L'efficienza energetica è il rapporto quantitativo e misurabile tra un risultato, realizzato con un macchinario o un processo, e l'energia impiegata per ottenerlo.
Gli ambiti in cui si può determinare l'efficienza energetica sono assai diversificati. Le scienze esatte sono spesso in grado di definire un sistema ideale con cui confrontare quello reale. In tal caso l'efficienza si esprime in percentuale, a indicare quale frazione dell'energia realmente spesa sarebbe occorsa al sistema ideale per ottenere lo stesso risultato. Nel caso in cui l'input e l'output siano entrambi delle energie e non vi siano impedimenti nella loro trasformazione da una forma a un'altra, l'efficienza energetica è la frazione di quell'energia in ingresso che si ritrova in uscita.
In contesti legislativi l'efficienza energetica è definita come "il rapporto tra un risultato in termini di rendimento, servizi, merci o energia e l'immissione di energia" Vedere pag.8, articolo 2, punto 17 e ancora "il rapporto tra i risultati in termini di rendimento, servizi, merci o energia e l'immissione di energia" Vedere pag. 4, articolo 3, punto b). Vedere pag. 6, art. 2, punto 1 b).. Queste definizioni, necessariamente generiche e onnicomprensive, richiedono di essere declinate e sviluppate nei diversi ambiti specifici.
Valenza e limiti Negli ultimi quarant'anni il consumo mondiale di energia è raddoppiato L'energia dei combustibili fossili annualmente consumati nel mondo è passata da del 1981 a nel 2019.. I problemi del futuro esaurimento di risorse energetiche di origine fossile (carbone petrolio e gas) e delle loro emissioni climalteranti vanno affrontati in due direzioni: maggior ricorso a fonti di energia rinnovabili o alternative a quelle fossili e miglior sfruttamento dell'energia disponibile con prodotti e servizi che, a pari risultati, siano più parchi di risorse e per questo detti a più alta efficienza energetica. Le tecnologie efficienti possono anche rivelarsi economicamente convenienti allorché il maggior esborso iniziale venga ripianato in tempi ragionevoli dai minori costi di esercizio rispetto a soluzioni convenzionali.
I sistemi di accumulo di energia acquisteranno crescente importanza per rendere disponibili energie discontinue (solare e eolico) nei momenti di maggior richiesta. Le diverse soluzioni di accumulo si caratterizzano anch'esse per la loro efficienza energetica percentuale, intesa come rapporto tra energia restituita e energia spesa per la carica.
Il confine tra ciò che è qualificabile come efficienza energetica, e ciò che non lo è, può risultare alquanto lasco. Alcuni esempi banali: una stanza con pareti bianche (rispetto a quelle scure) migliora di fatto l'efficienza energetica per l'illuminazione artificiale poiché si ottiene maggior luce diffusa; un frigorifero che impieghi pareti spesse e quindi più isolate ha dispersioni termiche ridotte e perciò un'aumentata efficienza. In entrambi i casi è da chiedersi se tali interventi siano davvero qualificabili come efficientamento, o se sia più corretto - e forse più produttivo - cambiare sorgente luminosa o adottare un sistema di raffreddamento meglio progettato. In generale tutti gli espedienti che riducono le perdite di energia vengono ricompresi nel quadro dell'efficienza energetica, ma non è assicurato che a ciò corrisponda un fattore percentuale di efficienza. Per gli edifici si è quindi coniato il termine di indice di prestazione energetica evitando di utilizzare efficienza in un contesto molto variegato e in cui sarebbe improprio.
