Cristiano Piffanelli Energia domani Prospettive, sfide e rischi delle fonti rinnovabili e non 24 giugno 2005 Provincia di Ferrara
Quale energia? Perché una fonte primaria possa essere sfruttata, deve avere alcune caratteristiche peculiari. Deve essere cioè CONCENTRABILE INDIRIZZABILE FRAZIONABILE CONTINUA REGOLABILE Una fonte di energia è tanto più pregiata quanto migliori sono le caratteristiche indicate.
Energia elettrica Cosa consumiamo: Le famiglie italiane consumano 34 miliardi di chilowattora/anno, producendo 23 milioni tonnellate CO 2. Energia per il riscaldamento Il riscaldamento degli edifici costituisce il 15% dei consumi energetici italiani.
Come ci procuriamo tanta energia? Siamo sicuri di averne abbastanza anche per i prossimi anni?
Come ci procuriamo l energia: L'attuale sistema energetico è essenzialmente basato sulle fonti primarie di origine fossile, (circa il 90% del fabbisogno energetico globale è coperto da fonti primarie esauribili) meno del 10% del fabbisogno energetico globale è coperto da fonti di energia rinnovabili, sostanzialmente idroelettrico. Le biomasse, geotermico ed eolico coprono il 2% circa.
I combustibili fossili Solo negli ultimi 150 anni ci si è rivolti all'uso di fonti energetiche come il petrolio, che hanno però un tempo di rigenerazione enormemente più lungo delle altre fonti di energia ( si formano in circa 100 milioni di anni) e per questo motivo l'energia da loro derivata viene definita "non rinnovabile". Non possiamo essere più rapidi a bruciare le risorse di quanto la natura impieghi a rigenerarle.
Centrali termoelettriche Sportello
L opzione nucleare Più di ogni altra fonte, l'energia nucleare è oggetto di atteggiamenti fortemente emotivi. O è vista come il demonio incarnato, oppure come l'unica possibile salvezza dalla "fine del petrolio". Non è nessuna delle due cose: è un sistema di produzione di energia con i suoi vantaggi e con alcuni aspetti da tenere in considerazione. L'energia nucleare oggi rappresenta il 7% circa del fabbisogno energetico globale con il 17% di energia elettrica prodotta da tale fonte.
Centrali nucleari Sportello
La fusione nucleare Le difficoltà tecniche per l'applicazione industriale sono enormi, anche se il fenomeno di fusione è stato dimostrato negli impianti di ricerca. Le temperature richieste sono dell'ordine di milioni di gradi. L'orizzonte di tempo sembra lungo almeno 50 anni per le prime applicazioni industriali. Nel 1975 si prevedeva una applicazione commerciale per i primi anni del 2000! La "Fusione Fredda ha poco a che fare con la fusione nucleare suddetta, ma può piuttosto essere un certo genere di mediatore di energia fra energia chimica e l'energia nucleare come le conosciamo. Nei prossimi anni sarà più chiaro quali potranno essere le possibilità di questa comunque interessante tecnologia.
Fonti rinnovabili Tutte le fonti rinnovabili si ricostituiscono in un tempo confrontabile con il tempo necessario al loro consumo e quindi si possono considerare inesauribili. In gran parte derivano direttamente dall'energia solare e non comportano un incremento di CO2. L adozione di tecnologie capaci di sfruttare fonti rinnovabili, insieme alla riduzione dei consumi e al risparmio energetico, è l'unica possibile strategia per il contenimento dei cambiamenti climatici in atto e uno sviluppo sostenibile della società umana.
L energia solare L'energia solare è la fonte di energia primaria per eccellenza Ogni anno il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio) mentre la domanda annua di energia è di circa 9 miliardi di TEP. In Italia la domanda annua è di circa 170 milioni di TEP. Praticamente tutta l' energia che oggi utilizziamo ha origine dall'irradiamento solare, compresi i combustibili fossili. Possiamo sfruttare l energia del sole con: sistemi termosolari sistemi fotovoltaici
Sistemi termosolari Sportello L'energia termica derivante dall' irraggiamento solare può essere "catturata" in molti modi e utilizzata per le varie necessità energetiche. Il potenziale dell'energia solare è tale da soddisfare buona parte delle necessità termiche e una non marginale quota di energia elettrica, inoltre si può ottenere anche il calore necessario nella produzione di carburanti biologici.
