Energia, cibo, acqua e cambiamenti climatici: una tempesta perfetta di eventi globali

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1 University of Trieste Energia, cibo, acqua e cambiamenti climatici: una tempesta perfetta di eventi globali Maurizio Fermeglia Università di Trieste Maurizio.Fermeglia@di3.units.it Dipartimento di Ingegneria e Architettura Sesto, lunedì 1 luglio

2 La tempesta perfetta di John Beddington Aumento popolazione globale (da 6.8 bilioni a 8.3 bilioni). Richiesta di cibo aumentata del 40%, ma produzione non adeguata Richiesta di energia aumentata del 45% ma produzione non adeguata Domanda globale di acqua aumentata del 30%, problemi di approvvigionamento acqua potabile Riduzione delle emissioni di gas serra inferiori alle aspettative cambiamenti climatici sempre più evidenti Scarsità di cibo, energia ed acqua portano a tensioni internazionali e migrazioni Sesto, lunedì 1 luglio

3 AMBIENTE CIBO 4 Emergenze a livello Mondiale ENERGIA ACQUA Richard E. Smalley, Nobel Laureate, Chemistry, 1996, MRS Sesto, Bulletin, lunedì 1 luglio June

4 La popolazione mondiale cresce anche se meno degli anni passati. Sesto, lunedì 1 luglio

5 Un pioniere Mtoe/anno 1912 ~ 1 TW Sesto, lunedì 1 luglio

6 G. Ciamician, Science 1912 Sesto, lunedì 1 luglio

7 Nel 2000 circa TW Energia usata Mtoe 12.3 TW WWII 1 Mtoe/anno ~ 1.3GW Sesto, lunedì 1 luglio

8 Energia prodotta Dati nel 2009: 474 exajoules ( J) equivalenti a 15 TW h/y Dati da IEO2010 vedi EIA Home Page ( Dati in QUAD. 1 QUAD (quadrillion BTU) = EJ (10 E 18 J) = TW Sesto, lunedì 1 luglio

9 Domanda di energia globale per regione OECD Non OECD Quadrillion BTU - Quad 100 quad = 3.33 TW Other Non OECD Russia/Caspian Africa Middle East 200 Other OECD 200 Latin America Europe OECD India 100 North America 100 China Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio

10 Richieste di energia per fonte Quadrillion BTUs 100 quad = 3.33 TW Oil Gas Coal Nuclear Biomass/Other Wind / Solar / Biofuels Hydro / Geo Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio

11 exaj = 15,000,000,000,000 Wh => 17 TW TW ; TW Sesto, lunedì 1 luglio

12 Fonti fossili? Sesto, lunedì 1 luglio

13 EROEI Alternative all economia basata su combustibili fossili (Peak Oil, CO 2 )? Non facili, costose Materie prime Energia Energia Processo di produzione Scarti C.A.S.Hall, J.W.Day Jr., Revisiting the Limits to Growth After Peak Oil, Am. Sci. 97 (2009) 230 Sesto, lunedì 1 luglio

14 EROEI a confronto Power Source EROEI(actual) Hydro 50, 43 and 205 Nuclear (centrifuge) 18.1, 18.4, 14.5, 13.6 and 14.8 Nuclear (diffusion) 6.0, 6.7, 5.8, 7.9, 5.3, 5.6 and 3.9 Coal 12.2, 7.4, 7.32, 3.4 and 14.2 Gas (piped) 16 Gas (piped a lot or liquefied) 3.4, 3.76 and 4 Solar 10.6 Solar PV 12-10, 7.5 and 3.7 Wind 12, 6, 34, 80 and 50 Fonte: da The World Nuclear Association, 2011 Nuclear Power EROEI: Da Nuclear Electricity: Potential, EROI and Social and Environmental Impacts Robert Powers - SUNY-ESF, Syracuse NY Sesto, lunedì 1 luglio

15 Costi solare nucleare: crossover storico Fonte: John O. Blackburn, Sam Cunningham, July 2010 Sesto, lunedì 1 luglio

16 Variazioni della concentrazione di gas serra in atmosfera 2010: 380ppm 1900: 280ppm CO2 CH4 N2O CO2 CH4 N2O Sesto, lunedì 1 luglio

17 Le emissioni di anidride carbonica Emissioni Dal miliardi di tonnellate di cui la metà dal 1975 Nel milioni di tonnellate Circa 4 % aumento dall anno Distribuzione delle emissioni Combustibili Liquidi e solidi 76.7% Combustibili gassosi 19.2% Fabbricazione del cemento 3.8% Effetto sul clima in 100 anni (IPCC)?? Di chi è la colpa?? Sesto, lunedì 1 luglio

18 Emissioni: 140 g CO 2 /km!! Auto elettrica g CO 2 /km Produzione di elettricità Estrazione fonti fossili e trasporto Si tiene conto delle rinnovabili Sesto, lunedì 1 luglio

