Introduzione Energetica

Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica

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UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

Proff. M. Dentice d'Accadia/R. Vanoli

La questione energeticaClassificazione e disponibilità delle fonti,

quadro di riferimento dei consumi eprospettive per il futuro

D.E.TE.C .- Dipartimento di Energetica, TErmofluidodinamica applicatae Condizionamenti ambientali

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L’energia nella storiadell’uomo

Uomoprimitivo

Societàtecnologica

Agricolturaprimitiva

Rivoluzioneindustriale

Agricolturaprogredita

Scopertadel fuoco

2.500 kcal(10 MJ = 0,25 kg ep)

5.000 kcal7.500 kcal10.000 kcal

50.000 kcal150.000 kcal(600 MJ = 25 kg ep)

L'attuale fabbisognomondiale, su base annua,(1,8 tep/ab => 12 Gtep)equivale al carico di oltre100 superpetroliereal giorno!

Fabbisogno giornaliero pro-capite

.... mi sa chestiamo proprioesagerando!

(50%)

(20%)

(30%)

Nella storiadell'umanità,benessere e svilupposono sempre staticollegati alladisponibilità dienergia....


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3

Classificazione e disponibilità dellefonti energetiche

Classificazione delle fonti energetiche

In base alla loro origine:fonti primarie: direttamente disponibili in naturafonti secondarie: frutto di una trasformazione apartire da una fonte primaria

In base alla loro disponibilità:fonti rinnovabili (e "quasi rinnovabili"): inesauribili(ex.: energia solare...) o virtualmente inesauribili (ex.:biomasse....)fonti non rinnovabili: destinate all'esaurimento, inquanto sfruttate ad un ritmo superiore a quello dirinnovamento naturale (ex.: combustibili fossili...)

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3

Fonti primarie:carbone fossilepetroliogas naturalebiomasse, en. idraulica, solare, eolica, geotermica,...combustibili nucleari

Fonti secondarie:energia elettricaenergia meccanicaderivati del petrolio (benzine, olii combustibili, ...)derivati del carbone (carbon coke, …)....

Classificazione delle fonti energetichein base all'origine

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Fonti rinnovabili (o assimilabili):energia solare:• diretta: termica, fotovoltaica• indiretta: idraulica, eolica, biomasse

geotermiamaree e moto ondosocombustibili nucleari (fusione e fissioneautofertilizzante)

Fonti non rinnovabili:combustibili fossili (solidi, liquidi, aeriformi)combustibili nucleari (fissione convenzionale)

Classificazione delle fonti energetichein base alla disponibilità

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4

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La catena di conversione dell’energia

FontiSistemi di

conversione edistribuzione

Usi finali:EEETEFEM

Schema dei flussi di energia: dalle fontiprimarie agli usi finali

Usi nonenergetici

Industria

Trasporti

Usi civiliNucleare,

importazionienergia el.

Gas naturale

Petrolio,carbone

Energia eolicae idraulica

Solare

Geotermia,biomasse

Derivatipetrolio ecarbone

Energiaelettrica

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5

Consumi energetici

Il quadro mondiale

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Fabbisogno di energia primaria nel mondo(elaborazioni I.E.A.)

Consumo annuo medio pro-capite: 1,8 tep

Prima crisipetrolifera

Seconda crisipetrolifera

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6

Ripartizione del fabbisogno tra le fonti primarie(elaborazioni I.E.A.)

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Distribuzione geografica dei consumi(elaborazioni I.E.A.)

Gli USA (5% ca. della popolazione mondiale)consumano il 25% delle risorse....

Complessivamente, i paesi dell'area OCSE(19% ca. della popolazione mondiale) consumano

oltre il 50% delle risorse....

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7

Consumi finali di energia nel mondo(elaborazioni I.E.A.)

Circa il 30% dell’energia primaria viene perdutanelle trasformazioni e nel trasporto!

