Risposte parte Poggi esame Risorse energetiche rinnovabili

Possibili classificazioni delle fonti energetiche

Classificazione delle fonti energetiche

In base alla loro origine:

• Fonti primarie: direttamente disponibili in natura come carbone fossile, petrolio, gas naturale, combustibili nucleari, biomasse, energia idraulica, solare, eolica, geotermica.
• Fonti secondarie: frutto di una trasformazione a partire da una fonte primaria come energia elettrica, energia meccanica, derivati del petrolio (benzine, olii combustibili, ecc.), derivati del carbone (carbon coke, ecc.), rifiuti solidi urbani.

In base alla loro disponibilità:

• Fonti rinnovabili: inesauribili (es. energia solare) o virtualmente inesauribili (es. biomasse)
  • Energia solare:
    • Diretta: termica, fotovoltaica
    • Indiretta: idraulica, eolica, biomasse, moto ondoso
  • Geotermia (aerotermia ed idrotermia)
  • Maree
  • Combustibili nucleari
• Fonti non rinnovabili: destinate all'esaurimento, in quanto sfruttate ad un ritmo superiore a quello di rinnovamento naturale (es. combustibili fossili)
  • Combustibili fossili (solidi, liquidi, aeriformi)
  • Combustibili nucleari (fissione convenzionale)

La definizione di rinnovabilità è labile, essa è scalata in base alla vita umana. Le fonti non rinnovabili hanno tempi di rinnovamento così lunghi che non interessano a noi.

In base al loro utilizzo:

• Fonti programmabili: possano essere programmate in base alla richiesta di energia
  • Impianti idroelettrici a serbatoio e bacino
  • Rifiuti solidi urbani
  • Biomasse
  • Impianti assimilati che utilizzano combustibili fossili
  • Combustibili di processo o residui
• Fonti non programmabili: fonti intermittenti per natura
  • Impianti di produzione idroelettrici fluenti
  • Eolici
  • Geotermici
  • Fotovoltaici
  • Biogas

La maggior parte delle energie rinnovabili non sono programmabili! Questo ricade nel problema che l’energia elettrica è difficilmente stoccabile in grandi quantità, quindi deve essere utilizzata appena prodotta. L’unica energia verde veramente programmabile è l’idroelettrico perché attraverso l’utilizzo di bacino e serbatoio possiamo decidere noi quando attivare le turbine ed eventualmente se viene prodotta energia in surplus può essere utilizzata per azionare delle pompe di reinvio dell’acqua nel serbatoio.

Schema dei flussi di energia: dalle fonti primarie agli usi finali

Flussi di energia:

Fonti primarie → Trasformazioni → Usi finali

Il primo grafico rappresenta i flussi di energia. Le fonti rinnovabili sono principalmente utilizzate per produrre energia elettrica, così come il carbone. Solo il petrolio e il carbone vengono utilizzati in derivati.

Il secondo grafico rappresenta il fabbisogno di energia globale (475 exajoules, 10¹⁸ joule) divisa come possiamo vedere in:

• Oil, utilizzato principalmente per far girare motori e solo in piccola parte per produrre elettricità.
• Biomassa, utilizzata per essere bruciata.
• Gas, utilizzato in maggior parte per essere bruciato ed in minor parte per produrre elettricità.
• Carbone, utilizzato nella maggior parte per produrre elettricità.
• Nucleare
• Fonti rinnovabili

Nel campo però mondiale non vengono utilizzati i joule, ma dobbiamo fare conversioni con diverse unità di misura.

A cosa è correlata la crescita dei consumi?

Quadro energetico internazionale

Questo grafico rappresenta i consumi in relazione al tipo di essi. La correlazione è generalmente crescente con la popolazione. Sono indicate anche alcune deflessioni relative a cause extra-energetiche, generalmente le guerre o alcune cause geopolitiche. Il gas naturale fortunatamente ha visto sempre più un aumento dell’utilizzo. L’impennata del carbone è dovuta alla produzione della Cina, perché essa ha poco petrolio. Nel grafico a torta possiamo vedere come comunque la risorsa energetica rinnovabile più diffusa è l’idroelettrico, sfruttata soprattutto dai paesi come la Norvegia che hanno grande disponibilità di acqua. Le risorse rinnovabili, che fanno parte della categoria other, nel 1973 rappresentavano solo lo 0,1% e nel 2016 il 1.7%, ed è una buona crescita.

