University of Trieste Energia, cibo, acqua e cambiamenti climatici: una tempesta perfetta di eventi globali Maurizio Fermeglia Università di Trieste Maurizio.Fermeglia@di3.units.it www.dicar.units.it/dia/ Dipartimento di Ingegneria e Architettura Sesto, lunedì 1 luglio 2013-1
La tempesta perfetta di John Beddington Aumento popolazione globale (da 6.8 bilioni a 8.3 bilioni). Richiesta di cibo aumentata del 40%, ma produzione non adeguata Richiesta di energia aumentata del 45% ma produzione non adeguata Domanda globale di acqua aumentata del 30%, problemi di approvvigionamento acqua potabile Riduzione delle emissioni di gas serra inferiori alle aspettative cambiamenti climatici sempre più evidenti Scarsità di cibo, energia ed acqua portano a tensioni internazionali e migrazioni Sesto, lunedì 1 luglio 2013-2
AMBIENTE CIBO 4 Emergenze a livello Mondiale ENERGIA ACQUA Richard E. Smalley, Nobel Laureate, Chemistry, 1996, MRS Sesto, Bulletin, lunedì 1 luglio June 2013-2005 3
La popolazione mondiale cresce anche se meno degli anni passati. Sesto, lunedì 1 luglio 2013-4
Un pioniere Mtoe/anno 1912 ~ 1 TW Sesto, lunedì 1 luglio 2013-5
G. Ciamician, Science 1912 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-6
Nel 2000 circa 12 16 TW Energia usata Mtoe 12.3 TW WWII 1 Mtoe/anno ~ 1.3GW Sesto, lunedì 1 luglio 2013-7
Energia prodotta Dati nel 2009: 474 exajoules (474 10 18 J) equivalenti a 15 TW h/y Dati da IEO2010 vedi EIA Home Page (http://www.eia.gov/oiaf/ieo/index.html) Dati in QUAD. 1 QUAD (quadrillion BTU) = 1.055 EJ (10 E 18 J) = 0.033 TW Sesto, lunedì 1 luglio 2013-8
Domanda di energia globale per regione OECD Non OECD Quadrillion BTU - Quad 100 quad = 3.33 TW 500 500 Other Non OECD 400 400 Russia/Caspian Africa 300 300 Middle East 200 Other OECD 200 Latin America Europe OECD India 100 North America 100 China 0 1990 2015 2040 Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon 0 1990 2015 2040 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-9
Richieste di energia per fonte Quadrillion BTUs 100 quad = 3.33 TW 250 200 2040 2010 150 100 50 0 Oil Gas Coal Nuclear Biomass/Other Wind / Solar / Biofuels Hydro / Geo Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio 2013-10
2010 474 exaj = 15,000,000,000,000 Wh => 17 TW 2030 23 TW ; 2058 32 TW Sesto, lunedì 1 luglio 2013-11
Fonti fossili? Sesto, lunedì 1 luglio 2013-12
EROEI Alternative all economia basata su combustibili fossili (Peak Oil, CO 2 )? Non facili, costose Materie prime Energia Energia Processo di produzione Scarti C.A.S.Hall, J.W.Day Jr., Revisiting the Limits to Growth After Peak Oil, Am. Sci. 97 (2009) 230 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-13
EROEI a confronto Power Source EROEI(actual) Hydro 50, 43 and 205 Nuclear (centrifuge) 18.1, 18.4, 14.5, 13.6 and 14.8 Nuclear (diffusion) 6.0, 6.7, 5.8, 7.9, 5.3, 5.6 and 3.9 Coal 12.2, 7.4, 7.32, 3.4 and 14.2 Gas (piped) 16 Gas (piped a lot or liquefied) 3.4, 3.76 and 4 Solar 10.6 Solar PV 12-10, 7.5 and 3.7 Wind 12, 6, 34, 80 and 50 Fonte: da The World Nuclear Association, 2011 Nuclear Power EROEI: Da Nuclear Electricity: Potential, EROI and Social and Environmental Impacts Robert Powers - SUNY-ESF, Syracuse NY Sesto, lunedì 1 luglio 2013-14
