Energia per l Astronave Terra

Transcript

1 Energia per l Astronave Terra Vincenzo Balzani Dipartimento di Chimica Giacomo Ciamician Università di Bologna vincenzo.balzani@unibo.it 3 a Festa dell energia pulita di Pieve di Cento

2 Se pensi che l istruzione sia costosa, prova l ignoranza. Derek Bok, Harvard University, USA

3 Se vuoi capire bene una cosa o un problema, prima di tutto devi guardarli da lontano Italo Calvino

4 Questo è il nostro pianeta la Terra Foto scattata dalla sonda Cassini-Juygens nel 2004, quando si trovava presso gli anelli di Saturno.

5 Earthrise We came all this way to explore the moon, and the most important thing is that we discovered the Earth

6 L astronave Terra passeggeri : 7 miliardi che diventeranno 8 miliardi nel 2025 l aumento è di 75 milioni all anno ogni minuto nascono 32 indiani e 24 cinesi

7 vivere = usare energia cibo casa Energia trasporti industrie comunicazioni Senza energia non si può fare nulla

8 Energia nascosta Per fare una mucca di 5 quintali sono necessari 6 barili (circa 1000 litri) di petrolio National Geographic Per fare 1 kg di carne di vitello si consumano a monte 7 litri di petrolio Per far crescere pomodori di serra si consuma una quantità di energia fino a 50 volte maggiore del loro contenuto energetico

9 Seawater Desalination Si può ottenere acqua <dolce> dall acqua di mare Per produrre 1 metro cubo di acqua si consumano circa 2 kwh di energia elettrica.

10 Energia nascosta Per fabbricare un PC occorrono 1700 Kg di materiali vari, di cui 240 Kg di petrolio (energia) Esso consuma 3/4 dell energia del suo ciclo di vita prima ancora di essere acceso Nature Mater. 2004, 3, 287

11 Energia necessaria per produrre vari materiali tonnellate equivalenti di petrolio (tep)/t) Acciaio Plastica Alluminio Automobili Cereali, frutta Riso Verdure di serra

12 Uso di energia col passare dei secoli combustibili fossili (90% dell energia usata oggi) uso di energia energia dell uomo, degli animali, del fuoco e del vento 0 Egitto Grecia Roma anni uso dei combustibili fossili, rivoluzione industriale inizio dell era cristiana? scoperta dell America

13 Seul, Corea, 10 milioni di abitanti

14 Svincolo autostradale a Yokohama. Giappone

15 Inquinamento dell aria a San Paolo, Brasile

16 Discarica di Abidjan, Costa d Avorio

17 Messico Il confine fra Stati Uniti e Messico Stati Uniti National Geographic

18 Le luci della costa est USA

19 Antropocene (Paul Crutzen premio Nobel per la Chimica 1995) Epoca storica iniziata con l uso dei combustibili fossili, caratterizzata da profonde impronte lasciate dall uomo sulla Terra.

20 L astronave Terra Fonti primarie di energia risorse petrolio 38% gas naturale 26% carbone 27% energia nucleare 2.4% Rinnov. (idroel.) 2.7% circa il 90% dell energia proviene dai combustibili fossili Oggi al mondo consumiamo 1000 barili di petrolio al secondo...

21 Petrolio facile Petrolio difficile Picchi di produzione di petrolio e gas Aumento del prezzo Crisi economica Anni del picco Pessimisti: Instabilità politica Guerre per ottenerlo Ottimisti:

22 Fino a che punto conviene?

23 Piattaforma Deepwater Horizon, Golfo del Messico, aprile 2010 Profondità acqua: m Catastrofe ecologica Profondità roccia sottostante: 3960 m petrolio

24 La zona del mondo nella quale si trova il 70% delle riserve di petrolio e di metano

25 consumption import production USA oil Baghdad, Ministero del Petrolio, Aprile 2003

26 L astronave Terra petrolio Anidride carbonica 1 kg di benzina produce 3 kg di CO 2 effetto serra: modifica il clima, fa sciogliere i ghiacciai,...

