Energetica generale

Bilancio energetico mondiale, fonti di energia tradizionali e rinnovabili, scenari attuali e futuri

Eva Schito

Fonti energetiche

I fabbisogni energetici possono essere suddivisi in tre macro-

sezioni:

- produzione di energia elettrica;

- produzione di energia termica;

- trasporti e mobilità.

Per soddisfare tali fabbisogni, vengono usate delle fonti

energetiche attraverso opportune trasformazioni, che hanno un

proprio rendimento.

Eva Schito 2

Breve ripasso

Fonte di energia primaria: è una fonte di energia che si trova in natura e che non è stata soggetta a nessun tipo di processo di conversione o trasformazione.

Può essere di tipo rinnovabile o non rinnovabile.

Unità di misura:

1) TWh = 109 kWh;

2) MTep (Mega Tonnellate equivalenti di petrolio), dette anche MTOE (One million tonne of oil equivalent), che rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo. Vale convenzionalmente 42 GJ o 11,63 TWh (diverse varietà di petrolio posseggono diversi poteri calorifici).

Eva Schito 3

Scenario attuale e futuro

Quad BTU

[1015 BTU]

MTep TWh

400 10000 117 *103

300 7500 88 *103

200 5000 59 *103

100 2500 29 *103

0 0 0

OECD: Austria, Australia, Belgio, Canada, Cile, Repubblica Ceca, Danimarca, Estonia,

Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Islanda, Irlanda, Israele, Italia, Giappone,

Lussemburgo, Messico, Olanda, Nuova Zelanda, Norvegia, Polonia, Portogallo, Slovacchia,

Slovenia, Corea del Sud, Spagna, Svezia, Svizzera, Turchia, Gran Bretagna e Stati Uniti.Stima di un aumento del 48%, soprattutto a carico dei

Paesi dell’Asia

Eva Schito 4

Fonti energetiche

6250

5000

3750

2500

1250

01990

MTep Totale: 12 000 MTep circa

Eva Schito 5

CPP: Clean

Power Plan

Energia primaria e usi finali

12 000 MTep per fonti energetiche, di cui circa 5000 servono per

la produzione di energia elettrica.

A causa del rendimento non unitario per la produzione di energia

elettrica, una certa quantità di energia primaria viene persa: solo

2000 MTep vengono effettivamente trasformati in energia

elettrica (considerando un rendimento del 40%).

I restanti MTep di energia primaria sono utilizzati per i trasporti e

per la produzione di energia termica (usi domestici,

riscaldamento e produzione di vapore per usi industriali, chimici,

siderurgici…).

Energia primaria: 80% da combustibili fossili

Eva Schito 6

Energia primaria per produzione energia elettrica

103 TWh

Eva Schito 7

Livelli di consumo

Se ripartiamo i 12 000 MTep richiesti annualmente sulla

popolazione attuale mondiale, otteniamo un fabbisogno pro-

capite medio di 1,7 Tep/persona ad anno.

In realtà ci sono vari livelli di consumo. Ad esempio, l’Italia ha

una media di consumo di 3,0 Tep/persona ad anno.

Paesi del terzo mondo hanno richieste di fabbisogno inferiori a

0,15 Tep/persona ad anno.

Eva Schito 8

Eva Schito 9

Eva Schito 10

GDP=PIL

Eva Schito 11

Fronti di sviluppo

1. Eco-efficienza: si ricerca il miglioramento dell’efficienza dei

sistemi di trasformazione

2. Diversificazione delle fonti: introduzione sistematica delle

fonti energetiche rinnovabili

possibile effetto rebound

bassa intensità energetica

η = 0,42500 MWh1000 MWh

1500 MWh

η = 0,53000 MWh1500 MWh

1500 MWh

Eva Schito 12

LO SCENARIO ITALIANO

Eva Schito 13

Bilancio Energetico Nazionale

Viene fornito ogni anno dal Ministero dello Sviluppo Economico

e riporta i fabbisogni effettivi suddivisi per uso finale (p.e.

industria, civile, agricoltura, usi non energetici).

Vengono riportati anche i fabbisogni di energia primaria,

suddivisi tra combustibili liquidi, gassosi, solidi, fonti energetiche

rinnovabili e import/export.

