Fonti energetiche. Prof.ssa Matilde Pietrafesa

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa Università Mediterranea Reggio Calabria Dipartimento DIIES dell Informazione, delle Infrastrutture e dell Energia Sostenibile Fonti energetiche 07/03/2016 1

2 RISORSE ENERGETICHE Primarie NON RINNOVABILI RINNOVABILI Combustibili fossili: petrolio gas naturale carbone Combustibili fissili: uranio energia solare energia eolica energia geotermica energia dalle maree e dalle correnti energia idroelettrica energia dalle biomasse CARATTERISTICHE Esauribilità Costo Inquinamento Disponibilità illimitata Gratuità Assenza di inquinamento

3 Energia primaria Combustibili fossili carbone, petrolio, gas naturale Combustibili fissili uranio Fonti rinnovabili sole, vento, biomassa, mare, calore terrestre 07/03/2016 3

4 Combustibili fossili 07/03/2016 4

5 I combustibili fossili Oltre l 80% dell'energia oggi utilizzata è ottenuta da combustibili fossili (petrolio, gas naturale, carbone). Lo sfruttamento intensivo di tali risorse ha fatto sì che esse non possano essere ripristinate nell ambiente secondo un ciclo biologico continuo, rompendo gli equilibri della biosfera 07/03/2016 5

6 Durata fonti fossili Il loro sfruttamento intensivo ha rotto gli equilibri della biosfera, non potendo essere ripristinate secondo un ciclo biologico continuo Stime più realistiche: Petrolio: 200 anni Gas Naturale: 400 anni Carbone: 2000 anni 07/03/2016 6

7 Importazioni di energia fossile - UE I fornitori dell EU sono il Medio Oriente per il petrolio e la Russia ed il Nordafrica per il gas 07/03/2016 7

8 La curva di Hubbert Il ciclo di produzione del petrolio, descritto dalla curva di Hubbert, su scala mondiale, ha registrato un massimo nel 2006 (fonte IEA). Da allora il mercato registra una progressiva contrazione dell offerta. FASE DI CRESCITA DELL OFFERTA FASE DI CALO DELL OFFERTA /03/2016 8

9 La curva di Hubbert 07/03/2016 9

10 Il petrolio Il petrolio è un liquido oleoso, con densità pari a ca. 0.9 (minore di quella dell acqua), costituito da una miscela di idrocarburi (composti di carbonio ed idrogeno). E il principale combustibile fossile liquido, derivato dalla decomposizione di materiale organico, soprattutto di origine marina (plancton ed alghe), e si trova in giacimenti collocati a varie profondità della crosta terrestre. Poiché i suoi tempi di formazione sono pari a decine di milioni di anni ed il suo sfruttamento è invece molto rapido, si può considerare una risorsa non rinnovabile. 07/03/

11 Effetti negativi dell uso del petrolio il processo di estrazione è pericoloso ed in grado di alterare il suolo e la sua stabilità; il trasporto è complicato e realizzato con navi o oleodotti non sempre sicuri e talvolta obsoleti; la raffinazione è complicata e provoca effetti dannosi sull ambiente e il paesaggio; il consumo genera emissioni di CO 2, NOx, SOx ; la sua presenza provoca tensioni internazionali che minacciano la stabilità politica dei territori e spesso si risolvono inconflitti. 07/03/

12 Produzione di petrolio 07/03/

13 Riserve di petrolio 07/03/

14 Carbone Il carbone è un combustibile fossile di color nero, estratto in miniere sotterranee o all aperto. È un combustibile pronto all'uso, composto principalmente da carbonio, tracce di idrocarburi e altri minerali, alcuni a base di zolfo. La sua formazione risale a circa 300 milioni di anni fa, quando un clima caldo umido ed un elevata concentrazione di CO 2 favorirono la crescita di alberi giganti. La loro morte e la successiva degradazione hanno portato ai carboni fossili. 07/03/

15 Inquinamento da carbone Il carbone è una delle fonti energetiche più inquinanti (sia nel processo di estrazione, che durante la sua combustione, perché emette moltissima CO 2 e spesso anche anidride solforosa, oltre a metalli pesanti). Tuttavia negli ultimi anni è diventata la fonte a maggior crescita. 07/03/

16 Gas naturale E una miscela di idrocarburi a basso peso molecolare, dei quali il principale componente è il metano. Ha origine dalla decomposizione anaerobica di sostanze organiche e generalmente viene estratto al suo stato fossile dal sottosuolo. Si trova per la maggior parte disciolto nel petrolio grezzo e pertanto può essere estratto dagli stessi giacimenti oppure intrappolato nella crosta terrestre. 07/03/

17 Energia nucleare E una fonte di energia primaria poiché il combustibile nucleare è presente in natura Presenta tuttavia maggiori problematiche e rischi per la sicurezza, dovuti al problema dello smaltimento delle scorie e della radioattività in caso di incidenti. 07/03/