27 Perdita nell aspettativa media statistica di vita (mesi) a causa dell esposizione a PM 2.5 About 400,000 Europeans are dying prematurely every year as a result of air pollution, say the latest studies. Illnesses due to current levels of airborne particles lead to more than 100,000 extra hospital admissions per year. EC, DG Environment

28 Disuguaglianza nell uso delle risorse energetiche Un americano consuma energia come due europei una decina di cinesi una quindicina di indiani una trentina di africani Gli Stati Uniti, con meno del 5% della popolazione mondiale, consumano circa il 25% dell energia

29 Abitanti in milioni Automobili ogni mille abitanti USA Cina India

30 nano Il governatore della California fa il pieno nel suo Hummer SUV Auto più piccole da Cina, India, Italia,,,, fusione FIAT-Chrysler La Chrysler vende la FIAT 500 in USA La FIAT vende il SUV Freemont in Italia (!)

31 ieri oggi

32 In un mondo con risorse limitate, i consumi non possono crescere all infinito

33 L'impronta ecologica "la superficie di Terra capace di fornire le risorse necessarie al consumo quotidiano di una persona e di smaltirne i rifiuti biocapacità: 1,8 ettari per persona Cittadino Ettari per persona media mondiale 2,2 americano (USA) 9,5 tedesco 4,8 italiano 3,8 cinese 1,5 indiano 0,8 eritreo 0,3

34 Sostenibilità: risorse, rifiuti, ambiente In un mondo con risorse limitate, i consumi non possono crescere all infinito

35 Insostenibilità ecologica risorse Il nostro modello di sviluppo non è sostenibile: riciclare (risorse limitate, problemi ecologici, occupazione del territorio) consumismo rifiuti La civiltà dell usa e getta

36 Riacquistare il senso del limite. Passare dal di più alla logica della sufficienza. Vivere secondo l etica della sobrietà, della solidarietà e della responsabilità nei confronti della Terra e di tutti i suoi abitanti, presenti e futuri.

37 Insostenibilità sociale Le persone che viaggiano sull astronave Terra sono collocate in classi molto, troppo diverse. - I 50 milioni di cittadini più ricchi di Europa e Nordamerica hanno lo stesso reddito di 2,7 miliardi di poveri. - In Italia il 10% della popolazione possiede il 45% della ricchezza (ma solo il 2 per mille dei contribuenti dichiara più di annuali)

38 insostenibilità sociale Nella Comunità Europea gli agricoltori ricevono un sussidio di 3 al giorno per ogni mucca che allevano.

39 C'era un uomo ricco, che vestiva di porpora...ho avuto fame e di bisso e tutti i e non mi giorni banchettava avete dato lautamente. Un mendicante, di da mangiare, nome Lazzaro, giaceva ho avuto sete alla sua porta, coperto e non mi di piaghe, bramoso di avete dato sfamarsi di quello che cadeva dalla mensa del da bere, ricco." Matteo Luca 16, 25,

40 , ero straniero Mappa basata sulla ricchezza e non mi avete accolto, Matteo 25, Survivors rescued by tunny nets close to the costs of southern Italy

41 Antico proverbio La sola differenza fra un ottimista ed un pessimista è che il secondo è meglio informato

42 Tre verità scomode 1. La Terra è un astronave 2.Le risorse sono limitate e quindi i consumi non possono crescere all infinito 3.Le risorse debbono essere più equamente distribuite

43 ma alle verità scomode la gente preferisce le bugie rassicuranti

44 La Terra è fragile ed è nelle nostre mani A seconda delle decisioni che prenderemo riguardo le risorse, e in particolare l energial energia, riusciremo a custodire l astronave Terra e i suoi abitanti, oppure rischieremo di distruggere tutto.

