Teoria di Sistemi energetici avanzati

Università degli studi di Firenze

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Corso di laurea magistrale in Ingegneria Energetica

Sistemi energetici avanzati

Prof. Carcasci Carlo Rossi Giulio

Matricola 7135574

1. Introduzione – Aspetti energetici ed economici

La scoperta del fuoco ha rappresentato una svolta cruciale nella storia dell'umanità, fornendo il controllo dell'energia termica. Questo evento ha segnato l'inizio di un percorso evolutivo in cui il successo di una specie è stato strettamente legato alla sua capacità di accedere e utilizzare l'energia in modo efficiente. Con l'introduzione del carbone, l'umanità ha assistito a un passaggio da un'economia basata sul flusso di risorse rinnovabili a un'economia dello stock, basata su risorse accumulabili, accelerando notevolmente il progresso tecnologico e sociale.

Tuttavia, l'era industriale ha evidenziato i limiti di un pianeta dalle risorse finite, sottolineando la necessità di rivalutare le fonti energetiche naturali come l'acqua e il sole. Questo ha portato a un rinnovato interesse verso un modello economico di flusso, che privilegia l'uso di risorse rinnovabili. Nonostante ciò, tale modello presenta sfide significative, tra cui l'efficienza energetica ridotta, la variabilità stagionale e una minore densità energetica per unità di superficie.

Ci troviamo quindi di fronte a un bivio: da un lato, l'utilizzo di combustibili fossili continua a rilasciare, aggravando 2 il problema del cambiamento climatico; dall'altro, l'energia rinnovabile, pur essendo più pulita, non garantisce ancora la stabilità necessaria per sostenere l'industria moderna. La ricerca di un equilibrio tra queste due realtà è fondamentale per garantire un futuro sostenibile.

Il modello di Malthus (1798), uno dei primi modelli di dinamica delle popolazioni. Thomas Robert Malthus, economista britannico vissuto tra il 1766 e il 1834, è noto per i suoi studi sul rapporto tra risorse naturali e crescita della popolazione. Malthus sosteneva che la popolazione tende a crescere in modo esponenziale, mentre le risorse naturali aumentano solo in modo lineare o decrescente. Il grafico illustra come il fabbisogno umano, in crescita con l'aumento della popolazione, superi le risorse ambientali disponibili, con il rischio di crisi di sussistenza. Darwin stesso considerò le idee di Malthus come un pilastro per la sua teoria dell’evoluzione. In sintesi, il modello malthusiano evidenzia il potenziale riproduttivo dell’umanità, limitato dalla disponibilità di risorse, e introduce il concetto di rendimenti decrescenti, ovvero l'inefficienza crescente nello sfruttamento delle risorse man mano che queste si esauriscono.

Altro passaggio storico di rilievo è quello associato al passaggio dall'economia di flusso all'economia di stock. L'economia di flusso si basava su risorse rinnovabili, come l’energia prodotta da animali e dalla biomassa, strettamente legate alla disponibilità del terreno. In altre parole, economia di flusso dipende dalla presenza o meno della fonte energetica. Con la scoperta di nuove fonti di energia, come il carbone, e lo sviluppo di nuove tecnologie, come la macchina a vapore, si passò all’economia di stock, caratterizzata dall’utilizzo di risorse non rinnovabili e in grande quantità, non più vincolate ai limiti della terra. Siamo quindi passati ad un'economia basata sull’accumulo delle risorse energetiche che possono essere razionalizzate e che possono essere sfruttate in qualsiasi momento senza doversi preoccupare della loro creazione. In altre parole, si sta parlando di un’economia che si basa sull’utilizzo di fonti energetiche sono il risultato di processi biologici che si sono verificati nei secoli/millenni precedenti. Questo cambiamento accelerò significativamente lo sviluppo economico, soprattutto grazie all'introduzione di fertilizzanti chimici e ammoniaca liquida, che permisero di superare i limiti legati alla produzione agricola tradizionale. Inoltre, l’economia di stock è meno soggetta alla legge dei rendimenti decrescenti, poiché l'energia fossile permette di accedere a risorse sempre più lontane e in maggiori quantità rispetto alle risorse locali dell'economia di flusso.

