Impianti di Conversione energetica

Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Introduzione al corso

Iniziamo questo corso con una contestualizzazione degli impianti di conversione energetica nell’attuale panorama mondiale, europeo ed italiano. Andremo dunque a capire ed analizzare alcuni ambiti dell’energia e della sua produzione andando a leggere i documenti che stanno uscendo oggi, cercando così di intravedere quello che succederà nei prossimi anni nel panorama internazionale. Inoltre con questa breve introduzione cercheremo di contestualizzare gli ordini di grandezza e le percentuali che riguardano il mondo dell’energia.

Partiamo dunque da un sistema, che può tranquillamente essere rappresentato dall’Italia, dall’Europa, che a scatola chiusa produce o importa energia per soddisfare, attraverso gli impianti di conversione energetica, una determinata domanda di servizio: riscaldamento, raffrescamento, illuminazione, connettività, trasporto merci, cucina, telecomunicazioni, azionamenti meccanici per robot, infotainment. Infatti possiamo tranquillamente dire che la filiera energetica non parte dal pozzo di petrolio o dalla fonte di energia ma dai servizi che noi richiediamo: riscaldamento, illuminazione etc.

Vettori energetici

Tali domande di servizi sono soddisfatte da pochi vettori energetici, ovvero dei composti in grado di veicolare l'energia da una forma ad un'altra, tra cui il principale è l’elettricità che essendo il più versatile è anche visto come il più prezioso. Altri vettori energetici possono essere: acqua calda, acqua refrigerata, vapore, aria calda, energia meccanica, oramai quasi in disuso in quanto la stessa energia meccanica è prodotta da un altro vettore energetico come l’elettricità, gas naturale e carburanti.

Lo stesso vettore energetico inoltre può essere prodotto da impianti di conversione energetica differenti determinando il mix di energia primaria:

• Il vettore energetico elettricità può essere prodotto da impianti di conversione energetica come rinnovabili, nucleare e fonti fossili;
• Il vettore energetico acqua calda può essere prodotto da impianti di conversione energetica come rinnovabili, gas naturale ed elettricità;
• Il vettore energetico acqua refrigerata può essere prodotto da impianti di conversione energetica come elettricità e recupero di calore in macchine ad assorbimento;

E così via per tutti gli altri vettori energetici.

L’impianto di conversione energetica è dunque colui che presa energia primaria la trasforma in un dato servizio: il motore prende benzina e la trasforma in movimento, la caldaia prende gas naturale e lo trasforma in acqua calda. L’ingegnere è invece colui che decide come e dove applicare un determinato impianto di conversione energetica, decidendo dunque quale fonte di energia primaria utilizzare ed in che modo. 1

Domanda di servizio

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

La domanda di servizio quindi si traduce in una domanda dei principali vettori energetici e come possiamo osservare dal grafico questi sono: carbone, natural gas, biofuels and waste, che non possono essere trasformati, elettricità, il più pregiato, ed oil, intendono prodotti petroliferi trasformati come benzine, carburanti per aviazione.

N.B. stiamo parlando di vettori energetici e non di fonti primarie quindi ogni vettore energetico avrà bisogno di una fonte primaria per essere “creato”: l’elettricità avrà ad esempio bisogno del carbone o del nucleare per essere prodotta.

Principali settori di consumo di energia

Andando ad osservare il grafico sottostante possiamo notare come i settori che maggiormente consumano energia sono il terziario, servizi e negozi, l’industria ed il residenziale. Inoltre possiamo vedere come la richiesta di energia nel corso del tempo sia sempre aumentata ad eccezione della crisi del 2009 dove osserviamo un appiattimento della curva, probabilmente con il COVID noteremo la stessa cosa. Questo è dovuto al fatto che sempre più Paesi stanno uscendo dalla povertà, tra tutti Cina ed India, e naturalmente i consumi di energia di questi Paesi iniziano a salire. 2

Domanda di energia primaria

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Detto ciò possiamo vedere come tutta la domanda di servizio, di circa 10 Gtoe, sia soddisfatta da diverse fonti, consumando circa 14,3 Gtoe a causa dei diversi rendimenti, come carbone, petrolio, principalmente nei trasporti, gas naturale, nucleare, elettricità, idroelettrico, oramai esaurito in quanto abbiamo già sfruttato quasi tutti i bacini più grandi del mondo, biofuels and waste, include termovalorizzatori, e other, include fotovoltaico ed eolico.

