre Storia economica Storia dell’energia: i combustibili solidi

Il carbone di legna

L’altoforno di Derby

Le prime macchine a vapore

La macchina di Watt

Il carbone oggi I maggiori produttori (‘000.000 t, anno 2000)

Il carbone oggi Domanda mondiale per regioni 2020: Cina 35 % Dati in milioni di tonnellate equivalenti olio 1997: 2.255 Mtoe 2020: 3.350 Mtoe

Il carbone oggi:Flussi commerciali