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Un Pozzo di ScienzaTM

Cesena, 2 Aprile 2009

LEZIONE DI ENERGETICAovvero

Impatto Globale e Locale delle Risorse Energetiche e delle Tecnologie per la Loro Conversione

Mirko Morini, Michele PinelliDipartimento di Ingegneria

Università degli Studi di Ferrara

LEZIONE DI ENERGETICA Mirko Morini, Michele Pinelli

L’energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro.

La sua unità di misura nel sistema internazionale è il joule (J), che corrisponde al lavoro fatto per spostare un punto di un metro vincendo una forza di un newton.

Sostanzialmente un joule corrisponde all’energia necessaria per alzare di un metro una massa di un ettogrammo.

Per l’energia elettrica si usa in genere il chilowattora (kWh) che corrisponde a 3 600 kJ cioè 3 600 000 J

Un’altra unità molto usata è la chilocaloria (kcal).

Energia


La potenza è definita come il lavoro compiuto nell’unitàdi tempo. Si misura in watt (W) nel sistema internazione, mentre èmolto usato anche il cavallo vapore (CV).

Il cavallo vapore è definito come la potenza necessaria per alzare di un metro in un secondo un peso di 75 kgp (1 CV = 735.5 W).

Potenza


Michele Mirko

Il cavallo vapore è definito come la potenza necessaria per alzare di un metro in un secondo un peso di 75 kgp(1 CV = 735.5 W).

Mirko e Michele (qualche anno fa…): stesso peso

75 kg75 kg

Potenza


1 kW0.17 kW

75 kg75 kg

Michele Mirko

PotenzaIl cavallo vapore è definito come la potenza necessaria per alzare di un metro in un secondo un peso di 75 kgp(1 CV = 735.5 W).

Mirko e Michele (qualche anno fa…): stesso peso, diversa potenza


1 s1 s

1 s1 s

1 s

1.36 m

1 s1 s

Mirko e Michele (qualche anno fa…): stesso peso, diversa potenza

Per raggiungere la sommità, consumano la stessa energia, ma Michele (che ha più potenza) ci ha messo di meno

1 kW0.17 kW

75 kg75 kg

Michele Mirko

1000 J

Potenza


Il rendimento di una macchina è il rapporto tra l’energia messa a disposizione dalla macchina (energia utile) e l’energia messa a disposizione della macchina (energia lorda)

es: per venire a Cesena in Ferrari si spende di più che con una Toyota Yaris

Il potere calorifico di un combustibile è l’energia sviluppata dalla combustione di un’unità (massa o volume) di combustibile

es: gas naturale (Russo) 8100 kcal/m3

gas naturale (Algeria) 8300 kcal/m3

carbone 6000 kcal/kg

Altre definizioni


Nel 1861 in Italia il 66% della popolazione lavorava i campi, nessuna automobile e pochissimi treni attraversavano le nostre campagne, nessuna centrale elettrica operava in Italia e la parola inquinamento forse non era mai stata ancora pronunciata.

Nel 1861 gli italiani erano circa 15 milioni.Oggi siamo in 60 milioni.

Chi nasceva allora aveva un’aspettativa di vita di 35 anni.

Oggi, in un momento di allarme sociale per quanto riguarda l'inquinamento l'aspettativa di vita di un italiano è di 80 anni.

Qualità della vita ed energia



Macao

Cambogia

U.S.A.

India

Islanda

Media

Swaziland

Italia

Giappone

Lesotho

Cina

Russia

Libia

Emirati Arabi Uniti

Canada

Norvegia

30

40

50

60

70

80

90

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000Consumo pro capite [kWhel/anno]

Sper

anza

di v

ita [a

nni]

Fonte: CIA World Factbook



L'energia ha permesso agli ospedali di funzionare.

Italia

Messico

U.S.A.

Islanda

NorvegiaMedia

Australia

Canada

Giappone

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000


Spes

a sa

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[$]

Fonti: CIA World Factbook, OECD



Islanda

Media

CambogiaSwaziland

Italia

Giappone U.S.A.

Lesotho

India

Cina RussiaLibia Emirati Arabi UnitiCanada Norvegia

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200


Mor

ti ne

l prim

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no [n

/100

0 na

ti vi

vi] Fonte: CIA World Factbook

La mortalità infantile è passata dal 25 % del 1861 (ogni mille nati vivi 250 morivano entro il primo anno di età) all'odierno 0.6 %.



Cambogia

U.S.A.

Islanda

MediaSwaziland

Italia

Giappone

Lesotho

LibiaEmirati Arabi Uniti

Canada

Norvegia

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20


Perm

anen

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cola

stic

a [a

nni]

Fonti: CIA World Factbook, UNESCO

L'energia ci ha tirato fuori dai campi, permettendo ai bambini eagli adolescenti di andare a scuola invece che a lavorare.