N.B. l’unità di misura comunemente utilizzata in questi casi è la tonnellata equivalente di petrolio, toe, che ci permette di confrontare le diverse unità di misura delle energie: m³ di gas, kWh etc.

Da questi grafici invece capiamo come si sia evoluta nel corso degli anni la domanda di energia primaria. Ad un occhio poco attento potrebbe sembrare che le percentuali non siano variate di molto e che in fin dei conti non sia successo nulla di rilevante ma in realtà la domanda è aumentata di più del 200% e dunque anche se le percentuali variano di poco il valore assoluto di queste è invece molto significativo.

Possiamo dunque immaginare quanto sia stato difficile ed impegnativo incrementare l’“other”, che comprende fotovoltaico ed eolico, e portarlo da uno 0,1% ad un 2%, inoltre nonostante l’aumento della richiesta la parte fossile sia diminuita di circa un 5%. 3

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Dobbiamo comunque dire che non si possono aspettare altri 45 anni per fare questi progressi poiché potrebbe essere troppo tardi, dobbiamo quindi aumentare il passo anche se siamo sulla strada giusta.

Nella figura affianco vediamo i più grandi utilizzatori di energia che sono:

• Il settore manifatturiero dove la maggior parte dell’energia è dovuta all’estrazione;
• Il settore dei trasporti con soprattutto le auto;
• Il residenziale con la maggior parte dell’energia richiesta dovuta al riscaldamento. Il dato del raffrescamento poi è destinato ad aumentare poiché molti paesi della fascia equatoriale stanno uscendo dalla povertà e dunque ci sarà sempre più richiesta di energia.

Efficienza energetica

Un dato incoraggiante è invece dato dall’aumentare dell’efficienza energetica infatti nel grafico è indicata l’intensità energetica per valore aggiunto e vediamo come questa sia diminuita nel corso degli anni.

Ultimamente poi molte grandi aziende come Amazon o Google sono andate ad investire in questo campo dell’efficienza energetica ed anche in quello delle energie rinnovabili, sia per avere poi un risparmio in termini di consumo di energia sia per una questione di immagine. 4

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Anche da questi grafici possiamo notare come sia migliorata l’efficienza energetica, negli ultimi 20 anni, per quanto riguarda il servizio di riscaldamento, della cucina, è aumentato il consumo poiché è aumentata di molto la domanda, dell’illuminazione ed anche nel settore dei trasporti.

Settori hard to abate

Ci sono comunque dei settori “hard to abate” ovvero quei settori in cui è difficile inserire quote significative di fonti rinnovabili come il trasporto navale, quello aereo, quello su gomma ed i processi industriali ad alta temperatura: cementifici, acciaierie etc. 5

Emissioni di CO₂

Data Materia Autore 2 Marzo 2021 Impianti di Conversione Energetica Vissani Nicola

Titolo Transizione energetica: contesto internazionale, europeo ed italiano

Quanto visto per i servizi richiesti molto spesso si traduce essenzialmente in emissioni di CO₂ dovuta principalmente da carbone, petrolio e natural gas. Tali emissioni sono più che raddoppiate negli ultimi 50 anni e dovranno essere sicuramente ridotte.

Contesto internazionale

Negli ultimi anni la politica energetica internazionale è stata modificata dagli accordi di Parigi, prima erano in vigore quelli di Kyoto, entrati in vigore il 4 Novembre 2016, che hanno incentivato lo sviluppo di energie rinnovabili, l’Italia è molto avanti per quanto riguarda l’energia rinnovabile proveniente dal fotovoltaico, e stabilito che la temperatura globale non debba aumentare di più di 2°C, ancora meglio se si resta sotto 1,5°C, così che si possa arrivare al picco della temperatura globale e finalmente iniziare a scendere.

