Riassunto Usato per Dopo Cicli a Gas PDF

MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI Quadro energetico globale 2020 fine delle slide). energia primaria fosse possibile catturarla da un fulmine (non si sa dove sono e sarebbe difficile accumulare istantaneamente una tale Fonti non rinnovabili: combustibili fossili, petrolio, gas naturale, carbone. Non sono rinnovabili perché, una volta finite, non ci sono più: si rigenerano molto lentamente rispetto a quelle rinnovabili, perciò una volta esaurite non sono più disponibili in tempi brevi. Infatti, questo è un concetto relativo: se gli si dà tempo qualche decina di miliardi di anni, ia nucleare per fusione, ma questa non è ancora oggetto di impianti realizzati (rientrerebbe nelle rinnovabili, ma appunto non esistono ancora). Fonti rinnovabili: sono quelle sempre disponibili e lo sono perché nella stragrande maggioranza sono direttamen ogni giorno che c'è): - temperature e quindi densità d - L'energia solare: tutte le mattine il sole sorge, quindi l'energia solare si rinnova ogni giorno. - L'energia idraulica dipende dal sole anche se non su scala giornaliera, ma su scala stagionale: l'energia idraulica è quella che viene tipicamente ricavata dalle turbine idrauliche (sui crinali delle montagne ci sono delle condotte forzate che conducono l'acqua raccolta su una diga a monte, che va poi a muovere delle turbine). Questa energia è di tipo dighe che poi in primavera scende a valle. - Le biomasse dipendono dal sole, sono tutto ciò che è la legna, o che cresce grazie alla fotosintesi clorofilliana; è alimentata dalla luce solare e viene utilizzata per scaldare per esempio stufe a pellet, sistemi di riscaldamento o impianti che producono energia elettrica al posto del carbone (combustibile alternativo). Anche le biomasse hanno un andamento stagionale. - L'energia geotermica, invece, non dipende dal sole, ma dal fatto che il nucleo della terra è caldo e quindi ci sono certe zone del Pianeta favorite in cui questo calore esce più facilmente, ad esempio le zone termali (alcuni elementi radioattivi interni al nucleo, al mantello e alla crosta della Terra rilasciano fuoriuscire dalla superficie in modo spontaneo). Normalmente, anche trivellando la temperatura sale, ma con gradienti troppo bassi (30-40 gradi al chilometro). Per raggiungere temperature elevate bisogna scavare parecchio, o appunto avere zone vulcaniche. Tutta questa energia è gratuita e rinnovabile ma non è infinita. - ione della luna alla terra (le maree dipendono da quello); la marea sale per attrazione della luna e in questo caso si sfrutta il gradiente di diga e quando scende la marea si recupera l'energia. Ci sono varie tecnologie, con cui tuttavia si fa pochissimo uso. In conclusione, la vera energia rinnovabile e l'idraulica, seguita dal solare e dall'eolico; la marea è quella meno utilizzata perché ci sono pochi impianti. La preferenza spontanea è quella di gradire di più le fonti rinnovabili, perché al di là degli aspetti ambientali, avere qualcosa che si rinnova è meglio che esaurire qualcosa di non rinnovabile. Si pensa quindi che l'impiego delle risorse rinnovabi dell'energia viene fatta con le fonti fossili; quindi, delle rinnovabili di cui si parla molto per aspetti positivi, si fa uso in una frazione non infinitesima, ma certamente più limitata rispetto alle non rinnovabili. La ragione di tutto questo è prevalentemente economica, semplicemente perché le fonti non rinnovabili costano molto meno rispetto a quelle rinnovabili. La fonte in sé è gratis, ma, se si valuta il costo (ad esempio del chilowattora elettrico prodotto da un impianto solare rispetto ad un impianto eolico, rispetto al costo del chilowattora di un impianto a carbone), anche se il carbone ha un costo e il sole no, tutto il resto, cioè l'impianto, che incide sul costo del chilowattora, fa sì che un impianto a fonti fossili sia generalmente molto più vantaggioso rispetto a quello a fonti rinnovabili. Non bisogna considerare solo la fonte, ma tutto il sistema (considerare anche l'impianto, che risulta più costoso nel caso di fonti rinnovabili). Esistono sono due modalità di utilizzo di questa energia: uso finale diretto: si può usare questa energia in ambito residenziale, trasporti, processi industriali (si usa l'energia primaria); conversione in energia elettrica, che poi a sua volta può essere applicata negli ambiti precedenti (conversione C'è un indicatore, chiamato penetrazione elettrica rispe ha un significato legato a livello di sviluppo di un Paese: più è alta la penetrazione elettrica, più il Paese è avanzato (ad esempio, negli anni 70 questa penetrazione elettrica era il 20%, mentre oggi è oltre il 40%). Ciò significa che quando si usa più energia elettrica c'è più tecnologia: si pensi, per esempio, gli elettrodomestici, il condizionamento dei locali (raffrescamento elettrico), il riscaldamento (pompe di calore), le auto elettriche (dovremo attendere anni finché ci sia qualche risultato importante, ma è tutta una progressione verso un maggior sviluppo delle tecnologie). Questa penetrazione elettrica indica la strada verso lo sviluppo di una società; si possono valutare vari Paesi del Pianeta anche sulla base di questo parametro, per stabilirne il livello di sviluppo. Sull'energia ci sono molte unità di misura, tutte ovviamente tra loro commensurabili facendo delle opportune trasformazioni. L'unità di misura dell'energia nel sistema internazionale è il joule, ma per ragioni storiche per in certi ambiti si usano altre unità, ma anche per ragioni di facilità di manovrazione di cifre molto elevate. Monitorare il consumo di energia a livello globale in joule risulterebbe un numero troppo elevato, quindi si usano, ad esempio, le tonnellate equivalenti di petrolio (TEP); si tratta calore generato dalla combustione di una tonnellata di petrolio. È un valore finito che si può misurare in joule, ma anche in calorie, o in chilowattora. Tutte queste unità di misura possono creare confusione, ma ogni ambito storicamente ne ha una propria (quando si parla, per esempio di energia dei cibi, si utilizzano le kcal, mentre nell'ambito dell'energia elettrica, l'unità di misura è il chilowattora). Ci sono anche delle unità di misura che dipendono dal paese in cui si utilizza: ad esempio, nel Regno Unito, si utilizzano le TPU. QUANTA ENERGIA PRIMARIA CONSUMIAMO NEL MONDO? I dati, raccolti relativamente all'ultimo anno, dicono che siamo a 14 miliardi di misura del sistema internazionale, sarebbero 583,9 exajoule (un exajoule corrisponde a 1018 joule). Questi 14 miliardi di TEP si vede come sono distribuiti dal grafico. Non in tutto il mondo c'è una distribuzione uniforme dei consumi di energia. La mappa, a seconda dei colori, individua le tonnellate pro-capite di petrolio consumate, equivalenti quindi al consumo pro-capite di energia. Ci sono dei chiari- scuri in questa mappa, proprio perché c'è un disequilibrio tra il consumo di energia Italia circa 3 TEP), ma ci sono alcune zone molto più sfavorite, in particolare quelle dell'Africa. Alcune di queste colorazioni dipendono anche dalle condizioni geografiche: nei Paesi nordici, dove fa molto freddo, viene richiesto un elevato consumo per il riscaldamento; però, al netto di tutto questo, si può dire che il consumo di energia pro capite può essere anche visto come uno di quei parametri che definiscono il livello di sviluppo economico e sociale di un Paese (come lo è il Pil): dove si consuma più energia si sta meglio. È interessante notare che i Paesi in cui si utilizza poca energia sono correlati ad alcuni indicatori del livello di sviluppo di un Paese: ad esempio, dai grafici risulta che per quanto riguarda la fertilità (numero di nati vivi per femmina), nei Paesi dove si consuma poca energia, ovvero i Paesi in via di sviluppo, le famiglie sono molto più numerose e questo è successo anche da noi anni fa. Questo è correlabile con l'energia, nel senso che una volta si consumava meno energia si avevano più figli; ora, nelle società in cui si consuma più energia, si tende ad avere meno figli. Inoltre, nei Paesi dove si consuma a è un aspetto importante e l'accesso ad essa per tutti è un problema sociale, è un obiettivo anche della nostra epoca. Tutto questo, tuttavia, ha delle implicazioni: aumentare il consumo di energia in modo da consentire a tutti di avere un livello di 1-2 TEP all'anno, significa incrementare i consumi di energia e questo può comportare problemi sia a livello di approvvigionamento che a livello ambientale. Per quanto riguarda i consumi globali di energia primaria, dal grafico a sinistra si può vedere l'andamento negli anni (dal 1994 fino all'anno scorso), delle diverse fonti: petrolio, gas, carbone, energia nucleare, idro elettrica, altre rinnovabili. Si può vedere che, storicamente, il trend non sembra arrestarsi: Il grosso dei consumi di energia sono le fonti fossili. Si può notare una discontinuità nel 2009 nel primo grafico, che è relativa all'energia nucleare, perché nel 2009 c'è stato l'incidente in Giappone e quindi sono stati bloccati un po' di impianti nucleari che adesso stanno riprendendo. Le fonti fossili fanno la parte principale e c'è buona ragione di ipotizzare che si andrà avanti così per diversi anni a discapito delle fonti rinnovabili (ci sono tanti buoni propositi a volte messi in atto ma è difficile scalzare le fonti fossili dalla posizione dominante che hanno assunto e che continuano ad avere per ragioni economiche). Anche dal grafico a torta si può vedere la parte finale di questo grafico, cioè all'anno 2019: carbone, gas e petrolio fanno insieme le 84,3% del totale. Questo consumo di fonti fossili sta percentuale all'anno. lle tipologie di energia consumate in relazione alle diverse zone del mondo (America, Europa, Russia, Africa, Medio Oriente, Asia). Quello che si nota è che le rinnovabili, che occupano una fascia già limitata, sono presenti soprattutto in Europa e negli Stati Uniti, mentre le fonti fossili (ad esempio il carbone) sono utilizzate nei Paesi in forte crescita. Questo è naturale: le fonti rinnovabili sono costose e quindi vengono utilizzate nelle zone del mondo che hanno raggiunto un livello alto di sviluppo e cercano di sostituire, per ragioni ambientali, le fonti fossili con le rinnovabili, attraverso politiche di incentivazione; invece, i Paesi in forte crescita non si possono permettere queste tecnologie, quindi sfruttano in maniera più massiva le fonti fossili. Questo auspicato incremento di consumi di energia che rende le condizioni