Costi solare nucleare: crossover storico Fonte: John O. Blackburn, Sam Cunningham, July 2010 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-15
Variazioni della concentrazione di gas serra in atmosfera 2010: 380ppm 1900: 280ppm CO2 CH4 N2O CO2 CH4 N2O Sesto, lunedì 1 luglio 2013-16
Le emissioni di anidride carbonica Emissioni Dal 1751 1500 miliardi di tonnellate di cui la metà dal 1975 Nel 2008 29000 milioni di tonnellate Circa 4 % aumento dall anno Distribuzione delle emissioni Combustibili Liquidi e solidi 76.7% Combustibili gassosi 19.2% Fabbricazione del cemento 3.8% Effetto sul clima in 100 anni (IPCC)?? Di chi è la colpa?? Sesto, lunedì 1 luglio 2013-17
Emissioni: 140 g CO 2 /km!! Auto elettrica 60-80 g CO 2 /km Produzione di elettricità Estrazione fonti fossili e trasporto Si tiene conto delle rinnovabili Sesto, lunedì 1 luglio 2013-18
L aumento di gas serra in atmosfera e dovuto alle attivita umane Sesto, lunedì 1 luglio 2013-19
Effetto: aumento di temperatura 11 dei 12 anni più caldi si sono verificati dal 2001 a oggi, 2011 e 2012 di 0,54 e 0,45 gradi al di sopra della media Period Rate 50 0.128±0.026 100 0.074±0.018 Years /decade Sesto, lunedì 1 luglio 2013-20
Riscaldamento del Mediterraneo Sesto, lunedì 1 luglio 2013-21
Stiamo gia assistendo al nostro futuro climatico? Estate 2003 in Europa L ondata di calore dell estate 2003 in Europa ha causato circa 35000 morti, danni all agricoltura per piu di 12 Miliardi di Euro ed incendi boschivi su vasta scala Sesto, lunedì 1 luglio 2013-22
Intensificazione del ciclo idrologico Aumento delle intensita delle precipitazioni Piove meno frequentemente ma piu intensamente Aumento di siccita e ondate di calore Sesto, lunedì 1 luglio 2013-23
Scioglimento dei ghiacciai Pizzo Bernina, 1978 Pizzo Bernina, 2003 Alps Sesto, lunedì 1 luglio 2013-24
Aumento del livello del mare Il livello del mare globale si e alzato di circa 20 cm dal 1880 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-25
Produttività delle piante In verde aumento - In rosso diminuzione Sesto, lunedì 1 luglio 2013-26
Una prova del riscaldamento globale??? Sesto, lunedì 1 luglio 2013-27
Dove e immagazzinata l acqua dolce? km 3 % Ghiacciai 28.250.000 64,9 Falde acquifere 15.000.000 34,4 Laghi 176.000 0,4 Acqua nel suolo 122.000 0,28 Umidita nell aria 12.700 0,03 Fiumi 1.700 0,004 Acqua dolce : 43.560.000 km 3 Oceani : 1.335.000.000 km 3 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-28
Utilizzo dell acqua Gli esseri umani usano circa il 54% dell acqua fruibile (70% entro il 2025, 90% entro il 2050) Oggi circa un miliardo di persone ha problemi di accesso ad acqua dolce sufficiente e questo numero è destinato ad aumentare Sesto, lunedì 1 luglio 2013-29
Acqua significa cibo Prodotti vegetali Water (litri per KG) Prodotti animali Water (litri per KG) Olio vegetale 5000 Manzo 13,000 Riso 1500-2000 Pollo 4,000 Grano 1000 Uova 2,700 Mais 700 Latte 800 Agrumi 400 Verdura 200-400 Patate 100 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-30
Acqua significa energia Sesto, lunedì 1 luglio 2013-31
Acqua significa energia Sesto, lunedì 1 luglio 2013-32
Il vertice sul clima di Durban Sesto, lunedì 1 luglio 2013-33