Tutto ciò è stato stabilito che debba essere fatto senza cambiare lo stile di vita dei singoli cittadini e non imporre loro nulla anche se sarebbe corretto, da un punto di vista di responsabilità civica, non esagerare con il riscaldamento e stare attenti in altre piccole cose.

Inoltre con la presidenza di Biden anche gli USA sembrano voler rientrare negli accordi di Parigi.

Negli accordi di Parigi poi oltre ai traguardi già citati sono presenti 17 obiettivi tra cui quelli che ci interessano sono:

• Garantire l'accesso a servizi economici, affidabili, sostenibili e moderni di energia per tutti;
• Rendere le città e gli insediamenti umani inclusivi, sicuri e sostenibili;
• Agire con urgenza per combattere il cambiamento climatico e i suoi impatti. 7

Transizione energetica: contesto internazionale

Pantaleo Paride Impianti di conversione energetica 04/03/2020

Negli accordi di Parigi sono presenti 17 obiettivi tra cui quelli che ci interessano dato che hanno a che fare con gli impianti di conversione energetica e sono:

• Garantire l'accesso a servizi economici, affidabili, sostenibili e moderni di energia per tutti;
• Rendere le città e gli insediamenti umani inclusivi, sicuri e sostenibili;
• Agire con urgenza per combattere il cambiamento climatico e i suoi impatti.

Infatti, prendendo per esempio il punto 7, garantire l’accesso a servizi che siano economici, affidabili, sostenibili e moderni di energia per tutti, questione che è soddisfatta in tutto il territorio italiano, anche nelle zone più sperdute, non lo è nelle zone povere del mondo come nell’Africa subsahariana che vanno avanti con i gruppi elettronici.

Una soluzione di energia moderna potrebbe essere quella di costruire dei sistemi indipendenti e ibridi formati da motore diesel, generatore, e impianti fotovoltaici, eolici, batterie, con i quali è possibile aumentare i servizi erogati. Ad esempio, più frigoriferi per la conservazione del cibo e dei farmaci con i quali è possibile soddisfare anche gli altri punti degli obiettivi, riduzione della fame nel mondo, o per portare delle telecomunicazioni per creare un’economia locale.

Questa soluzione di sistemi ibridi e indipendenti sarebbe molto utile anche nelle piccole isole che hanno il problema di approvvigionamento elettrico. In questo modo si renderebbero le isole molto più indipendenti con un maggior incremento di produzione elettrica pulita per far sviluppare molto più rapidamente queste realtà.

Tutto questo è strettamente legato al punto 11, rendere le città e gli insediamenti umani inclusivi, sicuri e sostenibili, e dunque per poter sviluppare paesi arretrati e diminuire così la sovrappopolazione delle città riducendo l’immigrazione. 1

Pantaleo Paride Impianti di conversione energetica 04/03/2020

Sempre per far comprendere come funzionano gli obiettivi di sviluppo sostenibile, vengono riportati gli argomenti:

Ad ogni obiettivo corrispondono più argomenti perché possono essere visti come i “mezzi” per il raggiungimento degli obiettivi. Prendiamo per esempio alcuni di questi, quelli evidenziati.

Topic: energy

Dobbiamo vedere questi obiettivi non con l’ottica del solo paese sviluppato, ma in un’ottica globale dove non c’è energia per tutti a basso costo, affidabile e sostenibile, così come l’abbiamo noi.

Come possiamo leggere in questo articolo ci sono 789 mln di persone che non hanno l’elettricità, o che non ce l’hanno in maniera continuativa, e che un ospedale su quattro non hanno l’elettricità.

Quindi, l’obiettivo è quello di aumentare le fonti rinnovabili. 2

Pantaleo Paride Impianti di conversione energetica 04/03/2020

Topic: sustainable cities and human settlements

Stesso discorso per le città sostenibili, centro di consumo energetico, dove il 24% della popolazione vive nei sobborghi e il 47% vive a 400 metri distanti l’uno dall’altro.