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Quali sono le prospettive per il futuro?

Il fabbisogno di energia di un Paese, E, è legato avari fattori:

consistenza demografica => numero abitanti, Nlivello di sviluppo socio-economico =>=> PIL pro-capiteattività economico-produttive prevalentilivello di sviluppo tecnologico e socio-economico => capacità di utilizzare in modorazionale ed efficiente le risorse disponibilifattori climatici

Intensità energetica => I = E/(N x PIL pro-capite)14


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Prima fase disviluppo (inizio

industrializzazione)

Seconda fasedi sviluppo

Industrializzazioneavanzata e servizi

Cause di riduzione dell’intensità energetica:perfezionamento delle tecniche di conversione (ex.: Italia);passaggio da una struttura industriale al terziario con maggiorvalore aggiunto (ex.: Svizzera);entrambe le cause (ex.: Giappone).

Evoluzione temporale dell'intensità energetica

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Evoluzione temporale dell'intensità energetica:alcuni esempi

UKUSA

Giappone

Paesi in via di sviluppo

1850 1900 1950 2000

0,50

1,00

(tep / 1000 US$97)

... i Paesi che iniziano inritardo il loro sviluppohanno un "plateau" più

basso...

16


9

L'intensità energetica in alcuni Paesi dell’UE(tep/ M€2000)

17... per gli USA il valore è circa 210 tep/1.000.000 US$2000

100

120

140

160

180

200

220

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

EU-27

EU-15

DK

DE

ES

FR

IT

NL

UK

NO

Scenario tendenziale per area geo-politica(2010-2030, elaborazioni I.E.A.)

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10

Scenario tendenziale per fonte(2010 - 2030, elaborazioni I.E.A.)

Ad ex., per il petrolio:ca. 80 Mbbl / giorno (2003) => ca. 120 Mbbl / giorno (2020-2025)19

Consumi energetici

Il quadro nazionale

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11

Il quadro nazionale

21

Il quadro nazionale

22


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Il quadro nazionale

23

Il quadro nazionale

24


13

Il quadro nazionale

25

26


14

Il quadro nazionale: consumo lordo di energiaprimaria (2007)

Consumo complessivo 2007: 194,5 Mtep

di cui per produzione di energia elettrica: 69,2 Mtep (35,6%1)1 Assumendo un coeff. di conversione per l’en. el. importata o da f.e.r. (elettricità “primaria”) pari a 2.200 kcal/kWh .

27

Il quadro nazionale: disponibilità per fonte(2000-2007)

28


15

Il quadro nazionale: impieghi finali persettore (2007)

Consumi finali = 144,1 Mtep (di cui il 19% sotto forma di energia elettrica)

Perdite di trasformazione = 50,4 Mtep (26%)29

Il quadro nazionale: impieghi finali persettore (2000-2007)

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16

Il quadro nazionale: consumi finali di energiaelettrica, GWh/anno (2000-2007)

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Il quadro nazionale: dipendenza dalleimportazioni (2000-2007)

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Bilancio di sintesi per l'energia elettrica (2006/07)

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34


18

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Diagramma di fabbisogno in Italia nel giorno di punta del dicembre 2005

Classificazione impianti idroel.,in base alla durata di invaso:Serbatoio : > 400 h; Modulazione :tra 2 e 400 h; Fluente: < 2 h


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Consumi di combustibili nella produzionetermoelettrica da fonte fossile (2007)

Consumi complessivi = 49,6 Mtep (25,5% del fabbisogno lordo di en. primaria)

Consumo specifico medio = 1.840 kcal/kWh (rendimento medio = 0,46)

21%

53%

15%

11%

Comb. solidi (cons. medio2518 kcal/kWh)Gas naturale (cons. medio1695 kcal/kWh)Prodotti petroliferi (cons.medio 2417 kcal/kWh)Altri combustibili (cons.medio 2337 kcal/kWh)