di vita più agevoli anche nelle parti del mondo in cui queste condizioni non sono raggiunte, nello scenario attuale non può che essere ottenuto con fonti di energia primaria poco costose (non è possibile concepire un ampio sviluppo e consumo di energia basato solo sulle rinnovabili) perché questo ha delle complicanze soprattutto di tipo ambientale. Di seguito si vede, a livello mondiale, qual è il mix di fonti utilizzate per produrre energia elettrica, ovvero l'energia che viene convertita in elettrica. Sono stati riportati due grafici a torta riferiti al 1973 e al 2018; quello che si nota è che anche oggi, come un tempo, i combustibili fossili hanno un ruolo importante nella produzione di energia elettrica (ci sono centrali a carbone, centrali a gas e petrolio che fanno in totale il 64,2%). Quello che si nota, dal confronto col grafico del 1973, è che il consumo di energia elettrica è aumentato (più che quadruplicato), sia perché in generale i consumi di energia elettrica sono aumentati, ma anche perché la penetrazione elettrica aumenta con lo sviluppo dei Paesi. Un'altra cosa che si nota è che l'energia nucleare nel 1973 era agli albori ed è cresciuta fino al 10%, meno di quello che ci si poteva aspettare, vista la potenza di dente di Chernobyl, che ha influenzato la crescita del nucleare). È un peccato, perché è una fonte di energia valida a livello ambientale, a differenza dei combustibili fossili (inquinamento dell'aria). Inoltre, l'uso del petrolio, che era ampiamente usato qualche decennio fa anche per gli impianti fetta rilevante del totale, ma viene utilizzato soprattutto nel mercato dei carburanti. Il grafico sulla sinistra dettaglia meglio i consumi di energia elettrica attuali, distinguendo tra carbone, petrolio, gas naturale e fonti rinnovabili nelle varie parti del mondo. Questi valori non vanno imparati a memoria! Il senso di tutto questo è che c'è un'altissima incidenza dei combustibili fossili sia in ambiti energetici generali sia anche per quanto riguarda l'energia elettrica. Le rinnovabili hanno ancora un ruolo, tutto sommato, limitato e soprattutto sono inseriti numeri che hanno una loro utilità solo in zone del mondo CONCLUSIONI PARZIALI I combustibili fossili sono attualmente la principale fonte di energia del Pianeta, proprio per ragioni economiche (ci sono diverse teorie complottistiche: è vero che ci sono le multinazionali che vogliono vendere petrolio e gas, ma è vero anche che al momento non ci sono alternative che possono attaccare questa egemonia, tanto è vero che, dove ci sono le rinnovabili, ci sono sempre degli incentivi che servono affinché questo gap di costi tra fonti fossili e rinnovabili venga colmato). Questo vale per l'uso dell'energia in generale, per la conversione in energia elettrica e anche per i trasporti; in particolare, per questi ultimi, si parla di mobilità elettrica e di idrogeno, ma sono percorsi lunghi e al momento nei trasporti non c'è ancora una valida alternativa ai carburanti tradizionali. Per il riscaldamento, il metano è un ottimo vettore energetico per gli usi civili, anche se ci sono delle alternative. Quindi, in generale, il motivo per cui abbiamo visto questi numeri così sbilanciati verso l'uso delle dei combustibili fossili è che questi rappresentano la soluzione più economica per la fornitura di energia elettrica. Ora, bisogna valutare: 1. Per quanto tempo ancora i combustibili fossili saranno disponibili? 2. Dove si trovano? 3. Quanto ci costeranno? (quando una cosa si esaurisce, se la domanda è alta e l'offerta è bassa, i prezzi salgono). 4. Il loro impiego è ambientalmente sosteni fonti)? VALUTAZIONE DELLE RISERVE (1) Una riserva è la quantità disponibile di una risorsa. La disponibilità in anni, ovvero per quanti anni si ha a disposizione una fonte, viene definita come il rapporto tra le riserve accertate e il ritmo di estrazione, quindi il consumo annuale di barili: Il problema di questa disponibilità è che è un parametro dinamico, perché sia le riserve accertate che l'estrazione annua sono parametri dinamici: le riserve progressivamente aumentano, perché aumentano le esplorazioni; a sua volta, sarà ridotta per via del coronavirus. Quando viene detto al telegiornale che la riserva di petrolio è di cinquant'anni, si pensa che tra 50 anni il petrolio sia esaurito; in realtà non è così, perché appunto c'è il discorso delle riserve che tenderanno ad essere esplorate e quindi aumenterà il numeratore. Inoltre, le riserve accertate sono definite anche sulla base della possibilità di estrarre petrolio a costi di mercato: normalmente il petrolio viene dichiarato esaurito quando ne rimane ancora più del 60% ancora da estrarre. Quando si arriva ad un certo punto, i costi di estrazione aumentano perché è più difficile andare a estrarre petrolio quando il giacimento va verso l'esaurimento. Con il costo attuale del petrolio, ovvero 40 $ al barile, le riserve accertate, cioè quelle che ha senso estrarre, si riducono ulteriormente, perché si va a prendere il petrolio che è facilmente estraibile. Il senso di questo triangolo è che nei vari giacimenti di petrolio si va a estrarre la quota più semplicemente estraibile, mentre tutto il resto (tutto quello che è nelle sabbie o in altri composti difficilmente trattabili) viene al momento lasciato dove è; quindi non va a rappresentare le riserve accertate (il numeratore). Queste riserve possono aumentare per due motivi principali. Uno è perché migliora la tecnologia e si può estrarre petrolio (quantità che prima non venivano considerate) quando l'offerta diminuisce (e, di conseguenza, sale il prezzo); in questo caso, quindi, diventa più conveniente andare a esplorare zone dei giacimenti più difficilmente raggiungibili. Il secondo motivo è il seguente: guardando l'andamento nella storia delle fonti fossili, se si guarda la disponibilità in anni nel corso degli ultimi 30-40 anni (grafico accanto), si vede che il petrolio, che negli anni 80 aveva una disponibilità di 30- 40 anni, ha avuto un andamento crescente: questo perché venivano continuamente migliorate le tecnologie di estrazione e le estrazioni hanno aumentato il numeratore. Fatta questa premessa, si possono stimare quindi le prospettive: per il petrolio e per il gas naturale sono cinquant'anni, mentre per il carbone, che ha una maggiore disponibilità nel sottosuolo e una minore quantità estratta, sono 132 anni (entrambi i termini della frazione permettono di tenere il rapporto elevato). Non ci troviamo dunque in una fase di ansia da esaurimento di fonti fossili; è sicuramente un problema di cui ci si deve preoccupare in quanto non rinnovabili, ma loro esaurimento è ancora lontano. UBICAZIONE DEI COMBUSTIBILI FOSSILI (2) Un altro aspetto cruciale relativo ai combustibili fossili è la loro ubicazione, cioè dove si trovano. È noto che il petrolio si fatto che ci sia sempre così tanta tensione nei Paesi del Medio Oriente è legato al fatto che ci sono queste riserve di il mondo: il fatto che le maggiori riserve di petrolio siano in Medio Oriente crea questa zona particolarmente critica (instabilità politica). COSTO DEI COMBUSTIBILI FOSSILI (3) Il seguente grafico rappresenta l'andamento del prezzo del petrolio dal 1860 fino al 2019. Si tratta di costi attualizzati e ciò che si nota è un andamento molto capriccioso con dei picchi, che si è mantenuto costante fino agli anni 70 con prezzi molto bassi, tanto è vero che allora non era percepito il problema energetico (non si pensava che il petrolio potesse esaurirsi). Poi, lo scenario è cambiato, perché c'è stata a inizio anni 70 la guerra del Kippur, e nel 79 la rivoluzione iraniana. Questi eventi hanno comportato una riduzione quasi istantanea della fornitura di petrolio (l'offerta è diminuita la domanda era alta, quindi ci sono stati dei picchi nei costi del petrolio); quello che sembrava essere un combustibile che poco preoccupava, ha fatto emergere una serie di problemi legati alle zone particolarmente delicate in cui si trova. Questa instabilità ha avuto delle conseguenze importanti sul prezzo del petrolio, anche sui Paesi occidentali. Da questo momento è iniziato a pensare ad altre fonti (oltre al petrolio) è la questione ambientale.) Quello che è successo negli anni 70 si è riproposto anche in anni più recenti (crisi del Golfo degli anni 90 e invasione del Kuwait da parte dell'Iraq e questo ha bloccato la produzione di quella zona; Inoltre Bush figlio ha fatto un ulteriore petrolio non scendesse più, in cui tutti gli economisti avevano previsto prezzi alti del petrolio, ma sono stati smentiti (è perché gli equilibri tra domanda e offerta sono instabili, ma anche perché le quantità di petrolio scambiate a livello mondiale legate ai mercati finanziari sono molto più elevate rispetto a quelle fisiche (per esempio, il petrolio è presente nei prodotti derivati). Il prezzo del petrolio è molto legato alla finanza, dunque è molto difficile determinarlo e non ci si può basare su soli ragionamenti di domanda e offerta. Su una prospettiva di lungo termine, essendo una fonte esauribile, i prezzi sono destinati a salire, in quanto la domanda rimarrà alta, mentre l'offerta scenderà. 