19 L aumento di gas serra in atmosfera e dovuto alle attivita umane Sesto, lunedì 1 luglio

20 Effetto: aumento di temperatura 11 dei 12 anni più caldi si sono verificati dal 2001 a oggi, 2011 e 2012 di 0,54 e 0,45 gradi al di sopra della media Period Rate ± ±0.018 Years /decade Sesto, lunedì 1 luglio

21 Riscaldamento del Mediterraneo Sesto, lunedì 1 luglio

22 Stiamo gia assistendo al nostro futuro climatico? Estate 2003 in Europa L ondata di calore dell estate 2003 in Europa ha causato circa morti, danni all agricoltura per piu di 12 Miliardi di Euro ed incendi boschivi su vasta scala Sesto, lunedì 1 luglio

23 Intensificazione del ciclo idrologico Aumento delle intensita delle precipitazioni Piove meno frequentemente ma piu intensamente Aumento di siccita e ondate di calore Sesto, lunedì 1 luglio

24 Scioglimento dei ghiacciai Pizzo Bernina, 1978 Pizzo Bernina, 2003 Alps Sesto, lunedì 1 luglio

25 Aumento del livello del mare Il livello del mare globale si e alzato di circa 20 cm dal 1880 Sesto, lunedì 1 luglio

26 Produttività delle piante In verde aumento - In rosso diminuzione Sesto, lunedì 1 luglio

27 Una prova del riscaldamento globale??? Sesto, lunedì 1 luglio

28 Dove e immagazzinata l acqua dolce? km 3 % Ghiacciai ,9 Falde acquifere ,4 Laghi ,4 Acqua nel suolo ,28 Umidita nell aria ,03 Fiumi ,004 Acqua dolce : km 3 Oceani : km 3 Sesto, lunedì 1 luglio

29 Utilizzo dell acqua Gli esseri umani usano circa il 54% dell acqua fruibile (70% entro il 2025, 90% entro il 2050) Oggi circa un miliardo di persone ha problemi di accesso ad acqua dolce sufficiente e questo numero è destinato ad aumentare Sesto, lunedì 1 luglio

30 Acqua significa cibo Prodotti vegetali Water (litri per KG) Prodotti animali Water (litri per KG) Olio vegetale 5000 Manzo 13,000 Riso Pollo 4,000 Grano 1000 Uova 2,700 Mais 700 Latte 800 Agrumi 400 Verdura Patate 100 Sesto, lunedì 1 luglio

31 Acqua significa energia Sesto, lunedì 1 luglio

32 Acqua significa energia Sesto, lunedì 1 luglio

33 Il vertice sul clima di Durban Sesto, lunedì 1 luglio

34 Ma generiamo solo 15TW di energia, che equivalgono a 7500 $ PIL (se distribuito uniformemente) Consumo di energia e PIL Sesto, lunedì 1 luglio

35 Oggi: 15TW 6.7 B, di cui alcuni vivono bene PIL medio $ B ton CO 2 /y 2-5 conflitti in corso 2058: 32 TW 9 B, più propserità PIL medio $ B ton CO 2 /y Relativa pace sociale? Raddoppio di CO 2? Esaurimento combustibili fossili Nuovi scenari 2058: 15 TW 9 B, meno prosperità PIL medio $ B ton CO 2 /y CO 2 stabile Conflitto mondiale! Sesto, lunedì 1 luglio

36 NON ESISTE UN PROBLEMA DI MAGGIORE IMPORTANZA! Sesto, lunedì 1 luglio

37 La terra è un sistema isolato. eccetto che per l irraggiamento solare Sesto, lunedì 1 luglio

38 Conversione di energia solare in energia elettrica: Effetto fotovoltaico Sesto, lunedì 1 luglio

39 Nanotecnologie Diametro=0.30 m Sezione di filamento di DNA=2.5 nm Raggio= m There is plenty of room at the bottom Richard Feynman, 1959 Sesto, lunedì 1 luglio

40 Nanoscienze controllare la materia atomo per atomo Mettendoli uno alla volta al posto voluto Sfruttandone la tendenza ad ordinarsi spontaneamente Sesto, lunedì 1 luglio

41 Nuovi materiali fotovoltaici basati sulle nanotecnologie Nano-PV Thin film c-si Sesto, lunedì 1 luglio

42 FINO A QUANDO SERVIRANNO GLI INCENTIVI? = residential = commercial = industrial Total Yearly Irradiation [kwh/(m²y)] bg fr bg fi lv ee lt es hr gr gr si bg pl lt lv ee se gr hr cz be lv dk fi ee lt no fr pt pt mt mt mt cy hu es si hr uk cz at si fr de uk es ro skcz cy hu at ro uk lu nl fi be pl pl no ie se cy it sk lu pt Electricity Price Increase hu at be de ie PV Electricity Generation 3,0 /Wp System Price sk it de nl lu dk no ie se 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 Average Price of Electricity [ /kwh] it PV Cost Reduction nl dk Sesto, lunedì 1 luglio

