TECNOLOGIA DEI MATERIALI PER LA PRODUZIONE INNOVATIVA DI ENERGIA

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1 TECNOLOGIA DEI MATERIALI PER LA PRODUZIONE INNOVATIVA DI ENERGIA A.A. 2007/2008 Dott. Ing. Vincenzo Esposito Dipartimento Scienze e tecnologie Chimiche Università di Roma Tor Vergata

2 La grande crescita demografica globale ed il relativo crescente fabbisogno energetico stanno avendo un forte impatto sull ambiente. E ormai dimostrato che il riscaldamento globale è conseguenza delle attività umane che portano alla produzione ed al riversamento nell atmosfera del gas di emissione anidride carbonica. L anidride carbonica (CO 2 ), con il vapore acqueo, il metano (CH 4 ), l ossido nitroso (N 2 O) e l ozono (O 3 ) sono i gas serra e determinano l'effetto serra sul nostro pianeta.

3 L'effetto serra è dovuta alla presenza attorno al pianeta di un atmosfera ricca di specie chimiche che assorbono parte dei raggi infrarossi emessi dal suolo riscaldato dalla radiazione ricevuta dal sole. In figura l esempio della CO2: In tale situazione, una parte della radiazione emessa dal suolo viene assorbita dall'atmosfera e riemessa in tutte le direzioni, quindi in parte anche verso il suolo. Ciò comporta che l'equilibrio radiativo del pianeta si fissi ad una temperatura maggiore di quella che si stabilirebbe in assenza dell'atmosfera.

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5 Bilancio netto dell energia secondo Houghton et al.

6 Come aumenta la produzione di CO 2 nel tempo? (N): Popolazione (GDP/N): Gross Domestic Product (PIL) procapite (Ė/GDP):Primary energy intensity (C/E): Carbon intensity La primary energy consumption da una sorgente di combustibile è chiamata anche burn rate ed è data dal rapporto tra watts (W) della Ė (rapporto energia tempo) ed il gross domestic product che si esprime in US$/yr (dollari americani all anno).quindi il rapporto Ė/GDP si esprime in W yr/ $. La Carbon intensity è la media pesata dei fattori di emissione di tutte le fonti di energia che si basano sul carbonio e composti del carbonio, l untità di misura per C/Ė è kg C/W yr.

7 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) La popolazione crescerà a miliardi di persone nel 2050 Il GDP procapite cresce di 1.6% yr -1 Energy consumption per unità di GDP decresce di 1.0% yr -1

8 Una previsione è difficile Esistono delle previsioni sull energia e sulla sostenibilità elaborate su diversi scenari condizioni con i modelli Wigley, Richels e Edmonds (WRE) che a sua volta sono calcolate sulle previsioni IS92a della IPCC Esistono anche di più recenti: Special Report on Emissions Scenarios (SRES), Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2001)

9 Totale della Potenza primaria annuale 1990: 12 TW 2050: 28 TW

10 Emissione di carbonio correlata

11 Dati ricavati dallo studio del ghiaccio di Vostok

12 Osservazioni delle conseguenze del cambiamento climatico Aumento della temperatura dell evaporazione e delle pioggie. Piogge sotto forma di violenti rovesci Aumento della temperatura del mare Effetto tropicalizzazione Bleaching dei coralli Ritiro dei ghiacciai montani Riduzione dei ghiacci marini Innalzamento del livello del mare Aumento degli incendi distruttivi Cicloni e allagamenti

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14 Bleaching dei coralli

15 Scioglimento dei ghiacci marini Ritiro dei ghiacci in Groenlandia

16 Proiezioni sulle risorse energetiche Carbon-Free

17 Le conclusioni di Hoffert et al. Non può essere adottata la politica del wait and see Senza scelte politiche globali che permettano di superare l inerzia socio-economica attuale ci si avviarà ad a cambiamenti globali irreversibili e traumatici. Lo sviluppo di tecnologie sostenibile deve mirare alla produzione di TW scale entro 2050

18 La produzione di Energia pulita, efficiente ed ecologica è la sfida più importante per ingegneri e scienziati. Researching, developing and commercializing carbon-free primary power technologies capable of 10 30TW by the midtwenty-first century could require efforts, perhaps international, pursued with the urgency of the Manhattan Project or the Apollo space programme. Martin I. Hoffert et al., Nature, 35, 889, (1998).

