Nuove risorse energetiche. 30 Settembre Donne e società civile

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1 Nuove risorse energetiche 30 Settembre Donne e società civile

2 Tema di enorme importanza e attualità, con implicazioni politiche e ambientali Esempi: Germania nella II guerra mondiale Iran, Iraq, Afganistan

3 In Italia i casi di Enrico Mattei (capo dell ENI, morto nel 62 in un attentato) e Felice Ippolito (capo del CNEN, coinvolto in un processo probabilmente montato nel 64)

4 Forte disparità nel consumo mondiale tra le diverse regioni del mondo Il consumo pro capite negli USA è il doppio di quello europeo e venti volte quello dell Africa

5 Map of the world based on population Mappa del mondo scalata secondo la popolazione From M. Newman

6 Map of the world based on energy consumption Mappa del mondo scalata secondo i consumi energetici From M. Newman

7 Dal vangelo secondo Luca: Lazzaro e il ricco Epulone

8 Fame di energia delle nazioni emergenti (Cina, India, Brasile)

9 Schema dell esposizione

10 Le forme di energia Da dove arriva l energia Le risorse energetiche tradizionali, fossili e non Le biomasse L idrogeno Nuove risorse? Chefare?

11 Esposizione semplificata rispetto alla complessità dell argomento Un po di Chimica necessaria: -acqua H 2 O -metano CH 4 - anidride carbonica CO 2 - ossigeno O 2 - idrogeno H 2

12 Riferimenti bibliografici: Nicola Armaroli e Vincenzo Balzani: Energia oggi e domani Bononia University Press Kerry Emanuel Piccola lezione sul clima Il Mulino (prefazione di Franco Prodi)

13 Cos è l energia? Difficile da definire, come il tempo. S. Agostino ha scritto: Se nessuno me lo chiede, lo so. Se voglio spiegarlo a chi me lo domanda, non lo so più Definizione precisa in Fisica. Grosso modo: l energia di un corpo o di un sistema è la sua attitudine a compiere lavoro

14 Tipi di energia: elettrica meccanica (cinetica, potenziale) gravitazionale chimica radiante nucleare termica (calore) etc

15 Esempi di trasformazioni tra forme di energia Chimica (gas che brucia in un fornello) Termica (calore) Chimica della benzina (gasolio) Meccanica (motore a scoppio) Meccanica Elettrica (turbine, alternatore della bici) Chimica Elettrica pila (batteria) Termica (calore) Meccanica (vaporiera)

16 Tutte le volte che si trasforma una forma di energia in un altra si hanno perdite (calore) Efficienza della trasformazione Esempi: La lampadina. A incandescenza 5% in energia radiante, a fluorescenza circa quattro volte di più. Nel processo della fotosintesi (foglie: energia radiante chimica) è 1-5 %

17 Nei processi fotovoltaici (conversione dell energia radiante del sole in energia elettrica) 10% circa Nei motori elettrici 90%, quelli a combustione interna 10-20% Perdite legate al trasporto: negli USA la rete elettrica perde il 10%...

18 Le fonti energetiche

19 nucleare idroelettrico legna

20 Un altra rappresentazione TW ,52 2,7 Over 85% from fossil fuel 2,96 0,286 1,21 0,286 0,828 Oil Coal Biomass Nuclear Gas Hydro Renew Total: 14TW U.S.: 3.3TW

21 Più del 85% dell energia arriva da combustibili fossili! La situazione non è molto cambiata negli anni Se non ci sarà un cambiamento di rotta, è prevedibile che la distribuzione non cambi granché

22 Evoluzione negli ultimi trenta anni

23 Prima distinzione Fonti primarie: materiali (carbone, ecc) o fenomeni (luce, vento, maree, ecc) da cui si può ricavare energia Fonti secondarie: forme di energia di comodo uso, derivanti dalle fonti primarie (elettricità, idrogeno) vettori energetici

24 Distinzione di fondo: Rinnovabili (che non sono consumate, che possono essere rinnovate indefinitamente): -solare -vento -maree - idroelettrica - biomassa (legno) - ecc.

25 Non rinnovabili, combustibili fossili: -Carbone - Petrolio - gas naturale Anche il nucleare non è rinnovabile

26 In larghissima parte, l energia disponibile sulla Terra arriva dal Sole (dove avvengono reazioni nucleari simili a quelle della bomba all idrogeno) sotto forma di energia radiante

27 Bilancio della energia legata alle fonti rinnovabili (energia proveniente dal Sole e geotermica)

28 Nellepianteavvienela fotosintesi: CO 2 + H 2 O + energia solare H 2 CO + O 2 CO 2 = anidride carbonica H 2 O = acqua H 2 CO rappresenta i carboidrati delle piante (zuccheri, amido, legno, etc) Viene prodotto ossigeno

