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L'utilizzo di fonti di energia come petrolio, gas e carbone, che rilasciano gas serra e contribuiscono al cambiamento climatico.

Il modo in cui l'energia viene usata in diverse parti del mondo, con differenze significative tra i paesi sviluppati e quelli in via di sviluppo.

L'unità di misura dell'energia utilizzata per il cibo. È anche conosciuta come "caloria alimentare".

Un'unità di misura dell'energia utilizzata per l'elettricità. Un kilowattora è l'energia consumata da un dispositivo da 1 kilowatt per un'ora.

Una sfida globale che mira a garantire l'accesso all'energia a tutti, affrontando le implicazioni ambientali e i problemi di fornitura.

L'unità di misura del sistema internazionale per l'energia. È la misurazione standard utilizzata dagli scienziati e in molti ambiti.

Fonti di energia che sono rinnovabili, come l'energia solare, eolica e idroelettrica, che hanno un impatto ambientale inferiore rispetto ai combustibili fossili.

Un'unità di misura dell'energia spesso utilizzata nel Regno Unito. È un'unità di misura di vecchia data.

L'incidente nucleare del 2009 in Giappone, che ha portato alla sospensione temporanea di alcune centrali nucleari in tutto il mondo.

Un'unità di misura dell'energia utilizzata comunemente in ambito energetico. È equivalente all'energia prodotta dalla combustione di una tonnellata di petrolio greggio standard.

Le riserve di petrolio possono crescere a causa di nuove tecnologie che permettono di estrarre quantità precedentemente inaccessibili, o perché vengono costantemente migliorate le tecnologie di estrazione, aumentando la quantità estratta.

L'aumento delle riserve di petrolio può essere attribuito a nuove tecnologie di estrazione che aumentano la quantità di petrolio recuperabile e a un aumento complessivo della produzione, dovuto a tecnologie di estrazione più efficienti.

Il petrolio e il gas naturale hanno una disponibilità stimata di 50 anni, mentre il carbone, grazie alla sua maggiore abbondanza nel sottosuolo, ha una disponibilità stimata di 132 anni.

L'ubicazione dei combustibili fossili è un fattore cruciale, soprattutto per il petrolio, che si trova in concentrazioni significative nel Medio Oriente. Questa concentrazione porta a instabilità politica in questa regione.

Il grafico mostra la variazione del prezzo del petrolio dal 1860 al 2019.

Il costo del petrolio è stato influenzato da eventi politici come la guerra del Kippur e la rivoluzione iraniana, che hanno portato a una riduzione dell'offerta e ad un aumento dei prezzi.

La dipendenza dalle fonti energetiche fossili ha portato alla consapevolezza dell'esauribilità del petrolio e del suo impatto ambientale.

Il prezzo del petrolio è influenzato da fattori come l'instabilità geopolitica e la crescente domanda, portando a un aumento dei prezzi nel lungo periodo.

L'aumento del prezzo del petrolio è dovuto a un disequilibrio tra domanda e offerta, ma anche al volume di contratti finanziari legati alle materie prime, che influenza il prezzo del petrolio oltre la semplice domanda e offerta.

Il prezzo del petrolio è fortemente influenzato da fattori geopolitici e dalla crescente domanda, con un aumento previsto nel lungo termine a causa della natura esauribile della risorsa.

L'entropia è una grandezza fisica che misura il grado di disordine di un sistema. In termodinamica, l'entropia aumenta quando al sistema viene fornito calore, mentre diminuisce quando il sistema perde calore.

Il Ciclo di Carnot è un ciclo termodinamico ideale che descrive il processo di trasformazione di calore in lavoro con la massima efficienza possibile. È composto da due isoterme e due adiabatiche che formano un rettangolo sul piano temperatura-entropia.

Il rendimento del Ciclo di Carnot è il rapporto tra il lavoro svolto e il calore assorbito. Dipende solo dalle temperature massima e minima del ciclo.

Il calore assorbito dal fluido di lavoro nel Ciclo di Carnot corrisponde alla quantità di calore fornita dalla combustione del combustibile (ad esempio, carbone in una caldaia).

Nel Ciclo di Carnot, il calore rilasciato al serbatoio freddo (Qout) è inferiore al calore assorbito dal fluido di lavoro, la differenza è il lavoro svolto dal ciclo.

Il rendimento di un ciclo termodinamico è direttamente proporzionale alla temperatura massima raggiunta dal fluido di lavoro e inversamente proporzionale alla temperatura minima. La temperatura minima è fissata dall'ambiente, mentre la massima dipende dalla tecnologia utilizzata. Questo vale per tutti i tipi di cicli termodinamici.

