Università dell Insubria. Corso di laurea Scienze Ambientali FISICA GENERALE

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1 Università dell Insubria Corso di laurea Scienze Ambientali FISICA GENERALE Modulo su Elementi di tematiche ambientali globali e dei processi fisici connessi Fonti e risorse energetiche in collaborazione con Landau Network Centro Volta Como Note a cura di M. Martellini e M. Zeni

2 Queste note sono state in parte preparate con immagini tratte da alcuni testi e da Internet. Queste note sono da intendersi per uso interno del corso di Fisica Generale per gli studenti del Corso di Laurea in Scienze Ambientali, A.A. 2003/04

3 Una civiltà costruita sull energia Le problematiche: Quali risorse energetiche per il futuro? Quali fonti di energia? Quali tecnologie? Quali e quante riserve? L ottimizzazione dei consumi Le scelte hanno un riflesso diretto con le varie tematiche globali

4 Una civiltà costruita sull energia In passato il lavoro era umano e animale (corpo umano ~ 100 w) 1769 Macchina a vapore (Watt) è l origine della rivoluzione industriale Non bastano le riserve di legname Carbone Petrolio (XX secolo) Gas naturale Combustibili fossili Il carbone origina dalla decomposizione di piante di milioni di anni fa Gas e petrolio derivano principalmente da sedimenti di plancton sul fondo del mare (2-140 milioni di anni)

5 La macchina a vapore Nel 1700 lo scozzese James Watt realizzò una serie di importanti invenzioni che portarono allo sviluppo della moderna macchina a vapore. La macchina a vapore e' costituita da un motore termico alternativo a combustione esterna, che si basa sull'espansione e sul successivo raffreddamento del vapore generato in una caldaia. Questa macchina trasforma energia termica in energia meccanica La scoperta della pressione atmosferica, grazie agli esperimenti di Torricelli e Pascal, fu un precedente importante per l'invenzione della macchina a vapore perché suggerì l'idea di impegnare la pressione atmosferica per azionare un pistone sotto al quale era creato il vuoto

6 Quali fonti di produzione di energia Lavoro animale Combustibili fossili Nucleare Fonti rinnovabili In generale lo schema di produzione dell energia è sempre basato su quello di una macchina termodinamica: Calore vapore lavoro meccanico energia elettrica Caso idroelettrico ed eolico: lavoro meccanico energia elettrica Caso della produzione fotovoltaica: conversione diretta energia luminosa in energia elettrica

7 Una nota storica: la pila di Alessandro Volta (bicentenario nel 1999) La pila di Volta era costituita da una serie di dischi in zinco e rame impilati uno all'altro, interposti ad essi vi erano dischi di feltro imbevuti di sostanza acida; era nato così il primo generatore statico di energia elettrica. Importanza fondamentale: Possibilità di studio sistematico dei fenomeni e delle correnti elettriche corrente elettrica come principale vettore per la distribuzione capillare dell energia

8 Gli utilizzi dell energia Spostamenti e trasporti Riscaldamento e climatizzazione Lavoro meccanico e produzione industriale Illuminazione Informatica e telecomunicazioni (più recente) Esempio: alla fine del 19-esimo secolo il lavoro umano costituiva il 94% del lavoro industriale negli USA. Oggi ne costituisce l 8% Esempio: ogni europeo beneficia di una potenza di lavoro pari a 150 servitori; negli USA il numero sale a 300; anche in India ogni persona beneficia mediamente della potenza di lavoro di 15 servitori

9 La distribuzione dell energia Dipende dal tipo: innanzitutto dipende dall ubicazione delle risorse Movimentazione dei combustili fossili: è legata al posizionamento geografico dei giacimenti o delle miniere Petroliere rischio inquinamento Oleodotti e metanodotti problemi geopolitici (ex Cecenia) interdipendenza tra gli Stati Didascalia: Francia ed Inghilterra collegate da un cordone ombelicale. In occasione del primo cavo sottomarino che ha collegato nel 1850 Calais con Dover ( da Le Charivari, 1850)

10 La distribuzione dell energia Dipende anche dal tipo di produzione energetica e dal posizionamento delle centrali sul territorio. In particolare: Energie eolica o geotermica: è legata a località con caratteristiche specifiche Energia elettrica: è la più vantaggiosa per la distribuzione e per la versatilità ed efficienza di utilizzo Energia solare: può permettere anche una produzione capillare riducendo le necessità delle reti di distribuzione Necessità di reti complesse ed interdipendenti Gestione di situazioni di criticità e problemi di blackout

11 Il problema delle riserve finite La Crisi petrolifera degli anni 70 ha generato vari scenari catastrofici di previsione per le future riserve energetiche Scenari infondati e smentiti dai fatti, ma è stato posto il problema delle risorse per le generazioni future Risorse rinnovabili e risorse non rinnovabili Risorse non rinnovabili impossibile garantirle a tutte le generazioni future l importante è garantire lo stesso livello di benessere, ovvero un paragonabile sviluppo e una sempre rinnovata capacità di rinnovare le risorse energetiche, di trovarne di nuove e di ottimizzarne l uso.