Eva Schito 14

BILANCIO ENERGETICO NAZIONALE 2016

Eva Schito 15

Bilancio Energetico Nazionale 2016

Fonti di energia primaria

MTep

Combustibili

solidi11.7

Prodotti

petroliferi57.6

Gas naturale 58.1

Energie

rinnovabili32.1

Importazioni(sotto forma di energia elettrica)

8.4

TOTALE 167.9

Eva Schito 16

5% 7%

34%

35%

19%

Eva Schito 17

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

Combustibili solidi Gas naturale Petrolio Rinnovabili

MTe

pBEN 2016

Industria Trasporti Civile Agricoltura

Usi non energetici Bunkeraggi Energia elettrica

Bilancio Energetico Nazionale 2015

Eva Schito 18

Bilancio Energetico Nazionale 2015

Fonti di energia primaria

MTep

Combustibili

solidi13.1

Prodotti

petroliferi58.7

Gas naturale 55.3

Energie

rinnovabili32.6

Importazioni 10.2

TOTALE 170,0

Eva Schito 19

Bilancio Energetico Nazionale 2015

MTep

Eva Schito 20

Diagramma di Sankey

Eva Schito 21

Eva Schito 22

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

Combustibili

solidi

Gas naturale Petrolio Rinnovabili Energia elettrica

MTe

pRichiesta delle fonti energetiche

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

Trend Bilancio Energetico Nazionale

Eva Schito 23

Trend Bilancio Energetico Nazionale

Eva Schito 24

Trend Bilancio Energetico Nazionale

Eva Schito 25

Eva Schito 26

Eva Schito 27

Eva Schito 28

Eva Schito 29

Eva Schito 30

Eva Schito 31

BILANCI ENERGETICI DI ALTRI STATI

Eva Schito 32

Italia

Eva Schito 33

Svizzera

Eva Schito 34

Francia

Eva Schito 35

Islanda

Eva Schito 36

Medio Oriente

Eva Schito 37

Cina

Eva Schito 38

Africa

Eva Schito 39

Mondo

Eva Schito 40

FONTI CONVENZIONALI DI ENERGIA

Eva Schito 41

Fonti convenzionali di energia

- Prodotti petroliferi

1. Combustione nei bruciatori;

2. Combustione nei motori.

- Carbone

1. Combustione tradizionale (griglia, bruciatori);

2. Combustione a letto fluido;

3. Gassificazione.

- Gas naturale

1. Combustione in caldaia;

2. Combustione in combustori specifici (maggiori potenze specifiche).

Eva Schito 42

Cicli di riferimento

- Ciclo Rankine-Hirne

- Ciclo Rankine-Hirne con spillamenti di vapore

- Ciclo Brayton-Joule

- Ciclo combinato (gas-vapore)

- Ciclo Brayton-Brayton (implementabile in luoghi con scarsità

d’acqua)

Eva Schito 43

In miliardi di barili

Stima delle riserve di petrolio

Eva Schito 44

Picco di Hubbert

Teoria degli anni Cinquanta riguardante la disponibilità delle risorse

1. espansione rapida - Inizialmente, dopo la prima fase di esplorazione, la risorsa è abbondante e bastano modesti investimenti per estrarla. In questa fase, la crescita della produzione è esponenziale.

2. inizio dell'esaurimento - Le riserve "facili", ovvero quelle meno costose, sono quelle estratte per prime. Con l'esaurimento di queste, comincia a essere necessario sfruttare risorse più difficili e ciò richiede investimenti sempre maggiori. La produzione continua a crescere, ma non più esponenzialmente come nella prima fase.

3. picco e declino - A un certo punto, il graduale esaurimento rende talmente elevati gli investimenti necessari che questi non sono più sostenibili. La produzione raggiunge un massimo (il picco di Hubbert) e poi comincia a declinare.

4. declino finale - In questa fase non si fanno più investimenti significativi. La produzione continua, ma il declino procede fino a che non diventa talmente ridotta da cessare completamente.

Eva Schito 45

Picco di Hubbert e sue evoluzioni

Eva Schito 46

ENERGIA NUCLEARE

Eva Schito 47

Eva Schito 48

Fissione nucleare

235 141 92

92 56 36

2

1 3U n Ba Kr n energia

E m c

+ + + +

∆ =∆ ⋅Eva Schito 49

Riserve di Uranio

650 mila tonnellate a 40 $/kg

7 milioni di tonnellate a 250 $/kg

Eva Schito 50

Riserve di Uranio

Stima di energia elettrica prodotta da fissione nucleare all’anno: circa 31012 kWh

476.000 MJ/kg di Uranio naturale

(Per un kg di Uranio naturale, si hanno 7 g di Uranio-235)

Al tasso attuale di consumo, le riserve attualmente note di uranio bastano per

altri 200 anni.