100 $ al barile corrisponde a 17 $ al giga joule (40 $ al barile, quindi 7 $ al giga joule). Il petrolio ha un mercato principalmente legato agli idrocarburi e ai trasporti. Il gas naturale invece ha delle applicazioni più ampie (industria, energia elettrica, residenziale); si può vedere dal grafico che ci sono diverse curve di andamento del gas negli ultimi vent'anni; ci sono diverse curve perché rappresentano i diversi mercati del gas. Quello che è successo recentemente (circa nel 2015) è che negli Stati Uniti hanno sfruttato una nuova tecnologia che di estrazione del gas dalle questa tecnologia di estrazione non c'è bisogno di andare a scavare, mentre normalmente il gas viene estratto da giacimento). Questo spiega l'andamento del gas negli Stati Uniti, che ha avuto una drastica riduzione (la tecnologia ha permesso di ottenere gas a prezzi a costi più bassi); di conseguenza, anche i prezzi degli altri Paesi hanno seguito questo andamento. Il gas oggi costa 6-7 $ al MBtu (circa un giga joule). Ad oggi, con circa 6 $ al giga joule si ha un prezzo confrontabile con quello del petrolio adesso (non sempre è così, tutto dipende dalla situazione del momento). Il carbone è il combustibile un po' più economico e anche il meno critico perché e distribuito in maniera un po' più uniforme sul Pianeta. Il grafico rappresenta l'andamento dei vari mercati del carbone a livello mondiale negli anni. Se si considera un costo medio di 80 $ a tonnellata, ed un potere calorifico del carbone, il prezzo del carbone va ad attestarsi intorno ai 3-4 $ al gigajoule. In generale, il petrolio costa più del gas, che a sua volta costa più del carbone. Il carbone è il più economico ed è il più utilizzato nei paesi in via di sviluppo. IMPATTO AMBIENTALE COMBUSTIBILI FOSSILI (4) mi anni. È quello che fa spingere verso fonti di energia che hanno un impatto minore. I combustibili fossili hanno un forte impatto ambientale: essi vengono bruciati per produrre calore (il carbone si brucia per fare calore, il petrolio declinato nelle forme di gasolio o benzina viene bruciato nel motore, il gas viene bruciato nella caldaia). Se si prende un combustibile fossile si ha un idrocarburo, in generale costituito da atomi di carbonio e atomi di idrogeno; quando lo si utilizza, questo viene bruciato. La combustione è una reazione chimica fatta in aria aperta (ossigeno e azoto): dove: (n+ )(O2+3.76N2 Cm,Hm =idrocarburo L'impatto ambientale dipende dai prodotti di combustione. Ci sono due aspetti legati all'inquinamento: Inquinamento locale: è dovuto a delle sostanze nocive che vengono prodotte durante la combustione che non fanno parte della reazione stechiometrica (in una reazione stechiometrica ideale, il carbone, reagendo con l'ossigeno, diventa anidride intermedie. Se la reazione è solo quella stechiometrica, non ci sono danni all'ambiente. Le città sono inquinate perché questa reazione stechiometrica è solo una rappresentazione ideale di ciò che succede; in realtà ci sono tante reazioni intermedie che provocano la generazione di altre sostanze che sono indicate con la doppia x. Questi sono inquinanti che si generano e si trovano poi nel camino della centrale, nel tubo di scappamento di con il ristagnamento. Inquinamento globale riscaldamento del Pianeta; non è dannosa per la salute ma ha un effetto sul Pianeta. Sono entrambi aspetti molto importanti ma distinti tra loro; non è da ritenere che la CO2 sia inquinante nel termine degli inquinanti locali. Per contenere questi ultimi si utilizzano delle normative che tendono a limitare queste emissioni. Un all'euro 6). Bisogna anche sfatare il mito che le città sono sempre più inquinate: le città, grazie a questi strumenti di abbattimento delle emissioni, sono ancora inquinate, ma lo sono sempre di meno. Il primo grafico è relativo agli inquinanti del PM-10, il particolato emesso dalle automobili. Se viene superato un limite per cinque giorni di fila si determina il blocco del traffico. normative fanno sì che le emissioni locali vengano molto limitate e lo si vede inquinamento nelle città c'è ed è un problema, ma se si vuole andare verso la sostenibilità e salute bisogna investire in tutte queste tecnologie che costano. L'effetto di questi interventi è una linea di tendenza che ha portato dal 2000 al 2018 ad una riduzione del PM-10 da 50 a 40 microgrammi/metro cubo nelle automobili; lo stesso vale per gli impianti che producono energia: per quanto riguarda gli impianti a carbone (vedi secondo grafico) una volta non c'era una certa attenzione all'inquinamento, quindi sostanze come SX, ONX e la polvere prodotta dagli impianti erano a livelli molto elevati. quando parte una normativa ci si deve adeguare. Questo spiega perché è più facile ridurre l'inquinamento emesso dagli impianti rispetto all'inquinamento relativo alle città (in questo ultimo caso ci vuole tempo affinché il parco di veicoli venga sostituito). L'età media di un veicolo che circola sulle strade è dieci anni, appunto perché il ricambio richiede tempo. Effetto serra Un altro aspetto molto delicato della combustione dei combustibili fossili è la generazione di anidride carbonica. I combustibili fossili contengono carbonio, il L'effetto serra è un fenomeno che si può apprezzare quando si lascia la macchina al sole d'estate: se fuori ci sono 30° C, all'interno dell'abitacolo ce ne sono 50° C. La radiazione solare, cioè l'energia che proviene dal sole (la radiazione incidente per sua natura), essendo nello spettro del visibile, è tale da poter passare attraverso i vetri (il vetro è trasparente alla radiazione incidente, che quindi entra nella vettura attraverso i vetri, portando con sé l'energia). Quando questa energia entra, la temperatura i elementi all'interno dell'abitacolo si scaldano ed emettono una radiazione termica, che invece è nello spettro dell'infrarosso. Il vetro è trasparente alla radiazione incidente nello spettro del visibile, ma è parzialmente opaco a quella nello spettro dell'infrarosso. Dato che entra energia, ma questa ha difficoltà ad uscire, per o spiega perché c'è una differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno. A livello globale, i gas serra, ovvero la CO2, vanno a depositarsi negli strati alti dell'atmosfera (troposfera) e determinano un fenomeno analogo: si crea una sorta di cappotto esterno intorno alla terra che la coibenta e fa sì che la temperatura sia mediamente intorno a 15° C, diversamente da altri pianeti, che non hanno la troposfera, per cui la temperatura risulta inferiore. Di per sé l'effetto serra è un fenomeno utile, se non vitale, ma quando è troppo è troppo. L'importante è che venga mantenuto l'equilibrio: lo strato di gas serra non si deve ispessire eccessivamente, perché genera un aumento della temperatura, che è proprio il fenomeno dell'effetto serra. Su questo ci sono dibattiti, discussioni e proteste: è utile distinguere tra quali sono i fatti e le opinioni. Non è in discussione il fatto che La CO2 sia un gas serra: l'effetto che fa quando va a depositarsi nella troposfera è proprio quello di determinare il fenomeno dell'effetto serra. Un altro fatto non discutibile si nota dal grafico: se si va ad analizzare l'andamento della concentrazione della CO2 nei secoli, anzi, nei milioni di anni antecedenti alla nostra era, si vede che la concentrazione ha avuto un andamento più o meno costante, variabile in un intervallo che ha una media di 250 parti per milione, fino a un paio di secoli fa, da quando l'uomo ha cominciato a sfruttare massicciamente combustibili fossili, bruciandoli e determinando gli effetti in atmosfera che sono in continua crescita. Questi effetti hanno raggiunto una soglia elevata rispetto alla media dei millenni precedenti di 400 parti per milione. Non è in discussione il fatto che, negli ultimi 200 anni, a causa del massiccio uso di combustibili fossili, la CO2 sia aumentata in atmosfera. Come hanno fatto a anni passati (perché per misurarla al giorno d'oggi ci sono delle stazioni di misura)? È possibile misurare la concentrazione di CO2 negli anni passati facendo dei carotaggi su ghiacciai e analizzando la composizione dell'aria intrappolata nel do di correlare, a seconda della profondità del carotaggio, l'epoca in cui si è formato il ghiacciaio: più si va a fondo, più si va indietro nel tempo. Quando si forma ghiaccio sullo strato superficiale, l'acqua gela e contiene all'interno delle goccioline cciaio; in questo modo, si riesce a risalire a questa composizione. Anche questo grafico è andato non risulta discutibile. L'ultimo aspetto numerico che si può osservare è che, allo stesso tempo, facendo riferimento agli ultimi 200 anni, si evidenzia che c'è stato anche un graduale aumento delle temperature; si osserva che, con questo aumento di CO2, contestualmente si è avuto un aumento di temperatura di qualche decina di grado. Al di là di questo grafico, ci sono delle evidenze di alcuni cambiamenti climatici in atto, ad esempio lo scioglimento dei ghiacciai. Anche questo, è un fatto difficilmente contestabile. Quello che non si può concludere da tutte queste osservazioni, almeno da un punto di vista scientifico-logico, è che questi due fenomeni siano correlati. C'è il cambiamento climatico, c'è l'aumento della CO2, ma non è possibile dimostrare che ci sia una correlazione tra le due cose, anche se la CO due è un gas serra. L'opinione dominante nella comunità scientifica è che esista una correlazione tra questi due fenomeni e anche le scelte sulla politica energetica sono rivolte a un contenimento delle emissioni CO2. In generale male non fa, è una misura precauzionale al peggio, sebbene non sia tutto dimostrabile che queste 400 parti per milione, che attualmente rappresentano la concentrazione di CO2 in ambiente, siano la causa del cambiamento climatico. Introdurre misure per il contenimento della CO2, inoltre, significa introdurre dei costi: ad esempio, nella generazione dell'energia elettrica, ovvero passare a fronti che costano di più (rinnovabili), operare delle misure tecnologiche su impianti legati al contenimento della CO2 comporta dei costi aggiuntivi. A livello planetario la direzione è quella di incentivare le tecnologie che portino ad una riduzione della CO2. Ci sono anche delle voci fuori dal coro che ritengono che questo non sia necessario o logico (ritenere che la CO due sia responsabile il cambiamento climatico), vedi per esempio grafico a destra. Il principale argomento contro la correlazione tra aumento di CO2 e temperatura viene da questo grafico: qui si vede l'aumento della temperatura nella storia fino a 10.000 anni fa: ha una media di 15°, però ha oscillato parecchio. Infatti, ci sono state delle glaciazioni, climi molto più miti di quelli di oggi; queste forti variazioni climatiche sono avvenute in corrispondenza di valori di CO2 che si mantenevano nel passato a valori mediamente costanti, perciò sembrerebbe che le variazioni climatiche siano indipendenti della CO2, ma che siano ad altri fenomeni, ad esempio le macchie solari. Per questo motivo, il tema è abbastanza dibattuto. Infine, essendo un problema globale, qualsiasi decisione in merito alle strategie di contenimento della CO2 risulta efficace solo se condivisa su base planetaria, altrimenti gli sforzi (soprattutto quelli economici) possono risultare vani. Inoltre, la CO2 emessa i stata altalenante con diversi presidenti, quindi si tratta di una questione anche politica. Se si decide di ridurre le emissioni di CO2 di un impianto, bisogna complicarlo, soprattutto se si vuole utilizzare una tecnologia, proposta recentemente, di elettrico, alimentato con combustibili fossili. Questi emettono la CO2 a camino; se, invece, si vuole depurare questi gas dalla CO2 in essa contenute, bisogna per esempio avere un sistema in cui la CO2 viene sequestrata dai fumi; successivamente, la bisogna mettere da qualche parte (si possono usare dei giacimenti esausti di carbone o di olio, oppure buttarla nel sottosuolo, per esempio sotto gli oceani); tutto questo comporta dei costi aggiuntivi. La Co2 viene sequestrata con apposite tecnologie (per esempio dai fumi); questa viene poi trasportata con camion, cisterne, tubazioni, ecc. e iniettata in un sito di confinamento, detto trappola ecologica) che possa contenerla per centinaia di anni. Il sito più utilizzato è il giacimento di idrocarburi esaurito o una formazione poroso a permeabile, saturata con acqua salata, detta acquifero. per le generazioni future. Due critiche economico-strategiche: 1. petrolio, ma non per il carbone). 