MIX ENERGETICO DI ALCUNI PAESI EUROPEI PRODUZIONE SPECIFICA DEL MIX ENERGETICO. x fr gas. x fr olio. x fr carbone. P s. (mix) = (P s carbone

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1 Produzione di CO2 da fonti energetiche fossili e non fossili Produzione specifica di CO 2 da centrali a combustibili fossili Produzione specifica di CO 2 da diversi mix energetici Ruolo dell energia nucleare nella riduzione delle emissioni di CO 2 L energia nucleare: problemi e prospettive A.A Corso di laurea in Scienze Ambientali Università di Bologna Insegnamento Fondamenti di Valutazione di Impatto Ambientale Docente: Luigi Bruzzi CO 2 EMESSA DA CENTRALI ELETTRICHE CHE BRUCIANO COMBUSTIBILI FOSSILI (CONTRIBUTO A 1 kwh) Per produrre 1 kwh elettrico in centrale occorrono circa 1/η kwh termici. La produzione specifica di CO 2 (kg CO 2 /kwh elettrico) P s è data da: fc PMCO2 Ps = η pc PMC P s = produzione specifica di CO 2 (kg CO 2 /kwh elettrico) η = rendimento termico - elettrico della centrale f c = frazione elementare del carbonio nel combustibile PM CO2 peso molecolare della CO 2 PM C peso molecolare del carbonio p c potere calorifico del combustibile (kcal/kg) 1 rappresenta un kwh elettrico 860 coefficiente di conversione kwh kcal 1 2 PRODUZIONI SPECIFICHE DI CO 2 DAI COMBUSTIBILI FOSSILI (kg CO 2 /kwh) PRODUZIONE SPECIFICA DI CO 2 (kg CO 2 /kwh termico) PER I COMBUSTIBILI FOSSILI 3 4 1

2 MIX ENERGETICO DI ALCUNI PAESI EUROPEI PRODUZIONE SPECIFICA DEL MIX ENERGETICO P s (mix) = (P s carbone x fr carbone ) + (P s olio x fr olio ) + (P s gas x fr gas ) P s (mix) = produzione spec, media di CO 2 (kg/kwh) dal mix energetico P s carbone = produzione specifica media di CO 2 (kg/kwh) da carbone P s olio = produzione spec, media di CO 2 (kg/kwh) da olio combustibile P s gas = produzione specifica media di CO 2 (kg/kwh) da gas naturale fr carbone = frazione nel mix energetico del carbone fr olio = frazione nel mix energetico dell olio combustibile fr gas = frazione nel mix energetico del gas naturale 5 6 PRODUZIONE SPECIFICA MEDIA DI CO 2 (kg/kwh) IN ALCUNI PAESI EUROPEI PRODUZIONE SPECIFICA DI CO 2 DAI MIX ENERGETICI DI ALCUNI PAESI EUROPEI PRODUZIONE SPECIFICA MEDIA DI CO2: VALORI RELATIVI (ITALIA=100) 4 SVEZIA FRANCIA SPAGNA 1 GERMANIA AUSTRIA ITALIA Valori relativi in percento 7 8 2

3 FONTI IMPIEGATE NELLA PRODUZIONE ELETTRICA: EFFETTO SULLA PRODUZIONE SPECIFICA DI CO 2 INFORMAZIONI DI BASE SULL ENERGIA NUCLEARE I Paesi che hanno un mix energetico ricco di fonti rinnovabili (Austria e Svezia) hanno produzioni specifiche medie di CO 2 (kg/kwh) ridotte; La produzione specifica più bassa è quella della Francia grazie all uso intensivo dell energia nucleare; I Paesi come l Italia e la Germania che fanno uso di combustibili fossili hanno produzioni specifiche elevate Un chilowattora risparmiato in Italia permette un quantitativo evitato di CO 2 emessa (0,426 kgco 2 /kwh) molto maggiore rispetto agli altro Paesi presi in esame D. COSA SI SA OGGI SULL ENERGIA NUCLEARE? LA FISSIONE NUCLEARE L energia nucleare proviene dalla fissione dell uranio, del plutonio e dalla fusione di nuclei leggeri quali l idrogeno (che si trasforma in elio, oppure da deuterio + trizio che danno luogo a elio Oggi l energia nucleare che serve a produrre elettricità proviene principalmente dalla fissione dell uranio (235) e dal plutonio che si genera dalla trasformazione dell uranio 238 in plutonio. Il plutonio prodotto in particolari tipi di reattori (filiera canadese CANDU, reattori plutonigeni, ecc) può essere impiegato per la costruzione di ordigni atomici) La proprietà di gran lunga più importante della fissione dell uranio, se confrontata con il processo di combustione, consiste nel fatto che un evento nucleare (fissione) produce 10 milioni di volte più energia di quanta se ne libera nella ossidazione di un atomo di carbonio (combustione)