Ma generiamo solo 15TW di energia, che equivalgono a 7500 $ PIL (se distribuito uniformemente) Consumo di energia e PIL Sesto, lunedì 1 luglio 2013-34
Oggi: 15TW 6.7 B, di cui alcuni vivono bene PIL medio $6500 28 B ton CO 2 /y 2-5 conflitti in corso 2058: 32 TW 9 B, più propserità PIL medio $20000 90 B ton CO 2 /y Relativa pace sociale? Raddoppio di CO 2? Esaurimento combustibili fossili Nuovi scenari 2058: 15 TW 9 B, meno prosperità PIL medio $4000 18 B ton CO 2 /y CO 2 stabile Conflitto mondiale! Sesto, lunedì 1 luglio 2013-35
NON ESISTE UN PROBLEMA DI MAGGIORE IMPORTANZA! Sesto, lunedì 1 luglio 2013-36
La terra è un sistema isolato. eccetto che per l irraggiamento solare Sesto, lunedì 1 luglio 2013-37
Conversione di energia solare in energia elettrica: Effetto fotovoltaico Sesto, lunedì 1 luglio 2013-38
Nanotecnologie Diametro=0.30 m Sezione di filamento di DNA=2.5 nm Raggio=6.350.000 m There is plenty of room at the bottom Richard Feynman, 1959 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-39
Nanoscienze controllare la materia atomo per atomo Mettendoli uno alla volta al posto voluto Sfruttandone la tendenza ad ordinarsi spontaneamente Sesto, lunedì 1 luglio 2013-40
Nuovi materiali fotovoltaici basati sulle nanotecnologie Nano-PV Thin film c-si Sesto, lunedì 1 luglio 2013-41
FINO A QUANDO SERVIRANNO GLI INCENTIVI? = residential = commercial = industrial Total Yearly Irradiation [kwh/(m²y)] 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 bg fr bg fi lv ee lt es hr gr gr si bg pl lt lv ee se gr hr cz be lv dk fi ee lt no fr pt pt mt mt mt cy hu es si hr uk cz at si fr de uk es ro skcz cy hu at ro uk lu nl fi be pl pl no ie se cy it sk lu pt Electricity Price Increase hu at be de ie PV Electricity Generation Cost @ 3,0 /Wp System Price sk it de nl lu dk no ie se 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 Average Price of Electricity [ /kwh] it PV Cost Reduction nl dk Sesto, lunedì 1 luglio 2013-42
Fino a quando serviranno gli incentivi? Nel 2010... si Sesto, lunedì 1 luglio 2013-43
Nel 2013. forse. dopo no Sesto, lunedì 1 luglio 2013-44
Uno dei grandi problemi Problema: Il trasporto utilizza circa 33% dell energia mondiale Soluzione: Il motore elettrico Tecnologia consolidata con alcuni svantaggi Autonomia Costo batterie Costruzione batterie Approvigionamento Litio Sesto, lunedì 1 luglio 2013-45
Energia per il trasporto 90% Nel 2040, 90% dei trasporti sarà basato su combustibili liquidi di derivazione petrolifera contro il 95 % di oggi Sesto, lunedì 1 luglio 2013-46
Domanda globale per il trasporto Personale Millions of oil-equivalent barrels per day Commerciale Millions of oil-equivalent barrels per day 50 50 Rail 40 40 Marine 30 30 Aviation 20 20 10 Light Duty Vehicles 10 Heavy Duty Vehicles 0 1990 2015 2040 0 1990 2015 2040 Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon Sesto, lunedì 1 luglio 2013-47
Domanda globale per il trasporto Combustibile Tipologia automobili Millions of oil-equivalent barrels per day Billions of vehicles 70 60 Other Electricity Natural Gas 1.6 1.4 Natural gas/lpg Plug-in/electric Fuel Oil Jet Fuel 50 1.2 Hybrid 40 Diesel 1.0 0.8 Conv. Diesel 30 0.6 20 0.4 Conv. Gasoline 10 Gasoline 0.2 0 1990 2015 2040 Fonte: The Outlook for energy: a view of 2040, Exxon 0.0 2000 2020 2040 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-48