29 Schema della fotosintesi

30 Gigantesco Reattore Chimico Molecole organiche della vita +CO 2 2H 2 O Luce del Sole O 2 + 4H + + 4e

31 Global Photosynthesis La fotosintesi rende speciale il nostro mondo

32 Marte

33 Anche l energia dei combustibili fossili è di origine solare attraverso la fotosintesi: CH 2 O C + H 2 O Formazione di carbone per perdita di acqua CH 2 O CH 2 + ½O 2 Formazione di petrolio e gas naturale per perdita di ossigeno

34 Il petrolio si è formato attraverso la decomposizione in assenza di aria di piccoli organismi sia vegetali che animali depositati sul fondo di mari milioni di anni fa. Le piante terrestri hanno formato il carbone. Una delle ere geologiche si chiama appunto Carbonifero

35 Carbone 1000 millions years to produce fossil fuels and used in ~ 1000 years 0r One year of fossil fuel consumption = one million years of photosynthesis Petrolio

36 Alcuni esempi di fonti rinnovabili di energia

37 Energia meccanica del vento trasformata in energia elettrica

38 Energia radiante del Sole convertita in calore Energia radiante del Sole convertita in energia elettrica con pannelli fotovoltaici

39 Un altro esempio di energia rinnovabile: legno che brucia

40 Il legno è stato formato a partire da CO 2 e H 2 O presenti nell ambiente attraverso la fotosintesi, e la combustione riforma sia CO 2 che H 2 O, cosi chè il bilancio di materia rimane costante La stessa considerazione si applica alla biomassa

41 Biomassa: materiale biologico vivo o morto da poco, che si può usare come combustibile Biomasse industriali si possono produrre da molte specie vegetali, comprese grano, sorgo, canna da zucchero e alberi dall eucalipto alla palma da olio.

42 Ci sono due strategie per produrre biocombustibili liquidi o gassosi - Una è far crescere raccolti con forte contenuto in zucchero(canna da zucchero, barbabietola da zucchero, sorgo dolce) o amido (grano/mais), e usare la fermentazione per produrre alcol (lo stesso presente nel vino e liquori).

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44 Il Brasile ha impianto per la produzione di alcol come combustibile (addizionato alla benzina)

45 Brasile: Bioenergiaèil 30% della energia totale ~50% delle automobili vendute nel 2005 erano vetture Flex-Fuel capaci di usare sia alcol che petrolio

46 - La seconda è coltivare piante con molto olio vegetale (palmadaolio, soia, ecc.) da cui si prepara un combustibile Diesel (biodiesel)

47 E giusto usare materiale che può fornire cibo per fare del combustibile? Evidentemente no

48 Anche il legno e la cellulosa possono essere convertiti in combustibile (alcol di nuovo). E giusto abbattere piante per fare combustibile? Evidentemente no

49 Come detto, usare legno o biomasse come combustibile non altera il bilancio in natura, perché CO 2 e acqua vengono restituiti all ambiente da cui provengono. Bruciare combustibili fossili invece aumenta il contenuto di CO 2 nell aria

50 Ciclo dei combustibili fossili

51 Tre ragioni per evitare il consumo di combustibili fossili: non sono rinnovabili la combustione porta a fenomeni di inquinamento e all effetto serra servono come fonte di prodotti chimici

52 L inquinamento è una idea moderna Il fumo dei camini è il respiro della Russia Sovietica ca. 1925

53 Come cambia il mondo Lo stesso cambio di atteggiamento è avvenuto per l energia nucleare. Una volta (sino agli anni 60) era vista con favore. Dove vola l avvoltoio? (Calvino e Liberovici) L avvoltoio andò all Uranio e l Uranio disse no! La mia forza nucleare Farà andare sulla Luna

54 Non parlo di inquinamento (pure molto importante) ma solo di effetto serra

55 Una serra impedisce che l aria calda salga (limita la convezione). Processo simile (ma non uguale) al blocco da parte di gas nell atmosfera della radiazione emessa dalla Terra

56 L effetto serra

57 L anidride carbonica non è il solo gas serra: il vapor d acqua è anche più importante! Se la concentrazione di gas ad effetto serra fosse costante, la temperatura della Terra sarebbe costante. Invece

58 La concentrazione di tutti i gas serra più o meno cresce nel tempo

59 Contemporaneamente La temperatura della Terra è cresciuta I due fenomeni sono probabilmente connessi

60 Emissione globale di CO 2 nell aria dal 1800 a oggi Sino al 1950 la fonte principale fu il carbone, poi il petrolio e il gas naturale sono diventati importanti

61 C è accordo tra gli scienziati sulla connessione tra l aumento della CO 2 e il riscaldamento globale Protocollo di Kyoto: accordo tra gli stati per una diminuzione delle emissioni di CO 2 (non tutti, per esempio gli USA del President Bush e la Cina) La situazione politica sta cambiando rapidamente

62 Riscaldamento globale: questione molto complessa perché già in passato ci sono stati periodi di aumento della temperatura sulla superficie della Terra, seguiti da glaciazioni, non legati all attività umana