45 Uso di energia col passare dei secoli uso di energia Egitto Grecia Roma anni inizio dell era cristiana combustibili fossili (90% dell energia usata oggi) uso dei combustibili fossili, rivoluzione industriale scoperta dell America l era dei combustibili fossili sta per finire cercare e sviluppare fonti alternative risparmio efficienza

46 Requisiti richiesti alla fonte energetica necessaria per custodire il pianeta - abbondante - inesauribile - ben distribuita - non pericolosa per l uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro) -capace di: favorire lo sviluppo economico colmare le disuguaglianze favorire la pace

47 Energia e qualità della vita Nei paesi ricchi, l aumento dei consumi energetici NON porta ad alcun miglioramento nella qualità della vita. Nei paesi in via di sviluppo, la qualità della vita aumenta all aumentare della quantità di energia disponibile. Indice di svilupo umano energia consumata per persona (GJ/anno) Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

48 Possibili azioni Risparmio energetico Aumento dell efficienza Possibili soluzioni Energia nucleare Energia solare e altre fonti rinnovabili

49 La grande speranza Entro pochi anni l energia sarà disponibile gratuitamente, come l aria. J. von Neuman, 1956 Centrale nucleare

50 Energia nucleare Usa come combustibile uranio

51 Combustibile nucleare: uranio è una risorsa presente in quantità limitata non è una risorsa rinnovabile L Italia non ha uranio World Energy Council

52 Energia nucleare Usa come combustibile uranio Produce scorie radioattive

53 Scorie ad alta radioattività pericolose per diecimila-centomila anni Deposito di Yucca Mountain, USA 2009: gli USA dichiarano che il progetto è fallito Iniziato nel 1982 Dovrebbe essere <sicuro> per anni (!) Costo provvisorio: 60 miliardi di $ Apertura prevista 2012

54 23 marzo 2009 Il deposito permanente di Yucca Mountain non potrà essere usato. Le scorie verranno conservate nei contenitori sui piazzali vicino alle centrali.

55 Energia nucleare Usa come combustibile uranio Produce scorie radioattive Le centrali sono difficili da smantellare

56 Pubblicità pro-nucleare dell ENEL Quello che prima era un sito, ora è un giardino

57 Centrale Yankee Rowe (USA)

58 Il sito della centrale dopo lo smantellamento immediato (10 anni) Costo per la costruzione, 1960: $39 milioni Stima costo smantellamento,1990: $368 milioni Costo effettivo finale, 2000: $508 milioni

59 Yankee Rowe nuclear plant after immediate dismantling (10 years)

60 43 giganteschi contenitori contenenti il combustile spento e parti del reattore (Greater Than Class-C waste)

61 Energia nucleare Usa come combustibile uranio Produce scorie radioattive Le centrali sono difficili da smantellare Ha un alto grado di pericolosità

62 Fukushima, 11 marzo 2011 Evacuazione della popolazione in un raggio di 30 km persone evacuate Danni per miliardi di euro Radioattività nelle acque del mare Aumento radioattività percepito in tutto il mondo Timore per l uso di combustibile MOX La centrale dovrà essere tombata per sempre Dimostrazione che la sicurezza nucleare non esiste

63

64 Energia nucleare Usa come combustibile uranio Produce scorie radioattive Le centrali sono difficili da smantellare Ha un alto grado di pericolosità Favorisce la proliferazione di armi nucleari Complica le relazioni fra gli Stati

65 Science, 9 February 2007, p. 791 The same technology can be used both for nuclear energy and nuclear weapons. Nuclear weapons capability could spread to as many as 30 more countries. Nuclear proliferation

66 Energia nucleare Usa come combustibile uranio Produce scorie radioattive Le centrali sono difficili da smantellare Ha un alto grado di pericolosità Favorisce la proliferazione di armi nucleari Complica le relazioni fra gli Stati Aumenta la disuguaglianza fra le nazioni

67 L energia nucleare non è la risposta adatta ai problemi energetici dei paesi in via di sviluppo La costruzione di impianti nucleari da parte dei paesi ad alta tecnologia nei paesi poveri porterà a nuove forme di colonialismo.