I sistemi fotovoltaici L'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione della luce in energia elettrica. La prima applicazione commerciale si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, quando i laboratori Bell realizzarono la prima cella fotovoltaica utilizzando il silicio monocristallino. Esistono due tipi di sistemi fotovoltaici: gli impianti senza accumulo (utilizzati per fornire energia a una rete elettrica) e quelli con accumulo (impiegati nelle "utenze isolate).
Il generatore fotovoltaico Attualmente i moduli fotovoltaici sono costruiti partendo da semiconduttori al silicio. Il generatore fotovoltaico è' costituito da un insieme di moduli fotovoltaici. I moduli sono costituiti da un insieme di celle; più moduli collegati insieme formano un pannello che può essere utilizzato anche per piccoli sistemi. Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, costituiscono una stringa, più stringhe, collegate generalmente in parallelo,costituiscono un campo di una centrale fotovoltaica.
La cella fotovoltaica Celle e pannelli di silicio monocristallino Celle e pannelli di silicio policristallino Film di silicio amorfo
Ricerca & sviluppo Celle fotovoltaiche multigiunzione: dagli anni 90 sono iniziate le esplorazioni di una nuova tecnologia per migliorare l'efficienza delle celle fotovoltaiche utilizzando delle cella composte Celle fotovoltaiche a concentrazione: il concentratore fotovoltaico consiste in piccoli concentratori che utilizzano lenti Fresnel o microprismi, in grado di concentrare (moltiplicare) i soli, fino a 500 volte la potenza.
Acqua L'esigenza di trovare una energia diversa da quella muscolare degli uomini e degli animali portò, tra il IX e X secolo, ad un consistente sviluppo tecnico delle macchine idrauliche Inizialmente utilizzate per far girare le macine, trasformavano l'energia cinetica dello scorrere dell'acqua in energia meccanica, mediante ruote a pale immerse per metà nel fiume.
Impianti idroelettrici tradizionali Gli impianti idroelettrici attuali sfruttano l'energia potenziale meccanica contenuta in una portata di acqua che si trova disponibile ad una certa quota rispetto al livello cui sono posizionate le turbine. Pertanto la potenza di un impianto idraulico dipende da due termini: il salto (dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa d'acqua che fluisce attraverso la macchina espressa per unità di tempo). Impianti a deflusso regolato (a bacino) Sono impianti a bacino idrico naturale (laghi) o artificiale, come nel caso di molti serbatoi, a volte sono bacini naturali nei quali si aumenta la capienza con sbarramenti, in molti casi gli sbarramenti consistono in dighe alte molte decine di metri.
Impianti ad accumulo o a serbatoio Sono impianti con tutte le caratteristiche degli impianti tradizionali ma che ricavano la disponibilità di acqua nel serbatoio superiore mediante sollevamento elettromeccanico (con pompe o con la stessa turbina di produzione).
Impianti ad acqua fluente Questo tipo di impianti era molto più usato all'inizio del secolo scorso, sopratutto per azionare macchine utensili in piccoli laboratori, oggi il potenziale di questi impianti è sotto utilizzato, l'impatto ambientale può essere contenuto e limitato. Impianti inseriti in condotte idriche Una interessante possibilità solo di recente presa in considerazione dai tecnici progettisti sono gli impianti inseriti in un canale o in una condotta per approvvigionamento idrico
Energia dal mare In linea di principio è possibile convertire almeno cinque tipi di energia presenti nel mare: quella delle correnti, delle onde, delle maree, delle correnti di marea del gradiente termico tra superficie e fondali. Attualmente esiste solo un impianto per lo sfruttamento delle maree in Francia. L'Unione Europea ha di recente concluso uno studio che identifica circa 100 siti suscettibili di essere utilizzati per la produzione di energia elettrica dalle correnti marine. In Italia è lo stretto di Messina ad essere stato identificato tra i siti più promettenti.
