Domande esame Tecnica ed Economia dell Energia risolte - Giuseppe Zollino

DOMANDE ESAME TECNICA ED ECONOMIA DELL’ENERGIA

1) World Energy Outlook della IEA

2) Scenari energetici WEC-IIASA al 2100

3) EU Energy Roadmap 2050

4) Il ciclo dell’acqua

5) Il ciclo della e l'effetto serra antropico

6) Tasso di Interesse e Valore nel Tempo del Denaro

7) Valutazione e Scelta degli investimenti nel settore energetico

8) Tempo di ritorno dell’investimento (Payback period)

9) Costo attualizzato energia elettrica

10) Giunzione pn + caratteristica cella fotovoltaica + rendimento cella fotovoltaica

11) Elencare e giustificare le principali cause di perdita di efficienza di una cella fotovoltaica al Si cristallino

12) Tipologie di Impianti Fotovoltaici + Progetto di massima di un impianto fotovoltaico + Tipologie di

integrazione architettonica + Proiezioni per il costo dell’energia fotovoltaica + La conversione termica

dell’Energia Solare + Altre applicazioni della conversione di energia solare in calore a bassa

temperatura + Impianti CSP

Risorse e Riserve

13)

14) La Curva logistica

15) La curva logistica ed il picco di Hubbert

16) Radiazione +Bilanci energetici delle radiazioni solari - scambi radiativi terra-sole

17) La biomassa e bio combustibili

Teoria di betz

18)

19) Producibilità di un aerogeneratore (grafici di curve) + modalità calcolo en. elettrica producibile

20) Centrali geotermica – geotermia

21) Efficienza energetica

22) Valutazione economica ed energetica degli interventi di miglioramento dell’efficienza energetica

Effetto rimbalzo

23)

24) Attenuazione dell’impatto ambientale dei combustibili fossili

25) I filtri elettrostatici + Efficienza filtro elettrostatico

26) I filtri a manica

27) Fissione nucleare + costante k

28) I metodi di CCS

29) Fusione nucleare: relazioni fondamentali ed evoluzione della fusione (fai esempio di iter)

30) Accumulo

* domande vecchi appelli

* altre domande

World Energy Outlook della IEA

Il World Energy Outlook dell’Agenzia Internazionale dell’Energia, nelle proiezioni al 2035 della domanda e fornitura di

energia, propone 3 scenari

Current Policies Scenario New Policies Scenario 450 Scenario

Sono adottate politiche che mettono il

Le politiche esistenti sono mondo su un percorso che consiste

Le politiche di governo che mantenute e gli impegni e progetti nell’avere una probabilità del 50% di

sono state emanate o recentemente annunciati,

Definizione limitare l'aumento globale della

adottate a metà 2014 compresi quelli ancora da adottare temperatura media di 2°C nel lungo

continuano inalterate. formalmente, sono implementati termine, rispetto ai livelli pre-

in maniera cauta. industriali.

Fornire una linea guida che Fornire un punto di riferimento

mostri come i mercati per valutare i potenziali successi (e

energetici si sarebbero evoluti Dimostrare un plausibile percorso per

limitazioni) dei recenti sviluppi

Obiettivi se le tendenze della domanda raggiungere l’obiettivo climatico.

della politica energetica e

e dell’offerta dell’energia non climatica.

sono cambiate.

I combustibili fossili costituiscono l’82% della domanda di energia La domanda globale per l’energia rinnovabile

primaria nel 2011, ma la quota nel 2035 cala in tutti gli scenari: al 76% cresce fortemente fino al 2035 in tutti gli

nel “New Policies Scenario”, al 80% nel “Current Policies Scenario”, e scenari, di circa il 75% nel “New Policies

al 64% nel “450 Scenario”, dimostrando che, anche nello scenario Scenario”, di quasi dell’60% nel “Current Policies

climatico dei 2°C, l'abbandono dei combustibili fossili possa richiedere Scenario”, e di più del 125% nel “450 Scenario”.

molto tempo per essere raggiunto.

Per il lungo termine si possono fare proiezioni fino 2050:

• IEA "Energy Technology Perspectives 2010" ETP

Scenari Blu-Map, interruzione del 50% (con riferimento al livello del 2005) delle emissioni di CO legate

2

all'energia entro il 2050; questo significa un taglio del 75% con riferimento alla linea di base (dai 57 ai 14 Mt).

• ”EU Energy Roadmap to 2050”

Obiettivi per il settore elettrico negli Stati membri:

1. ridurre le emissioni di CO2 del 57-65% entro il 2030 rispetto ai livelli del 1990 e del 96-99% entro il 2050

2. sicurezza sull’approvvigionamento

3. rimanere competitivo con i mercati concorrenti

Scenari energetici WEC-IIASA al 2100

Tutti e tre i casi prevedono un sostanziale sviluppo sociale ed economico, particolarmente nei paesi in via di sviluppo.