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Problemi e prospettive

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Risorse fossili: problemi da fronteggiare

Problemi attuali: aspetti geo-politici edeconomici, legati a:

distribuzione non uniforme delle risorsespeculazioni finanziarie

A medio e lungo termine:esaurimento delle risorseimpatto ambientale (in particolare: effettoserra e riscaldamento globale)

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Canada4.9

U.S.A.21.8

Messico28.4

Venezuela72.6

Brasile7.4

Algeria9.2 Libia

29.5

Angola5.4

Nigeria22.5

Mare del Nord10.8

Russia48.6

Kazakhstan5.4 Cina

24.0Iraq 112.5

Kuwait96.5

Iran89.7

E.A.U.97.8

A.S.263.5

Fonte: Elaborazione da Oil&Gas Journal

Riserve di petrolio (miliardi di barili)

Riserve accertate: poco più di 1000 miliardi di barili. Esistono 40supergiacimenti (oltre 5 Gbbl), di cui 26 nell’area del Golfo Persico, 14 traUSA e Russia (con produzione già in declino).

41

Circa 2/3 delle riserve accertate sono concentrate inmedio oriente (Iran, Iraq, Kuwait, Emirati, il 25%

nella sola Arabia Saudita)

Riserve di petrolio

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22

Riserve di gas naturale

DISTRIBUZIONE DELLE RISERVE DI GAS NATURALEDISTRIBUZIONE DELLE RISERVE DI GAS NATURALEFonteFonte: Oil and Gas Journal: Oil and G as Journal

AmericaNord6%

AmericaLatina

4%

Africa7%

Oceania1%

Asia6%

Medio Oriente34%

EuropaOccidentale

3%

EuropaOrientale

39%

Riserve accertate: poco più di 160.000 miliardi di metri cubi,equivalenti a quasi 1000 miliardi di bbl.

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Fonte: Elaborazione da dati BPAmoco

Americhe1.440

Europa1.623

AsiaCentrale2

01

Asia ePacifico1.514

M.Oriente

1

Africa318

Riserve accertate: circa 2200 Mt, equivalenti ad oltre 5000miliardi di bbl.

Riserve di carbone (miliardi di bbl)

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Previsioni sulla disponibilità (R/P)delle risorse non rinnovabili

0 50 100 150 200 250

Petrolio

Gas naturale

Carbone

Uranio

Anni

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Dipendenza energetica area UE-27(elaborazioni ENEA, 2006)

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Aspetti economici: il prezzo del petrolio(elaborazioni ENEA)

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Aspetti economici: il prezzo del petrolio(elaborazioni ENEA)

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Aspetti economici: il prezzo del petrolio

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Aspetti economici: il prezzo delle altrefonti fossili

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Aspetti economici: il prezzo delle altrefonti fossili

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Per prolungare la durata delle fonti fossili:... esplorazione di nuovi giacimenti...

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... sfruttamento bitumi ed oli non convenzionali...

VenezuelaMiddle East

Canada

LegendRecoverableIn PlaceProven

Total Proven Middle East 683Canada + Venezuela Recoverable 580

2701200

3101630

683

n. a.1350

Russia

(billion barrels)

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Fonte: Clathrate Hydrates of Natutal Gas, 2nd Ed., Marcel Dekker, New York (1998).

... sfruttamento gas da idrati (?)...

Idrati = solidi (fondali marini, aree continentalicoperte da permafrost) composti da acqua emetano....... da 1 m3 di idrati => oltre 150 Nm3 di gas metano

La stima delleriserve è ancoramolto incerta(da 1 a 10.000volte le riservedi gas ....)