2. nomia a rischi molto elevati. Due grandi critiche ambientali: 1. 2. Dalla loro combustione, si origina anidride carbonica, che è un gas clima-alterante: si teme, perciò, per il clima del Pianeta. Le alternative ai combustibili fossili sono le seguenti. Per la produzione di energia elettrica, le alternative sono il nucleare, le rinnovabili o i emissione di CO2 riguarda i trasporti, in cui dominano gli idrocarburi: bisogna limitare queste missioni di CO2 e passare a vettori energetici più puli energetica. ENERGIA NUCLEARE L'energia nucleare non emette CO2. Essa deriva da materiali fissili: questi, se vengono bombardati con un protone, si scindono in parti che vengono accelerate a velocità molto elevate. L'energia cinetica di questi prodotti di fissione viene recuperata sot si scinde, liberando energia cinetica che viene recuperata sotto forma di calore. Tutto questo è ciò che ha dimostrato Fermi quando, nel progetto Manhattan, ha realizzato la prima reazione catena, cioè un sistema che si auto-alimentava attraverso questa fissione. Non tutti gli elementi della tavola periodica sono in grado di effettuare questa reazione: si utilizza l'uranio. Questo è disponibile in natura in due isotopi: l'uranio con massa molecolare 235, denominato U235 e quello con massa atomica 238, chiamato U238. Siccome in natura il 59% dell'uranio è il 238 (e che questo isotopo ha una maggiore probabilità di catturare neutroni, che vengono bombardati in una reazione di fissione), si fa il processo di arricchimento (con delle centrifughe): si cerca di arricchire l'uranio aumentando rapporto 235, ottenendo così il materiale lla fissione è calore, perché l'energia cinetica di questi prodotti della fissione viene recuperata sotto forma di calore. Il calore viene poi sfruttato in un impianto a vapore per produrre energia elettrica. Una centrale nucleare è una centrale molto simile ad una a vapore che funziona a carbone in cui, al posto della caldaia, c'è il reattore nucleare. Il vantaggio di usare elemento fissile come l'uranio rispetto al carbone o il petrolio è che il potere calorifico del combustibile fissile è molto più elevato, milioni di volte superiore rispetto a quello del petrolio (8,4x10^13 J/kg, cioè circa 2 milioni di volte superiore): basta poco per produrre molto calore e molta energia elettrica. Questa tecnologia è ampiamente sfruttata e con questa si producono circa il 10% dell'energia elettrica mondiale. ricorda che nel 2011 c'è stata una diminuzione nella zona asiatica per via dell'incidente di Fukushima, ma questa è stata già recuperata. Ora si usa solo la fissione, ma si parla per il futuro della fusione nucleare: questa usa altri elementi, usa una reazione di deuterio e elio e una quantità di calore ancora più elevata rispetto a quella della fissione. Il problema di questa reazione è che avviene a temperature di dieci milioni di gradi, forse anche di più, e quindi, a livello tecnologico non si è ancora riusciti ad averla in modo controllato. Ci sono tecnologie basate sul confinamento in campi magnetici, perché temperature così elevate non possono essere lette dai materiali disponibili, quindi si cerca di confinare questa reazione attraverso dei campi magnetici molto intensi, che però sono tecnologie oggetto di progetti molto costosi e molto importanti attivi ormai da decenni, ma che al momento non hanno ancora dato dei frutti. Quando si parla, quindi, di energia nucleare, con questo 10% di energia elettrica prodotta si intende la fissione e l'utilizzo dell'uranio come componente fissile, per il quale ci sono riserve stimate di circa 200 anni (se si considera l'uranio disponibile facilmente a costi ragionevoli); se lo si va a cercare dove costa di più, sicuramente queste riserve aumen l'Italia stava avviando un buon percorso sul nucleare, aveva tre impianti, uno di Caorso, ma questo incidente ha comportato delle discussioni. Dopo un referendum, hanno bloccato il nucleare in Italia. C'è stata qualche ondata per riattivarlo, ma sono tutte cose finite nel nulla. La cosa è poco sensata se si pensa che sono presenti centrali nucleari sia in Svizzera che in Cina e in Francia (il 70% dell'energia in Francia prodotta col nucleare); avrebbe avuto senso prendere questa scelta a livello non solo nazionale. L'energia nucleare, se tutto va bene, ha un impatto ambientale nullo, in quanto è tutto confinato all'interno del reattore e non ci sono emissioni di CO2. Inoltre, le zone limitrofe ad una centrale sono abitate e non c'è una maggiore esposizione alle radiazioni. Il pericolo dell'incidente preoccupa, anche se ormai le tecnologie e i reattori sono a sicurezza intrinseca: incidenti come quello di Cernobyl, la cui causa è stata un erroneo tentativo di fare delle prove sul reattore, è difficilmente ripetibile. Il nucleare sarebbe cresciuto di più senza l'incidente di Cernobyl. L'altro aspetto che limita l'utilizzo del nucleare è il rischio della proliferazione, perché, oltre allo sfruttamento dell'energia nucleare a scopi pacifici, il campo dell'energia elettrica lavora anche a scopi militari: molte nazioni hanno armi nucleari che sono basate sulle reazioni che sono appena state descritte. C'è per esempio la bomba a fissione, ma ENERGIA ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI - 2019 rafico rinnovabili sono il 27% per quanto riguarda la produzione di energia elettrica, mentre il 72% riguardano i combustibili fossili e il nucleare. Delle fonti rinnovabil fa circa il 16%, perché è relativo ai grossi impianti idroelettrici con dei costi di produzione del chilowattora che sono confrontabili con quelli delle tecnologie tradizionali. Le altre fonti rinnovabili, soprattutto l'eolico e il aleatorietà. Le fonti tradizionali sono gestibili a discrezione di chi conduce l'impianto (si può andare a massima potenza, a seconda di quanto combustibile viene utilizzato); lo stesso vale per le idroelettrico (vedi parte su crinale della montagna: a seconda di quanto uno apre il rubinetto, si decide di alimentare l'impianto); questo non è possibile né per il solare né per il vento, perché questo dipende dalle condizioni climatiche, che possono fare affidamento sulle previsioni, ma non è possibile regolare un impianto solare eolico, perché questo dipende dalle condizioni del momento. Questo è un aspetto cruciale, che spesso viene lasciato sottotraccia; invece, la regolazione della rete elettrica è fondamentale perché l'energia elettrica ha questo difetto che deve essere consumata in tempo reale. Se la domanda di energia elettrica è di 20 giga watt, la produzione deve eguagliarla (quando accendo la luce, una centrale deve fornirmi quei watt che io sto consumando istantaneamente); dunque, non ci può essere uno squilibrio tra domanda e offerta. Questo problema diventa ancora più grande se non è possibile regolare l'offerta: se non si può controllare la fonte di energia elettrica, perché è aleatoria, la conseguenza dello squilibrio tra domanda e offerta genera un blackout. Quando c'è un aumento improvviso o una riduzione improvvisa della carica elettrica, se il sistema non è in grado di rispondere in tempi molto rapidi, si verifica un blackout. L'ultimo blackout che è successo in Italia è stato una quindicina di anni fa, ed è dovuto ad un incidente ad un traliccio della corrente che porta energia elettrica importata dalla Svizzera; per questioni meteorologiche è stato abbattuto ed è istantaneamente calata l'energia proveniente dalla Svizzera. Non c'è stato il tempo materiale per poter ripristinare questa quantità di potenza, che avrebbe dovuto essere ripristinata da una centrale a disposizione. Questo non è stato possibile per via dell'imprevedibilità di questo evento. Un'elevata incidenza di energia rinnovabile aleatoria può generare un problema di questo tipo: finché questi numeri sono bassi, la cosa viene comunque gestita; tuttavia, quando si vuole promuovere l'uso delle rinnovabili, bisogna anche tener conto di questo aspetto abbastanza delicato. Lo Stato al mondo al momento più green, che mira più di altri a questo sviluppo sostenibile, è la California, che ha adottato dove è molto elevato il consumo di energia elettrica proprio perché le elevate temperature richiedono un elevato consumo di condizionatori, la California ha dovuto staccare e rateizzare l'uso dell'energia elettrica in un Paese così avanzato perché l'alta incidenza del rinnovabile non consentiva, con carichi così elevati, di poter garantire a tutti l'energia ando si pensa di adottare le fonti di energia rinnovabili aleatorie, anche questo aspetto va comunque tenuto in conto. Un altro aspetto che va tenuto in considerazione nelle rinnovabili è l'impatto ambientale, che è potenzialmente molto basso, ma declinato in tutte le sue sfaccettature. Se si parla di inquinamento ambientale come inquinamento dell'aria, un impianto idrico o solare non ha alcun tipo di impatto (dal punto di vista della qualità dell'aria). L'impatto ambientale va visto in senso un po' più lato: per esempio, l'idraulico, che può essere considerata una delle migliori risorse energetiche, non è a impatto nullo: un grosso impianto idrico richiede che il crinale di una montagna venga adibito ad alloggiare questa condotta forzata e richiede delle opere civili importanti in alta quota; tutto questo non è del tutto esente da conseguenze anche importanti, come in caso di incidente: in Italia, negli anni 60, l'impianto del Baion ha provocato 2000 morti per un incidente su un impianto idraulico (un pezzo di montagna caduto in una di queste dighe, l'acqua ha tracimato e ha invaso paesi a valle, coprendoli di fango di acqua). Può essere considerato a impatto nullo un impianto solare fotovoltaico sui tetti di casa, però lo stesso impianto solare, se viene fatto ad esempio in larga scala togliendo spazio ai terreni agricoli, non è più a basso impatto. Lo stesso discorso L'impatto ambientale, quindi, non va visto