Legame tra consumi e sviluppo

Il legame tra consumi e sviluppo:

• Numero abitanti, N
• Livello di sviluppo socio-economico (PIL pro-capite)
• Attività economiche prevalenti
• Livello di sviluppo tecnologico e socio-economico
• Capacità di utilizzare in modo razionale ed efficiente le risorse disponibili

Intensità energetica

L'intensità energetica è data dalla correlazione tra l’energia utilizzata, il numero di abitanti N ed il relativo PIL.

Intensità energetica: misura dell'efficienza energetica del sistema economico di una nazione. Viene calcolata come unità di energia diviso unità di prodotto interno lordo (PIL).

• Alte intensità di energia indicano un alto consumo (e relativo costo) del convertire l'energia in PIL.
• Basse intensità di energia indicano un minore prezzo (e costo) del convertire l'energia in PIL.

L'intensità energetica è un indicatore fortemente collegato allo sviluppo economico di un paese, 2 casi:

• Paesi in via di sviluppo: fase iniziale dello sviluppo economico → intensità energetica sensibilmente elevata poiché il sistema economico deve investire per creare e aumentare la propria struttura industriale. → consumo di energia molto elevato a fronte di un livello di produzione ancora basso.
• Paesi sviluppati: fase di maturazione dello sviluppo economico → peso del settore secondario industriale si riduce in termini assoluti e relativi a favore del settore terziario (servizio). Molti prodotti industriali di base importati dall'esterno o delocalizzati nei paesi in cui il costo del lavoro è più basso. Produzione caratterizzata da tecnologie più efficienti e a risparmio energetico. → consumo di energia più basso a fronte di un livello di produzione elevato.

L'evoluzione dell'intensità energetica nel corso dello sviluppo economico è rappresentabile sul piano cartesiano tramite una curva decrescente conosciuta con il nome di curva dell'intensità energetica.

Intensità energetica influenzata da:

• Sviluppo economico
• Standard di vita della popolazione
• Condizioni climatiche: nei paesi molto freddi e in quelli molto caldi gran parte dell'energia è consumata rispettivamente per il riscaldamento o il rinfrescamento.

Aspetti geo-politici ed economici legati alle risorse fossili

Risorse fossili: problemi aperti

Problemi attuali: aspetti geo-politici ed economici, legati a:

• Distribuzione non uniforme delle risorse
• Speculazioni finanziarie
• Stabilità internazionale e conflitti mondiali

A medio e lungo termine:

• Esaurimento delle risorse
• Impatto ambientale ed in particolare: effetto serra e riscaldamento globale

Problematiche di lungo periodo legate alle risorse fossili

Problemi a medio e lungo termine:

• Esaurimento delle risorse
• Impatto ambientale ed in particolare: effetto serra e riscaldamento globale

Esaurimento delle risorse → Teoria del picco di Hubbert

Modello proposto, nella sua formulazione iniziale, nel 1956 dal geofisico americano Marion King Hubbert, che modella l'evoluzione temporale della produzione di una qualsiasi risorsa minerale o fonte fossile esauribile. Dopo la formulazione iniziale della teoria, molti lavori successivi sono stati effettuati per "raffinare" ulteriormente la parte matematica dei modelli nonché per estendere il campo di validità della teoria. Ultimamente il trend della produzione di petrolio, secondo l'Energy Information Administration (EIA), sembra essere in aumento (passando da 8,9 milioni di barili 2016 a 9,3 nel 2018). Tale aumento è dovuto principalmente dall’estrazione di Tight Oil in stati come Texas, North Dakota, Oklahoma, e New Mexico.

Tight oil: tipo di petrolio intrappolato nelle rocce o nelle argille, che viene estratto in maniera molto simile allo shale gas: si raggiunge il giacimento di tight oil con la trivellazione orizzontale e poi si procede alla sua estrazione con esplosivo e fratturazione idraulica (fracking).

Grid parity

Definizione (1): Punto in cui l'energia elettrica prodotta per mezzo di impianti alimentati a FER ha lo stesso prezzo dell'energia prodotta tramite fonti energetiche convenzionali cioè le fonti fossili, o fonti energetiche alternative come il nucleare.

Definizione (2): Il termine fa riferimento alla «parità» fra il costo di produzione dell'energia da fonte rinnovabile e il costo di acquisto dell'energia dalla rete, che invece si basa per la quasi totalità sulla produzione elettrica da fonti fossili. La grid parity si raggiunge quando l'investimento in un impianto fotovoltaico sarà conveniente, in termini di rendimento dell'investimento, anche in assenza di incentivi.