4 D. A QUALI USI POSSONO ESSERE DESTINATI L URANIO E IL PLUTONIO? L uranio naturale è costituito da due isotopi, l U-238 (99,3%) e dall U-235 (0.7 %). La maggior parte dei reattori nucleari oggi in funzione utilizzano come combustibile uranio arricchito al 3-5% nell isotopo 235; se l arricchimento viene spinto ad oltre il 90%, l uranio così ottenuto può essere impiegato per le bombe atomiche L arricchimento dell uranio si effettua in impianti specifici che operano su più stadi che si basano sul processi di diffusione gassosa e di separazione mediante centrifughe. Il sottoprodotto degli impianti di arricchimento è l uranio impoverito utilizzato per proiettili ad alta capacità di penetrazione impiegati nei recenti eventi bellici (guerra del golfo, Balcani, ecc) L uranio impoverito ricco in U-238 può essere convertito in plutonio con alto rendimento nei reattori convertitori (reattori veloci o breeder) che possono consentire un rendimento molto elevato nella produzione di energia per fissione 13 D. QUALI SONO I DATI RILEVANTI DELLA RECENTE STORIA DELL ENERGIA NUCLEARE NEGLI USA? Nel 1993 erano in funzione 109 reattori nucleari negli USA e circa 400 in tutto il mondo. Le centrali nucleari USA producevano circa il 20 percento della elettricità. Negli stessi anni erano in funzione anche parecchi sottomarini e navi a propulsione nucleare. L adozione dell energia nucleare come fonte di energia per la produzione di elettricità è una scelta di natura fondamentalmente politica: l economicità e la sicurezza (incidenti, proliferazione e scorie) necessitano di presupposti politici molto netti Il panorama USA non è molto cambiato negli ultimi 15 anni: c erano infatti solo 104 reattori nucleari in funzione nel 2007 e la percentuale di energia elettrica coperta dal nucleare si era ridotta al 17%. Nello stesso anno sono state avanzate ulteriori 5 richieste per la costruzione di nuove centrali nucleari 14 D. PER QUANTI ANNI SI PUÒ FARE AFFIDAMENTO SULL ENERGIA NUCLEARE? Ciò dipende dal tipo di reattori che vengono utilizzati er lo sfruttamento dell uranio; se ci limita a bruciare solo l uranio 235 nei reattori attualmente utilizzati, si potrà produrre energia per molte decine di anni; se si farà ricorso ai reattori breeder (reattori veloci) la disponibilità di energia potrebbe durare per almeno molti secoli. 15 D. COSA AVVIENE ALL INTERNO DI UN REATTORE NUCLEARE? Un reattore nucleare di potenza contiene un nocciolo che consiste di numerosi elementi di combustibile, veri e propri fasci di barre all interno delle quali sono alloggiate pellet di ossido di uranio. Un atomo di uranio 235 quando assorbe un neutrone dà luogo ad una fissione nella quale si producono 2 prodotti di fissione ed un numero di neutroni compreso fra 2 e 3. I prodotti di fissione sono dotati di notevole energia cinetica che nel processo do spostamento si trasforma in calore. I neutroni prodotti nella fissione sono in grado di produrre nuove fissioni dando luogo così a un processo che si auto sostiene(reazione a catena) Il calore prodotto viene trasferito direttamente o indirettamente al fluido termodinamico (solitamente acqua): L acqua vaporizza e il vapore ad alta pressione viene fatto espandere in una turbina che azione un alternatore che immette in rete l elettricità così prodotta 16 4

