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introduzione ai concetti dell analisi economica ed energetica
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Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
1
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
2
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....
Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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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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Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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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
5
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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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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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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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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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
15
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...
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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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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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Il quadro nazionale
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Il quadro nazionale
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Il quadro nazionale
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Il quadro nazionale
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Il quadro nazionale
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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 .
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Il quadro nazionale: disponibilità per fonte(2000-2007)
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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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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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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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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.
43
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)
53
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”
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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
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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%)
65
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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Problemi e prospettive
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
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Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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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)
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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
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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
Risparmio conseguibile: alcuni esempi (2)
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
Risparmio conseguibile: alcuni esempi (3)
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Problemi e prospettive
Il ruolo della ricerca scientifica
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La ricerca scientifica e tecnologica:il solare termodinamico…
Il progetto Archimede (Priolo, Sicilia)
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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
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Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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... 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
80
Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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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
Energetica - Proff. Denticed'Accadia/Vanoli - Dispensa N. 1 -Introduzione energetica
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La cattura e il sequestro della CO2:costi attuali (fonte: ENEA)
Cost Of Energy
Mitigation Cost
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La cattura e il sequestro della CO2:costi previsti al 2020 (fonte: ENEA)
Cost Of Energy
Mitigation Cost
84