Qualità della vita ed energiaCi ha dato il tempo e le possibilità di svago.

U.S.A.

India

Islanda

Media

Italia

Giappone

Cina RussiaLibia

Canada

Norvegia

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000


Spet

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100

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.]

Fonti: CIA World Factbook, UNESCO


Qualità della vita ed energiaNon ci lascia mai soli (Sigh!)

Islanda

Media

Italia

Giappone U.S.A.

India

Cina

Russia

Libia

Emirati Arabi Uniti

Canada

Norvegia

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Cel

lula

ri [n

/100

0 ab

itant

i]

Fonte: CIA World Factbook


Tutto questo grazie all'energia da fonti fossili che hapiù che decuplicato la nostra potenza rispetto a quella che allora era quella del sole, l'unica che ci dava sostentamento.

Qualità della vita e … potenza


Una funivia moderna per portare 550 persone/h ad una velocità di salita di 5 m/s per un dislivello di circa 1000 m impiega una potenza di 700 kW

Per ottenere la stessa potenza prima dell’era industriale si sarebbero dovuti impiegare 3 500 schiavi in una ruota da criceti

Qualità della vita e … potenza


Oggi in Italia consumiamo circa 5 MWh all'anno pro capite

di energia elettrica per soddisfare i nostri bisogni ed

emettiamo quindi l'inquinamento corrispondente.

In Angola consumano ed inquinano per 0.16 MWh,

ma il 20 % dei bambini muore entro il primo anno di età e la

speranza di vita è di 39 anni (come in Italia 150 anni fa!).



Per sostenere la qualità della vita serve energia:

uno scolaro necessita di 400 kWh/anno[1]

un universitario di 1 700 kWh/anno[1]

un letto d’ospedale di 3 000 kWh/anno[2]

un carcerato di 7 000 kWh/anno[3]

La correlazione non è lineare. Oltre un certo limite di consumo non c’è un effettivo miglioramento della qualità della vita.

Noi italiani possiamo facilmente ridurre i nostri consumi“senza” intaccare la qualità della nostra vita.


[1] AA.VV., 2003, “The UK Potential for Community Heating with Combined Heat and Power”, Building Research Establishment Ltd.[2] Piacentino, A., 2004, Applicazioni della cogenerazione e della trigenerazione in edifici residenziali e del terziario civile: analisi energetica, exergetica ed economica delle diverse soluzioni impiantistiche utilizzabili, Università degli Studi di Palermo. [3] AA.VV., 2004, Energy Consumption Guide ECG084 – Energy Use in Prisons, Action Energy.


La Terra termodinamicamente può essere vista come un sistema chiuso: le fonti energetiche possono essere interne (esauribili) o esterne (“inesauribili”).

Le fonti energetiche primarie


• Combustibili fossili

• Materiale radioattivo e/o nucleare

• Radiazione solare

• Altre

• Petrolio• Gas• Carbone

• Solare fotovoltaico• Solare termodinamico• Idroelettrico• Eolico• Biomasse

• Rifiuti• Maree



Di ogni fonte, va valutata la sostenibilità

ambientalesocialeeconomicatecnologica

che è strettamente dipendente dalla tecnologia scelta per lo sfruttamento della fonte.

La conversione di energia con qualsiasi tecnologia ha effetti direttied indiretti sull’ambiente, sulla salute, sulla società, sull’economia e sulla tecnologia nella quale si innesta.



Le emissioni in atmosfera di un sistema energetico basato sulla combustione possono essere classificate in:

Gas climalteranti

• CO2• H20• CH4

(1)

• N20

Inquinanti nocivi

• NOx• SO2/SO3• CO• VOC• particolato• diossine

Per ridurre le emissioni è necessario, a parità di combustibile utilizzato, un aumento dell’efficienza di conversione.

(1) N.B. Potere climalterante (per unità di massa) circa 20 volte superiore alla CO2

Sostenibilità ambientale


PRODOTTI

“NORMALI”COMBUSTIBILE

COMBURENTE

SO2

CO2

H2O

PRODOTTI “ANOMALI”

NOX

CO

PM

VOC

diossine

…



Trascurabili, non significa

zero!



Impatto locale o globale?


sorgenteemissiva

CO2

CH4

N2O

H2O

PM

Impatto locale o globale?


L’inquinamento di una volta …

ARPA Lombardia, 2006, La qualità dell’aria in Lombardia, disponibile on-line

Medie mensili delle polveri misurate a Milano.