43 Fino a quando serviranno gli incentivi? Nel si Sesto, lunedì 1 luglio

44 Nel forse. dopo no Sesto, lunedì 1 luglio

45 Uno dei grandi problemi Problema: Il trasporto utilizza circa 33% dell energia mondiale Soluzione: Il motore elettrico Tecnologia consolidata con alcuni svantaggi Autonomia Costo batterie Costruzione batterie Approvigionamento Litio Sesto, lunedì 1 luglio

46 Energia per il trasporto 90% Nel 2040, 90% dei trasporti sarà basato su combustibili liquidi di derivazione petrolifera contro il 95 % di oggi Sesto, lunedì 1 luglio

47 Domanda globale per il trasporto Personale Millions of oil-equivalent barrels per day Commerciale Millions of oil-equivalent barrels per day Rail Marine Aviation Light Duty Vehicles 10 Heavy Duty Vehicles Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio

48 Domanda globale per il trasporto Combustibile Tipologia automobili Millions of oil-equivalent barrels per day Billions of vehicles Other Electricity Natural Gas Natural gas/lpg Plug-in/electric Fuel Oil Jet Fuel Hybrid 40 Diesel Conv. Diesel Conv. Gasoline 10 Gasoline Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio

49 Cella a combustibile fuel cell Sesto, lunedì 1 luglio

50 L era dell idrogeno: la transizione non è certa... Passato Motori a combustione interna Hanno portato all era del petrolio TRANSIZIONE INCERTEZZZA FUTURO Product Performance Tempo Le Fuel Cell possono portare all Era dell Idrogeno Carbone Petrolio Gas Idrogeno 1.5 : 1 1 : 2 1 : 4 0: 1 Decarbonzzazione Sesto, lunedì 1 luglio

51 Fuel cell per l automobile Sesto, lunedì 1 luglio

52 Prototipo cella ad UNITS Sesto, lunedì 1 luglio

53 L alternativa ad un futuro basato sull idrogeno Sesto, lunedì 1 luglio

54 Commissione Europea sull energia Priorità 1: produzione Riduzione del 20% in emissione gas serra 20% energia da rinnovabili 20% risparmio energetico (per il 2020) Priorità 2: Fornitura di energia da altri paesi 20% rinnovabili non è sufficiente Efficienza energetica Pronti a rispondere in caso di crisi Sesto, lunedì 1 luglio

55 Italia: potenza installata MW e GWh energia prodotta Sesto, lunedì 1 luglio

56 Obiettivo UE per ITALIA Le fonti rinnovabili devono raggiungere almeno il 17% dei consumi finali di energia al 2020 Sesto, lunedì 1 luglio

57 Italia: distribuzione fonti rinnovabili Situazione al 2012 la fonte idrica è rimasta sostanzialmente invariata; la fonte eolica ha raddoppiato la propria incidenza in 5 anni; il fotovoltaico è aumentato di quasi 40 volte in 5 anni!!; il geotermico è rimasto sostanzialmente invariato; le bio-energie hanno più che raddoppiando in 5 anni; Di recente le fonti solari hanno sorpassato quelle idrauliche Sesto, lunedì 1 luglio

58 PIANO DI AZIONE PER LE RINNOVABILI - FER Sesto, lunedì 1 luglio

59 Riscaldamento e raffrescamento Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio

60 Elettricità Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio

61 Trasporti (ai fini dell obiettivo 10%) Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio

62 CO2 cattura ed immagazzinamento?? Cattura Non è un problema Industria Chimica lo sa fare Immagazzinamento Geologico Marino Problemi immensi e non risolti Fragilità contenitori Localizzazione Costi.. Sesto, lunedì 1 luglio

63 Quali possibilità? Fonti rinnovabili Biomasse: (solo) breve periodo Fotovoltaico: medio lungo periodo Eolico: breve lungo periodo Dall acqua tradizionale: idroelettrica - sfruttata Dall acqua: maree, onde costi investimento Dalla terra: geotermia - trascurabile Soluzione finale: Energia solare Idrogeno Combustibile liquido (aerei ) Risparmio Sesto, lunedì 1 luglio

64 Quali possibilità per il trasporto? Futuro prossimo Fare affidamento sul petrolio Risparmio ed efficienza Il problema sono i trasporti commerciali Non sostituibile kerosene per aerei Motori elettrici, ibridi, idrogeno Futuro remoto Idrogeno prodotto da energia solare Fonti petrolifere per trasporto aereo Risparmio energetico insomma sole e idrogeno!!! Sesto, lunedì 1 luglio

65 L età della pietra non è finita perchè si sono esaurite le pietre; l età del petrolio non finirà con l esaurisi del petrolio Don Huberts Sesto, lunedì 1 luglio