18 Reazioni nucleari Per ricavare energia dal nucleo dell atomo esistono due procedimenti opposti: A) la fissione (rottura) di un nucleo pesante (atomi di uranio o plutonio B) la fusione (unione) di nuclei leggeri 07/03/

19 Fissione nucleare Lareazione nucleare utilizzata nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bomba atomica è la fissione nucleare. E una reazione nucleare in cui il nucleo di un elemento pesante (ad esempio uranio 235 o plutonio 239) decade in nuclei di atomi a numero atomico inferiore, che globalmente pesano meno di quello originario. La piccola differenza di massa è in grado di produrre una enorme quantità di energia. 07/03/

20 Fissione nucleare 07/03/

21 Combustibile necessario Questa enorme densità di energia si traduce in una minore necessità di combustibile: una centrale convenzionale da 1 GW richiede circa 1,400,000 tonnellate di petrolio in un anno (circa 100 super-petroliere) una centrale nucleare solo 35 tonnellate all'anno di ossido d'uranio, UO 2, cioè 210 tonnellate di minerale grezzo (2 vagoni) 07/03/

22 Fusione nucleare Nelle reazioni di fusione nucleare i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l idrogeno, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia, molto superiore a quella rilasciata nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte. In natura le reazioni di fusione sono quelle che producono l energia proveniente dalle stelle. 07/03/

23 Fusione nucleare 07/03/

24 Fusione nucleare Le temperature e pressioni necessarie per sostenere la fusione la rendono un processo molto difficile da controllare ed attualmente si tratta di una sfida tecnica non risolta. Uno dei vantaggi potenziali della fusione consiste nella possibilità teorica di fornire grandi quantità di energia in modo sicuro e con relativo poco inquinamento. Finora non è stato ancora possibile realizzare reazioni di fusione nucleare controllata. 07/03/

25 Idrogeno 07/03/

26 Idrogeno L idrogeno è un vettore energetico che presenta i seguenti vantaggi: brucia dando come unico prodotto di reazione acqua; può essere agevolmente distribuito in rete; può essere impiegato in applicazioni diverse: produzione di energia elettrica, trazione, generazione di calore. La sua introduzione richiede tuttavia che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolare la produzione, il trasporto, l accumulo e l utilizzo. 07/03/

27 Uso combinato con fonti rinnovabili Una delle critiche mosse all energia solare ed eolica è che, non essendoci sempre sole o vento, e non essendo questi comunque costanti, la quantità di energia disponibile è variabile e non corrispondente al bisogno. L'uso di elettrolizzatori, di unità di stoccaggio dell'idrogeno e di pile a combustibile permette di conservare l'energia in eccesso per i momenti in cui la fonte di energia non è disponibile (notte, inverno, vento debole o troppo forte). 07/03/

28 Produzione dell idrogeno La sua produzione può avvenire a partire sia da fonti fossili che rinnovabili. La prima presenta l inconveniente di dar luogo all emissione di CO 2 cosicché, pur utilizzabile in modo pulito, l idrogeno risulterebbe inquinante a causa delle emissioni prodotte nel suo ciclo di lavorazione. 07/03/2016

29 Elettrolisi La produzione da fonti rinnovabili avviene essenzialmente dall acqua, scindendo la stessa nei suoi componenti attraverso elettrolisi H 2 O + elettricità = H 2 + ½ O 2 Il processo è ambientalmente sostenibile se l energia elettrica necessaria per alimentare l elettrolisi viene fornita da fonti rinnovabili. 07/03/

30 Energia solare La radiazione solare è l energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell idrogeno contenuto nel Sole inatomi di elio. L aliquota che attraverso l atmosfera giunge sulla Terra è circa 1/3 dell energia totale intercettata al di fuori dell atmosfera, e di essa il 70% cade sui mari. La rimanente energia che in un anno cade sulle terre emerse è pari ad alcune migliaia di volte il consumo energetico mondiale. 07/03/

31 Energia solare La disponibilità dipende dalla latitudine: può essere sfruttata solo entro una ristretta fascia, corrispondente alle regioni comprese tra 45 di latitudine nord e sud. 07/03/

32 Energia solare La distribuzione dell energia solare sulla superficie terrestre varia molto con: Latitudine Altezza sul livello del mare Stagione Ora del giorno Condizioni meteorologiche 07/03/

33 Energia solare 07/03/

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35 Energia eolica 07/03/

36 Il vento Comunemente con il nome di vento si indica il movimento di masse d aria generato da differenze di pressione L'energia eolica è l energia ottenuta dal vento 07/03/

37 Energia eolica Essa è stata largamente utilizzata anche nell'antichità: di fatto è stata la prima forma di energia rinnovabile, assieme a quella idraulica, scoperta dall'uomo dopo il fuoco ed utilizzata sotto forma di energia meccanica (ad esempio nella navigazione a vela) Rappresenta il prodotto della conversione dell'energia cinetica ottenuta dalle correnti d'aria in altre forme di energia (meccanica o elettrica) 07/03/

