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Introduzione e scopo della tesi

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Academic year: 2021

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Introduzione e scopo della tesi

Generalità

Le Nazioni Unite hanno recentemente pubblicato il tanto atteso rapporto sui cambiamenti climatici, avvertendo che il riscaldamento globale è quasi certamente causato dall’uomo. “Il riscaldamento climatico è inequivocabile, risulta evidente dall’incremento misurato nella temperatura media dell’aria e degli oceani, dallo scioglimento diffuso dei ghiacci e dall’aumento del livello medio del mare”, si legge (vedi Fig. 1). Quanto piccoli siano i dubbi rimasti sulla causa di tali cambiamenti emerge chiaramente dall’espressione usata nel rapporto, quando si afferma che “molto probabilmente” (probabilità > 90%) le attività umane stanno cambiando il clima. “La maggior parte della crescita osservata nelle temperature medie globali dalla metà del ‘900, molto probabilmente è dovuta all’aumento di concentrazione dei gas serra antropogenici. La concentrazione atmosferica del diossido di carbonio è cresciuta notevolmente, per effetto delle attività umane, dal 1750; nel 2005 superava di gran lunga il livello naturale degli ultimi 650,000 anni, come si evince dai carotaggi glaciali”. Il rapporto prosegue:” l’aumento della concentrazione di diossido di carbonio, il più importante gas serra antropogenico, deriva, fin dall’epoca pre-industriale, dall’uso di carburanti fossili; i cambiamenti avvenuti nello sfruttamento dei terreni contribuiscono in maniera significativa, ma meno importante”.

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Figura 1: Mostra i principali cambiamenti avvenuti sulla terra a causa delle attività

umane1.

Dunque, il cambiamento climatico indotto da emissioni antropogeniche è principalmente il risultato dello stile di vita al quale si sono abituati gli abitanti dei paesi industrializzati. Tuttavia, la stima dei danni ambientali causati dalle attività umane è ancora affetta da un significativo numero di incertezze, incertezze generate dalle difficoltà che si incontrano nel lavorare con un’enorme quantità di variabili correlate tra loro e dalla mancanza di conoscenze precise sulla fisica e la chimica dei processi che governano il clima terrestre. Si deve dire, comunque, che queste incertezze non invalidano l’osservazione secondo la quale, in virtù delle emissioni antropogeniche di CO2, responsabili per il 64% circa dell’aumento di effetto serra, la concentrazione di

CO2 nell’atmosfera è cresciuta del 35%, dal valore di 280 ppm, assunto in epoca

pre-1 IPCC 2001. Climate Change 2001: The Scientific Basis Contribution of Working Group I to the Third

Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton ,J.T. et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK

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In quest’ottica, una particolare attenzione merita l’impiego del carbone nei sistemi per la produzione di energia; il carbone è infatti, tra i carburanti fossili, il maggior produttore di CO2, a parità di energia ottenuta dalla combustione, ed il largo uso che se

ne fa nei settori dell’industria energetica ha suscitato molte discussioni che vertono sulla domanda: perché, nel 21o secolo, il carbone è ancora il principale carburante fossile per la produzione di energia? Per rispondere sono necessari due ordini di considerazioni: Da una parte, allo stato attuale di sviluppo tecnologico, i livelli di rischio e di costo nello sfruttamento delle fonti energetiche non fossili, come nucleare, biomasse, sole, vento, rendono queste risorse non convenienti, rispetto alle tradizionali, nel soddisfare le odierne richieste di energia. Inoltre, qualsiasi rapida conversione alle fonti non fossili, ammesso che sia possibile, richiederebbe il generale smantellamento delle attuali infrastrutture dedicate al rifornimento di energia, con conseguenze pesanti sull’economia globale.

D’altro canto, il carbone dà importanti vantaggi economici rispetto agli altri carburanti fossili. Principalmente, il suo prezzo non è affetto da grandi variazioni, essendo collocato nell’ambito di mercati internazionali competitivi ed in espansione; in più, il carbone è il carburante fossile più abbondante e variamente distribuito sul globo, il che ne riduce notevolmente i costi strategici.

Comunque, questa “rinascita” del carbone rappresenta ovviamente un passo indietro rispetto a ciò che ci si potrebbe aspettare, nel campo delle scelte energetiche, da un mondo sempre piú consapevole dei cambiamenti climatici prodotti delle emissioni antropogeniche di CO2.