68 La fonte Energia energetica nucleareideale - abbondante - inesauribile Si (forse) - ben distribuita NO - non pericolosa per l uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro) NO -capace di: favorire lo sviluppo economico colmare le disuguaglianze NO favorire la pace NO Sì

69 L energia nucleare una serie di scommesse sul futuro Individuazione dei siti e permessi vari: 3-5 anni Costruzione della centrale: 7-10 anni Periodo di funzionamento (salvo incidenti): anni Tempo di attesa per lo smantellamento: anni Pericolosità delle scorie radioattive: mila anni Col referendum del giugno 2011 gli italiani hanno deciso di rinunciare all energia nucleare

70 Possibili azioni Risparmio energetico Aumento dell efficienza Possibili soluzioni Energia nucleare Energia solare e altre fonti rinnovabili

71 Energia solare e altre rinnovabili Energia solare diretta Calore Energia elettrica Energia chimica Energie solare indiretta Idroelettrica Eolica Biomasse Gradienti di temperatura (oceani) Energia geotermica Energia dalle maree

72 Energia eolica - tecnologia semplice - il vento non costa Alla fine 2011: - potenza installata 239 GW (+ nulla 21%) - energia generata 512 TWh/anno, - non equivalente c è a quella generabile da 75 reattori nucleari da 1000 MW usati a dissipazione di tempo pieno. calore La potenza eolica installata in Spagna è 3 volte superiore a quella installata in Italia. - si costruiscono in breve tempo La Cina per il 2020 prevede di -si generare possono con l eolico una quantità di energia doppia di quella generata dal nucleare. installare sulla terra o in mare - oggi è il modo più economico per produrre energia

73 L astronave Terra - La Terra riceve dal Sole in 1 ora una quantità di energia pari a quella che l umanità consuma in 1 anno! - Il Sole brillerà per 4,5 miliardi di anni! - L energia solare è ben distribuita su tutta la Terra.

74 Londra 1.0 Mosca 0.8 Roma 1.5 L energia solare è diffusa su tutti i luoghi della Terra

75 Problemi dell energia solare Intermittenza: giorno-notte, sole-nuvole: necessità di sistemi di accumulo di energia. Bassa potenza: 170 W/m 2 ; necessità di concentrazione. Conversione in forme utili di energia: necessità di aumentare l efficienza di conversione.

76 Conversione dell energia solare Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale) Elettricità (pannelli fotovoltaici, metodi a concentrazione) Calore (pannelli termici)

77 Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale) Elettricità (pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione) Calore (pannelli termici) 2 m 2 per famiglia Installati nel mondo (2010): 185 GW th - In Austria 512 m 2 /1000 abitanti, in Italia 34 m 2

78 Andalusia, Spagna 30 MW

79 Produzione di energia fotovoltaica - Potenza installata nel mondo (2011): 67,4 GWp (+67%) - Elettricità prodotta nel mondo: 80 TWh, equivalente a 10 centrali nucleari da 1000 MW operanti con continuità - In Italia, alla fine del 2011 la potenza installata era di 12,5 GWp, con produzione di energia elettrica per pari al 4,1% del consumo nazionale, equivalente alla produzione di 1 centrale nucleare da 1500 MW operante con continuità)

80

81 Grid Connected $3811MM 60% 51% Nei paesi del Terzo Mondo, dove manca un infrastruttura per la produzione e distribuzione dell elettricità, i pannelli fotovoltaici possono costituire una soluzione, almeno parziale, al fabbisogno di energia elettrica di due miliardi di persone.

82 Requisiti richiesti alla fonte energetica Energia solare necessaria per custodire il pianeta - abbondante - inesauribile Sì Sì - ben distribuita Sì - non pericolosa per l uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro) Sì -capace di: favorire lo sviluppo economico Sì colmare le disuguaglianze Sì favorire la pace Sì

83 Come risolvere il problema energetico - Risparmio - Efficienza energetica - Sviluppo dell energia solare e delle altre energie rinnovabili

84 Potenziale fotovoltaico in Italia energia prodotta in un anno da un modulo PV di 1 kw p L Italia non ha carbone, non ha petrolio, non ha metano, non ha uranio ha tanto sole Basterebbe coprire di pannelli fotovoltaici lo 0.8% del territorio per soddisfare tutti i consumi nazionali di elettricità.

85 Strategia energetica per l Italia Risparmio e efficenza 140 Mtep Fonti convenzionali (combusibili fossili) Energie rinnovabili rinnovabili convenzionale efficienza Piano per la riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO 2

86 Il politico e lo statista Il politico guarda alla sua nazione e alle prossime elezioni, lo statista guarda invece a tutta la Terra e anche alle prossime generazioni.