esclusivamente dal punto di vista delle emissioni di CO2 o di sostanze inquinanti locali, ma è un concetto più ampio che riguarda anche l'utilizzo delle energie rinnovabili. L'energia idroelettrica è utilizzata in maniera massiccia anche in Italia; il boom economico è stato alimentato da questo tipo di energia. In Italia via della piovosità. La crescita degli impianti idraulici in Italia è nulla, per quanto riguarda i grossi impianti, perché la quota disponibile è stata ogni anno ha più nuove centrali, e anche il Brasile sta dando un contributo importante. Le altre due fonti rinnovabili significative, ma che hanno il In particolare, il solare fotovoltaico è quello che si vede spesso sui tetti delle case, con le celle solari che convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica, sfruttando l'effetto fotoelettrico. Era una tecnologia che adesso interesse, ma in passato a partire dagli ultimi 10-15 anni c'è stata una crescita esponenziale, con un incremento annuo importante in molti Stati, anche in Cina. In Italia c'è stata una crescita che è stata incoraggiata da importanti incentivi. Anche l'eolico è cresciuto, non con questa curva esponenziale, ma con una tendenza non trascurabile fino ad avere 651 gigawatt installati. L'eolico sono le turbine eoliche: il vento muove le pale di queste turbine e un generatore all'interno della macchina produce energia elettrica. MIX ENERGETICO PER I PROSSIMI DECENNI Quando si fanno delle previsioni, è facile sbagliare: questo è successo in passato, anche in maniera abbastanza clamorosa. Si cerca di prevedere il futuro sulla base dei dati che si hanno a disposizione; questi ultimi, che servono a capire cosa potrà succedere al mix energetico dei prossimi decenni, sono basati su due considerazioni: 1. La prima è la curva dei consumi di energia primaria che, salvo qualche variazione, vede un trend nel consumo di energia con una quota dei combustibili fossili elevata ed è del tutto ragionevole ritenere che continui anche nei prossimi decenni. Non ci sono avvisaglie su cambiamenti repentini: la quota di rinnovabili è stretta e si sta allargando, ma con un ritmo abbastanza continuo. 2. soddisfano pienamente il loro fabbisogno energetico, ci sono molte zone del mondo che hanno fame di energia; il loro sviluppo richiederà utilizzo di energia. Bisogna che tutti arrivino ad avere almeno un TEP all'anno di energia. Per farlo, l'alternativa più immediata è quella di rifornire di energia ai costi più bassi; le rinnovabili sono più costose e cominciano ad avere un'incidenza solo in Paesi che hanno già raggiunto un certo sviluppo. Nei paesi in via di sviluppo, invece, la crescita energetica sarà sostenuta dalle fonti a basso costo e alto impatto ambientale. Del resto, anche i paesi attualmente sviluppati si sono sviluppati grazie ai combustibili fossili. Tutto questo comporta che (vedi primo grafico), alla data di oggi, nei Paesi sviluppati il consumo di energia non crescerà più, perché ormai si ha una quantità di consumo di energia che è del tutto soddisfacente, anzi potrebbero addirittura diminuire, se si prevede un aumento dell'efficienza energetica. Altri Paesi, come Cina o India, andranno ad aumentare il loro quantitativo di energia consumata. Se si analizza il presente (vedi secondo grafico), la crescita di energia avviene principalmente dai combustibili fossili; questo comporta che le emissioni di CO2, che adesso sono 400 parti per milione, difficilmente potranno decrescere, come rappresentato nel terzo grafico, a meno che non vengano messe in atto dei sistemi per l'abbattimento delle emissioni di CO2, per passare dai combustibili fossili alle rinnovabili (questo però comporta costi). Il problema è abbastanza delicato e quello che si prospetta è un aumento delle emissioni di CO2, cosa che si è verificata da sempre. PERCHÉ SI USANO I COMBUSTIBILI FOSSILI? Ciò che determina l'utilizzo di una tecnologia rispetto a un'altra (combustibili fossili rispetto alle rinnovabili) sono i costi industriali: questi sono a favore delle tecnologie tradizionali. Se si trascurano le conseguenze ambientali, cioè si aggiungono dei costi ambientali che sono di fatto indipendenti dalla scelta di una tecnologia tradizionale o a basso impatto (mi disinteresso del fatto che avrò dei costi derivanti l'inquinamento dell'aria aumenta, per esempio, i costi sanitari), si ottiene il costo totale, che è la somma dei costi ambientali e quelli industriali. Si nota che i costi totali hanno un minimo con le fonti rinnovabili, proprio perché i primi complessivamente costano di meno. Per incentivare invece un mix a più basso impatto, i costi industriali rimangono introduce un sistema di incentivi che tiene conto anche dei costi ambientali, soprattutto nei confronti delle tecnologie tradizionali più che nei confronti di tecnologie a basso impatto (lo si fa direttamente aggiungendo delle tasse su chi utilizza questo tipo di tecnologia, per esempio la carbon tax). Lo si può fare con delle tasse, ma anche con degli incentivi (favorendo per esempio tecnologie rinnovabili). In un contesto del genere, se si conteggiano i costi ambientali, che sono scelte politiche, si può definire la pendenza della curva. Se si vanno a sommare queste curve, il minimo dei costi non è più sbilanciato verso le tecnologie tradizionali, ma è più spostato, grazie al contributo delle politiche incentivanti, verso tecnologie a più basso impatto. In Europa si sta facendo così: è una situazione abbastanza ragionevole e rappresentativa di tutte le politiche energetiche attuali a livello europeo. L'ENERGIA IN ITALIA Nel grafico c'è l'andamento dell'energia primaria in Italia fino all'anno scorso, negli ultimi vent'anni, espresso in MTEP (exajoule). Innanzitutto, si vede che è cambiato negli ultimi anni, seguendo il ciclo economico (l'anno prossimo si abbasserà in quanto il ciclo economico è cambiato per via della emergenza sanitaria). Attualmente siamo a 152 Mega TEP, previsti in ribasso per l'anno prossimo. La composizione del sistema energetico italiano è più o meno simile a quella a livello mondial più gas, mentre il mondo usa più carbone, perché le centrali a gas in Italia sono molto efficienti e basate sul concetto di ciclo combinato); c'è un grosso contributo anche del petrolio, legato ai trasporti. Dal punto di vista dell'energia elettrica, nel 2019 abbiamo circa 320 megawattora; l'Italia ha un mix di produzione nazionale: l'anno scorso è connessa con Paesi vicini dal punto di vista di scambi di energia elettrica, quindi, a seconda delle condizioni di mercato, l'energia elettrica può essere acquistata o venduta con i Paesi confinanti (Slovenia, Svizzera, Francia). La quota importata o esportata dipende dalle condizioni valore varia di anno in anno: normalmente importiamo energia, l'anno arie fonti: e circa un 66-68% di termo elettrica, 15-16% di idraulica e 7-8% di eolico e fotovoltaico. In Italia non c'è il nucleare, scelta un po' singolare perché, se si va a confrontare la produzione in Italia rispetto alla media dell'Unione Europea, si vede che noi produciamo il 66% di termoelettrico e, non avendo il nucleare, compensiamo col termoelettrico quello che in Europa l'eolico. È Per quanto riguarda la potenza (le varie tecnologie), negli anni, si può vedere come sono cresciute nel grafico. L'azzurro è già stato saturato (idroelettrico); negli ultimi anni è cresciuto molto l'eolico, soprattutto il solare; insieme, fanno 30.000 megawatt. L'incidenza del fotovoltaico è inferiore a quella dell'eolico, in quanto non viene sfruttato tutto il giorno. Il termoelettrico è stabile, cresce il rinnovabile ma sono i piccoli impianti fotovoltaici o che crescono, cioè quelli distribuiti sulle case. Ci sono in totale 120 gigawatt installati, quindi molto al di sopra del picco della richiesta che è di circa 58-59 È consumo del condizionamento. Una volta il carico massimo era d'inverno ma ora è nei mesi estivi. Dal grafico del diagramma di carico istantaneo si vede che il carico di energia elettrica istantaneo varia durante la giornata ed è importante che chi produce l'energia faccia in modo che venga seguito. Ci sono delle previsioni sull'andamento del consumo di energia ed è necessario che gli impianti siano gestiti e controllati, in modo tale che istantaneamente venga soddisfatta la domanda energia, altrimenti c'è uno sbilanciamento della rete che può portare anche al caso estremo di un blackout. Qualche numero da ricordare i ergia elettrica consumata nel mondo e in Italia viene generata attraverso impianti che convertono calore in energia elettrica. Il calore viene prodotto dalla combustione di combustibili fossili, in quelli che si chiamano impianti termoelettrici, per il 65%; il restante viene, per il 10%, dagli impianti nucleari e il resto da quelli geotermici. Il quesito termodinamico è il seguente: come avviene la conversione da calore a energia meccanica e, successivamente, zzo un alternatore, ma a noi interessa la prima trasformazione, con i relativi limiti. Negli impianti, si utilizza il ciclo termodinamico: un fluido di lavoro passa attraverso due stadi, in cui cambiano le condizioni termodinamiche (temperatura, pressione, ecc.) tramite componenti di impianto. Questo fluido di lavoro, ltre situazioni, invece, ha delle interazioni meccaniche perché sca quello che conta sono i limiti di queste trasformazioni, da conoscere in modo tale da massimizzare il rendimento, definito come: Nelle condizioni ideali, il rendimento è unitario: tutto il calore che si brucia diventa energia elettrica; nella realtà, questo non è possibile. Ci sono due principi della termodinamica che regolano il mondo in cui siamo immersi. 1. altre forme di esempio, viene buttata nel condensatore. 