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Impatto ambientale delle risorse fossili:l'effetto serra ed il “Global warming”

55

Impatto ambientale delle risorse fossili:l'effetto serra

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“Global Warming Potential” (GWP)di alcuni gas serra (orizzonte: 100 anni)

GWP di un gas serra = rapporto tra ilforcing radiativo di una sua unità dimassa e il forcing radiativo di unastessa unità di anidride carbonicadurante un certo periodo di tempo

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Emissioni di gas serra complessiveper settore

.... le emissioni del settore energetico rappresentano circai 2/3 del totale (l'80% nei paesi industrializzati).

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Andamento delle emissioni di gas serradel settore energia, per combustibile (I.E.A)

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Emissionispecifiche(teCO2/tep)

4,0 3,1 2,3

Emissioni di gas serra (settore energia)per area geo-politica

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Emissioni pro-capite di gas serra in alcunearee geo-politiche (settore energia)

0 5 10 15 20

Mondo

OCSE

USA

Europa

Italia

t/annoxab

61

Mappa mondiale delle emissioni di gas serra

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Emissioni di gas serra per macroarea

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Interventi necessari

Interventi sulladisponibilità

Reperimento risorse: sviluppofonti rinnovabili e alternative

Interventi sulletrasformazioni esulla domanda

Contenimento delleemissioni

Contenimento del fabbisogno:• controllo demografico• uso razionale delle risorse

energetiche: efficienza nellaconversione, nelladistribuzione, negli usi finali

Impiego di risorse noninquinanti, R&S (idrogeno,captazione e stoccaggio CO2,…)64


33

Principali obiettivi Europei e nazionali (1)

Sviluppo delle f.e.r.:• Direttiva 2001/77/CE: 21% del fabbisogno lordo di energia

elettrica UE (15) prodotto da f.e.r. entro il 2010 (per l’Italia: 25%)• Direttiva 2003/30/CE: 2% di apporto da biocombustibili nel

settore trasporti entro il 2010

Riduzione delle emissioni climalteranti (nell’ambito del Protocollo diKyoto del 1997, entrato in vigore il 16/02/2005):• riduzione delle emissioni di gas serra del 5,2% (come media

2008-2012) rispetto ai valori del 1990 (per l’UE: 8%, perl’Italia: 6,5%)

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Principali obiettivi Europei e nazionali (2)

Interventi trasversali: “Piano d’azione contro il cambiamentoclimatico”, obiettivi al 2020:

• apporto delle f.e.r. al 20% (17% per l’Italia”), con quota minimadel 10% di biofuel nei trasporti;

• riduzione delle emissioni di gas serra del 20%rispetto al 1990(per l’Italia: -13% rispetto al 2005 nei settori non ETS)

Risparmio energetico:• Direttiva 2002/91/CE: interventi per il miglioramento

dell’efficienza energetica in edilizia (in Italia: D. Lgs. 192/05 e311/06)

• Direttiva 2004/8/CE: sviluppo della cogenerazione (in Italia: D.Lgs. 20/2007)

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Il ruolo del risparmio energetico

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Il risparmio energetico come fonte virtuale

Importanza strategica almeno pari a quella delle fontirinnovabiliPotenziale di risparmio enorme:

- almeno il 5-10% del fabbisogno primario, al 2010-2012- almeno il 20-25% del fabbisogno primario, al 2020-2025

(considerando i soli interventi già attualmente competitividal punto di vista economico!)

Purtroppo, il potenziale è maggiore nei Paesi in via disviluppo....

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Tipologie di interventi: una possibile classificazione

Interventi sulla disponibilità (“supply -side management”)Miglioramento nell’efficienza di trasformazioneMiglioramento nell’efficienza del trasporto e della distribuzioneUso delle fonti rinnovabili

Interventi sulla domanda (“demand –side management”)Misure di tipo passivo (riduzione del fabbisogno), ad ex.:- coibentazione dell’ involucro edilizio;- ventilazione naturale degli ambienti;- etc.