Per ridurre gli effetti sull’ambiente derivanti dall’uso del carbone, sono richieste ricerche approfondite di carattere tecnologico, tutto ciò allo scopo di rendere più

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Introduzione e scopo della tesi

Obiettivo del lavoro

Il richiamo allo scenario energetico, con i suoi problemi irrisolti, ha inoltre reso necessario lo sviluppo di tecniche di progetto innovative e di nuovi strumenti metodologici. I bilanci termodinamici e le stime economiche sulle tecnologie avanzate restano quindi essenziali, però deve essere considerato anche il controverso aspetto ambientale degli impianti per la generazione di energia. Negli ultimi anni sono state proposte varie metodologie di analisi, nelle quali la ricerca si è concentrata soprattutto sugli aspetti che concernono l'economia classica e la termodinamica, con contributi per l'integrazione del problema ambientale che tendono ad introdurre un elemento di soggettivitá nei risultati. E' necessario confrontare gli impianti nel modo più obiettivo possibile.

Il principale obiettivo della tesi è quello di affrontare il problema energetico in tutti i suoi aspetti, però è necessario puntualizzare che la nostra analisi è limitata ai sistemi energetici. Di solito il problema energetico abbraccia aspetti economici, sociali ed ambientali, tra gli altri. Anche se i tecnici non possono fornire soluzioni a problemi così generali, dal momento che queste saranno necessariamente soluzioni politiche, il ruolo del tecnico è determinante nello sgombrare il campo dai luoghi comuni, attraverso la presentazione dei dati. A questo proposito, un buon esempio di luogo comune è rappresentato dall'idea secondo la quale il problema collegato alla produzione di CO2

possa esser risolto esclusivamente con tecnologie di sequestro e cattura, mentre, come noto, necessita di sforzi politici, meccanismi economici di controllo, ricerca e sviluppo, oltre a cooperazione internazionale; ma soprattutto, richiede che si riconosca la riduzione delle emissioni di CO2 come un'istanza che non può essere semplicemente

regolamentata in maniera analoga a quanto si fa, in questo caso con successo, con le emissioni di SO2, NOx e PMs

Dunque, il principale obiettivo della tesi è quello di fornire indicatori tecnici sulle prestazioni degli impianti energetici; in quest'ottica la tesi studia i contributi netti alla riduzione delle emissioni in atmosfera da parte delle tecnologie di controllo che consentono ancora l'uso di carburanti fossili. Per stimare gli effetti delle tecnologie di

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Sulla base delle considerazioni precedenti, la tesi propone una nuova funzione multioggetto, che consente di guadagnare profondità nelle analisi dei diversi sistemi di conversione di energia, intesi nel loro significato più ampio. Scopo della funzione è considerare tutti gli aspetti coinvolti nei processi, da quello economico a quello ambientale, in modo da razionalizzare l'uso delle risorse e comprendere le potenzialità e i limiti delle tecnologie deputate a ridurre le emissioni. La strategia è quella di integrare l'impatto ambientale all'interno delle ben note analisi economiche e termodinamiche. L' analisi, dunque, cerca di associare il consumo energetico al danno ambientale; dal momento che la maggior parte degli utilizzatori di carburanti fossili ancora non paga il costo reale delle proprie emissioni, le forze del mercato sono praticamente assenti. A questo proposito, ancora oggi, il problema energetico è perlopiù trattato dalla prospettiva dell'economia neoclassica, per la quale l'ambiente è semplicemente un sottosistema dell'economia, col risultato di disaccoppiare la crescita economica dal danno ambientale. L'autrice pensa che un incentivo a diminuire il consumo energetico, quindi le emissioni, arriverà solo quando tutti i settori dell'economia e dell'industria includeranno nei loro bilanci il danno ambientale prodotto dalle loro attività. I modi di utilizzo dell'energia, così come altri aspetti del moderno stile di vita, dovranno essere cambiati se ci si vuole confrontare seriamente col problema del riscaldamento globale.

Struttura della tesi

Il capitolo 1 è un'introduzione molto generale alle problematiche affrontate nel corso della tesi. Presenta un ampio studio sulle varie metodologie esposte in letteratura per il calcolo dell'impatto ambientale dei sistemi di conversione energetica, studio che fornisce vari metodi per limitare le emissioni inquinanti. I principali metodi per

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affrontare il problema sono mostrati in figura 2: si tratta dell'approccio economico, dell'approccio basato sull'eco-efficienza e dell'approccio regolatorio.

Approccio economico

Eco-efficienza Approccio

regolatorio

Internalizzazione dei costi esterni

Sussidi

Maggiore efficienza

Uso corretto delle risorse Decarbonizzazione del carburante, sequestro e cattura dell'inquinante

Regolamentazione “comando e controllo” Opportunità per lo sviluppo di nuove tecnologie pulite

Tasse ambientali

Figura 2: Vari approcci per la stima dell'impatto ambientale dei sistemi per la

conversione di energia.