Escursione estate-inverno



California Air Is Cleaner, but Troubles Remain, New York Times, 3 agosto 2005

Los Angeles City Hall

1953 2005


Paradossalmente si può dire che noi possiamo sapere quantol’inquinamento faccia male, proprio perché l’inquinamento si sta riducendo.

Uno studio recente mostra come una riduzione dell’inquinamento di particolato atmosferico fine di 10 μg/m3 porti ad un aumento dell’aspettativa di vita di circa 7 mesi.

C. Arden Pope III, Majid Ezzati, D. W. Dockery, 2009, “Fine-Particulate Air Pollution and Life Expectancy in the United States”, The New England Journal of Medicine, 360, pp. 376-386



Biston Betularia. Nella seconda parte dell’ottocento la città di Manchester era tra le più inquinate del mondo per via della rivoluzione industriale in pieno svolgimento. L'inquinamento era tale che le betulle erano ricoperte da fuliggine tanto che le falene bianche non riuscivano più a mimetizzarsi e finivano preda degli uccelli. Per selezione naturale una mutazione della Biston Betularia di colore nero (morpha carbonaria) prese quindi il sopravvento su quella bianca.



Buon Compleanno, Charles!

Il 12 febbraio di quest’anno ècaduto il 200° anniversario della nascita di Charles Darwin.

Questo stesso anno si commemora anche il 150ennale della pubblicazione della sua opera più importante, cioè“Sull'origine delle specie per mezzo della selezione naturale o la preservazione delle razze favorite nella lotta per la vita”.


Oltre alle emissioni in atmosfera vanno valutate anche lealtre interazioni del sistema energetico con l’ambiente: utilizzo di fonti di acqua per il raffreddamento, alterazione di ecosistemi,modifica dello stato d’uso del suolo, etc.

Per esempio, l’utilizzo estensivo di pannelli solari può provocare una alterazione dell’albedo, mentre si ritiene gli che invasi per alimentare impianti idroelettrici di grande taglia aumentino la probabilità di terremoti a causa dello sbilanciamento a cui gli invasi stessi sottopongono le zolle tettoniche.

Anche le biomasse …



H.L. MacLean, L.B. Lave, 2003, Prog. En. Comb. Science, 29, pp. 1–69



Joseph Fargione et al., 2008, Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt, Science, 319, pp. 1235-8

L’utilizzo dei biocombustibili deve essere visto come un investimento: per ripagare il debito di CO2 dovuto alla deforestazione per creare superficie coltivabile possono essere necessarie anche centinaia di anni.




Arrivo di uno stormo in Luisianail 22 aprile 2001

In California le 11 500 torri eoliche installate sono responsabili dellamorte di 20 000-30 000 volatili l’anno.

Uno studio ha monitorato via radar il campo eolico di Buffalo Ridge inMinnesota.Attraverso le 350 torri in un anno sono passati circa 3 500 000 volatili, di questi solo un migliaio ci hanno lasciato le penne. Circa 3 per ogni turbina.

USDA Forest Service Gen. Tech. Rep. PSW-GTR-191. 2005

Collisione con palazzi 550 milioni 59.0 %

Collisione con rete elettrica 130 milioni 14.0 %

Gatti 100 milioni 10.7 %

Automobili 80 milioni 8.6 %

Pesticidi 67 milioni 7.2 %

Torri per telecomunicazioni 4.5 milioni 0.5 %

Turbine eoliche 28 500 < 0.01 %

Aeroplani 25 000 < 0.01 %

Stime di morti di uccelli per ogni anno negli USA divise per causa


Gatti vs. Turbine eoliche

Ridurre del 20 % i gatti americani porterebbe ad una riduzione relativa dell’incidenza del 17.3 % Ridurre del 20 % il numero di pale eoliche porterebbe ad una riduzione relativa dell’incidenza del 33.3 %.

La comunicazione di un dato, la sua rappresentazione incide moltissimo sull’esito delle nostre decisioni.

Se, per diminuire la mortalità dei volatili, dovessimo scegliere tra una riduzione del numero dei gatti o del numero delle turbine eoliche, e ci venisse detto questo:

cosa decideremmo?


La rappresentazione del dato

100 000 000di volatili

- 20 %80 000 000

di volatili

28 500volatili

22 800volatili

10.7 % 8.8 %

0.00002 %0.00003 %

Tasso di incidenza

Diminuzione assoluta dell’incidenza: - 1.9 %Diminuzione relativa: - 17.8 %

Tasso di incidenza

Diminuzione assoluta dell’incidenza: - 0.00001 %Diminuzione relativa: - 33.3 %

- 20 %


La rappresentazione del datoIl cubo di Necker

Dove si trova la faccia verde trasparente? Davanti o dietro?