I casi prevedono il miglioramento dell'efficienza energetica e della compatibilità ambientale, e quindi la crescita

associata sia della quantità che della qualità dei servizi energetici. In tutti e tre i casi, la struttura dell’energia finale si

sviluppa allo stesso modo e l’intensità energetica migliora costantemente.

Per facilitare il confronto tra i tre casi, tutti condividono la stessa linea demografica centrale di riferimento centrale in

cui la popolazione mondiale cresce fino a 10 miliardi entro il 2050 e fino a quasi 12 miliardi entro il 2100.

Caso “High Growth” (A)

Presenta un futuro ideato attorno ad ambiziosi ed alti tassi di crescita economica e progresso tecnologico. Include tre

scenari “High Growth” che affrontano i principali sviluppi nella fornitura di energia. Si immagina che essi variano

principalmente in futuro con il carbone, da un lato, e il nucleare e rinnovabili, dall'altro. Si divide negli Scenari:

• A1: c’è una futura disponibilità elevata di petrolio e gas;

• A2: c’è una scarsità di petrolio e gas, limitata alle riserve esistenti, con il risultato di un massiccio ritorno al

carbone;

• A3: ci sono rapidi cambiamenti tecnologici nell’energia nucleare e nelle rinnovabili, con il risultato di una

graduale eliminazione dei combustibili fossili per ragioni economiche piuttosto che a causa di scarsità di risorse.

Caso “Middle Course” (B)

Esso incorpora stime più modeste di crescita economica e sviluppo tecnologico, la scomparsa delle barriere commerciali

e l’espansione di nuovi accordi che facilitino lo scambio internazionale. Rispetto al Caso “High Growth” è più

pragmatico, ed ha un singolo scenario. Il Caso B riesce a soddisfare le aspirazioni di sviluppo del Sud, ma meno

uniformemente e ad un ritmo più lento rispetto agli altri casi. Per le regioni come l'Africa, il progresso è lentissimo.

Caso “Ecologically Driven” (C)

Presenta un futuro guidato dall’ecologia, assumendo un notevole progresso tecnologico e senza precedenti, e una

cooperazione internazionale senza precedenti con lo scopo ultimo della protezione ambientale e dell'equità

internazionale. Esso riflette trasferimenti di risorse consistenti dai paesi industrializzati ai paesi in via di sviluppo,

stimolando la crescita. Questi trasferimenti di risorse, che riciclano i fondi dalla OCSE verso i paesi in via di sviluppo,

riflettono rigorose imposte ambientali internazionali e incentivi per ridurre le emissioni di carbonio nel 2100 da 2

GtC/anno, ad un terzo del livello attuale.

Caso C “Ecologically Driven” si divide negli Scenari:

• C1: l’energia nucleare dimostra una tecnologia transitoria che alla fine porterà gradualmente alla sua

eliminazione alla fine del 21esimo secolo

• C2: è sviluppata una nuova generazione di reattori nucleari che è intrinsecamente sicura e di piccola scala -

capacità installata da 100 a 300 megawatt elettrico - e trova diffusa accettazione sociale.

EU Energy Roadmap 2050

La Commissione Europea nella sua recente Comunicazione

Energy Roadmap 2050 afferma che il passaggio a una economia

europea a basse emissioni di carbonio entro il 2050 è un obiettivo

tecnicamente ed economicamente fattibile, a patto che avvenga

una quasi totale decarbonizzazione dei processi di generazione

elettrica. Il processo di transizione verso questo traguardo

costituisce, allo stesso tempo, una opportunità per accrescere la

competitività e la sicurezza energetica a livello europeo. Posti

come 100% i consumi nell’anno 1990, il giusto scenario di

evoluzione del sistema energetico per il raggiungimento della

sostenibilità nel lungo termine prevede il raggiungimento del 20% di tali consumi entro il 2050, mentre la politica

corrente raggiungerebbe solamente il 60%. La previsione consiste in un azzeramento delle emissioni del Settore

Elettrico nel 2050, dove gran parte di esse saranno costituite dal trasporto, di difficile riduzione.