2. Il secondo principio dice che non tutta l'energia termica può essere trasformata in energia meccanica: c'è quindi un limite termodinamico. Se, per esempio, 100 joule di calore non potranno mai essere trasformati direttamente in 100 joule elettrici, perché una parte la si deve necessariamente scaricare. Questo è un limite (i limiti non sono dimostrati, ma sono evidenti a livello di esperienza). Per esempio, si ha una stufetta elettrica da un chilowattora di resistenza e la si attacca ad una resistenza; se la si fa andare per un'ora, questo kW di potenza produce un chilowattora di energia, e di fatto non si hanno perdite. Quello che dice la termodinamica, nel secondo principio, è che l'operazione inversa non la si può fare: non si può prendere il calore generato nella stanza e fare esattamente il processo inverso, ovvero raffreddare la stanza e convertire questo calore in energia elettrica. Questa operazione viene fatta con un rendimento necessariamente inferiore a uno. L'energia si conserva sempre, ma calore che non convertito in energia elettrica viene scartato. Quindi, si può dire che ci sono più del calore in quanto, questa è trasformabile completamente in calore (se si usa una pompa di calore se ne può ottenere di più senza violare nessun principio di energia perché la restante quota di calore viene presa dall'ambiente); se, invece, si prende il calore e lo si trasforma in energia elettrica, questo non viene totalmente trasformato in energia elettrica, quindi il calore è meno nobile dell'energia elettrica. Per definire questo concetto, viene introdotta una grandezza che si chiama entropia: quando c'è un sistema che si trova ad una certa temperatura, e questa su questo sistema riceve del calore, il sistema subisce una variazione di entropia: Se entra calore, c'è un incremento di entropia, viceversa l'entropia diminuisce. Questo è importante perché i cicli termodinamici vengono definiti sul piano temperatura-entropia. IL CICLO DI CARNOT Alla luce di quello che stiamo facendo, discutere di impianti che producono energia elettrica a partire dal calore, la prima domanda che nasce è: qual è il ciclo termodinamico che ci consente di massimizzare il rendimento? Questo rendimento non sarà mai 1 se si trasforma calore in energia elettrica; quindi, dato che si deve definire un ciclo termodinamico in questa operazione, qual è il ciclo di termodinamico che meglio si presta a questa operazione, cioè che massimizza questo rendimento? Il ciclo termodinamico che permette tutto questo si chiama ciclo di Carnot. Si tratta di un ciclo rettangolare. Questo ciclo termodinamico è a due temperature di riferimento, una temperatura minima Tl e una temperatura massima Th e ed è costituito da due isoterme e due isotopiche. Quando si passa dal punto 2 al punto 3, l'entropia aumenta e ciò significa che si sta dando energia termica al fluido di lavoro. Da 2 a 3 entra del calore; allo stesso modo, da 4 a 1 si riduce entropia quindi sto riducendo calore. Dal punto di vista impiantistico, il Qin è il calore che si trasferisce al fluido di lavoro quando brucia il combustibile (per esempio il carbone nella caldaia) utilizzato per aumentare l'entropia del fluido, facendolo passale passare da 2 a 3. Il calore che entra è maggiore di quello che esce, perché Th > Tl. Si butta dentro una certa quantità di calore, ne viene rilasciata una quantità Qout inferiore e la differenza, dato che l'energia si deve conservare, viene chiamata effetto utile, cioè lavoro che l'impianto produce. Il ciclo prende un Qin, produce una certa quantità di lavoro (che è l'energia elettrica che serve) e rilascia il Qout. A questo punto, si può definire il rendimento del ciclo: Il rendimento di Carnot dipende solo dalla temperatura minima e dalla temperatura massima del ciclo. Il rendimento dice che il ciclo termodinamico rende tanto più alta è la temperatura massima a cui si porta il fluido di lavoro e tanto più bassa la temperatura minima. La temperatura minima, a differenza di quella massima, non si può scegliere in quanto rappresentata dall'ambiente, mentre la massima dipende dalla tecnologia. Questo vale per tutti i tipi di ciclo. L'ideale è conseguire ciclo di Carnot, per cui ci si chiede se nella pratica sia possibile realizzare impianti termoelettrici attraverso tutti i cicli di Carnot. La risposta è no perché, affinché si possa realizzare un ciclo di questo tipo, è necessario trovare un fluido che si comporti in questo modo e che possa avere queste variazioni di temperatura in corrispondenza dei punti giusti; è anche necessario un impianto che abbia dei componenti relativamente semplici e poco numerosi. Quello che si osserva è che questo non è possibile: ad esempio, supponendo di considerare la fase 2-3, si vuole prendere un fluido e dargli calore, ma allo stesso tempo si vuole che rimanga alla stessa temperatura. Normalmente, quando si dà calore ad una sostanza, questo aumenta la propria temperatura; non è sempre così, in quanto per esempio l'acqua, se le si dà calore mentre è in fase di trasformazione in vapore acqueo, essa mantiene la stessa temperatura. In generale, si può comunque concludere che, non è possibile, con fluidi che esistono sulla terra, realizzare in maniera semplice un ciclo di Carnot, che rimane un riferimento teorico. Ora, bisogna scegliere un fluido di lavoro e individuare che tipo di ciclo è possibile realizzare con questo fluido. I fluidi di lavoro sono concettualmente infiniti, ma ovviamente quando si sceglie bisogna considerare opportuni vincoli, per esempio: il fluido di lavoro è ampiamente disponibile; il fluido non è particolarmente costoso e possibilmente non tossico; il fluido non è infiammabile; il fluido non deve generare problemi di effetto serra ozono (deve cioè essere ambientalmente compatibile); il fluido di lavoro è stabile termicamente (nel ciclo si raggiungono temperature molto elevate per massimizzare il rendimento e si deve trovare qualcosa che sia stabile termicamente, ovvero che non si decomponga e che non cambi le sue proprietà termodinamiche). La scelta, quindi, è soggetta a dei vincoli abbastanza importanti. I due fluidi di lavoro che rispondono a queste caratteristiche sono l'acqua e l'aria. Il 98% degli impianti termo elettrici ad aria o acqua, o al limite una combinazione dei due. Tornando il ciclo dà calore questa si scalda e, allo stesso modo, quando si raffredda la temperatura varia; anche l'efficienza sarà inferiore a quella ideale del ciclo di Carnot. CICLO JOULE-BRAYTON Quando si decide di usare come fluido di lavoro l'aria, si usa un altro tipo di ciclo termodinamico che si chiama ciclo Jules-Brayton; sulla base di questo vengono realizzati gli impianti a gas. Con questi impianti si produce energia elettrica in maniera molto diffusa. Il ciclo di Jules-Brayton nel piano TS prevede due isobare: si parte pressione, la si espande in una turbina e si genera lavoro; si ha un certo lavoro di compressione e uno di lavoro di espansione; si hanno inoltre una fase in cui si inserisce calore (aumenta l'entropia) e una fase in cui il calore viene ceduto. Si vede subito che questo tipo di ciclo ha un rendimento inferiore a un ciclo di Carnot che opera tra le stesse temperature minime e massime: se si vuole disegnare un ciclo di Carnot tra la temperatura minima e la temperatura massima si veda area di un ciclo termodinamico corrisponde al lavoro che si estrae. Rispetto a un ciclo di Carnot, si perde tutto una quota di lavoro in alto e in basso; un ciclo a gas quindi è meno efficiente, ma è facile da realizzare e il fluido di lavoro è ampiamente disponibile. Nella pratica, questo ciclo Joule-Brayton viene realizzato con tre componenti: un compressore, un combustore e una turbina. Si alimenta il combustore con gas naturale, che è un combustibile fossile prevalentemente composto da metano; successivamente si comprime l'aria, la si brucia con del metano, quindi l'aria diventa il componente della reazione di combustione (comburente) e l'aria compressa ad alta temperatura si espande sulla turbina producendo lavoro. Per chiudere il ciclo c'è anche la necessità di scaricare il calore Qout, ma è inutile introdurre uno scambiatore, in ma siccome l'aria è disponibile gratuitamente in quantità infinita, la si prende sempre nuova. Questi impianti raggiungono una temperatura massima di 1450 °C e il -42%, inteso proprio come la quantità di energia elettrica che viene convertita a partire dal un certo input termico. CICLO RANKINE L'altro fluido di lavoro utilizzato dagli impianti elettrici è l'acqua; in questo caso si ha il ciclo Rankine che viene utilizzato negli impianti a vapore e queste sono le diffusissime centrali elettriche. Nel piano T-S, quando si usa l'acqua, c'è la curva di saturazione; il ciclo viene costruito intorno alla curva; il più elementare prevede una compressione un riscaldamento dell'acqua fino a diventare vapore e poi il vapore viene espanso in una turbina, e infine c'è un condensatore che fa chiudere il ciclo. Dal punto di vista dei componenti, il ciclo Rankine ha una pompa che comprime da 1 a 2, poi c'è una caldaia che normalmente brucia carbone (in quelle nucleari si usa calore proveniente dalla fissione, però la struttura dell'impianto la stessa). Successivamente c'è la turbina con il suo alternatore e poi, in uscita dalla turbina, c'è il condensatore. La temperatura massima del vapore è di circa 600 °C, difficilmente si sale oltre; è una temperatura molto inferiore rispetto ai 1450 °C dei cicli gas. Qualcuno penserebbe che un ciclo a gas, potendo raggiungere temperature più alte, abbia rendimenti maggiori; in realtà, bisogna anche tenere conto che il ciclo a vapore ha il vantaggio di assomigliare molto di più ciclo di Carnot: infatti, se si disegna il ciclo di Carnot, considerando la stessa molto ad un ciclo di Carnot e quindi è intrinsecamente molto efficiente, molto più di un ciclo gas. Il risultato è che, nella pratica, con un ciclo Rankine che opera a 600 °C, si hanno rendimenti che sono superiori rispetto a quelli del ciclo gas proprio per la sua natura termodinamicamente più efficiente. In generale, il rendimento di un ciclo Rankine è circa del 40-45%. Questa è la tecnologia delle centrali a vapore: sono basate su queste quattro componenti, ma ovviamente l'impianto è più complesso. CICLO COMBINATO -90% dell'energia termoelettrica, è il ciclo combinato, che è la combinazione tra un ciclo di Joule-Brayton e un ciclo Rankine, cioè utilizza due fluidi di lavoro (aria e acqua). L'idea che sta sotto la concezione di questo ciclo combinato è che il ciclo temperature che possono essere intorno ai 600 °C (il calore di scarto è ad elevata temperatura) che può essere recuperato alimentando il ciclo vapore. Anziché avere una caldaia tradizionale del ciclo vapore che brucia carbone, si utilizza come sorgente il calore di scarto di un ciclo a gas; in questo modo, si ottiene una configurazione molto efficiente, dove il ciclo di recupero produce energia elettrica senza bruciare un combustibile, perché utilizza il calore scartato da un altro ciclo Da un punto di vista termodinamico, nel piano T-S si ha in basso il ciclo a vapore e in alto quello JB; il calore del secondo ciclo proviene da Qout del ciclo gas. In uscita dalla turbina i fumi vengono utilizzati e raffreddati per utilizzare il vapore. Il rendimento