La nostra mente tende automaticamente a creare il certo dall’incerto.Vediamo alternativamente la faccia verde avanti o indietro (gestalt switch),

ma senza ambiguità.


La rappresentazione del datoTurning the Tables (Roger Shepard, 1990)

Qual è la tavola più lunga?

Le due tavole sono uguali. La nostra mente è vittima di una certezza illusoria generata dal modo in cui è presentato il dato (gli elementi

prospettici in questo particolare caso).


In passato le scelte politiche, spesso improntate alla segretezza (esperimenti atomici) e alla minimizzazione dei rischi (Vajont, Seveso, Chernobyl, mucca pazza, ecc.), hanno portato ilcittadino ad essere incline alla diffidenza nei confronti di scienza e tecnologia.

In particolare, in relazione ai sistemi energetici, si assiste alla nascita di comitati di opposizione ovunque si decida di impiantare una nuova centrale per la produzione di energia elettrica.

Questi comitati, per quanto legittimi, sembrano spesso mossi da irrazionali pregiudizi, alimentati da una insufficiente informazione e da uno scarso coinvolgimento nelle fasi decisionali.

Sostenibilità sociale


In un lavoro italiano pubblicato nel maggio 2003[1], basato su unprecedente lavoro americano[2], viene affermato che cicli combinati alimentati a gas naturale della taglia di 800 MW emettono una quantità di micropolveri, 290 t/anno, «dell’ordine di quella prodotta dal traffico della città di Bologna».

Le quantità emesse venivano anche calcolate attraverso fattori di emissioni dell’ EPA (Environmental Protection Agency), e risultavano pari a 48 t/anno, ma si concludeva che «per una serie di motivi, tali valori debbono essere considerati stime molto approssimate delle emissioni di una centrale» mentre i risultati estrapolati dal lavoro americano garantiscono «una stima dei dati di emissione largamente affidabile e confrontabile con dati di centrali “reali”».

[1] Armaroli, N., Po, C., 2003, “Emissioni da centrali termoelettriche a gas naturale – La letteratura corrente e l’esperienza statunitense”, Chimica e industria, vol. 85(4), pp.45-50.[2] Spath, P.L., Mann, M.K., 2000, “Life Cycle Assessment of a Natural Gas Combined Cycle Power Generation System.”, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, TP-570-27715.

Il caso Armaroli-Po


Le autrici dello studio americano avevano però anch’esse utilizzato le tabelle di emissione EPA.Ma mentre i due autori italiani usarono quelle del 2000 le americane calcolarono le emissioni con quelle del 1995, e da qui la differenza tra i valori di 290 t/anno e 48 t/anno.

Il lavoro americano è datato settembre 2000, l'EPA nell'aprile del 2000 ha rinnovato le tabelle di emissione per quanto riguarda i turbogas: aggiornando i valori e soprattutto eliminando la possibilità di riferirsi all'energia prodotta. Questo adeguamento è stato necessario poiché il riferirsi all'energia prodotta e non a quella introdotta attraverso il combustibile penalizza le tecnologie più efficienti (cicli combinati per esempio), invece di premiarle. Le nuove tabelle riportano, per il particolato solido un fattore di emissione che è circa dieci volte inferiore rispetto alle tabelle del 1995.

Il caso Armaroli-Po


Si è voluto riportare questo caso come emblematico di cattivo utilizzo dell’informazione: se da un lato infatti l’articolo metteva giustamente in risalto la necessità di effettuare stime delle emissioni di particolato, dall’altro si estrapolavano dall’articolo solo quei dati, peraltro largamente sopravvalutati a causa di approssimazioni sui calcoli, che potessero supportare una protesta.

I dati riportati dall’articolo sono frutto di un approccio approssimato al problema e le conclusioni sono affrettate e sbagliate: un’analisi approfondita del lavoro americano avrebbe mostrato che, per il calcolo delle emissioni dei prodotti indiretti della combustione, anch’esso utilizza i fattori di emissione.

Il caso Armaroli-Po


Paradigmatico degli effetti di questa cattiva informazione è l’intervento della signora Dora P.nella rubrica delle lettere de La Nuova Ferrara del 7 febbraio 2007.

La signora invitava ad esprimersi contro il costruendo turbogas ferrarese perché a Torino avevano appena installato una centrale che “da un metro cubo di metano bruciato trasforma in energia l’87 %”.

La centrale, citata dalla signora Dora come esempio di eccellenza, è a Moncalieri per la precisione e usa la stessa medesima tecnologia di quella che sta per essere attivata a Ferrara.