63 Andamento di i) polveri; ii) Contenuto di CO 2 nell aria; iii) Temperatura Forti cambiamenti nel contenuto di CO 2 sono avvenuti senza interventi dell uomo negli ultimi anni, misurarti dalle bolle d aria intrappolate nel ghiaccio

64 Molto difficile fare previsioni attendibili dell effetto serra dovuto al cambiamento della composizione dell atmosfera Ruolo dell umidità (nuvole) particolarmente difficile da tenere in conto. Le previsioni vanno da +1 a +8 C per il prossimo secolo. Le conseguenze sarebbero diversissime nei due casi! E difficile fare le previsioni del tempo per il giorno dopo

65 Come evitare l introduzione di CO 2 nell atmosfera? Uso dell idrogeno come combustibile e la possibilità di una Società all Idrogeno

66 Idrogeno: il combustibile perfetto! Reazione pulita con O 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O L acqua è l unico prodotto! Sia nella combustione diretta o in una cella a combustibile (spiegata dopo)

67 No CO 2 prodotta, no effetto serra No inquinamento!

68 Errore comune: L idrogeno è un vettore energetico, non una fonte di energia! (non c è H 2 libero sulla terra!) Società all idrogeno: altre forme di energia sono usate per produrre H 2, che è poi usato come il combustibile

69 Tappe nell uso dell idrogeno: - Produzione - Stoccaggio - conversione dell energia (cella a combustibile)

70 Produzione: Dall acqua o da idrocarburi (contentori naturali di H 2 ) più energia da fonti di energia primarie. Ad esempio da metano: CH H 2 O CO H 2 Si produce lo stesso CO 2!

71 Altra possibilità: dall acqua con energia elettrica (elettrolisi) H 2 O + energia elettrica H 2 + ½ O 2

72 Schema della conversione di energia da idrica (potenziale) a meccanica attraverso l idrogeno

73 Problemi legati all uso dell idrogeno come combustibile: Gas poco denso stoccaggio! Sicurezza: è esplosivo!

74 Requisiti per il trasporto automobilistico: -cheilcontenitoresiaabbastanzaleggero da poter essere montato su un auto -cheabbiadensità adeguata L obbiettivo fissato dal DOE (USA Dept. of Energy): 6% w/w (in 2010) (un contenitore da un chilo deve contenere almeno 60 grammi di idrogeno) - che si faccia 450 km con un pieno

75 Due metodi possibili -H 2 compresso ad alta pressione -H 2 liquido a bassissima temperatura

76 Non vanno granchè bene: altri metodi sono allo studio (non raccontati..)

77 Come utilizzare l idrogeno per avere energia elettrica: le pile a combustibile

78 La pila a combustibile è un aggeggio che trasforma l energia chimica della reazione idrogeno + ossigeno acqua direttamente in energia elettrica. Anche le normali batterie trasformano l energia chimica di una reazione in energia elettrica, ma il processo si ferma quando sono esauriti i reagenti. Qui, al contrario, i reagenti sono riforniti in continuazione.

79 Schema di una cella combustibile

80 Inventate negli anni dalla NASA Notare l insieme di celle a combustibile, i fili elettrici che escono e il tubo di raccolta dell acqua formata (la usavano gli astronauti ) Non si vedono i tubi di ingresso dei gas (sul retro)

81 Automobili a idrogeno esistono già (da non confondersi con quelle elettriche, che vanno a batteria), ma sono prototipi

82 Un esempio londinese

83 In conclusione: L idrogeno è un vettore di energia (come la corrente elettrica): di difficile uso con problemi ancora aperti che richiede la disponibilità di fonti primarie Risolve alcuni problemi (inquinamento) ma non aumenta la disponibilità di energia

84 Che fare per avere più energia disponibile (e che sia pulita)? Da un punto di vista del tutto generale, due cose: risparmio (automobili piccole invece dei SUV ) utilizzazione dell energia solare per la produzione di idrogeno e successivo uso di celle a combustibile

85 Obama ha messo una grande quantità di fondi sui progetti per la conversione dell energia solare e ha nominato un premio Nobel per la Fisica (Chu) a capo della relativa agenzia Proprio come in Italia In realtà si lavora anche in Italia. Balzani (autore del libro citato) a Bologna. Noi al Politecnico.

86 L idea è di fabbricare una foglia artificiale in grado di utilizzare l energia solare per scindere l acqua in idrogeno e ossigeno, per poi alimentare una cella a combustibile.

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88 La foglia artificiale sarà probabilmente molto diversa da quelle naturali: -non sarà verde - non userà acqua liquida, ma magari vapore - non lavorerà a temperatura ambiente

89 Proprio come gli aerei attuali sono diversi dalle macchine per volare disegnate da Leonardo

90 Il sogno di Jules Verne ( L isola misteriosa 1875) I believe that water will one day be used as a fuel, because the hydrogen and oxygen which constitute it, used separately or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light. I therefore believe that, when coal deposits are oxidised, we will heat ourselves by means of water. Water is the fuel of the future

91 Grazie dell attenzione