Per Settore Elettrico sono considerati 7 scenari, di cui 5 raggiungono l’obbiettivo della decarbonizzazione:

• Scenario1: di riferimento (Business as Usual – BaU)

• Scenario1bis: di politica corrente (Current Policy Initiatives scenario – CPI)

• Scenario2: alta efficienza energetica (elettrodomestici, nuovi edifici, rinnovamento di edifici esistenti, obblighi di

risparmio energetico sui servizi energetici …): diminuzione della domanda di energia del 41% nel 2050 rispetto ai

picchi del 2005-2006;

• Scenario3, offerta diversificata di tecnologie: non ci sono tecnologie predominanti; tutte le fonti di energia

possono competere in un mercato senza incentivi specifici; decarbonizzazione guidata dal prezzo del carbonio

(carbon pricing), con l’accettazione pubblica sia del nucleare che del CCS;

• Scenario4, alta rinnovabilità: forti incentivi per le fonti di energia rinnovabili: 75% di energie rinnovabili nel

consumo finale lordo di energia e il 97% in energia elettrica;

• Scenario5, assenza del CCS: simile allo Scenario 3 ma con l’assunzione che il CCS non è ancora presente,

portando a quote più elevate di energia nucleare con decarbonizzazione guidata da prezzi del carbonio piuttosto

che dalla spinta tecnologica;

• Scenario6, uscita progressive dal nucleare: simile allo Scenario 3 ma partendo dal presupposto che nessun

nuovo nucleare (oltre ai reattori attualmente in costruzione) è in costruzione con una conseguente maggiore

penetrazione del CCS.

Il ciclo dell’acqua

L’evaporazione delle acque “assorbe” una potenza media annua pari al 23% della potenza irradiata dal sole sulla terra,

ovvero un’energia pari a ~30000 Gtep/anno.

Solo una piccola parte della totale massa d’acqua presente sulla terra partecipa ai processi che interessano l’atmosfera.

La superficie terrestre è ricoperta per 3/4 d’acqua, inoltre la temperatura del mare è mediamente più alta di quella

terrestre, quindi l’evaporazione e la formazione di nubi è prevalentemente sul mare. C’è un’evaporazione pari a

3,8 ∙ 10 0 0,6 ∙ 10 0 1 ∙ 10 0

di dal mare e pari a di dalla terra, così come c’è un arrivo di di sulla terra e di

3,4 ∙ 10 0 0,2 ∙ 10 0

di sul mare. Si avrà inoltre una ricircolazione di una quota parte di di di arrivata sulla terra,

che viene filtrata attraverso il terreno, ritornando in mare. Il vapore acqueo è un gas serra, tuttavia la sua vita media in

atmosfera (prevalentemente nelle nubi) è relativamente breve (settimane) ed il deposito in atmosfera è piccolo, ovvero

0,3 ∙ 10

solamente uno , rispetto alle quantità coinvolte nel ciclo.

Il Potenziale idroelettrico

Il Potenziale idroelettrico, derivante dal ciclo dell’acqua, è l’energia idroelettrica potenzialmente generabile; esso si

classifica nel modo seguente, facendo riferimento a stime solo parzialmente accreditate:

a) Potenziale teorico lordo: il mondiale risulta pari a circa 40.000 TWh/anno (~3.5 Gtep/anno);

b) Potenziale tecnicamente sfruttabile: pari a circa 14.500 TWh/anno (~1.2 Gtep/anno);

c) Potenziale economicamente conveniente: pari a circa 8000 TWh/anno (~0.7 Gtep/anno).

~35% ~20% ~20% ~15%

Il potenziale tecnicamente sfruttabile è distribuito: in Asia; in Europa; in Sud America; in

~10%

Africa; in Nord America.

Il ciclo della CO 2

L’atmosfera scambia carbonio con la biosfera e l’oceano tramite diversi processi.

Dall’atmosfera:

• Quando il sole sta splendendo, fotosintesi nella parte verde delle piante per convertire diossido di carbonio in

carboidrati, rilasciando ossigeno. Questo processo è più efficace quando le piante crescono.

6 +6 0→ +6

• Alla superficie degli oceani vicino ai poli, l’acqua di mare si raffredda ed è formato più bicarbonato dato che la

diventa più solubile.

• Nelle zone oceaniche ad alta produttività biologica, organismi convertono carbonio in tessuto, o carbonati in

parti del corpo rigide come gusci.

Nell’atmosfera: +6 →6 +6 0

• Tramite la respirazione eseguita da piante e animali:

• Tramite il decadimento di piante e animali morti. I batteri convertono il carbonio da composti di carbonio in

se è presente ossigeno, in se è assente.

• disciolto viene rilasciato nell'atmosfera.

Nella superficie degli oceani quando l'acqua diventa più calda, il

• Eruzioni vulcaniche: i gas vulcanici sono principalmente vapore acqueo, e .

Nell’atmosfera a causa dell’attività umana:

• Tramite combustione di materiali organici (biomassa e combustibili fossili).