Quindi a Ferrara: “No turbogas”


Ma a pochi chilometri di distanza …

«Dal punto di vista politico tutti i comuni del Delta sono solidali con noi. Nel processo contro l’Enel ci siamo soltanto noi e Goro per via del fatto che sono stati individuati dalla Procura solo questi territori sicuramente coinvolti dalla Procura. Siamo nettamente contrari alla riconversione della centrale a carbone e proprio stasera (ieri, ndr) nel corso di un’iniziativa a Monticelli consegneremo all’onorevole Alessandro Bratti un migliaio di firme per dire no alla centrale. Se si vuol riconvertire almeno si utilizzi il gas-metano: il carbone non va bene in un ecosistema così fragile, troppi i danni»

Lorenzo Marchesini, sindaco di Mesola - 14 marzo 2009


Il Resto del Carlino – ed. di Ferrara – 27 dicembre 2007

E comunque …


E comunque …

Il Resto del Carlino – ed. di Ferrara – 20 marzo 2009


Termovalorizzatore di Forlì

Le contestazioni



Termovalorizzatore di Rimini

Le contestazioni


Parco Eolico Valli Idice - Sillaro

Centrale a biomasse di Russi

Le contestazioni


Termovalorizzatore di Rimini

Termovalorizzatore di Selvapiana

Termovalorizzatore di Firenze

Termovalorizzatore di Prato

Termovalorizzatore di Montale


Le contestazioni


Poiché i nostri consumi aumentano sarebbe giusto affiancare alla NIMBY un nuovo tipo di fenomeno, la sindrome

BYEBYE(Build-it in Your Evergreen BackYard, Eventually)

che può essere tradotta come: “alla fine, costruiscitela nel tuo sempreverde giardino”. Cioè si è sempre pronti a osteggiare la costruzione di impianti di generazione dell’energia ma allo stesso tempo nessuno vuole rinunciare al benessere alimentato dall’energia.

Non qui, ma dove?


Cosa sarebbe disposto a fare per risolvere i problemi energetici?

Fonte: Osservatorio Scienza e Società 2007, Observa



Cosa dovrebbe fare il governo per risolvere i problemi energetici?

Fonte: Osservatorio Scienza e Società 2007, Observa



L’accettabilità di un rischio, la sua percezione e la sua tollerabilitànon dipendono solo dalla gravità delle sue possibili conseguenze, ma soprattutto da una pluralità di fattori etici, psicologici e culturali che sono (i) la volontarietà all’esposizione al rischio, (ii) il livello di conoscenza del rischio, (iii) l’equilibrio (o il vantaggio) nel bilancio tra rischio e beneficio ed (iv) il controllo che si ritiene di avere sulla situazione o sulla tecnologia che genera il rischio e la familiarità.

Per gli impianti di conversione dell’energia il problema fondamentale è che non viene percepito il beneficio, benché, come abbiamo visto, l’energia sia il pilastro sul quale si basa il nostro benessere.



La percezione del rischio

M. Ezzati, D.M. Kammen, 2002, The Health Impacts of Exposure to Indoor Air Pollution from Solid Fuels in Developing Countries: Knowledge, Gaps, and Data Needs, DiscussionPaper 02-24, August, Resources for the Future, WashingtonG. Invernizzi, A. Ruprecht, R. Mazza, E. Rossetti, A. Sasco, S. Nardini, R. Boffi, 2004, Particulate matter from tobacco versus diesel car exhaust: an educational perspective, Tobacco Control, vol. 13, pp. 219-221

soglia d’allarme in

città

in casa nostra dopo 3 sigarette

media giornaliera in una casa keniota con cucina a biomasse


ARPA Lombardia, 2006, La qualità dell’aria in Lombardia, disponibile on-line

La visione distorta

Fonti del particolato atmosferico in Lombardia


La visione distorta

Contributo alle emissioni di PM10 in Italia nel 2005

27%

15%

13%

11%

11%

9%

7%

3%2%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100% Altre SorgentiCentrali Elettriche

Trattamento e Smaltimento Rifiuti

Agricoltura

Processi Produttivi

Combustione -non Industriale

Combustione - Industria

Altri trasporti

Trasporti StradaliTrasporti

Fonte: Elaborazione NE Nomisma Energia dei dati APAT


La visione distorta

Emissioni di PM10 in kt/anno

Fonte: NE Nomisma Energia

0

50

100

150

200

250

Centrali Elettriche

Agricoltura

Altri Trasporti

Trasporti Stradali

Processi industriali

Combustione -non IndustrialeCombustione - Industria


Tecnologie “buone” e “cattive”

Caldaia a gas naturale – 7 g/annoCaldaia a gasolio – 167 g/annoCaldaia a olio combustibile – 1333 g/anno

Sistema innovativo a basse emissioni e caldaia alimentata a biomasse

8182 g/anno

Emissioni annuali per riscaldamento e acqua calda di una famiglia di quattro persone


Tutte cattive?