Il miglioramento dell'efficienza nella fase d'uso di un prodotto va anche commisurata alle risorse necessarie per realizzare quel prodotto e provvedere, una volta esaurita la sua vita utile, al suo smaltimento con i dovuti criteri di rispetto per l'ambiente. Inseguire a tutti i costi la massima efficienza energetica si rivela quindi, al di là un certo limite, improduttivo. Un esempio: le lavatrici con riscaldamento dell'acqua a pompa di calore - e con consumi energetici bassissimi - hanno un costo difficilmente giustificabile e restano più che altro una curiosità, mentre asciugatrici e lavasciuga alle quali viene applicata la stessa tecnologia, in ragione del più cospicuo risparmio elettrico conseguibile, iniziano a far breccia sul mercato. L'efficienza energetica va quindi vista sia in relazione alle risorse iniziali da impiegare (e relativi costi) sia come impatto ambientale globale. La branca di ricerca di analisi del ciclo di vita - spesso indicata con LCA da life cycle assessment - si occupa di questi aspetti mediante analisi e valutazione non solo del bilancio energetico (includendo le tre fasi di costruzione uso e dismissione d'un prodotto) ma anche altri fattori ambientali e di salute dell'uomo. Nella realtà dei fatti, buona parte dei consumi energetici connessi ai singoli individui (ad esempio nel settore domestico e per la mobilità) e in processi produttivi industriali sono ancora caratterizzati da una forte incidenza della fase d'uso mentre i termini energetici di inizio e fine vita danno un minore contributo.
La Commissione europea ha emesso nel 2021 la raccomandazione EE1st, (Energy Efficiency First). La raccomandazione segue di due mesi l'uscita della prima parte del sesto rapporto Prima parte del sesto Assessment Report IPCC. A seguire, nel corso del 2022, le altre parti: il rapporto complessivo di sintesi, quello su impatti adattamento e vulnerabilità ai cambiamenti climatici, e quello sulle azioni di mitigazione. Qui disponibili in italiano: il comunicato stampa IPCC, un sunto del rapporto redatto dai coautori italiani, le principali risultanze, le differenze metodologiche e di strumenti di analisi rispetto al rapporto precedente. di IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sui cambiamenti climatici a livello mondiale e sugli scenari attesi nel prossimo futuro in relazione ad un ventaglio di ipotesi di contenimento delle emissioni di gas ad effetto serra. È riconosciuta l'urgenza assegnando allefficienza energetica la priorità per raggiungere gli obiettivi previsti di contenimento delle emissioni, e quindi mitigare i cambiamenti climatici. Individua i settori ove migliorare l'efficienza: produzione trasmissione e distribuzione di energia elettrica, edilizia, processi industriali, trasporti, tecnologie ICT. Raccomanda agli stati membri di istituire percorsi istituzionali che obblighino ad analisi raffronti e scelte migliorative.
Combinazione di efficienze Quando per arrivare al suo impiego finale l'energia subisce più trasformazioni in cascata o un degrado causato da diversi fattori successivi l'uno all'altro, si ha che l'efficienza globale è il prodotto delle efficienze di ognuno degli stadi del sistema. Ad esempio un'autoclave che pompa acqua agli ultimi piani di un condominio avrà un rendimento totale - chiamiamolo ηt - dato dal rapporto tra l'energia (potenziale) necessaria a sollevare un quantitativo d'acqua sino all'altezza dello stabile e l'energia elettrica consumata per pompare quel quantitativo. Ma il processo si potrebbe scomporre in un rendimento elettrico del motore ηe che trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, un rendimento della pompa a esso collegata ηp, e un rendimento della tubazione di distribuzione dell'acqua che la trasporta sino alla sommità ηd con perdite di energia in relazione a diametro, lunghezza e velocità del fluido. Si avrà quindi che ηt = ηe × ηd × ηd. Si dà qui implicitamente per valida l'approssimazione, spesso realistica, che le diverse efficienze non si influenzino tra loro. Dei consumi elevati saranno indizio che almeno una di queste efficienze è bassa per cui ηt è pure bassa e l'Eout dovrà ottenersi a spese di una Ein molto maggiore. Un progettista dovrà per prima cosa capire, in base ai dati disponibili, quale delle efficienze in gioco è quella più critica e intervenire su di essa.