La scelta del fluido di lavoro per un ciclo termodinamico è importante e deve tenere conto di diversi fattori, come la disponibilità, il costo, la tossicità, l'infiammabilità, l'impatto ambientale e la stabilità termica.

L'acqua e l'aria sono i due fluidi di lavoro più comuni nei cicli termodinamici, perché soddisfano i criteri di disponibilità, sicurezza ambientale e stabilità termica.

Un ciclo termodinamico che utilizza l'acqua come fluido di lavoro, impiegato nelle centrali elettriche a vapore.

La temperatura massima raggiunta dal vapore nell'impianto che utilizza il ciclo Rankine.

La temperatura massima raggiunta nei cicli a gas, molto più elevata rispetto al ciclo Rankine.

La differenza di efficienza tra il ciclo di Carnot e i cicli reali, come quello Rankine.

Il rendimento tipico del ciclo Rankine, che si attesta tra il 40% e il 45%.

Il beneficio del ciclo Rankine rispetto ai cicli a gas, dovuto alla sua maggiore somiglianza con il ciclo di Carnot.

L'efficienza del ciclo Rankine rispetto ai cicli a gas, nonostante la minore temperatura massima.

Il ciclo combinato è un sistema di generazione di energia che combina efficientemente due cicli termodinamici: il ciclo di Joule-Brayton (a gas) e il ciclo di Rankine (a vapore).

Il ciclo combinato sfrutta il calore di scarto del ciclo a gas per alimentare il ciclo a vapore, aumentando significativamente l'efficienza complessiva.

Il ciclo combinato raggiunge rendimenti superiori al 60%, molto più alti rispetto ai cicli a gas o a vapore singolarmente.

Il ciclo combinato utilizza il gas naturale come combustibile principale, essendo il combustibile disponibile dal ciclo gas.

I cicli a vapore tradizionali venivano alimentati a carbone, mentre il ciclo combinato utilizza il gas naturale, che è un'opzione più sostenibile e efficiente.

Il ciclo combinato è stato introdotto negli ultimi 30-40 anni ed è diventato la tecnologia dominante per la produzione di energia termoelettrica.

Il ciclo combinato offre elevata efficienza, minore impatto ambientale e basso costo del combustibile, rendendolo una scelta vantaggiosa rispetto ad altre tecnologie.

Il coefficiente di scambio termico complessivo è influenzato da diversi processi, ma il processo con il coefficiente più basso limita l'efficienza complessiva. Per migliorare l'efficienza, è necessario indirizzare il processo con il coefficiente più basso, mentre migliorare altri processi ha un effetto trascurabile.

I fluidi in fase liquida hanno un coefficiente di scambio termico più alto rispetto ai fluidi in fase gassosa. Questo significa che il calore viene trasferito più facilmente tra un solido e un liquido rispetto a un solido e un gas.

Le alette aumentano la superficie di scambio termico, riducendo la resistenza termica sul lato del fluido con il coefficiente di scambio più basso. Questo è particolarmente utile nei casi in cui il coefficiente è basso, come nei fluidi gassosi.

L'efficienza delle alette è massima quando l'aletta ha una conducibilità termica infinita. In questo caso, l'aletta non aggiunge resistenza termica al sistema.

I motori a combustione interna raggiungono temperature molto elevate durante la fase di accensione. Il fenomeno del trasferimento di calore impedice la fusione delle parti metalliche nonostante le temperature estreme.

L'introduzione del calore a temperatura variabile durante il ciclo Rankine, che lo rende meno efficiente rispetto al ciclo di Carnot.

Il vapore, anziché attraversare l'intera turbina, viene prelevato in parte e inviato a preriscaldare il fluido di lavoro (acqua).

E' importante perché il salto entalpico da gestire è notevole: il dimensionamento è complicato e richiede multistadi per la turbina a vapore.

Il condensatore è una parte fondamentale dell'impianto che serve per raffreddare i fumi e ottenere il massimo rendimento del processo. La sua dimensione e il suo design influenzano l'efficienza complessiva dell'impianto.

La temperatura di condensazione ideale è di 35°C, ma si può abbassare per aumentare il rendimento. Tuttavia, abbassare troppo la temperatura può aumentare i costi e la complessità dell'impianto.

Il rendimento dell'impianto è influenzato dalla differenza di temperatura tra i fumi e l'acqua di raffreddamento. Una bassa differenza di temperatura richiede una maggiore portata di acqua, aumentando i costi e la complessità della pompa.