87 Agisci sempre come se le tue azioni facessero la differenza. La fanno. William James

88 Concern for man himself and his fate must always constitute the chief objective of all scientific endeavors. Never forget this in the midst of your diagrams and equations. A. Einstein Se conoscessi tutti i misteri e tutta la scienza, e possedessi la pienezza della fede così da trasportare le montagne, ma non avessi la carità, non sono nulla. san Paolo

89 WILEY-VCH Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani

90 Energie rinnovabili cubi grigi: potenzialmente disponibile Consumo di energia totale mondiale cubi bianchi: tecnicamente utilizzabile

91 Materiali in quantità limitata Rame (Cu): fili elettrici, pannelli FV Litio (Li): batterie Neodimio (Nd): pale eoliche Platino (Pt), Rodio (Rh), Iridio (Ir): idrogeno Tellurio (Te), Indio (In), Gallio (Gd): semiconduttori

92 Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale) Elettricità (pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione) Calore (pannelli termici) BIOMASSE Per ottenere combustibili BIOETANOLO da granoturco, canna da zucchero, barbabietola) BIODIESEL da olii vegetali: colza, girasole, soia, palma, ecc.) Bioetanolo da cellulosa: studi in fase avanzata

93 ATTENZIONE: Abbiamo un guadagno energetico? INGRESSO arare, seminare, irrigare, fertilizzare, raccogliere, trasportare, trasformare, distribuire, BILANCIO biocombustibile USCITA

94 Artificial photosynthesis photochemical water splitting fuel H 2 + O 2 ce lare Sun light HO 2 H 2 +1/2O 2 (combustion) H 2 O + heat Energia energy H 2 +1/2O 2 (fuel cell) H 2 O + electr. a closed, pollution free energy cycle

95 Water splitting by sunlight, of course,is not a straightforward process, otherwise it would already happen in Nature. The the emission spectrum of the sun does not overlap the absorption spect of water, so that direct water dissociation by sunlight cannot take place

96 far UV H 2 O + UV light direct H + OH Onset of the absorption spectrum of water Solar emission spectrum UV Vis IR direct H 2 O + sunlight ----/ / photosensitizer P H 2 O + sunlight 1/2 H 2 + 1/4O 2 H 2 O ev (1010 nm) 1/2H 2 + 1/4O 2

97 2H 2 O + 4 hν 2 H 2 + O 2 Schematic representation of photosensitized water splitting (artificial photosynthesis)

98 WILEY-VCH Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani 2011

99 Appello al Governo Le scelte energetiche per il futuro dell Italia Firmato da più di duemila ricercatori delle università e centri di ricerca italiani

100 Appello - Informare i cittadini riguardo la gravità della crisi energetica e climatica. - Educare al risparmio energetico e promuovere un uso più efficiente dell energia. - Rinunciare al velleitario e pericoloso rilancio del nucleare. - Favorire un sempre più rapido sviluppo delle energie rinnovabili ed in particolare dell energia solare.

101 6/10/2011 : 19,0 GWp Installato nel 2011: 2000 MWp GERMANIA Fine 2010: 17 GWp Installato nel 2010: 7200 MWp PV installato nel 2011 fornisce una quantità di energia equivalente alla produzione di una centrale nucleare da 1000 MW al 6/10/2011: 11 GWp Installato nel 2011: 7800 MWp Al 9/9/2011: 10 GWp Installato nel 2011: 6800 MWp 4,1% 3,7% ITALIA Fine 2010: 3,2 GWp Installato nel 2010: 2200 MWp 1,2% 0,3% 0,1% PV su consumo elettrico

102 2 1 - g i u m a r d i c Produzione di energia fotovoltaica

103 2 1 - g i u m a r d i c 18 Ottobre Ottobre 2011 Costo incentivi annuali 2011: 4,2 miliardi euro Il 60% torna nelle casse dell erario attraverso meccanismi fiscali Risparmi sui prezzi di trading: 3-4 miliardi euro/anno (dalle 7,00 alle 17,00) Risparmi su acquisto di combustibile: circa 1,1 miliardi euro/anno Risparmi su emission trading: circa 120 milioni euro/anno 280 mila piccoli/medi impianti Leonardo Setti