19 Materiali per la produzione di energia Sono quei materiali le cui proprietà chimicoficiche sono cruciali per la produzione di potenza elettrica. Essi sono i componenti principali di un sistema di materiali e sostanze che formano un dispositivo.

20 Materiali per la produzione di energia

21 Produzione innovativa di energia Consideriamo le fonti innovative di energia quei sistemi in cui la potenza elettrica è convertita da fonti rinnovabili. Sono da considerarsi energie rinnovabili quelle forme di energia generate da fonti il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future o che, per loro caratteristica intrinseca, si rigenerano o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani".

22 Fonti non rinnovabili Sono non rinnovabili le fonti che hanno periodi di formazione di molto superiori a quelli di consumo attuale (fonti fossili quali petrolio, carbone, gas naturale), oppure quelle che presenti in riserve esauribili sulla scala dei tempi umana sono limitate nel futuro (il nucleare con l'uranio-235).

23 Fonti rinnovabili e non pulite: termovalorizzazione Da questo punto di vista, l'inclusione o meno di una particolare fonte, come la termovalorizzazione, è dunque soggetta a molti fattori non necessariamente scientifici, creando di fatto situazioni di non uniformità di giudizio tra i diversi soggetti interessati (ONG, governi, amministrazioni locali).

24 Fonti rinnovabili e non pulite: il nucleare L'energia nucleare non è tradizionalmente considerata rinnovabile in quanto, per lo meno per quanto riguarda l'energia nucleare da fissione e il ciclo di reazione che si basa sull'uranio-235 come combustibile (ovvero in pratica il ciclo quasi esclusivamente sfruttato allo stato attuale della tecnologia), il suo utilizzo dipende comunque da riserve limitate di materiali. L'uranio-235 infatti costituisce solo lo 0,7% del totale dell'uranio presente in natura, e in base alle riserve di uranio fino ad oggi accertate si prevede che al consumo attuale non ne resti che per 200 anni, secondo l'ipotesi più riduttiva.

25 Fonti rinnovabili e non pulite: il nucleare Tuttavia, sono sfruttabili altri cicli di reazione nucleare da fissione detti autofertilizzante realizzati in appositi reattori del tipo detto reattore nucleare veloce autofertilizzante. In questi cicli di reazione, il combustibile è costituito da elementi fissili sintetizzati artificialmente all'interno di un reattore stesso a partire da un materiale fertile la cui abbondanza in natura permette un periodo di sfruttamento al di là della scala dei tempi umani. Uno di questi cicli prevede l'utilizzo di plutonio-239 come combustibile, un elemento fissile non presente in natura e finora sintetizzato solo per la produzione di armi. Il plutonio è sintetizzato a partire dal più abbondante in natura uranio-238 per assorbimento di un neutrone. In questo tipo di reattori autofertilizzanti dunque, è il reattore stesso che produce il carburante, e in tal senso questo tipo di energia rientra nella definizione di energia rinnovabile.

26 Fonti rinnovabili e non pulite: il nucleare Infine l'energia nucleare da fusione nel ciclo del deuterio e trizio, è prodotta a partire dal H che è inesauribile in natura perchè estraibile dall'acqua del mare. Nonostante l'elevato rendimento della reazione dimostrata dalla realizzazione di armi nucleari come la bomba H, a tutt'oggi è tecnicamente impossibile realizzare reattori che riescano a confinare la reazione per un suo sfruttamento a scopi pacifici.

27 Fonti rinnovabili Non esiste una definizione univoca dell'insieme delle fonti rinnovabili, esistendo in diversi ambiti diverse opinioni sull'inclusione o meno di una o più fonti nel gruppo delle "rinnovabili". Secondo la normativa di riferimento italiana, vengono considerate "rinnovabili": «...il sole, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici.»

28 Classificazione Energia idroelettrica energia mareomotrice (o delle maree) energia del moto ondoso energia talassotermica (del T alle diverse profondita del mare) Energia geotermica Energia solare Solare termico e termodinamico Solare fotovoltaico Energia eolica Energia da idrogeno Energia da biomasse Biogas Oli vegetali Biodiesel Cippato Termovalorizzazione Combustibile derivato dai rifiuti (o "CDR") Dissociazione molecolare)

29 La situazione in Italia al 2006

30 La situazione in Italia al 2006

31 Materiali per la produzione innovativa di energia Energia solare da fotovoltaico Energia da idrogeno in celle a combustibile (fuel cells) Tecnologie di storage di energia in batterie al Li Materiali termoelettrici

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