• Produzione di cemento, poichè viene rilasciato quando il calcare viene riscaldato per la produzione della

→ +

calce, un componente chiave del cemento:

Il Ciclo del Carbonio comprende 4 maggiori serbatoi: l’atmosfera, la biosfera terrestre, gli oceani e i sedimenti (compresi

i combustibili fossili). Lo scambio annuale di carbonio tra i serbatoi è dovuto a vari processi chimici, fisici, geologici e

biologici. Una parte del surplus di origine antropica di viene assorbita dagli oceani e una gran parte di questa viene

iniettata nell’atmosfera.

nelle piante

Accumulo di CO

2

Durante la fase di crescita delle piante, l’assorbimento di attraverso la fotosintesi è prevalente rispetto al rilascio di

con la respirazione: quindi una pianta cattura . Il carbonio catturato si “accumula” nella biomassa della pianta:

~50% ~30% ~17% ~3%

per un tipico albero in bosco, nel tronco, nei rami, nelle radici, nelle foglie. La quantità

sequestrata dipende dalla specie, dall’età, dalla struttura e

dal grado di salute della foresta. L’accumulo di può

~15

variare da Kg/anno per piccoli alberi a lenta crescita

~350

fino a Kg/anno per alberi più grandi al loro massimo

ritmo di accrescimento.

Si consideri la curva di accumulo del carbonio nella

biomassa epigea per impianto di specie tipo pioppo o

frassino.

Calcolo di massima del “rendimento energetico” della conversione di energia solare in biomassa

Si consideri la pianta di pioppo e alla luce della curva di crescita, ipotizziamo che il taglio avvenga dopo 10 anni

dall’impianto. Nota quindi la dimensione della pianta al momento del taglio, si può stabilire a quale distanza vadano

2

impiantate le piante giovani: stabiliamo a 10 m una dall’altra, quindi una pianta ogni 100 m .

Si ipotizzi che la biomassa ricavabile da tronco e rami da ogni pianta sia pari a 1 ton, pertanto possiamo assumere che la

2

resa sia pari a 1 kg/m anno. Per il potere calorifico inferiore del legno di pioppo possiamo assumere il valore medio di

~2500 kcal/kg, ovvero 10.5 MJ/kg. Pertanto la resa energetica della coltivazione del pioppo si può assumere in media

~11 2 anno.

pari a MJ/m

La potenza radiante solare al suolo è pari al 49% (vedere bilanci-sole terra) della potenza incidente al bordo della

0.49 ∙ /4 = 168 ~

2 2

stratosfera, ovvero in media pari a W/m 0.5 x 1010 J/m anno (la superficie sferica della Terra è 4 volte

.

più grande della sua sezione diametrale ed essendo la costante solare Ks calcolata rispetto alla superficie, deve essere divisa per 4)

Perciò il rendimento energetico della conversione dell’energia solare in potere calorifico di biomassa può essere scritto:

In realtà non tutta la potenza radiante solare al suolo è sfruttabile nei processi di fotosintesi (la quota di radiazione

diretta è utilizzata completamente, mentre quella di radiazione diffusa solo in parte), il rendimento va leggermente

~0.3

aumentato e nel caso considerato si può assumere pari a %.

Effetto serra antropico

L’attività antropica consiste nella combustione di fonti fossili a scopo energetico per il settore pubblico civile, industriale

e terziario, nella deforestazione tropicale, nell’attività industrializzata, etc. Questo ha un certo numero di effetti

collaterali in termini di impatto ambientale. I più importanti dei quali sono:

• L'inquinamento atmosferico, come un effetto diretto immediato della emissione

di prodotti chimici e polvere (anche l’inquinamento dell’acqua deve essere

considerato, poiché l'acqua di raffreddamento viene riscaldata);

• effetto indiretto sul clima globale, a causa di emissioni di gas serra (GHG) –

soprattutto CO2 e Metano – il cui effetto è ritardato e persistente.

I principali gas serra sono: (anidride carbonica), (metano), (ossido di azoto),

composti alogenati o fluorocarburi (CFC, ).

L’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), un organismo dell’ONU, afferma che esistono ormai segni

incontrovertibili sull’influenza dell’attività umana sul clima terrestre:

1. La superficie terrestre si è riscaldata di 0,6±0,2 °C nel corso del secolo appena passato.

2. Il 1998 è stato l’anno più caldo dal 1861 (da quando si dispone di misure strumentali dirette della temperatura).

3. Gli ultimi due decenni sono stati i più caldi del secolo scorso.

4. I tre anni più caldi del secolo scorso sono compresi nell’ultimo decennio.

5. I dodici anni più caldi del secolo scorso sono stati successivi al 1983.

6. L’incremento di temperatura nel 20° secolo è stato p