12 Il consumo di petrolio L utilizzo di petrolio è cresciuto velocemente nel ventesimo secolo È il combustile fossile più versatile: facile da trasportare, compatto, alto contenuto energetico Nel confronto, il carbone pesa, è ingombrante e inquina di più. Il gas è pulito ma è più voluminoso e richiede metanodotti e condotte

13 Un indicatore importante: Il prezzo dei combustibili Il prezzo dell unità di energia prodotta dai vari combustibili fossili riflette la loro effettiva abbondanza, versatilità ed efficienza Nota lo scavalcamento di prezzo del gas rispetto al carbone Nota che i prezzi, a parte il picco della crisi petrolifera, non evidenziano trends di crescita rilevanti Esiste una correlazione tra abbondanza combustibile, prezzi ed efficienza di estrazione ed individuazione di nuovi giacimenti

14 Prezzo vs produzione Il prezzo del petrolio non è cresciuto nonostante una produzione crescente, in particolare a partire dal secondo dopoguerra. Le risorse disponibili sono crescenti

15 Un paradosso: riserve crescenti! Le riserve aumentano perché migliora continuamente la capacità di determinare nuovi giacimenti e di sfruttarli meglio Inoltre, laddove i prezzi aumentino rendono competitivi giacimenti e risorse che inizialmente non lo erano

16 Un paradosso: riserve crescenti! Aumenta l efficienza nell uso dell energia Nuovi tipi di motori a scoppio Sistemi di riscaldamento più efficienti Politiche di contenimento dei consumi

17 Petrolio da sabbie e scisti bituminosi. È un tipo di petrolio più difficile e leggermente più costoso da estrarre. Ma sta diventando competitivo. È 8 volte più energetico degli altri combustibili fossili. Stima globale di una riserva pari a circa 242 volte quella delle riserve petrolifere convenzionali. oltre 5000 anni di riserve energetiche da idrocarburi Gli altri combustibili fossili Anche per carbone e gas valgono le considerazioni fatta per il petrolio in merito alle riserve disponibili.

18 Produzione Termoelettrica I combustibili fossili vengono utilizzati per l autotrazione, nei motori a scoppio o nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica Lo schema di utilizzo è sempre quello di una macchina termodinamica che scambia calore a due o più temperature di esercizio, sfruttando l espansione del vapore per trasformare l energia termica in lavoro meccanico e successivamente in energia elettrica

19 Le dighe tendono ad ostruirsi a causa del limo in qualche decina di anni Energie Rinnovabili: Produzione idroelettrica È attualmente la più importante fonte di energia rinnovabile. Fornisce il 6,6% della produzione globale di energia. In molti paesi supera il 50% e in una ventina di paesi supera il 90%. L energia potenziale dell acqua nel bacino a monte viene trasformata in energia cinetica nella caduta a valle e quindi utilizzata per produrre, grazie al fenomeno dell induzione magnetica, energia elettrica. Margini di crescita limitati: per ex in Europa è quasi completamente sfruttata Aspetti negativi: Impatto ambientale delle dighe

20 Energia eolica Mulini a vento: una tecnica di produzione di energia molto antica. Anche in questo caso l energia meccanica viene per induzione magnetica trasformata in energia elettrica La Danimarca, per tradizione e conformazione geografica, è leader mondiale di questa produzione (circa il 9% della produzione nazionale) Un certo impatto ambientale delle installazioni Costi di ammortamento e di manutenzione non sono ancora completamente competitivi Collocazione ideale: in mare aperto

21 Energia nucleare Costituisce il 6% della produzione su scala mondiale ed il 20% per i paesi che la producono Sfrutta il fenomeno della fissione nucleare: i nuclei di uranio-235 e di altri elementi pesanti della tavola periodica vengono spezzati con rilascio di energia 1 grammo di uranio-235 ~ 3 tonnellate di carbone È una sorgente di energia molto pulita Zero emissioni di CO 2 Bassissime emissioni radiative di esercizio Il problema è quello delle scorie, alcune sono radioattive per oltre anni individuazione, costruzione e gestione di siti di smaltimento problemi politici

22 Energia nucleare: le riserve La stima attuale delle riserve di uranio-235 è di circa 100 anni. Una diversa tecnologia di reattori (reattori veloci) utilizza l uranio-238 (più diffuso in natura). L uranio-238 viene trasformato dalla radiazione emessa dall uranio-235 in plutonio-239 che a sua volta può costituire nuovo combustibile per il reattore. produzione di più combustibile di quanto ne venga utilizzato. Stime di riserve per anni Problemi di sicurezza: il plutonio può essere utilizzato per la produzione di armi atomiche.