Energia eolica L'energia eolica è stata largamente utilizzata sin dall'antichità in svariate applicazioni quali la navigazione a vela, la ventilazione dei cereali e l'essiccazione dei prodotti dell'agricoltura e della pesca. I primi mulini a vento comparvero nelle aree considerate la culla della civiltà: Mesopotamia, Cina, Egitto. E' tramandato che il re di Babilonia Hammurabi progettò, nel 17 secolo a.c., di irrigare la pianura mesopotamica per mezzo dei mulini a vento. Si trattava probabilmente di mulini ad asse verticale simili a quelli tuttora in funzione in quei paesi. La tipologia di turbine eoliche è ampia, una prima suddivisione è data dalla posizione dell'asse : le turbine ad asse orizzontale, quelle più note e diffuse, le turbine ad asse verticale, utilizzate fin dall'antichità ma solo ultimamente oggetto di studi e ricerche per migliorarne l' efficienza.
tipologia di turbine eoliche
Energia geotermica Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" gê" " e "thermòs" thermòs" " ed il significato letterale è "calore" della Terra". Per energia geotermica si intende quella contenuta, sotto forma di "calore", all'interno della terra. Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Il gradiente geotermico è in media di 3 C ogni 100 m di profondità, ossia 30 C ogni km.
Le centrali geo-termoelettriche Generalmente nelle attuali centrali geotermoelettriche si sfrutta la pressione esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi geotermici per muovere una turbina Rankine accoppiata ad un generatore. L enorme pressione dei geyser spinge i vapori fino a un altezza che varia dai 20 ai 70 metri. Di questo tipo sono le centrali di Larderello in Toscana.
Impianti geotermici per teleriscaldamento L'impianto di teleriscaldamento a Ferrara serve 14.000 appartamenti con l'utilizzo di acqua calda a 102 C rinvenuta a 4 km dalla città in un pozzo a 1.300 m di profondità perforato a suo tempo per la ricerca petrolifera. Estraendo 250 m³/h di acqua, si risparmiano circa 12.000 TEP/anno; l'acqua viene poi reiniettata in profondità. Oltre al risparmio di combustibile fossile, sono ben avvertibili i benefici del teleriscaldamento per il minore inquinamento dell'aria, vantaggio notevole in città.
Tecnologie per lo sfruttamento geotermico in assenza di acquiferi naturali DHM: Una nuova tecnologia che consiste nell'immettere acqua fredda in profondità e recuperarla, sottoforma di vapore, per azionare turbine recuperando anche calore da sfruttare con teleriscaldamento, questa tecnologia è nota anche come HDR (Hot Dry Rock, rocce calde secche
Sistemi a sonde per geoscambio termico a pompa di calore Detti anche GHP (Geothermal Heat Pump, pompe di calore geotermiche) sono sistemi elettrici di riscaldamento e raffrescamento. Durante l'inverno l'ambiente viene riscaldato trasferendo energia dal terreno all'abitazione mentre durante l'estate il sistema s'inverte estraendo calore dall'ambiente e trasferendolo al terreno.
Biomasse S'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. La bioenergia è qualsiasi forma di energia utile ottenuta dai biocombustibili. La biomassa rappresenta la più consistente tra le fonti di energia rinnovabile anche se esistono molteplici difficoltà di impiego dovute all ampiezza e all articolazione delle fasi che costituiscono le singole filiere.
Idrogeno Comunemente si pensa all'idrogeno come ad una fonte di energia, in realtà ciò non è esatto in quanto deve essere estratto dall' acqua (elettrolisi) o da combustibili fossili (vari processi termochimici) ciò comporta un consumo di energia, per questo è considerato un "vettore" o un "accumulatore" o, come definito in inglese, un "memorizzatore" di energia. L'idrogeno, allo stato attuale, non è una fonte primaria di energia ma non è neanche un semplice vettore (come lo è ad es. la benzina), se permette il recupero di energia altrimenti dispersa o non utilizzabile può essere considerato una vera e propria fonte di energia primaria e rinnovabile come tutti i sistemi che permettono il recupero e il risparmio energetico.
Risparmio energetico, uso razionale dell'energia e recupero risorse Sportello Il risparmio energetico è una considerevole fonte di energia rinnovabile, è anche la più immediata e accessibile a tutti, spesso con tempi di recupero dell'investimento inferiori a qualunque tecnologia energetica e a cominciare da scale di investimento minime, anche di poche centinaia di euro.