Topic: climate change

Per il cambiamento climatico bisogna investire sulla riduzione dei combustibili fossili aumentando le fonti rinnovabili diminuendo la domanda attraverso l’efficienza energetica. Questo discorso vale sia in ambito domestico, riduzione dei consumi nelle abitazioni, che in scala più grande come nei trasporti e anche maggiori. 3

Transizione energetica: contesto europeo

Pantaleo Paride Impianti di conversione energetica 04/03/2020

Prima ancora degli accordi di Parigi in cui si sono discussi i metodi e gli obiettivi per la transizione energetica da fonti fossili a rinnovabili è stata pubblicata, a livello Europeo, la Clean Energy Package ovvero la strategia energetica Europea. Questa strategia ha come obiettivo “Energia pulita per tutti gli Europei” quindi rinnovabili, efficienza energetica, riduzione delle risorse fossili.

I principali capitoli sono:

• Energy performance in buildings
• Renewable energy
• Energy efficiency
• Governance regulation
• Electricity market design

Dove, tralasciando il capitolo “Governance regulation” che riguarda le istituzioni, i temi di nostro interesse sono i primi tre punti: Performance degli edifici, Energia rinnovabile e l’efficienza energetica.

Nella performance degli edifici non c’è solo il discorso strutturale, cappotto termico, che fa riferimento agli ingegneri edile o architetti, ma c’è anche tutto un discorso di impianti come l’integrazione di impianto fotovoltaico, batterie, colonnine di ricarica per vetture elettriche, pompe di calore e altri sistemi per rendere più ecosostenibile ogni struttura.

Nel punto delle fonti rinnovabili invece c’è tutto un discorso di dove installare impianti fotovoltaici. Oggigiorno sempre più spesso vengono installati sopra i tetti delle case e dei capannoni o anche nei campi agricoli in modo tale da lasciare il passaggio per i mezzi agricoli e che non ombreggino troppo il terreno.

Per quanto riguarda l’efficienza energetica si ha tutto un discorso di soddisfare la richiesta energetica ma con energia proveniente da fonti rinnovabili e senza dispersione di energia. Un esempio molto riduttivo è inserire un inverter attaccato al motore elettrico del compressore che dia potenza in base alla pressione dell’aria che devo comprimere, mentre prima l’aria veniva compressa a 8 bar, esempio, e poi fornita alla pressione desiderata tramite una valvola regolatrice di pressione che dunque disperde energia accumulata nel serbatoio. 4

Le future tecnologie

Pantaleo Paride Impianti di conversione energetica 04/03/2020

Legato alla ricerca e alla innovazione ci sono lo sviluppo di tecnologie che in maniera indiretta riducono gli sprechi energetici.

Un esempio è la digitalizzazione degli impianti. Esempio molto banale è impostare il termometro, e dunque decidere quando e a che potenza far partire la caldaia, da remoto in modo tale da ottimizzare il suo funzionamento solo quando necessario, ad esempio lo accendo 30 min prima di tornare a casa.

Altro tema importante è lo stoccaggio della CO₂, perché non è tanto il problema di produrla ma di disperderla nell’ambiente. Infatti, riuscendo a immagazzinarla esistono poi dei processi elettrochimici che riescono a separare la CO₂ in modo tale da ridurre l’effetto di riscaldamento ambientale.

Una innovazione futura molto interessante è lo stoccaggio dell’idrogeno. Si pensi a sistemi in cui si ha fonti rinnovabili, pannelli solari, e una batteria. Durante il giorno produco energia che in parte non uso e che dunque accumulo nella batteria che poi utilizzerò la sera. Il problema di questo sistema è che in alcune zone, come in Italia, ho una grandissima produzione di energia in estate che però non posso accumulare per poi utilizzarla di inverno, servirebbero batterie troppo grandi. Con il discorso di stoccaggio dell’idrogeno invece è possibile farlo perché è un accumulatore di energia, se così possiamo definirla, per il medio/lungo periodo. Inoltre, nel caso in cui ci sia un accumulo eccessivo, è possibile diluirlo nell’impianto del gas, 10/15%, in modo tale da abbattere la “carbonizzazione”, ovvero quelle fonti di energia che producono la CO₂ senza cambiare i dispositivi che ne fanno uso, fornello.

Transizione energetica: contesto italiano

In Italia si parla di “Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima” dunque con un’ottica a 360° integrato di energia e clima non solo come fare e come cons