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.

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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).

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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

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Fonti energetiche

6250

5000

3750

2500

1250

0 1990

MTep Totale: 12 000 MTep circa

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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

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Energia primaria per produzione energia

elettrica

103 TWh

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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.

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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 = 0,4 2500 MWh 1000 MWh

1500 MWh

η = 0,5 3000 MWh 1500 MWh

1500 MWh

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LO SCENARIO ITALIANO

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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.

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Bilancio Energetico Nazionale 2015

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Bilancio Energetico Nazionale 2015

Fonti di

energia

primaria

MTep

Combustibili

solidi 13.1

Prodotti

petroliferi 58.7

Gas naturale 55.3

Energie

rinnovabili 32.6

Importazioni 10.2

TOTALE 170,0

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Bilancio Energetico Nazionale 2015

MTep

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Diagramma di Sankey

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Trend Bilancio Energetico Nazionale MTep

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Trend Bilancio Energetico Nazionale

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Trend Bilancio Energetico Nazionale

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Trend Bilancio Energetico Nazionale

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BILANCI ENERGETICI DI ALTRI STATI

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Italia

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Svizzera

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Francia

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Islanda

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Medio Oriente

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Cina

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Africa

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Mondo

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FONTI CONVENZIONALI DI ENERGIA

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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).

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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)

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In miliardi di barili

Stima delle riserve di petrolio

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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.

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Picco di Hubbert e sue evoluzioni

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ENERGIA NUCLEARE

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Fissione nucleare

235 141 92

92 56 36

2

1 3U n Ba Kr n energia

E m c

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Riserve di Uranio

650 mila tonnellate a 40 $/kg 7 milioni di tonnellate a 250 $/kg

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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.

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ENERGIE RINNOVABILI

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Produzione da fonti rinnovabili

geotermico

biomasse

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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.

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Solare termico

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Solare termodinamico

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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.

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Fotovoltaico

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Fotovoltaico

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Energia eolica

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3 2

1 2 3 4

0

( )

0

T

R

aV a V a V aP V

P

Energia eolica

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Energia eolica

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Energia eolica

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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.

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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).

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Energia geotermica

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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

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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%.

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Energia da RSU (rifiuti solidi urbani)

Rifiuti

Rifiuti indifferenziati

Rifiuti differenziati

Riciclaggio Selezione

Materiali riciclabili

Inerti

CDR

Altro

Stabilizzazione

Termovalorizzazione Discarica

Residui

Compostaggio

Compost Scorie

Energia

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MECCANISMI DI INCENTIVAZIONE

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Incentivi in Italia

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Incentivi in Italia

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RISPARMIO ENERGETICO

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ISO 50001

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Diagramma di Sankey

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Diagramma di Sankey

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Diagramma di Sankey

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