Tradizionalmente, questi approcci sono stati portati avanti dalla corrente degli economisti, da una parte, e da quella degli ingegneri, dall'altra, con difficoltà a trovare un terreno comune, viste le differenze tra le due; comunque ogni metodo mira a ridurre le emissioni inquinanti dei sistemi di conversione energetica. Quelli di tipo economico usano strumenti basati sul mercato, come tasse o “tradable permits”. Le tasse sul carbone sono quelle che affrontano più direttamente il problema delle emissioni; applicate al contenuto di carbone nel combustibile, possono rompere la correlazione tra crescita economica e crescita dei consumi energetici conducendo ad un nuovo modello

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l'inquinamento, senza considerare il costo del combustibile o l'efficienza dell'impianto. Comunque il vero problema restano le emissioni di CO2, essendo queste strutturali al

processo di conversione energetica (1kg carbone→3.6 kg CO2→393.52 MJ/kmol).

Queste emissioni sono direttamente collegate all'energia prodotta, ed escluderle equivale ad invertire il processo energetico, con conseguente riduzione dell'efficienza dell'impianto e quindi con un aumento dell'input energetico.

Nel capitolo.2 viene portato avanti uno studio complessivo delle diverse soluzioni tecnologiche adottate per limitare le emissioni degli impianti. La sezione 2.2 evidenzia lo stato dell'arte sulle tecnologie per la cattura di CO2, le principali delle quali sono

l'assorbimento, l'adsorbimento, la criogenia e la separazione per membrane, che possono essere applicate prima o dopo la combustione, secondo il principio di funzionamento, vedi figura 3. Ad ogni modo, la riduzione delle emissioni di CO2 è un

campo ancora molto controverso, giacché prevede miglioramenti per l'ambiente a fronte di una riduzione dell'efficienza termica dell'impianto e di un incremento dei costi.

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Figura 3: Metodi per la cattura di CO2

Più avanti, nella sezione 2.3, è proposta una metodologia per la stima delle richieste energetiche delle tecnologie ad assorbimento chimico di CO2. Da ultimo sono

presentate brevemente le principali tecnologie per l'abbattimento delle emissioni di NOx, SOx e PMs.

Il capitolo.3 espone una revisione critica sullo stato dell'arte di cinque tipi di impianti a carbone pulito, e descrive alcune importanti applicazioni ed attività in corso in questo settore.

Le tecnologie pulite a carbone sono un tentativo di controllare le emissioni in una maniera più strutturale, a partire da una nuova definizione dell'impianto, fornendo, nel corto e medio periodo, energia elettrica in maniera più efficiente e meno costosa per l’ambiente. Queste tecnologie si basano sugli attuali sviluppi nel progetto degli impianti, che mirano all'aumento dei parametri del vapore, incorporando cicli con turbine a gas, bruciatori a bassa emissione e sistemi di controllo meglio integrati nell’impianto.

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multidimensionale, che affronti tutti gli aspetti relativi ai sistemi di produzione di energia. Alla lunga un'impostazione unilaterale, da sola, non è sufficiente per comprendere la complessità scientifica dei sistemi. La metodologia usata si deve basare su un'analisi multioggettiva, che includerà gli aspetti economici, termodinamici ed ambientali.

La natura multidisciplinare dell'analisi è stata largamente discussa nella recente letteratura.

Il capitolo.4 fornisce una revisione critica degli strumenti metodologici più evoluti usati nell'analisi multioggetto dei sistemi di conversione energetica, discussi ed esaminati estesamente. Oggi una vasta branca della ricerca si occupa di queste metodologie, riconducibili a due gruppi principali: l'approccio tecnico - limitato dal contorno del sistema-, e l'approccio olistico – nel quale il contorno del sistema è meno definito. Più avanti nel lavoro, l'autrice propone due metodologie multioggetto, originali, basate sulle due impostazioni precedenti. Entrambe mirano a raggruppare in un coefficiente comune le varie problematiche riguardanti i sistemi di conversione dell'energia - economica, energetica, ambientale - con lo scopo di portare avanti un'analisi multi oggetto, confinando le variabili nell'ambito dell'ingegneria.

Nel capitolo.5 viene proposto un coefficiente aggregato, basato sulla selezione di indicatori multidimensionali. Si deve notare che questo è un approccio più generale, anche se, nonostante dia un'idea chiara del problema, manca di accuratezza.

Nel capitolo.6 si propone una funzione di utilità e indicatori di impatto basata sull'energia, Ψp. Comunque, in questo tipo di analisi, l'espressione dell'impatto

ambientale in termini di energia non è scevro da incertezze.

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Il capitolo.7 fornisce un esempio di applicazione della funzione Ψp, usata in questo caso

per confrontare un impianto a carbone ed una turbina a gas. Si presentano alcuni risultati e studi parametrici del problema.

Nel capitolo finale, capitolo.8, sono stese alcune conclusioni, seguite da suggerimenti per sviluppi futuri di lavori.

Figura

Figura 1: Mostra i principali cambiamenti avvenuti sulla terra a causa delle attività
Figura 2: Vari approcci per la stima dell'impatto ambientale dei sistemi per la
Figura 3: Metodi per la cattura di CO 2

Riferimenti

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