Altro evento che ha sconvolto il mondo è l’invenzione delle macchine. La base di questa rivoluzione risale alla pentola a pressione inventata da Papin nel 1679, che dimostrava come il calore potesse essere convertito in energia meccanica. 3 Nel 1698, Thomas Savery progettò la prima macchina a vapore, utilizzata principalmente per sollevare acqua. Successivamente, nel 1765, Thomas Newcomen introdusse una versione migliorata con un pistone a moto alternativo, la prima ad essere impiegata in un processo industriale. L'invenzione culminò nel 1769, quando James Watt perfezionò la macchina a vapore inserendo un condensatore separato e un distributore a cassetti, rendendola più compatta, economica e performante. Questo progresso tecnologico non solo migliorò l'efficienza energetica, ma accelerò lo sviluppo dell'industria, dando impulso alla Rivoluzione Industriale e trasformando profondamente l'economia e la società dell'epoca.

A partire dalla creazione della prima macchina a vapore le successive innovazioni si susseguirono ad una velocità impressionante. Per esempio, dalla creazione della prima locomotiva si arrivò alla creazione del primo piroscafo in grado di attraversare l’oceano e della prima agenzia turistica in soli 37 anni. Questo attesta come la creazione della prima macchina a vapore portò all’avvento della rivoluzione industriale che in pochi decenni rivoluzionò la vita delle persone e il modo di concepire la vita e il lavoro. Questo portò ad una forte distinzione tra le nazioni industrializzate e quelle non industrializzate.

Il problema odierno è rappresentato dal fatto che il sistema energia ha reso la terra limitata e dal fatto che l’industrializzazione, congiuntamente all’economia dello stock hanno alterato l’ecosistema. Di conseguenza si deve tornare a valorizzare le risorse naturali disponibili sul momento e quindi sarà necessario ad una economia del flusso.

Il grafico mostra l'evoluzione della quota di diversi tipi di fonti energetiche nel mix energetico globale dal 1800 al 2016, evidenziando 2 grandi transizioni energetiche. La prima transizione è quella dalla legna al carbone, avvenuta intorno al 1900, mentre la seconda transizione significativa è stata dal carbone al petrolio, intorno al 1970. Ogni transizione ha richiesto circa 70 anni.

Le linee che rappresentano le diverse fonti mostrano una chiara predominanza del carbone tra la fine del XIX secolo e la metà del XX secolo, seguita dall'ascesa del petrolio, che diventa la fonte dominante dopo la seconda transizione. Il gas naturale, in blu, inizia a crescere significativamente dopo il 1950, e altre fonti come l'energia idroelettrica, nucleare e le rinnovabili rimangono più marginali, ma in crescita costante verso la fine del periodo osservato.

Questo grafico riflette la stretta relazione tra il progresso tecnologico e le dinamiche economiche globali, dove l’uso del carbone ha alimentato la Rivoluzione Industriale, e il petrolio è diventato cruciale per l'industria automobilistica e l'economia moderna. Le attuali tendenze verso le fonti rinnovabili suggeriscono che una terza transizione energetica potrebbe essere in corso, spinta dalla necessità di affrontare il cambiamento climatico.

Il grafico illustra le principali problematiche energetiche e ambientali che si sono susseguite nel corso della storia recente. A partire dalla crisi petrolifera, crisi economica che portò ad un incremento eccessivo dei prezzi, del 1973, che ha segnato un punto di svolta per la consapevolezza globale sulla vulnerabilità delle risorse energetiche fossili, il grafico prosegue con l'emergenza legata agli inquinanti atmosferici come gli ossidi di azoto (NOx) e il monossido di carbonio (CO) intorno al 1990. Questi inquinanti sono stati riconosciuti come altamente dannosi per la salute umana e per l'ambiente, contribuendo al degrado degli ecosistemi e alla pioggia acida. 4

Successivamente, tra il 2000 e il 2005, viene evidenziato il tema dell'esaurimento delle risorse energetiche fossili, con particolare attenzione al petrolio. L'uso massiccio di combustibili fossili ha portato alla preoccupazione per la loro finitezza e la necessità di trovare alternative sostenibili. Infine, il grafico menziona il riscaldamento globale, evidenziato a partire dal 2015-2020, quando gli effetti del cambiamento climatico sono diventati sempre più evidenti, con un aumento delle temperature globali e una serie di fenomeni estremi legati a questo fenomeno.