L’impatto economico di un sistema energetico può essere

• diretto

Costo capitale dell’impianto di conversione, costo operativo e costo fonte energetica contribuiscono a formare il prezzo dell’energia elettrica.

• indiretto

La scelta di una fonte energetica può influire sulle attivitàeconomiche di un paese (es. i rotori eolici possono ridurre l’attrattività turistica) e …

Sostenibilità economica


La direzione intrapresa dagli Stati Uniti verso la sostituzione della benzina con l’etanolo ha provocato un incremento di quasi 100 % del prezzo del mais, con effetti più marcati sulle fasce povere (prezzo della tortilla aumentato circa del 60 % nell’ultimo anno)

Fonte: San Francisco Chronicle

$/Bu

shel



Nell’isola di Haiti l’aumento di riso, grano e mais di oltre il 50 % dovuto alla concorrenza dei biocombustibili da colture dedicate ha provocato disordini nell’aprile del 2008, con almeno 5 morti, e la caduta del governo.


Lo stesso è successo nelle settimane scorse in Madagascar, dove, tra le altre “malefatte”, il governo, scalzato dai rivoltosi, nel luglio del 2008 aveva ceduto, quasi gratuitamente, in concessione per 99 anni circa 900 000 ha (un terzo della superficie arabile del paese) alla multinazionale sudcoreana Daewoo. Il terreno sarebbe stato utilizzato per la coltivazione di mais e palma a fini energetici.


Ovviamente, l’utilizzo di certe tecnologie può essere visto anche come un’opportunità economica

• biomasse (utilizzo di terreni agricoli “set a side” conseguenti ai PAC, improduttivi o coltivabili per prodotti no food)

• rifiuti e reflui zootecnici (waste-to-energy,termovalorizzazione dei rifiuti indifferenziati, etc.)

• fotovoltaico (creazione di un indotto tecnologico)

• carbone (creazione di un ingente numero di posti di lavoro)



39 427 km di lineeLinee a 380 kV : 9 812 kmLinee a 220 kV : 9 773 kmLinee a < 150 kV : 19 842 km

362 stazioni di trasformazione e smistamento

567 Trasformatori

3 centri di tele conduzione

Sostenibilità tecnologica


Regolazione della frequenza di rete

• l’ente gestore della rete deve garantire l’equilibrio tra la domanda e l’offerta di potenza al fine di mantenere costante la frequenza di rete al valore di 50 Hz

La regolazione è effettuata in primo luogo programmando accensione, spegnimento e variazione di carico delle centrali



Nel caso in cui per disfunzioni ci sia il distacco dalla rete di alcune unità produttive e un conseguente deficit di potenza e quindi un calo della frequenza di rete intervengono (i) regolazione primaria e (ii) alleggerimento del carico.

Se il calo non si arresta alla frequenza di 47.5 Hz c’è il distacco dei generatori e il BLACKOUT.



Il blackout del 28 settembre 2003L’Italia preleva costantemente circa 6 500 MW di potenza elettricadalla rete estera per ridurre il costo medio del kWh.

Di notte questo prelievo corrisponde a circa il 25% della potenza elettrica richiesta, a fronte di una “riserva calda” non disponibile a coprire totalmente questo prelievo.

L’interruzione notturna della fornitura estera (causata alle 3:02 da una scarica verso albero nella linea svizzera 400 kV Lavorgo-Mettlen) ha comportato il sovraccarico della rete nazionale, un repentino calo di frequenza e il distacco di tutti gli impianti di produzione.

La capacità di trasporto degli elettrodotti è saturata ormai da molti anni.La realizzazione di nuovi elettrodotti è ostacolata dalle amministrazioni locali per il terrore dell’“elettrosmog”.


Il blackout del 4 novembre 2006

La perdita di generazione di 8 940 MW dalla Germania (per permettere il varo di una nave) ha provocato un transitorio con sottofrequenza di 0.13 Hz/s nell’AREA 1.

L’abbassamento di frequenza ha causato lo scatto di ulteriori 10 900 MW (eolici e da piccola generazione distribuita). Il deficit di potenza totale è passato da 8 940 MW a 19 840 MW.

Per ristabilire l’equilibrio tra produzione e consumo sono intervenuti i piani di alleggerimento di carico che hanno staccato 16 800 MW (15 milioni di utenti disconnessi) ed è intervenuta la regolazione primaria che ha aumentato la produzione di 3 040 MW.

49 Hz

51 Hz

49.7 Hz


Le smart-grid o reti intelligentiLe smart grid sono l’ultima moda dell’industria dell’energia elettrica.