23 Energia nucleare: i costi L energia nucleare costa comunque complessivamente ancora circa il doppio di quella da combustibili fossili previsione di sostanziale stagnazione per i prossimi anni, anche per le difficoltà politiche legate all immagine del nucleare nell opinione pubblica (Hiroshima, Cernobyl) La rilevante tecnologia nucleare del futuro: la fusione nucleare È lo stesso processo che avviene sul Sole e nelle stelle. Due isotopi di idrogeno atomo di elio 1 grammo ~ a 45 barili di petrolio Riserve virtualmente infinite (acqua dagli oceani) Bassissime emissioni in esercizio e no scorie Tecnologia ancora non matura: previsioni per una tecnologia efficiente verso la metà del XXI secolo

24 Energia solare Celle fotovoltaiche Dispositivo che sfrutta l effetto fotoelettrico interno per convertire direttamente l irraggiamento solare in energia elettrica. Si comporta come una minuscola batteria, producendo, nelle condizioni di soleggiamento tipiche italiane, una corrente di circa 3 A (Ampere) con una tensione di circa 0.5 V (Volt), quindi una potenza intorno a 1.5 W (Watt). Le celle fotovoltaiche hanno solitamente una colorazione blu scuro, derivante da un rivestimento antiriflettente (ossido di titanio), importante per ottimizzare la captazione dell'irraggiamento solare. Solo una parte dell energia della radiazione luminosa viene convertita in energia elettrica. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio cristallino e' in genere compresa tra il 10% e il 14%.

25 Effetto fotoelettrico È il fenomeno grazie al quale un fascio di luce, colpendo una superficie metallica, può estrarre da essa elettroni e quindi generare una corrente Fenomeno fondamentale per introdurre la natura corpuscolare della luce (fotone), spiegato da Einstein nel 1905 (Nobel 1921) L avvenimento del fenomeno è legato alla frequenza della radiazione incidente, e non alla sua intensità frequenza di taglio f c

26 Energia solare: i costi La bassa efficienza e l alto costo delle singole celle non la rendono ancora competitiva. Si prevede una competitività intorno al Il flusso di energia solare è circa 7000 volte il nostro consumo globale di energia enorme margine di espansione per lo sfruttamento di questa risorsa Altri vantaggi: È più efficiente (anche se al momento non competitiva economicamente) dell energia ricavabile dal Sole tramite le biomasse; richiede circa un terzo della superficie Gli impianti possono essere collocati in luoghi desertici o poveri dal punto di vista dello sfruttamento agricolo Non dà problemi di inquinamento e polveri sottili Una singola area quadrata di 469 Km di lato (il 2,6% del Sahara) sarebbe sufficiente, anche con le efficienze attuali, per produrre tutta la richiesta energetica mondiale attuale!

27 Energia solare vs altre fonti Questo grafico ci dà la proporzione tra l energia solare annuale, i nostri consumi annuali e le varie risorse energetiche globali Nota: Il totale delle fonti non rinnovabili nel loro complesso è una frazione del flusso solare annuale Energia eolica, idroelettrica e energia prodotta dalla fotosintesi sono una frazione molto piccola dell energia solare totale

28 Altre fonti rinnovabili Combustibili tradizionali: legna e carbone da legna. Costituiscono il 6,4% della produzione globale di energia, ma sono oltre il 25% della produzione complessiva nei paesi in via di sviluppo Energia geotermica: può essere competitiva ma solo in alcune aree geografiche (per ex Filippine ed Indonesia) Combustione biomasse: scarti di lavorazioni agricole o di legname, inceneritori di rifiuti

29 La produzione globale di energia Il grafico mostra le percentuali delle diverse fonti energetiche nella produzione globale di energia La parte più consistente (86%) è costituita da fonti non rinnovabili Nella rimanente parte di fonti rinnovabili prevalgono la produzione idroelettrica ed il consumo di combustibili tradizionali. Marginale è il ruolo dell energia da biomasse, geotermica, eolica e solare

30 Stoccaggio e flessibilità delle risorse energetiche Energia solare ed eolica alternano picchi di produzione con momenti di non produzione necessità stoccaggio Allacciamento di impianti idroelettrici alla rete: accumulo di energia nei bacini Oppure produzione di idrogeno mediante elettrocatalisi dell acqua Più in generale per una politica energetica: è necessario assicurare una diversificazione di fonti energetiche e di mezzi di produzione in una rete integrata e flessibile.