Questa sequenza di eventi sottolinea la crescente necessità di affrontare le questioni ambientali e di trovare soluzioni energetiche sostenibili. Il passaggio dalle crisi di disponibilità del petrolio alle preoccupazioni legate all'inquinamento atmosferico e al riscaldamento globale riflette l'evoluzione delle sfide che l'umanità deve affrontare in relazione all'energia e all'ambiente, promuovendo una transizione verso fonti energetiche pulite e rinnovabili.

Il grafico presentato è una continuazione della narrazione storica e proiettiva sull'uso delle fonti energetiche globali. Dopo aver illustrato le precedenti transizioni energetiche – da legna a carbone e da carbone a petrolio – questo grafico si concentra sul futuro, suggerendo una nuova transizione: dal petrolio e carbone al gas naturale e alle fonti rinnovabili. Il messaggio è chiaro: è necessario ridurre l'uso di petrolio e carbone, le principali fonti di energia fossile, responsabili di gran parte delle emissioni di gas serra. Al contempo, occorre incrementare la produzione di energia rinnovabile, con particolare attenzione all'energia elettrica proveniente da fonti pulite.

Il grafico mostra anche il ruolo di transizione che il gas naturale avrà nei prossimi decenni. Sebbene sia un combustibile fossile, esso emette meno rispetto a carbone e petrolio, rendendolo un "ponte" verso un futuro basato sulle energie 2 rinnovabili. La curva proiettiva per il gas naturale cresce nel breve termine, ma viene gradualmente sostituita dalle fonti rinnovabili entro il 2060, evidenziando la necessità di accelerare la transizione energetica ora.

L'urgenza della transizione viene sottolineata, con l'obiettivo di agire immediatamente per evitare ulteriori impatti climatici devastanti. Il grafico invita a iniziare ora una fase di profondo cambiamento verso un sistema energetico più sostenibile, in cui le energie rinnovabili giocheranno un ruolo predominante entro i prossimi 15 anni.

1.1. Fabbisogno energetico

L'energia ha un ruolo fondamentale nella nostra vita quotidiana e il suo utilizzo incide su molteplici aspetti. Possiamo distinguere tra impatto diretto e indiretto dell'energia nel nostro quotidiano:

Impatto diretto:

• Trasporti: l'energia è essenziale per il funzionamento di automobili, aerei, treni e altri mezzi di trasporto.
• Riscaldamento: l'energia è utilizzata per il riscaldamento domestico e per processi industriali.
• Elettricità: fondamentale per l'illuminazione, il funzionamento degli elettrodomestici e apparecchi elettronici come mixer, trapani, lavatrici, frigoriferi, ecc.

Impatto indiretto:

• Aspetti sociali e di sviluppo: l'uso dell'energia è correlato a parametri come il tasso di fertilità, la mortalità infantile, l'aspettativa di vita e l'alfabetizzazione, come mostrato dai grafici. Paesi con un consumo pro capite maggiore tendono ad avere migliori indicatori di salute e benessere, indicando l'importanza cruciale dell'energia nello sviluppo delle società. 5

I grafici mostrano la relazione tra il consumo di energia pro capite, misurato in tep/anno, e alcuni indicatori sociali e di sviluppo in vari paesi.

• Tasso di fertilità (numero medio di nati per donna): Nel grafico si osserva che paesi con un basso consumo di energia pro capite, inferiore a 2 tep/anno, tendono ad avere un tasso di fertilità più elevato, come l'Iran e l'Arabia Saudita, con oltre 6 nascite per donna. Paesi con un consumo energetico più elevato, superiore a 3-4 tep/anno, come il Venezuela e Trinidad e Tobago, mostrano invece tassi di fertilità significativamente inferiori, spesso intorno a 1-2 nascite per donna. Questo suggerisce che il miglioramento delle condizioni economiche e l'accesso all'energia potrebbero essere collegati a un cambiamento nei comportamenti riproduttivi, con tassi di fertilità più bassi nei paesi più sviluppati.
• Mortalità infantile (% dei nati vivi): La mortalità infantile è inversamente proporzionale al consumo di energia. Nei paesi con basso consumo di energia, meno di 2 tep/anno, il tasso di mortalità infantile è più alto, superiore al 10%. Con l'aumento del consumo di energia, superiore a 3-4 tep/anno, il tasso di mortalità infantile scende drasticamente a valori inferiori al 5%, mostrando come l'energia contribuisca a migliorare le condizioni sanitarie e di benessere, riducendo la mortalità.
• Aspettativa di vita (anni): L'aspettativa di vita aumenta all'aumentare del consumo di energia. Nei paesi con basso consumo energetico, l'aspettativa di vita si aggira intorno ai 50-60 anni. Nei paesi con un consumo di energia pro capite superiore ai 4 tep/anno, l'aspettativa di vita è superiore ai 70 anni, confermando che l'accesso all'energia e ai servizi che essa garantisce, sanità, istruzione, benessere, è un fattore chiave per una vita più lunga e salutare.
• Analfabetismo (% degli adulti): Il tasso di analfabetismo diminuisce drasticamente con l'aumento del consumo di energia. Nei paesi con un consumo energetico inferiore ai 2 tep/anno, l'analfabetismo può superare il 40%. Nei paesi con un consumo energetico superiore ai 3-4 tep/anno, il tasso di analfabetismo scende sotto il 10%, dimostrando come l'energia sia un elemento cruciale per l'accesso all'istruzione e la crescita culturale.