In sostanza si tratta di applicare la filosofia di internet alla rete elettrica, ogni nodo può essere sia consumatore sia produttore e i flussi di potenza possono essere bidirezionali.

La strada è ancora lunga e sono attivi diversi progetti di ricerca (DISPOWER, CRISP, MICROGRIDS, FENIX) che riguardano queste reti.


L’isola di Energoville

Lo scorso anno abbiamo proposto un gioco agli studenti dell’ITIS Baldini di Ravenna: la definizione di un piano energetico per un’isola nella quale oltre al ruolo di cittadini avrebbero dovuto coprire anche quello di amministratori politici, gestori della rete elettrica, gestori degli impianti elettrici e impiegati dell’agenzia per la protezione dell’ambiente.

Ai ragazzi è stata descritta l’isola dal punto di vista climatico, economico e demografico e sono stati proposti loro 4 scenari da valutare sotto i punti di vista di sostenibilità sociale, economica, ambientale e tecnologica.


Gli scenari proposti

12

3 4


Lo scenario scelto

4


Tipo di tecnologia: Turbine a gas ed a vapore

Descrizione: questa tecnologia è quella che permette il più alto rendimento di conversione dei combustibili fossili. E’ basata su turbine a gas (del tutto simili ai motori aeronautici) e turbine a vapore (alimentate da vapore generato col recupero dei gas caldi della turbina)

Programmabilità: è possibile pensare a spegnimenti frequenti (notturni) e la turbina a gas permette una comoda regolazione del carico. E’ possibile prevedere il funzionamento in modalità cogenerativa producendo energia elettrica e vapore di processo in contemporanea.

Produttività: rendimento elettrico fino al 60 % in taglie da circa 400 MW.

Impatto ambientale: l’alto rendimento riduce l’impatto per quanto riguarda i gas serra. Sono presenti in maniera massiccia emissioni di ossidi d’azoto e monossido di carbonio.

Costi d’impianto: 500 Euro/kW

Ciclo combinato Gas-Vapore


4

Centrale a ciclo combinato

tipo combustibile gas naturale (metano)

produzione 320 000 000 m3/anno

potere calorifico 35 000 kJ/m3

10 kWh/m3

funzionamento 8400 h/anno

potenza media annuale 222 MW

carico 100%

potenza installata 222 MW

potenza termica 3 111 111 111 kWh/anno

3 111 GWh/anno

tipo di tecnologia

ciclo combinato gas-vapore (ultima generazione)

rendimento 60%

produzione elettrica 1 866 666 667 kWh/anno

1 867 GWh/anno

Ciclo combinato Gas-Vapore


Tipo di tecnologia: Turbine a gas

Descrizione: produce energia attraverso la combustione di gas naturale o gasolio. E’ composto fondamentalmente da un compressore, una camera di combustione ed una turbina. La combustione di gas naturale o gasolio eleva il contenuto energetico dell’aria compressa dal compressore che tramite l’espansione in turbina, produce energia meccanica.

Programmabilità: permette una totale programmazione in quanto può essere regolato da funzionamento a carico nullo fino a pieno carico in pochi minuti. E’ possibile anche programmare lo spegnimento e la riaccensione con frequenze giornaliere.

Produttività: rendimento elettrico fino al 36 % in taglie da circa 100 MW.

Impatto ambientale: oltre l’inevitabile CO2, le principali emissioni in atmosfera sono gli ossidi d’azoto (NOx) e il monossido di carbonio (CO). A questi, nel caso in cui venga utilizzato olio combustibile, vanno sommati gli ossidi di zolfo (SOx) e le polveri sottili.

Costi d’impianto: 300 Euro/kW

Turbogas


4

Turbogas

tipo combustibile gas naturale (metano)

produzione 58 000 000 m3/anno

potere calorifico 35 000 kJ/m3

10 kWh/m3



carico 100%


potenza termica 563 888 889 kWh/anno

564 GWh/anno

tipo di tecnologiaTurbogas

(ultima generazione)

rendimento 35%

produzione elettrica 197 361 111 kWh/anno

197 GWh/anno

Turbogas


Tipo di tecnologia: processo biochimico di trasformazione di biomassa in biogas e combustione in motori endotermici alternativi.

Descrizione: all’interno di un digestore anaerobico (ambiente in assenza di ossigeno), speciali batteri si nutrono della parte organica della biomassa: il prodotto del loro metabolismo (digestione) è un gas composto da metano ed anidride carbonica. Questo gas, purificato o grezzo, viene usato per alimentare motori o turbine a gas per produrre energia elettrica.