38 Misura della velocità del vento Il vento si classifica in base alla sua direzione. La sua intensità generalmente viene indicata con la misura della sua velocità. Definizioni qualitative associate a range di velocità sono fornite dalla scala di Beaufort. 07/03/

39 grado velocità (km/h) tipo di vento velocità (nodi) Caratteri velocità (m/s) calma 0 1 il fumo ascende verticalmente; il mare è uno specchio. < bava di vento 1 3 il vento devia il fumo; increspature dell'acqua brezza leggera 4-6 le foglie si muovono; onde piccole ma evidenti brezza brezza vivace brezza tesa vento fresco vento forte burrasca moderata burrasca forte tempesta fortunale foglie e rametti costantemente agitati; piccole onde, creste che cominciano ad infrangersi. il vento solleva polvere,foglie secche,i rami sono agitati; piccole onde che diventano più lunghe. oscillano gli arbusti con foglie; si formano piccole onde nelle acque interne; onde moderate allungate. grandi rami agitati, sibili tra i fili telegrafici; si formano marosi con creste di schiuma bianca, e spruzzi. interi alberi agitati, difficoltà a cmminare contro vento; il mare è grosso, la schiuma comincia ad essere sfilacciata in scie. rami spezzati, camminare contro vento è impossibile; marosi di altezza media e più allungati, dalle creste si distaccano turbini di spruzzi. camini e tegole asportati; grosse ondate, spesse scie di schiuma e spruzzi, sollevate dal vento, riducono la visibilità. rara in terraferma, alberi sradicati, gravi danni alle abitazioni; enormi ondate con lunghe creste a pennacchio. raro, gravissime devastazioni; onde enormi ed alte, che possono nascondere navi di media stazza; ridotta visibilità distruzione di edifici, manufatti, ecc.; in mare la schiuma e 12 07/03/2016 oltre 118 uragano gli spruzzi riducono assai la visibilità. 39

40 Siti di produzione eolica Non tutti i luoghi del pianeta risultano idonei a causa: della bassa velocità del vento (per essere sfruttabili è necessaria una velocità non inferiore ai 4 m/s per almeno un centinaio di giorni all'anno); dell'irregolarità dei venti; degli elevati costi di trasporto, se i siti di produzione sono lontani dai luoghi di utilizzo. 07/03/

41 Venti in Italia Maestrale da Nord-Ovest Scirocco da Sud-Est Libeccio da Sud-Ovest 07/03/

42 Mappa delle velocità dei venti 07/03/

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45 Rosa dei venti E un diagramma polare in cui in ogni settore vengono riportati segmenti proporzionali al numero di ore in cui il vento ha soffiato da una direzione compresa nelsettore stesso 07/03/

46 Biomassa 07/03/

47 BIOMASSE Indicano tutti quei materiali di origine organica (vegetale o animale) che non hanno subito processi di fossilizzazione: pertanto tutti i combustibili fossili (petrolio, carbone, metano, ecc..) non possono essere considerati come biomassa. Le biomasse rientrano fra le fonti rinnovabili in quanto la CO 2 emessa nella produzione di energia non incrementa quella presente in atmosfera. Infatti quella che alla loro morte tornerebbe in atmosfera attraverso processi degradativi (ciclo del carbonio) era stata già assorbita nel loro sviluppo. 07/03/

48 Biodiesel Dalla fermentazione dei vegetali ricchi di zuccheri, come canna da zucchero, barbabietole e mais, spesso prodotti inquantità maggiori al fabbisogno, si può ricavare l'etanolo o alcool etilico, utilizzabile come combustibile per i motori endotermici, in sostituzione della benzina. Dalle oleaginose (quali girasole, colza, soia) si può ricavare per spremitura il cosiddetto biodiesel. Tramite opportuno procedimento è inoltre possibile trasformare le biomasse di qualsiasi natura in BTL (biomass to liquid), un biodiesel ottenuto da materiale organico prodotto appositamente con colture dedicate. 07/03/

49 Biocombustibili 07/03/

50 Energia geotermica 07/03/

51 Energia geotermica L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore. Si basa sullo sfruttamento del calore naturale della Terra, presente negli strati più profondi della crosta terrestre: penetrando in profondità la temperatura aumenta mediamente di ca. 30 C/km. Esso è dovuto all'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti all'interno della Terra. 07/03/

52 Le fonti geotermiche I giacimenti di questa energia sono però dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo sfruttamento per cui per estrarre il calore imprigionato nella Terra è necessario individuare le zone con anomalia termica positiva dove esso è concentrato: i giacimenti geotermici. La geotermia è la fortuna energetica dell'islanda, dove l'85% delle case è riscaldato con questa fonte energetica. Anche in Toscana i giacimenti naturali di vapore producono ogni anno oltre 4 miliardi di kwh di elettricità nelle sole centrali toscane di Larderello e di Montieri. 07/03/