Definizione (3): Momento in cui il costo annuo ammortizzato del mio impianto arriverà ad essere uguale alla produzione, cioè il flusso di cassa in ingresso che deriva dalla vendita o consumo di energia pareggia il costo di investimento. Nessuna energia rinnovabile è arrivata a questo livello!! Per questo motivo è favorevole installarle solo in caso di incentivi. Incentivi per sopperire alla differenza di costi, ma sono stati tolti perché principalmente è stato saturato il mercato.

Nel futuro la parità tra grid parity potrà essere ottenuta grazie a:

• Aggiornamenti tecnologici per aumentare il rendimento quindi aumentare i ricavi a parità di costo. Allo stesso tempo la tecnologia permetterà di ridurre i costi dei pannelli solari utilizzando materiali innovativi.
• Aumento del petrolio. È molto importante questo impatto perché proprio durante le grandi crisi petrolifere si è permesso lo sviluppo di energie rinnovabili. Questo comporterà un aumento del costo della vita.

I protocolli ambientali

Protocollo di Kyoto

11 dicembre 1997 (in vigore nel 2005) – 31 dicembre 2012

55 stati → 55% delle emissioni serra globali

Nascita del Protocollo di Kyoto per contrastare il cambiamento climatico, probabilmente il più grande e preoccupante problema ambientale dell’era moderna, con le emissioni di CO₂ in atmosfera che si costituiscono come il principale costituente dell’impronta ecologica umana.

I gas climalteranti (GHG – GreenHouse Gases):

• CO₂ (anidride carbonica), prodotta dall’impiego dei combustibili fossili;
• CH₄ (metano), prodotto dalle discariche dei rifiuti, dagli allevamenti zootecnici e dalle coltivazioni di riso;
• N₂O (protossido di azoto), prodotto nel settore agricolo e nelle industrie chimiche;
• HFC (idrofluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere;
• PFC (perfluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere;
• SF₆ (esafluoruro di zolfo), impiegato nelle industrie chimiche e manifatturiere.

Sottoscritto l’11 dicembre 1997 durante la Conferenza delle parti di Kyoto (la COP3) ma è entrato in vigore solo il 16 febbraio 2005 (55 stati ratificanti che rappresentassero non meno del 55% delle emissioni serra globali di origine antropica). Fine validità al 31/12/2012. Prevedeva una riduzione emissiva mediamente del -5% (rispetto alla baseline emissiva del 1990).

Alcuni stati Europei già nel 2009 avevano superato il proprio target di riduzione emissiva. Obiettivi nazionali collegati al Protocollo di Kyoto: l’Italia ce l’ha fatta? La media di riduzione delle emissioni nel periodo di impegno (2008-2012) rispetto all’anno base (1990) è stata “solo” del 4,6%, a fronte di un impegno nazionale di riduzione del -6,5%.

Principali variazioni:

• Settore trasporti: +2,9% (incremento mobilità merci e passeggeri)
• Settore industrie energetiche: -8% (generazione di energia con combustibili a più basso tenore di carbonio)
• Settore residenziale: +8,2% (aumento numero abitazioni)
• Settore manifatturiero: -36,8% (incremento di gas naturale al posto di olio combustibile e crisi)
• Settore industriale: -26,5% (riduzioni di emissioni principalmente nel settore chimico)
• Settore agricoltura: -16% (diminuzione capi di bestiame)
• Settore gestione e trattamento rifiuti: -17,5% (migliore gestione cicli di raccolta e raccolta differenziata)

Dopo Kyoto

“Piano 20 20 20”:

Si tratta dell’insieme delle misure pensate dalla UE per il periodo successivo al termine del Protocollo di Kyoto. Il “pacchetto Clima”, contenuto nella Direttiva 2009/29/CE, è entrato in vigore nel giugno 2009 e sarà valido dal gennaio 2013 fino al 2020.