Eva Schito 51

ENERGIE RINNOVABILI

Eva Schito 52

Produzione da fonti rinnovabili

geotermico

biomasse

Eva Schito 53

Energia solare

Si utilizza in più ambiti:

- Utilizzazione diretta per riscaldamento degli ambienti;

- Utilizzazione diretta con fluido ausiliario, tramite due filoni:

Solare termico (per acqua calda);

Solar cooling (con pompe di calore ad assorbimento).

- Solare termodinamico per la produzione di energia elettrica;

- Solare fotovoltaico per la produzione diretta di energia

elettrica.

Eva Schito 54

Solare termico

Eva Schito 55

Solare termodinamico

Eva Schito 56

Fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenza di potenziale, capace di

generare una corrente elettrica, ai capi di una giunzione costituita da specifici materiali

(per esempio, silicio «drogato» con fosforo e boro) ed esposta alla radiazione luminosa.

Eva Schito 57

Fotovoltaico

Eva Schito 58

Fotovoltaico

Eva Schito 59

Energia eolica

Eva Schito 60

( )3 2

1 2 3 4

0

( )

0

T

R

a V a V a V aP V

P

+ + +=

Energia eolica

Eva Schito 61

Energia eolica

Eva Schito 62

Energia eolica

Eva Schito 63

Energia geotermica

L’energia geotermica sfrutta il gradiente termico della superfice terrestre: mediamente, la temperatura della crosta terrestre aumenta di un grado ogni 30 metri di profondità. Esistono tuttavia delle zone dove i gradienti di temperatura sono molto più elevati.

Nell’attuale senso del termine, viene definita energia geotermica quella «parte» di calore terrestre che può essere estratta o comunque sfruttata dall’uomo. La «risorsa» geotermica è associata quindi a gradienti irregolari di temperatura e presenza di una falda acquifera non superficiale.

La risorsa geotermica più diffusa è quella relativa ad acqua pressurizzata (es. temperatura 100°C e pressione 5 bar), ma in rari casi la risorsa geotermica si trova allo stato di vapore dominante: in questo caso, le entalpie sono molto elevate.

Eva Schito 64

Energia geotermica

Utilizzi dell’energia

geotermica:

- Produzione di energia

elettrica;

Impianti a vapore diretto;

Impianti a separazione di vapore;

Impianti a ciclo binario.

- Utilizzo diretto (pompe di

calore geotermiche).

Eva Schito 65

Energia geotermica

Eva Schito 66

Energia geotermica

Nazione Potenza

installata

(2010) MWe

Energia

prodotta

(2010) GWh

Potenza

installata

(2015) MWe

Energia

prodotta

(2015) GWh

USA 3098 16603 3450 16600

Filippine 1904 10311 1870 9646

Indonesia 1197 9600 1340 9600

Messico 958 7047 1017 6071

Nuova Zelanda 762 4055 1005 7000

Italia 843 5520 916 5660

Eva Schito 67

Energia da RSU (rifiuti solidi urbani)

Qualche numero:

- Livello di produzione attuale in Italia: 1,5 kg/abitante al giorno (550 kg/abitante all’anno)

- Composizione media:

7% plastica

43% umido

7% vetro

3% metallo

40% imballaggi (22% carta)

- Può essere utilizzato solo se:

percentuali di ceneri < 60%;

percentuale di acqua < 50%;

materiale combustibile superiore al 25%.

Eva Schito 68

Energia da RSU (rifiuti solidi urbani)

Rifiuti

Rifiuti

indifferenziati

Rifiuti

differenziati

RiciclaggioSelezione

Materiali

riciclabili

Inerti

CDR

Altro

Stabilizzazione

Termovalorizzazione Discarica

Residui

Compostaggio

CompostScorie

Energia

Eva Schito 69

Energie rinnovabili

Fonte Ore equivalenti/a

Rinnovabili elettriche

Idroelettrico 2500

Fotovoltaico 1200

Solare Termodinamico 8000

Eolico 1500

Bioenergie 5000

Geotermico 8000

Rinnovabili termiche

Solare termico 1200

Geotermia 3500

Bioenergie 3500

Eva Schito 70

MECCANISMI DI INCENTIVAZIONE

Eva Schito 71

Incentivi in Italia

Eva Schito 72

Incentivi in Italia

Eva Schito 73

RISPARMIO ENERGETICO

Eva Schito 74

ISO 50001

Eva Schito 75

Diagramma di Sankey

Eva Schito 76

Diagramma di Sankey

Eva Schito 77

Diagramma di Sankey

Eva Schito 78