La torre di raffreddamento è un sistema che serve a raffreddare l'acqua utilizzata nell'impianto, consentendo di riutilizzarla nel ciclo. Questo processo riduce il consumo di acqua e l'impatto ambientale.

La potenza termica da estrarre è un fattore importante per dimensionare il condensatore. Maggiore è la potenza termica, più grande deve essere il condensatore per garantire un'adeguata condensa dei fumi.

Il Condensato è estratto da una pompa e convogliato nella parte alta del Degasatore. La caduta e l'agitazione sono dovute a piatti forati, con la turbolenza incrementata dal vapore caldo dalla turbina, iniettato nella parte bassa del duomo. Il vapore, ventilato nel duomo superiore, cade nel cilindro. La velocità di uscita è superiore a quella del vapore condensato in ingresso.

L'aria, come fluido di lavoro, viene purificata da eventuali particelle in un filtro posizionato in ingresso al compressore.

Nel ciclo a gas, la combustione non avviene in uno scambiatore, ma il calore viene rilasciato nell'ambiente. Il processo di combustione è simile a quello delle caldaie tradizionali.

I cicli a gas offrono un costo per kilowatt inferiore rispetto ai cicli a vapore, oltre a una maggiore leggerezza. Questa leggerezza rende i cicli a gas ideali per la propulsione aerea.

Per simulare la realtà, si considerano le prestazioni degli impianti, ma non vi sono modifiche nelle componenti o nella struttura del ciclo ideale. Il ciclo a gas non subisce modifiche significative nell'applicazione pratica.

La temperatura massima raggiungibile nei cicli a gas è molto più alta rispetto al ciclo Rankine.

Il ciclo combinato è una tecnologia che combina due cicli: il ciclo a gas e il ciclo a vapore, per ottenere una maggiore efficienza rispetto ai cicli tradizionali.

L'Indice di Risparmio di Energia (IRE) e il Limite Termico (LT) sono indicatori chiave che determinano se un impianto è considerato un sistema di cogenerazione. Per qualificarsi come cogenerazione, l'IRE e l'LT devono superare i valori limite definiti dalla normativa.

Il Decreto Legislativo 8 febbraio 2007, n. 20, integrato dal DM 4 agosto 2011 e dal DM 5 settembre 2011, definisce le condizioni per la cogenerazione ad alto rendimento. La produzione di energia elettrica deve superare una certa soglia (PES) ed il rendimento di primo principio deve soddisfare determinati requisiti.

Il rendimento di primo principio è un parametro chiave per determinare l'efficienza di un sistema di cogenerazione. Esso rappresenta la frazione di energia termica che viene convertita in energia elettrica. Un rendimento di primo principio più elevato indica una maggiore efficienza energetica.

Il condensatore è un componente cruciale nei sistemi di generazione di energia a vapore. Il suo ruolo è quello di raffreddare i fumi, consentendo di ottenere il massimo rendimento del processo. Una temperatura di condensazione ideale è di 35°C, ma può essere abbassata per aumentare l'efficienza. Tuttavia, una temperatura troppo bassa può aumentare i costi e la complessità dell'impianto.

I cicli a tre livelli si utilizzano per impianti più grandi e hanno un rendimento più alto. Per impianti più piccoli sotto i 100 MW si utilizzano due livelli.

La sezione di uscita è dove i fumi sono più freddi, e il vapore che esce dalla pompa viene fatto passare attraverso i fumi nella sezione di temperatura più bassa.

Il componente più grosso è la caldaia recupero. La turbina a gas non la vediamo, ma la freccia entrante nella catena recupero rappresenta i fumi.

Il salto entalpico da gestire è notevole: il dimensionamento è complicato e richiede multistadi per la turbina a vapore.

Il ciclo termodinamico utilizzato per trasferire calore dalla sorgente fredda a quella calda, come avviene nei frigoriferi e nelle pompe di calore.

Il rapporto tra la quantità di calore assorbita dalla sorgente fredda e il lavoro richiesto per trasferire il calore.

L'energia termica in eccesso viene utilizzata per produrre energia frigorifera, rendendo il processo più efficiente.

Un sistema di generazione di energia combinato che aumenta l'efficienza mediante l'utilizzo del calore di scarto prodotto dal ciclo a gas per alimentare il ciclo a vapore.

Un frigorifero è un ciclo termodinamico che trasferisce calore da una zona fredda a una zona calda, mentre una pompa di calore fa il contrario, trasferendo calore da una zona calda a una zona fredda. Il COP di un frigorifero è minore perché deve lavorare contro la naturale tendenza del calore a muoversi da zone calde a zone fredde.