• 20% in meno di emissioni di CO₂
• 20% in più di spazio alle energie rinnovabili
• 20% in meno di utilizzo di energia primaria

“Piano 20 20 20”:

• Revisione del Sistema EU-ETS (European Union Emission Trading Scheme) cioè il sistema che prevede lo scambio delle quote delle emissioni di gas serra.
• Promozione del sistema “Effort sharing extra EU-ETS”, cioè la ripartizione degli sforzi per ridurre le emissioni: è un sistema pensato per i settori che non rientrano nel sistema di scambio delle quote (come edilizia, agricoltura, trasporti eccetto quello aereo) per cui ai singoli stati membri viene assegnato un obiettivo di riduzione di emissioni (per l’Italia il 13%).
• Promozione del meccanismo del Carbon Capture and Storage – CCS (Cattura e stoccaggio geologico del carbonio): una delle possibili modalità della riduzione della CO₂ in atmosfera è il suo stoccaggio.
• Energia da fonti rinnovabili: l’obiettivo è di produrre il 20% di energia nella copertura dei consumi finali (usi elettrici, termici e per il trasporto). Per raggiungere questa quota, sono definiti obiettivi nazionali vincolanti (17% per l’Italia). Nel settore trasporti in particolare almeno il 10% dell’energia utilizzata dovrà provenire da fonti rinnovabili.
• Nuovi limiti di emissione di CO₂ per le auto: il limite di emissioni per le auto nuove viene stabilito in 130 gCO₂/km, mentre entro il 2020 il livello medio delle emissioni per il nuovo parco macchine dovrà essere di 95 gr. CO₂/km.
• Miglioramento dei combustibili: verranno introdotte nuove restrizioni (legate a salute e ambiente) sui gas serra prodotti dai combustibili. Durante l’intero ciclo di vita della loro produzione i gas serra dovranno essere ridotti del 6%.

Le fonti energetiche rinnovabili nel “Piano 20 20 20”

Un’importante direttiva è quella che riporta gli obiettivi e i mezzi finalizzati al raggiungimento della quota di 20% di energia prodotta da fonti rinnovabili misurata sui consumi finali. L’UE ha pubblicato il 5 giugno 2009 la Direttiva 2009/28/CE in cui vengono esplicitati gli indirizzi relativi al settore fonti rinnovabili.

Il Consiglio europeo del 23-24 ottobre 2014 ha approvato i nuovi obiettivi clima energia al 2030:

• -40% emissioni di gas a effetto serra, con obiettivi vincolanti per gli Stati membri;
• +27% rinnovabili sui consumi finali di energia, vincolante a livello europeo, ma senza target vincolanti a livello di Stati membri;
• 27% efficienza energetica, non vincolante ma passibile di revisioni per un suo innalzamento al 30%.

Attualmente le COP (Conference of the Parties) più recenti sono rivolte alla definizione degli obiettivi per il periodo “post-Kyoto”:

• Conferenza di Copenhagen (Cop 15, Dicembre 2009) → non raggiunto alcun accordo.
• Conferenza di Cancun (Cop 16, Dicembre 2010), non è riuscita ad organizzare una azione coordinata tra gli Stati nazionali per il contrasto al cambiamento climatico, obiettivo che non è stato ottenuto neppure con la più recente Conferenza di Durban (Cop 17, Dicembre 2011).
• Conferenza di Doha non si siano raggiunti accordi adeguati all’urgenza climatica, e neppure nelle COP seguenti.
• Conferenza di Parigi (dicembre 2015) → concordato un accordo climatico che sulla carta è molto importante ed ambizioso, da attuarsi entro il 2020.

I protocolli aiutano?

Maggior contributo → efficienza energetica, che considera la riduzione diretta di emissioni legata alla minore domanda di combustibili fossili e quella indiretta legata alla minore domanda di energia elettrica. Al secondo posto è la riduzione delle emissioni del 26% come somma degli effetti legati agli investimenti in rinnovabili ed alla dismissione degli impianti non efficienti. Nel 2015 abbiamo emesso più o meno la stessa quantità di CO₂ del 2014 e poco più che nel 2013. La crescita della CO₂ dello 0,1% dell'anno scorso è la più bassa dal 1992. Un deciso cambio di rotta rispetto agli ultimi 10 anni che hanno visto un aumento medio annuo dell'1,5%.

La visione classica della rete elettrica

La rete elettrica:

Il problema è l’interazione con la rete, non è come produrre, ma come distribuire e come gestirla!

Riguardo alla visione classica, le reti elettriche sono state ideate e realizzate per trasportare energia da un numero limitato di punti di immissione ad un gran numero di consumatori. Si tratta di una rete elettrica di potenza che trasporta, ad alta tensione (rete di trasmissione), dalle centrali elettriche che producono energia elettrica fino a cabine elettriche di trasformazione AT/MT tensione e da qui fino ai centri di domanda (attraverso le linee di distribuzione) che raggiungono i singoli clienti/utenti finali.

Relazione per la potenza: P = V ∙ I

La rete elettrica è molto semplice: abbiamo un produttore, avente la propria rete in cui produce.