di questo ciclo supera il 60%, è molto più alto sia di un ciclo R che di un ciclo JB; inoltre, è alimentato con gas naturale in quanto è l'unico combustibile disponibile dal ciclo a gas. Da un punto di vista impiantistico, alla fine ciclo gas, i fumi anziché essere buttati in ambiente vanno nello scambiato condensatore e poi la pompa. L'unico combustibile che entra, quindi, è il gas naturale. Si ha quindi un ciclo a gas tradizionale che scarica i fiumi i 600 °C anziché buttarli via; quindi, questi vengono sfruttati per produrre del vapore, che poi lavora in un tradizionale ciclo a vapore. Ce ne sono diversi di questi impianti (Cassano d'Adda e uno sul Mincio): ne hanno fatti tanti a partire dagli anni 80. Prima dei cicli combinati, l'energia elettrica veniva prodotta su cicli vapore tradizionali, alimentati da vapore. Dagli ultimi 30-40 anni si utilizzano questi cicli combinati che hanno il vantaggio di utilizzare gas naturale, che è un combustibile con basso impatto ambientale e rendimento elevato. Equazioni di conservazione Si definisce un canale di forma e dimensioni generiche, che rappresenta una sezione di passaggio, come per esempio il ramo di uno scambiatore, o una sezione di passaggio di una turbina. Su di esso si definisce un volume di controllo (Vc), ovvero un volume sul quale saranno calcolati i bilanci (il flusso che si considera è quello medio, con una velocità proiettata controllo (Ac) che è quella attraversata dal flusso: se, infatti, si individua una sezione 1 di ingresso e una sezione 2 di uscita, si avrà che nella prima il fluido entrerà con una velocità pari a v1 (velocità media sulla superficie di ingresso), mentre dalla seconda uscirà con una velocità pari a v2. Per comodità, si definiscono anche le normali alla superficie, che vengono ipotizzate uscenti. udono sia i flussi in ingresso e uscita del fluido che li attraversa, che altre interazioni termiche (si ipotizza che nella superficie di controllo una piccola turbina che, investita dal fluido, si mette a girare e porta fuori una certa quantità di lavoro, che in questo caso è ipotizzato positivo e uscente. Ci possono essere delle altre forze che agiscono su Vc e Sc; genericamente, vengono indicate con F. Sono, ad esempio, le forze di volume (come la forza peso del fluido) o le forze di superficie (come la pressione sulle pareti BILANCIO DI MASSA cont entra, integrata su tutta la superficie di controllo, in cui però le uniche superfici attraversate dal vettore velocità sono A1 e A2 (su tutte le altre, il prodotto scalare tra velocità e vettore normale è nullo). Si considera quindi solo la portata che entra con velocità v1 e che esce con velocità v2. La variazione di massa nel volume è data dalla differenza tra ciò che entra e ciò che esce. Si esprime questa formulazione in questo modo: I calcoli sulle macchine vengono fatti in condizioni stazionarie: non si guarda la variazione nel tempo, ma si prende una condizione di funzionamento di riferimento e si fanno delle valutazioni su di essa. Condizioni stazionarie significa che BILANCIO DI QUANTITÀ Il bilancio di quantità serve a calcolare le forze applicate ad un Vc; ha le sue radici nella seconda legge di Newton, che dice che in un sistema stazionario, la sommatoria delle forze è pari alla variazione della quantità di moto: In realtà, questo vale per le masse, non per volumi di controllo. Il fatto che nel nostro caso ci sia un Vc fa in modo che La variazione della quantità di mot dipende da come si definiscono i vettori normali (esterni -, interni +). Per via del fatto che si opera in condizioni stazionarie, il primo termine si elimina: BILANCIO DI ENERGIA Il bilancio di energia serve a calcolare L e Q, necessari per valutare le prestazioni. Si utilizza lo stesso principio: la variazione Quando il fluido entra, per esempio in S1, si deve fare un la entrando, mentre per quanto riguarda il fluido che esce dal Vc, è un lavoro che esce. È più una potenza di pulsione. er entrare, meno quello per uscire, dal calore che entra e dal lavoro che esce. In particolare: trova il fluido (nel nostro sono reazioni chimiche, nucleari o campi elettromagnetici. Ipotizzando di essere in condizioni stazionarie, si elimina il termine che dipende dal tempo e, applicando sulle superfici la moltiplicazione scalare, si ottiene: Questo bilancio verrà semplificato in base alle situazioni: 1. MACCHINE IDRAULICHE: elaborano un fluido in cui le variazioni termiche non sono rilevanti; si trascurano tutti i termini di tipo termico (u e q). 2. MACCHINE TERMICHE: in generale, sono le variazioni di quota ad essere non rilevanti. Si introduce anche la variabile entalpia: Perdite di carico nei condotti sul fluido quando questo passa nel condotto. Queste forze vanno vinte con la pressione di una pompa. Quello che interessa è il calcolo del consumo energetico della pompa applicando un bilancio di energia dal punto 1 al punto 2; si utilizza il bilancio di energia delle macchine idrauliche. necessaria per passare dalla condizione 1 alla 2. Si conferisce una quota di energia che aumenta alla 2. A tutto ciò bisogna aggiungere delle perdite di carico. Le perdite di carico possono essere di due tipi: 1. Perdite di carico concentrate Yconc: corrispondono a situazioni che vedono un turbamento del flusso (per ostacoli nello scorrimento del fluido. K dipende dal tipo di perdita di carico; i suoi valori sono ricavabili da una tabella. Il secondo termine esprime la caduta cinetica dal punto di vista dimensionale. 2. Perdite di carico distribuite: L/D indica il fatto che le perdite sono distribuite, ovvero che producono una graduale diminuzione di energia (questo succede anche quando il tubo è liscio). tipo di moto (laminare o turbolento): per questo si usa il numero di Reynolds; finitura superficiale del flu numero di Reynolds, si nota che più il fluido è veloce, più si passa da un moto laminare ad uno turbolento: per Re 75% per tutte le altre tipologie di cogenerazione. rendimento di primo principio. Si ha un certo risparmio energetico rispetto alla produzione separata, il cui risparmio energetico viene distinto in impianti piccoli ed impianti grandi; Il rendimento di primo principio superi una certa soglia; ciò vuol dire che devo avere una certa quantità di calore prodotto. Benefici previsti dalla con generazione sono: priorità di dispacciamento: se ho un impianto cogenerativo che produce energia elettrica, e ho maggiore energia elettrica di quella che serve a livello industriale, quella che produco in più la posso vendere in rete e ho una priorità di dispacciamento; esonero rispetto agli oneri di rete per gli autoconsumi; zi energetici o distributori di energia elettrica gas, i titoli di efficienza energetica (o certificati bianchi) erogati sulla base del risparmio di e viene acquistato dalle aziende che sono obbligate ad avere un certo risparmio energetico. altri vantaggi fiscali. NON STUDIATE LE NORMATIVE. Basta ricordare le ultime e il senso del discorso. Il parametro più logico e appropriato per definire i cogenerazione potrebbe non essere ancora vantaggiosa. In generale quando abbiamo un combustibile e attraverso la cogenerazione produciamo energia e calore; un altro parametro importante è il rendimento elettrico del concentratore. Questo si riferisce solo alla produzione elettrica. Ugualmente esiste il rendimento termico del cogeneratore. dei primi due: Ai puristi della termodinamica il rendimento di primo principio non piace perché mette sullo stesso piano energia elettrica cosa). gia To rendimento cakot Questo è più coerente perché vado a pesare energie che hanno la stessa qualità. In realtà neanche questo va bene perché, moltiplicando Q per il fattore, vado a penalizzare molto il rendimento, soprattutto quanto più Tx è vicina alla temperatura ambiente. Il parametro che forse ha più senso è il risparmio energetico rispetto alla produzione separata, che viene poi utilizzata dal Tecnologie vedi slide p 62 x vedi anche bottoming Topping e Vediamo tecnologicamente come sono questi impianti cogenerativi. La cogenerazione più diffusa è la tecnologia di tipo Topping. Per questa, gli impianti di cogenerazione vengono classificati sulla scala base della scala (dimensione - Mw e Kw): impianti di grande scala: turbine a gas, turbine a vapore, cicli combinati, cicli combinati da repowering; 5MW impianti a piccola scala: motori a combustione interna, microturbine a gas; livellolocale tecnologie innovative per la piccola scala: celle a combustibile, motori Stirling, termofotovoltaico. Grande scala e piccola scala solo tecnologie consolidate; ci sono poi tecnologie innovative e non sono ancora così affermate e non hanno raggiunto una maturità tecnologica e di riduzioni di costi tali da renderli disponibili come prima scelta. Rappresentiamo gli impianti in base al rendimento elettrico ed il rendimento termico. Vediamo come possibile modificare questi impianti per far sì che diventino cogenerativi. CASO 1: Schema di impianto di una turbina a gas e caldaia a recupero Questo sistema produce energia elettrica ed energia termica. È molto facile rendere cogenerativo questo impianto in quanto basta aggiungere una caldaia richiedere calore. Si recupera calore Se voglio recuperare una certa quota di calore mando una certa quantità dei fumi nella turbina e ottengo una certa quantità di energia termica. Se mi serve più calore posso aggiungere un post-combustore bruciando ulteriore combustibile. Le caratteristiche sono: Taglie commercialmente disponibili: 1 MW 100 MW Rendimento elettrico: 23% - 35% (dipende dalla taglia). Rapporto fra energia termica recuperata ed elettrica superiori a 2,5 con post-combustione: 2,5 - 2, a seconda - combustore. CASO 2: Turbina a vapore. Si può facilmente rendere con generativa. Il caso in figura è una turbina a vapore incontro pressione. Notiamo lo schema del ciclo Rankine, ma manca il condensatore perché è ritorna. Si definisce contro pressione perché di fatto è un ciclo Rankine tradizionale, solo che anziché andare a temperatura ambiente si ferma a temperatura più alta. È Grafico è elevato (>85%). Dipende dal contesto; questa applicazione è comoda quando si ha una costante richiesta di carico non mi assorbe calore non posso condensare e devo spegnere termico. Il riscaldamento stagionale di un edificio o una rete di teleriscaldamento sono una rete stagionale. Un tipo di impianto del genere non è compatibile con i loro scopi. CASO 3: Turbina a vapore a derivazione e condensazione Se voglio fare cogenerazione, per esempio, con