Cella a combustibile fuel cell Sesto, lunedì 1 luglio 2013-49
L era dell idrogeno: la transizione non è certa... Passato Motori a combustione interna Hanno portato all era del petrolio TRANSIZIONE INCERTEZZZA FUTURO Product Performance Tempo Le Fuel Cell possono portare all Era dell Idrogeno Carbone Petrolio Gas Idrogeno 1.5 : 1 1 : 2 1 : 4 0: 1 Decarbonzzazione Sesto, lunedì 1 luglio 2013-50
Fuel cell per l automobile Sesto, lunedì 1 luglio 2013-51
Prototipo cella ad UNITS Sesto, lunedì 1 luglio 2013-52
L alternativa ad un futuro basato sull idrogeno Sesto, lunedì 1 luglio 2013-53
Commissione Europea sull energia Priorità 1: produzione Riduzione del 20% in emissione gas serra 20% energia da rinnovabili 20% risparmio energetico (per il 2020) Priorità 2: Fornitura di energia da altri paesi 20% rinnovabili non è sufficiente Efficienza energetica Pronti a rispondere in caso di crisi Sesto, lunedì 1 luglio 2013-54
Italia: potenza installata 16.420 MW e 18.862 GWh energia prodotta Sesto, lunedì 1 luglio 2013-55
Obiettivo UE per ITALIA Le fonti rinnovabili devono raggiungere almeno il 17% dei consumi finali di energia al 2020 Sesto, lunedì 1 luglio 2013-56
Italia: distribuzione fonti rinnovabili Situazione al 2012 la fonte idrica è rimasta sostanzialmente invariata; la fonte eolica ha raddoppiato la propria incidenza in 5 anni; il fotovoltaico è aumentato di quasi 40 volte in 5 anni!!; il geotermico è rimasto sostanzialmente invariato; le bio-energie hanno più che raddoppiando in 5 anni; Di recente le fonti solari hanno sorpassato quelle idrauliche Sesto, lunedì 1 luglio 2013-57
PIANO DI AZIONE PER LE RINNOVABILI - FER Sesto, lunedì 1 luglio 2013-58
Riscaldamento e raffrescamento Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio 2013-59
Elettricità Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio 2013-60
Trasporti (ai fini dell obiettivo 10%) Piano di azione nazionale per l utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE Sesto, lunedì 1 luglio 2013-61
CO2 cattura ed immagazzinamento?? Cattura Non è un problema Industria Chimica lo sa fare Immagazzinamento Geologico Marino Problemi immensi e non risolti Fragilità contenitori Localizzazione Costi.. Sesto, lunedì 1 luglio 2013-62
Quali possibilità? Fonti rinnovabili Biomasse: (solo) breve periodo Fotovoltaico: medio lungo periodo Eolico: breve lungo periodo Dall acqua tradizionale: idroelettrica - sfruttata Dall acqua: maree, onde costi investimento Dalla terra: geotermia - trascurabile Soluzione finale: Energia solare Idrogeno Combustibile liquido (aerei ) Risparmio Sesto, lunedì 1 luglio 2013-63
Quali possibilità per il trasporto? Futuro prossimo Fare affidamento sul petrolio Risparmio ed efficienza Il problema sono i trasporti commerciali Non sostituibile kerosene per aerei Motori elettrici, ibridi, idrogeno Futuro remoto Idrogeno prodotto da energia solare Fonti petrolifere per trasporto aereo Risparmio energetico insomma sole e idrogeno!!! Sesto, lunedì 1 luglio 2013-64
L età della pietra non è finita perchè si sono esaurite le pietre; l età del petrolio non finirà con l esaurisi del petrolio Don Huberts Sesto, lunedì 1 luglio 2013-65