Quando invece in un elemento sussistono due o più percorsi diversi, contemporanei e in parallelo che causano perdite, queste si sommano. Ad esempio un pannello solare termico avrà una perdita dovuta alla radiazione non completamente assorbita, un'ulteriore perdita di calore dalla faccia anteriore vetrata esposta al sole, e una da quella posteriore. Le tre perdite andranno a sommarsi. Se le si esprime in percentuale come frazione della radiazione incidente, l'efficienza del pannello sarà il 100% meno la loro somma.
Declinazioni Nelle scienze esatte
In fisica e in ingegneria meccanica ed elettrica, l'efficienza energetica è un numero adimensionale con un valore compreso tra 0 e 1 o, se espresso come percentuale, tra 0% e 100%. Viene spesso indicato con la lettera greca minuscola (eta). L'efficienza energetica è definita come: o anche
In questa espressione e sono la potenza in uscita e in ingresso nel sistema, espresse nella stessa unità di misura. Si tratta in tal caso di efficienza istantanea e le due potenze andranno misurate allo stesso istante di tempo, oppure s'avrà cura di far funzionare il dispositivo in regime stazionario (senza variazione dei suoi parametri nel tempo) cosicché la simultaneità diventa irrilevante. Un regime stazionario assicura inoltre che, col fluire del tempo, non vi sia accumulo o rilascio di energia interna al dispositivo che falserebbe le misure. In alternativa l'efficienza è esprimibile come rapporto tra energia in uscita e energia in ingresso , anche in questo caso espresse con uguali unità di misura. Nell'espressione come rapporto di energie, le misurazioni si intendono riferite allo stesso intervallo temporale. Al posto dell'efficienza viene in alternativa indicata la perdita di un dispositivo, ossia la frazione di energia che appare assente dopo la trasformazione. Per la legge di conservazione dell'energia, l'efficienza energetica in un sistema chiuso non può superare il 100%, che equivale a dire che nessuna macchina può creare energia gratis dal nulla. È pure vero che le perdite non sono energia che si è volatilizzata nel nulla, ma si tramutano in calore all'interno del dispositivo (e che viene infine espulso nell'ambiente) come mostrato da Joule in un celebre esperimento. Nelle due espressioni dell'efficienza le due potenze (o nella seconda espressione le due energie) possono essere entrambe elettriche, entrambe meccaniche, o una elettrica e una meccanica. Nel caso di energia meccanica si usa di frequente anche il termine equivalente di lavoro.
In riferimento all'energia primaria
Nei sistemi elettrici e meccanici è implicitamente assunto che l'efficienza va misurata dal punto dove l'energia si rende disponibile (il punto di prelievo, in inglese point of delivery abbreviato in POD) a quello dove la si è successivamente trasformata per l'uso specifico a cui è destinata. In realtà nel caso di energia elettrica questa proviene in buona parte da centrali che usano combustibili fossili. Ha quindi senso introdurre una definizione globale di efficienza energetica riferita all'energia (detta primaria) dei combustibili che sono occorsi per produrre l'energia elettrica con cui s'è poi attuato l'uso finale a cui si è interessati. Ciò va tenuto in debita considerazione quando occorre valutare l'efficienza in sistemi articolati, dove possono venir utilizzati contemporaneamente o in alternativa tra loro combustibili fossili ed energia elettrica. Va rimarcato che tale stima - in particolare dove si utilizza energia elettrica - può ottenersi solo come valore medio di situazioni reali estremamente variabili perché dovute alla volubilità di insolazione, vento e riserve idroelettriche che costringono ad altrettanta volubilità la produzione elettrica da fonti fossili, che deve sempre e comunque arrivare a colmare il fabbisogno elettrico istantaneo nazionale. Tali variazioni implicano che la miscela tra le diverse fonti generative (cosiddetto fuel mix) non è un dato stazionario: varia con le ore del giorno e le stagioni, ma nelle stime pratiche occorre assumerlo come una costante.