Sistemi per l’energia

La terra è un sistema a risorse finite Sviluppo sostenibile 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 ENERGIA AMBIENTE (carbone, petrolio, ecc.) (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 riserve probabili Aumento di concentrazione possibili Attuale sfruttamento sconosciute Non sfruttabili conosciute Esplorazioni favorevoli

Tratta-mento della materia USI DELL’ENERGIA Tratta-mento della materia Trasporti MECCANICA Riscaldamento TERMICA Illuminazione LUMINOSA Supporto all’informazione ELETTRICA

FONTI DI ENERGIA Sole Animali, vento, cadute d’acqua RADIANTE Animali, vento, cadute d’acqua MECCANICA CHIMICA Biomasse, combustibili fossili Calore endogeno TERMICA Materie fissili NUCLEARE

Vettori energetici Nella maggior parte dei casi questo non si fa. 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 usi fin. T M L E H 2 FC radiante elettrica fluido dinamica M endogena meccanica termica nucleare L chimica E H 2 FC

Vettore elettrico r s s t t I g Q Q V E = g(V,1/d) H = f( I,1/d) d H P

Intensità energetica i = w/q Da cui : w = i q Mentre : q = W/i 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 = i q 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 M Uomo T L

fonti usi finali Sole M Uomo T Combustibile L fuoco prometeo

M T L E fonti usi finali Sole Uomo Combustibile Animali Vento Cadute d’acqua E Calore endogeno

M T T L fonti usi finali macchina a vapore Sole Uomo Combustibile WATT 1745 Sole M Uomo T Combustibile T Animali L Vento Cadute d’acqua Calore endogeno

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)

M T T L E fonti usi finali pila Sole Uomo Combustibile Animali Vento Volta 1800 Cadute d’acqua E Calore endogeno

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)

M T T L E M E fonti usi finali lampadina Sole Uomo Combustibile Edison 1882 Sole M Uomo T T Combustibile Animali L E M Vento Cadute d’acqua E Calore endogeno

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 ….

L T M E PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per PRATICITA’ D’USO Combustibile T M E per PRATICITA’ D’USO

M T T M L E E fonti usi finali Altre fonti Combustibile Calore endogeno L E Cadute d’acqua E

M T T M L E E T fonti usi finali fissione nucleare Altre fonti Fermi 1942 Altre fonti M T Combustibile T Calore endogeno M L E Cadute d’acqua E T Materie fissili

T T M E PREFERENZA AL VETTORE ELETTRICO per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE Materie fissili T M E per UTILIZZO ENERGIA NUCLEARE

M T T M L E E T fonti usi finali Altre fonti Combustibile Calore endogeno M L E cadute d’acqua E T materie fissili

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 funzioni 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 Trasformazione (materia/forma dell’energia):produzione di vettori energetici 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 H2 10 6 1 kWh / kg 10-6 combustibili nucleari combustibili fossili H2 accumulatori elettrochimici condensatori industriali 10 6 1 kWh / kg 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

Struttura di un grande sistema CENTRALE RETE DI TRASMISSIONE E INTERCONNES. DISTRIB.MT STAZIONE CABINA PRIMARIA MT- BT RETE DI DISTRIB.BT CARICO DISTRIB.PRIMARIA Struttura di un grande sistema

Schema di principio rete gas MP BP BBP AP s G

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 pressure Medium Low voltage Areas covered by district heating 30MWt - 500MWt up to 10km large grid 2 up to 1km medium grid 0.5 2MWt building local grid Pressure reduction station Power plant (cogeneration) Electricity grid Gas pipelines Power transformer

s s Interconnessione di reti energetiche interconnessione shipper distribuzione del calore riduzione trasformatore cogenenerazione Combustibili liquidi e solidi Rete elettrica Rete gas

Interconnessione di reti per l’energia Vantaggi Svantaggi Maggiore capacità di gestione della domanda della risorsa Riduzione delle riserve Maggiore sicurezza della disponibilità della risorsa per l’utilizzatore finale Ridondanze impiantistiche Complessità