Programmabilità: E’ possibile prevedere accensioni e spegnimenti dei motori in breve tempo. Soggetto a fluttuazioni della produzione di biogas. E’ possibile prevedere il funzionamento in modalità cogenerativa.

Produttività: 50 kWh/t con reflui, 300 kWh/t con mais

Impatto ambientale: emissioni di gas serra (parzialmente bilanciate dal ciclo di vita delle biomasse) e gas nocivi (ossidi di azoto e monossido di carbonio).

Costi d’impianto: 75 Euro/t/anno

Digestione anaerobica


4

Reflui

fonte reflui

numero di suini 1 000 000

produzione specifica 1.3 t/anno/suino

produzione 1 300 000 t/anno

resa elettrica 50 kWh/t



tipo di tecnologiamotori a combustione

interna


65 GWh/anno



4

Biomasse

fonte mais

resa agricola mais 80 t/ha

ettari coltivati 10000 ha

produzione 800 000 t/anno

resa elettrica 300 kWh/t



tipo di tecnologiamotori a combustione

interna


240 GWh/anno



Tipo di tecnologia: Generatori eolici ad asse orizzontale

Descrizione: Lo sfruttamento dell’energia eolica avviene attraverso la conversione dell’energia cinetica dell’aria in energia meccanica, in grado di azionare generatori elettrici. Il movimento delle masse d’aria trae origine dalla differenza di pressione causata dalla differenza di temperatura in punti diversi dell’atmosfera terrestre.

Programmabilità: dipendendo dalla velocità del vento incidente sulle pale del generatore la produzione di energia elettrica non è programmabile.

Produttività: 600 kWh/anno/kWi

Impatto ambientale: non sono previste emissioni in loco. Non sono necessari materiali particolari per la costruzione dei generatori. Grosso impatto visivo, inquinamento acustico e problemi con uccelli migratori.

Costi d’impianto: 1000 Euro/kWi

Wind Farm


4

Vento

fonte vento

produzione 600 kWh/anno/kWi

potenza rotore 1.5 MW

numero rotori 100




tipo di tecnologiaGeneratori eolici ad asse

orizzontale


90 GWh/anno

Wind Farm


Tipo di tecnologia: Solare fotovoltaico

Descrizione: l’energia solare fotovoltaica risulta dalla trasformazione diretta della luce del sole in energia elettrica mediante cellule generalmente a base di silicio. Per ottenere una potenza sufficiente, le cellule sono collegate tra di loro e costituiscono il modulo, chiamato anche pannello solare. In funzione della potenza desiderata, i pannelli stessi possono essere assemblati per costituire un “campo solare fotovoltaico”.

Programmabilità: dipendendo dalla radiazione solare incidente sui pannelli la produzione di energia elettrica non è programmabile.

Produttività: 1140 kWh/anno/kWp

Impatto ambientale: non sono previste emissioni in loco, ma la tecnologia del silicio è molto impattante in fase di costruzione dei pannelli. Variazione dell’albedo.

Costi d’impianto: 6000 Euro/kWp

Solar Farm


4

Solare

fonte sole

produzione 0.12 kWp/m2

superficie 500 000 m2

produttività annua 1 140 kWh/anno/kWp



potenza picco 60 MW

tipo di tecnologia silicio monocristallino


68 GWh/anno

Solar Farm


Lo scenario scelto

Potenza necessaria 500 MW

Domanda energetica 2 500 GWh/anno

Potenza installata

Energia prodotta

Carbone 0 MW 0.0% 0 GWh/anno 0.0%

Rifiuti 0 MW 0.0% 0 GWh/anno 0.0%

Gas (Combinato) 222 MW 42.5% 1 867 GWh/anno 73.9%

Gas (Turbogas) 247 MW 47.1% 197 GWh/anno 7.8%

Solare 8 MW 1.5% 68 GWh/anno 2.7%

Vento 10 MW 2.0% 90 GWh/anno 3.6%

Reflui 8 MW 1.5% 65 GWh/anno 2.6%

Biomasse 29 MW 5.5% 240 GWh/anno 9.5%

Totale 523 MW 100.0% 2 527 GWh/anno 100.0%

Differenza 23 MW +4.7% 27 GWh/anno +1.1%

Con 500 000 m2 di superficie ricoperta di pannelli fotovoltaici si soddisfa solo il 2.7 % dell’energia e l’1.5 % della potenza richieste dai 500 000 abitanti dell’isola di Energoville.


Lo scenario scelto

circa 75 campi da calcio

Con 500 000 m2 di superficie ricoperta di pannelli fotovoltaici si soddisfa solo il 2.7 % dell’energia e l’1.5 % della potenza richieste dai 500 000 abitanti dell’isola di Energoville.


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