In sintesi, questi grafici indicano una stretta correlazione tra il consumo di energia e lo sviluppo sociale ed economico di una nazione: un maggiore accesso all'energia si traduce in migliori condizioni di salute, istruzione e qualità della vita.

La "Legge del Raddoppio" afferma che con un incremento annuale del 7% nel consumo energetico, il bisogno di energia raddoppierà ogni dieci anni, seguendo una traiettoria esponenziale. Questo modello evidenzia la rapida crescita del fabbisogno energetico e sottolinea l'importanza di una pianificazione attenta delle risorse. Parallelamente, si assiste a un aumento dei costi energetici, influenzato non solo dall'incremento della domanda, ma anche dalle dinamiche di mercato e dalla progressiva scarsità di alcune risorse energetiche. Fattori politici, come instabilità internazionali e regolamentazioni volte a mitigare l'impatto ambientale, contribuiscono ulteriormente a questa tendenza.

La richiesta di energia è strettamente correlata alla densità demografica e al livello di benessere di una regione. Attualmente, l'Italia si trova in una situazione di deficit energetico, con una produzione interna non sufficiente a soddisfare la domanda. Per colmare questa lacuna, il paese si affida all'importazione di energia da nazioni esterne. 6

Il grafico rappresenta l'andamento di diversi indicatori economici e di consumo energetico in Italia dal 1963 al 2002, normalizzati rispetto al valore base del 1963, indice 100. Si osservano quattro curve principali:

• Prodotto Interno Lordo (PIL) a prezzi di mercato (linea arancione): È l'indicatore con la crescita più rapida. Dal 1963 al 2002, il PIL è aumentato di circa 4,5 volte, riflettendo un'espansione economica significativa e costante. Questo indica che la produzione di beni e servizi in Italia è aumentata rapidamente, in linea con la crescita dell'economia e della domanda interna.
• Consumo interno lordo di energia (linea verde): Questo indicatore, che rappresenta l'energia consumata all'interno del paese, mostra un aumento più graduale rispetto al PIL, ma anch'esso costante nel tempo. L'incremento, che raggiunge quasi 3 volte il valore del 1963, evidenzia come l'Italia abbia richiesto sempre più energia per sostenere la propria crescita economica, benché con un ritmo leggermente inferiore rispetto alla crescita del PIL.
• Consumo finale di energia (linea azzurra): Questa curva indica il consumo effettivo di energia da parte degli utenti finali e segue un andamento simile al consumo interno lordo di energia, ma leggermente inferiore. Il divario può essere spiegato dalle perdite energetiche lungo la filiera di produzione e distribuzione dell'energia.
• Produzione lorda di energia elettrica (linea rosa): La popolazione è invece rimasta pressoché costante.

1.2. Electric Energy Production

Il sole è la fonte primaria di energia per il nostro pianeta, influenzando diversi processi naturali. La sua energia è fondamentale per la generazione di vento e onde, che a loro volta sono sorgenti di energia eolica e idroelettrica. Inoltre, il sole è essenziale per la fotosintesi, un processo che non solo sostiene la vita delle piante, ma contribuisce anche alla formazione dei combustibili fossili. Sebbene l'energia solare sia predominante, esistono altre fonti minori come l'energia mareomotrice, geotermica e quella derivante da materiali radioattivi. Queste ultime, pur essendo significative, hanno un impatto minore rispetto all'energia solare nella produzione energetica globale. Generalmente