Il ciclo Rankine inverso è un ciclo termodinamico utilizzato nei frigoriferi a compressione. Invece di una turbina, utilizza un compressore per aumentare la pressione e la temperatura del fluido refrigerante. La fase fredda del ciclo avviene nell'evaporatore, dove il fluido assorbe calore dall'ambiente da raffreddare. Il fluido caldo poi viene compresso e rilascia calore all'ambiente esterno.

Il fluido refrigerante è una sostanza che viene utilizzata nei cicli Rankine inversi per assorbire calore dall'ambiente da raffreddare e trasportarlo all'esterno. Deve possedere determinate proprietà per poter funzionare a basse temperature e per essere in grado di cambiare di stato da liquido a vapore e viceversa.

Il ciclo di Carnot è un ciclo termodinamico ideale che rappresenta il massimo rendimento possibile per un processo di conversione di calore in lavoro. È composto da quattro fasi: espansione isoterma, espansione adiabatica, compressione isoterma e compressione adiabatica. In pratica, nessun ciclo reale riesce a raggiungere l'efficienza del ciclo di Carnot.

L'obiettivo principale è quello di trovare un fluido di lavoro che possa realizzare il ciclo di Carnot in modo semplice. Tuttavia, non esiste un fluido che possa farlo con componenti semplici. Quindi, bisogna abbandonare il ciclo di Carnot e passare al ciclo Rankine inverso.

Un fluido refrigerante deve avere una pressione di vapore adeguata durante l'evaporazione e la condensazione, non deve essere troppo alta (Pmax non può essere a mille bar) e deve essere superiore alla pressione ambientale. Deve anche essere non tossico, non infiammabile e ambientalmente compatibile.

I clorofluorocarburi (CFC), noti anche come Freon, erano i fluidi refrigeranti utilizzati inizialmente, ma sono stati banditi a causa del loro impatto dannoso sullo strato di ozono atmosferico. Il loro ODP (Ozone Depletion Potential) elevato contribuisce al degrado dell'ozono.

Il costo di un kilowattora (kWh) prodotto da un impianto è determinato dal rapporto tra i costi sostenuti per la produzione e il numero di kilowatt prodotti. Ad esempio, in una centrale nucleare, il costo di produzione di un kWh è influenzato dalla tecnologia utilizzata nell'impianto.

La temperatura massima del vapore raggiungibile nell'impianto che utilizza il ciclo Rankine. Si tratta di una temperatura di riferimento importante per capire l'efficienza del ciclo.

Il costo del denaro è la percentuale di interesse che ci si aspetta di ricevere per il capitale investito. In altre parole, è il costo opportunità del denaro. Ad esempio, se investo €1000 oggi, tra un anno mi aspetto di avere più di €1000, a causa del costo del denaro.

Il costo del kilowattora di una centrale può variare in base a diversi fattori, come il capitale investito, l'utilizzo di un finanziamento, il paese di installazione, la regolamentazione fiscale e il costo della manodopera. Una centrale realizzata con capitale proprio avrà un costo del kilowattora diverso rispetto a una centrale realizzata con un prestito da un istituto di credito.

Spesso per valutare il costo del kilowattora viene utilizzato il concetto di ammortamento. Questo significa che il costo totale dell'investimento (ad esempio, la costruzione di una centrale) viene ripartito su un periodo di tempo, solitamente molti anni. L'ammortamento permette di calcolare un costo unitario, come quello del kilowattora, in modo più realistico. Questo processo di ammortamento è simile a quello utilizzato per calcolare il costo di un prestito a lungo termine o di un mutuo.

Il costo del kilowattora di una centrale elettrica non può essere calcolato semplicemente dividendo il costo totale dell'investimento per la quantità totale di energia prodotta. Bisogna tenere conto di diversi parametri, come l'ammortamento del capitale investito, il costo del denaro e il periodo di ammortamento (che in realtà è molto lungo, spesso decine di anni). Per questo è necessario utilizzare strumenti di matematica finanziaria per calcolare il costo unitario del kilowattora.

I rendimenti dei sistemi di cogenerazione ad alto rendimento sono regolati e definiti da decreti legislativi. Questi decreti specificano le condizioni minime per qualificarsi come cogenerazione ad alto rendimento, come la produzione di energia elettrica e il rendimento di primo principio. L'energia elettrica prodotta deve superare una certa soglia (PES) e il rendimento di primo principio deve soddisfare determinati requisiti. La cogenerazione ad alto rendimento è una forma di produzione di energia efficiente e sostenibile.