Misure di tipo attivo, ad ex.:- caldaie ad alta efficienza;- pompe di calore;- cogenerazione distribuita;- illuminazione ad alta efficienza;- etc. 69

Alcuni esempi di interventi di razionalizzazione (1)

Coibentazione negli edifici

Installazione di generatori di calore ad alto rendimento

Installazione di pompe di calore per riscaldamento ambiente o

acqua sanitaria o di impianti per l'utilizzo di fonti rinnovabili di

energia

Installazione di sistemi per la produzione combinata di energia

elettrica (o meccanica) e di calore (impianti di cogenerazione)

Recupero reflui termici industriali

Interventi sulle infrastrutture di produzione, trasporto e

distribuzione dell'energia

70


36

Installazione di sistemi di telecontrollo e contabilizzazione diimpianti termiciTrasformazione di impianti centralizzati in impianti unifamiliariInstallazione di sistemi di illuminazione ad alto rendimento e disistemi di regolazione peri il risparmio di energia in campoilluminotecnicoAdozione di sistemi automatici di rifasamento dei carichielettriciAdozione di apparecchi utilizzatori ad alta efficienza (classe A,apparecchi elettrici, classe 4 apparecchi alimentati mediantecombustibili)Interventi nel settore dei trasporti

Alcuni esempi di interventi di razionalizzazione (2)

71

Risparmio conseguibile: alcuni esempi (1)

Lampade fluorescenti compatte:15 tep/annox1000 unità

Scaldabagno a gas (invece che elettrico):110 tep/annox1000 unità

Caldaie ad alta efficienza (****):* solo risc.: da 10 a 80 tep/annox1000 unità* risc.+A.C.S.: da 35 a 100 tep/annox1000 unità

Vetri doppi (abitazioni):da 2 a 23 tep/annox1000 m2

72


37

Coibentazione edifici (abitazioni):da 0,3 a 12 tep/annox1000 m2ù

Fotovoltaico (1 kWp):da 200 a 400 tep/annox1000 unità

Solare termico:da 60 a 130 tep/annox1000 m2


73

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

MJ/p x km (MJ/t x km )AutobusMetropolitana, Tram

AutovetturaMotocicloAutobusFerrovia

AereoAutovettura

Motociclo

StradaFerrovie

Vie d'acqua 20001990

Merci

Extra-urbano

Urbano

1 t merci

1 kg ep

20 km su strada

70 km su treno o nave


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38


Il ruolo della ricerca scientifica

75

La ricerca scientifica e tecnologica:il solare termodinamico…

Il progetto Archimede (Priolo, Sicilia)

76


39

Alcuni dati:- 360 collettori lineari, 200.000 m2 di sup. attiva- potenza = 20 MW, producibilità = 60 GWh- costo = 250 [150] €/m2, 50 [30 M€] => Cue = 60 [40] €/MWh

Il progetto Archimede (Priolo, Sicilia)

77

… la “Solar Tower” (Australia)…

Altezza = 1000 mDiametro = 150 mDiametro base (serra) = 5000 mPotenza = 200 MW

78


40

... l’idrogeno e le celle a combustibile …

Conversione diretta energiachimica / elettrica

elevata efficienza (> 50%)

Possibili applicazioni:– cogenerazione– generazione distribuita– autotrazione

2 H2 O2

2 H2O

4 e-

anodoacido fosf.

4 H +

catodo

2 H2 4 H + + 4 e- 4 H+ + 4 e- + O2 2 H2O

en. termica

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… un possibile ciclo “virtuoso” dell’idrogeno

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La cattura e il sequestro della CO2(CCS = Carbon Capture and Sequastration)

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Tecnologie CCS

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Fonte: ENEA, Dossier “CARBONE: OBIETTIVO ZERO EMISSION”, 2007


42

La cattura e il sequestro della CO2:costi attuali (fonte: ENEA)

Cost Of Energy

Mitigation Cost

83

La cattura e il sequestro della CO2:costi previsti al 2020 (fonte: ENEA)

Cost Of Energy

Mitigation Cost

84

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