5 COSA AVVIENE ALL INTERNO DI UN REATTORE NUCLEARE ELEMENTO DI COMBUSTIBILE PER REATTORI NUCLEARI D. QUANTO TEMPO RIMANE IL COMBUSTIBILE NEL REATTORE? Circa 2 anni; in questo periodo buona parte dell uranio 235 presente all inizio ha subito fissione e solo parzialmente è stato rimpiazzato dal plutonio che si genera in situ attraverso le catture di neutroni da parte dell uranio 238 Il combustibile esaurito è molto radioattivo per la presenza di isotopi radioattivi del prodotti di fissione e di elementi pesanti artificiali (Pu, Am, Cf, Cm,ecc.) appartenenti alla famiglia degli attinidi Il successivo destino del combustibile esaurito è uno dei maggiori problemi posti dall impiego pacifico dell energia nucleare 19 D. CHE FINE FA IL PLUTONIO? Il plutonio che è sempre presente nel combustibile esaurito può avere destini diversi: venire separato dal combustibile esaurito mediante idonei processi chimici per essere reintrodotto nel processo di produzione degli elementi di combustibile insieme all uranio 235 residuo; restare all interno del combustibile esaurito che, in questo caso, verrebbe smaltito come rifiuto Entrambe le soluzioni hanno controindicazioni: la prima porta alla produzione di plutonio pulito che può essere impiegato per scopi militari; la seconda porta a dovere smaltire un rifiuto che perde la sua radioattività in tempi molto lunghi (decine o centinaia di migliaia di anni); inoltra il combustibile esaurito smaltito come tale viene a costituire di fatto una miniera di plutonio La separazione del plutonio è possibile solo in pochi impianti esistenti al mondo, uno dei quali è in Francia; i giapponesi mandano il loro combustibile esaurito in Europa dove si procede alla separazione del plutonio che viene poi rispedito in Giappone; ciò solleva le proteste di Greepeace per i rischi connessi al trasporto di un materiale ad alto rischio 20 5

6 IL CICLO DEL COMBUSTIBILE NUCLEARE D. PUÒ UN REATTORE NUCLEARE ESPLODERE COME UNA BOMBA? No. Una bomba converte una gran parte dell U-235 o del plutonio in essa contenuto in prodotti di fissione in un tempo dell ordine di 10 miliardesimi di secondo Il tempo così breve non consente all ordigno di disassemblarsi prima di avere liberato gran parte dell energia in esso contenuta. Un reattore nucleare è troppo grande e quindi si disassembla dopo che solo una piccola parte dell energia è stata liberata, D. PUÒ UN REATTORE AVERE UNA ESCURSIONE DI POTENZA DI PORTATA MINORE RISPETTO A UNA BOMBA ATOMICA? La risposta è sì a patto che il reattore sia stato progettato male e gestito peggio (Chernobyl) L impianto di Chernobyl raggiunse nel corso dell incidenye una potenza pari a 150 volte quella operativa che portò alla vaporizzazione istantanea dell acqua di raffreddamento ed un aumento di pressione tale da produrre il disassemblaggio del nocciolo e quindi all interruzione della reazione a catena nell arco di pochi secondi D. QUALE È LA REALE PORTATA DELL INCIDENTE DI CHERNOBYL? In termini di morti immediate 31 persone morirono persero la vita nell arco di pochi giorni: pochi decessi se confrontati con le centinaia di morti che si registrano in un incidente minerario (carbone in miniera profonda) Un danno indiretto di notevole gravità consiste nella inabitabilità per lunghi tempi di un territorio di molte decine di chilometri quadrati per effetto del livello di contaminazione radioattiva La ricaduta di radionuclidi in una vasta parte del mondo può aver influito sulla frequenza nella insorgenza di tumori. Non esistono prove sicure in quanto i presunti effetti aggiuntivi non sono riscontrabili sperimentalmente Tra i pochi dati emersi dalle indagini epidemiologiche risulta che vi è stato un incremento del tasso di tumori alla tiroide nei bambini bielorussi

7 D. CI SONO FONDATE SPERANZE PER L ENERGIA NUCLEARE DA FUSIONE? FISSIONE E FUSIONE NUCLEARE Nessuno dei progetti in corso prevede un impianto operativo basato su certezze scientifiche e tecnologie dimostrate valide Una volta dimostrata la fattibilità tecnologica ed economica, la fusione ha i seguenti vantaggi: La disponibilità di materiali combustibili (deuterio e trizio -da litio-è garantita per tempi molto lunghi Non si generano prodotti radioattivi di pericolosità confrontabile ai prodotti di fissione; se pur in misura ridotta, un impianto a fusione contiene materiale radioattivo (trizio e prodotti di attivazione neutronica) Non si produce materiale utile ai fini militari