una rete di teleriscaldamento che ha una richiesta stagionale, quindi sempre con un impianto a vapore, devo usare La differenza rispetto al ciclo precedente è che abbiamo un condensatore ed una turbina di alta e bassa pressione. Possa regolare il funzionamento a seconda del carico termico disponibile. Nella stagione invernale utilizzo solo la prima turbina e riduco la portata della bassa pressione perché il grosso della portata lo uso per recuperare calore e indirizzo verso la rete di teleriscaldamento. andare a spillare per il recupero termico. bassa e la posso regolare, anche espandendo il calore, con un funzionamento completamente elettrico. Il vantaggio di questa turbina a derivazione e condensazione è quello di essere regolabile. È il sistema che si trova nel termovalorizzatore di Brescia. CASO 4: Ciclo combinato cogenerativo Anche un ciclo combinato ha un funzionamento cogenerativo. È sostanzialmente un ciclo Rankine. La differenza è data dalla presenza del collettore. Il ciclo a vapore sottostante ha la filosofia del ciclo derivazione di condensazione. Dal collettore si può andare a spillare una certa quantità di vapore che porto nel collettore quando mi serve e lo da del bisogno apro la valvola e il collettore e prendo il vapore che serve. In modalità puramente elettrico questo impianto fa 33 MW, in modalità cogenerativa produco 26 MW, ma realizzo quasi 35 MW termici. A seconda delle esigenze di energia elettrica o calore vado a individuare la soluzione che meglio si presta alle mie esigenze. Generazione distribuita lunga rete di distribuzione) ed è molto diffuso ancora oggi. Il modello che si sta affermando negli ultimi anni e quello della generazione distribuita. La differenza tra generazione centralizzata e distribuita è che in quella distribuita vado a realizzare piccoli impianti localizzati vicino alle utenze. Ad fotovoltaici. Il concetto di generazione distribuita si sposa bene con il concetto di cogenerazione. I cogeneratori più si scende con la taglia e più diventano costosi. La soluzione di gran lunga più adottata per la cogenerazione di energia di taglie inferiori al megawatt è il motore a combustione interna. Infatti, il motore siamo al megawatt e più diventano piccoli i costi del motore aumentano. E meno sono i kilowatt richiesti e più il costo del cogeneratore diventa improponibile. Vantaggi: Costi relativamente contenuti Elevata affidabilità Buoni rendimenti Elevata flessibilità Svantaggi: Costi di manutenzione elevati Emissioni specifiche e Rumorosità e vibrazioni Ma come funziona il motore a combustione interna? recupera calore. Si recupera calore attraverso un essere raffreddato da un circuito. Il calore recuperato va ulteriormente nella caldaia a recupero. Di fatto è un sistema consolidato. Il motore ha un rendimento elettrico del 37%. Avrebbe senso avere uno schema con generativo di questo tipo a livello di appartamento o quartiere. La micro-cogenerazione domestica, ovvero avere un motore di 1 o 5 kW, risulta improponibile per i costi economici del motore. È comunque una tecnologia che viene realizzata e promossa ma non è diffusa su larga scala. In alternativa ai motori a combustione interna per la taglia media, ci sono le microturbine a gas. È sempre un ciclo Joule- Brayton ma con turbine più piccole. Sono macchine monostadio e hanno cicli gas rigenerativi. Hanno efficienze confrontabili con quella dei motori a combustione interna. Negli ultimi anni si sono proposte diverse aziende che hanno promosso diverse microturbine. Vogliono competere o sostituire con i motori a combustione interna. inquinanti più semplice perché lavorano a temperature più basse. Lo schema è abbastanza semplice. termico con una caldaia di recupero ad acqua calda o vapore che Parliamo adesso delle tecnologie innovative su piccola scala come celle a combustibile. Questa è una tecnologia estremamente recente ma molto promettente e potrebbe affermarsi nei prossimi anni Le celle a combustibile si applicano non solo nella generazione di potenza ma anche nei veicoli a idrogeno che le utilizzano come propulsore. Concettualmente le celle a combustibile sono vantaggiose perché sono una sorta di reattore chimico. Si prende un elettrica. CIAOOOOOO È molto più efficiente di una combustione. Quando generiamo energia elettrica con un impianto tradizionale abbiamo un combustibile lo bruciamo, realizziamo calore lo inseriamo in un ciclo termodinamico e ricaviamo energia elettrica Ovviamente quando ci sono delle trasformazioni ci sono dei rendimenti e quindi delle perdite. Più trasformazioni ci sono e maggiori sono le perdite. Il vantaggio delle celle a combustibile è che saltano questi passaggi. Si parte da energia chimica del combustibile e se arrivano energia elettrica direttamente con le reazioni elettrochimiche. in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica). La cella combustibile fa il contrario: prende idrogeno e ossigeno, li mette insieme come se fossero elettrodi di una batteria e produce energia elettrica. Non ho combustione di idrogeno e ossigeno ma solo reazioni elettrochimiche. Gli elettrodi in questo caso non si consumano ma sono solo di Il principio di funzionamento e quello di una batt caricato negativamente. Questi due elettrodi sono collegati da un circuito esterno (filo). q Per chiudere la reazione chimica di idrogeno e ossigeno che produce acqua, è importante che ci sia un elettrolita che e permeabile agli ioni di idrogeno i quali si muovono per diffusione per una differenza di concentrazione. Questo è un processo spontaneo che vado a dividere in due semi reazioni. Se sommiamo le due semi reazioni abbiamo la reazione complessiva (scritta in rosso). Le celle a combustibile, oltre a produrre energia elettrica, producono anche calore perché hanno un rendimento elettrico geno, parte diventa energia elettrica, mentre il resto lo si trova come calore sotto forma di reagenti che escono dalla cella. Per applicazioni cogenerative è molto importante avere la temperatura adeguata della cella. Possono aver bisogno di calore a diverse temperature per la cogenerazione. Per questo sono disponibili diversi tipi di celle con temperature operative diverse. In realtà Partendo da temperature più basse ci sono celle che lavorano a temperature di 80-100°. Queste si chiamano PEM, un elettrolita che permette il passaggio degli elettroni a quelle temperature. Si può usare in un edificio per la produzione di calore. Queste sono utilizzate delle auto di idrogeno Punto di vista stazionario la situazione è questa. bilità e partire dal natural gas che è sostanzialmente il metano. In un reattore (reformer) il metano reagisce col vapore ed otteniamo idrogeno e CO2. Serve anche un desolforatore per fare questa reazione. Questo sistema potrebbe essere quello utilizzato anche in un edificio come una casa. Non si usa perché, nonostante i rendimenti elevati, è un sistema complesso e costoso. (non è importante sapere se la temperatura di funzionamento e la tipologia delle celle) Salendo ancora con la temperatura ci sono le celle ad acido solforico, a carbonati fusi e poi quelle a ossidi solidi e si arriva anche a 1000°C. Con celle che lavorano a temperature così alte si può realizzare una sorta di ciclo combinato oltre alla soluzione cogenerativa, o comunque processi ad alti rendimenti. La penetrazione sul mercato in campo con generativo di queste celle è molto di nicchia. Trigenerazione vedi grafico slide Trigenerazione principigenerali energia frigorifera. Per fare trigenerazione bisogna aggiungere al sistema generativo qualcosa che produca energia frigorifera. Trova applicazione per utenze caratterizzate dalla compresenza delle 3 richieste energetiche, che possono presentarsi sia separatamente Se noi ci poniamo in un centro commerciale e vogliamo fare della trigenerazione: al centro commerciale serve energia elettrica, energia termica ed energia frigorifera. tale da strutturare in modo corretto il sistema. Il carico elettrico è mediamente distribuito in modo uniforme, mentre la domanda termica e la domanda frigorifera Sarebbe bello poter lavorare il congelatore a regime e convertire ad esempio energia termica in energia frigorifera. Questa cosa si può fare attraverso gruppi ad assorbimento: se abbino al cogeneratore un motore a combustione interna che produce energia elettrica e energia termica, in estate si può trasformare questo calore in energia frigorifera. Questa è una soluzione efficiente. Serve un frigorifero ad assorbimento. Oppure si può scegliere la trigenerazione mediante gruppi a compressione, quindi utilizza energia elettrica per generare energia frigorifera. Questa soluzione però soffre di costi elevati, costano i gruppi a compressione (frigo di casa). Una soluzione ad assorbimento funziona solo se vengono bilanciati i carichi, ovvero se i risparmi bilanciano i costi. temperatura superiore. Se si vuole mantenere freddo nel frigorifero, il sistema deve buttare fuori il calore esterno che tende a entrare per via del flusso termico generato dalla differenza di temperatura. rno. Questa cosa è una violazione del secondo principio della termodinamica perché avviene ma non in modo spontaneo, ma con un contributo energetico. Per farlo, si utilizza un ciclo termodinamico. Il ciclo che produce questo flusso di calore dalla sorgente fredda alla sorgente calda è un ciclo di Carnot. Diversamente dai cicli di potenza che abbiamo visto i cicli frigoriferi, anziché essere percorsi in senso orario come i cicli di potenza, sono percorsi in senso antiorario. Stessa configurazione del ciclo di Carnot ma il verso di percorrenza è diverso. Il frigorifero deve assorbire del calore Qin e deve buttarlo fuori Qout. Il ciclo è Tc>Te, Qout>Qin, quindi per bilanciare il sistema, è necessario buttare dentro del lavoro: Qin+L=Qout. Il fluido entrando in contatto con questa cella frigorifera ad una temperatura più bassa, prende il calore spontaneamente dalla cella frigorifera. Una volta salita la temperatura del (tutto in kelvin!!!) Il COP può essere anche più alto di uno e dipende dal ciclo termodinamico. Più sono vicine le temperature Te e Tc e più il COP è alto. La stessa macchina frigorifera ha anche applicazione come pompa di calore. Ci sono queste macchine reversibili che i calore, cioè recuperano calore e prende il calore g Confrontiamo il COP di un frigorifero con quello di una pompa di calore otteniamo che, a parità di ciclo termodinamico e condizioni, il ciclo di una pompa di calore è se

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