Clima ed energia

Andrea Beraudo

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

(attingendo al lavoro di vari colleghi: Gambino, De Lillo, Cassardo...)

Il sistema climatico

La Terra riceve energia dal sole (luce visibile) e riemette energia nella forma di radiazione infrarossa. I gas serra (H20, CO2, NO2, O3, metano, CFC...) assorbono parte della radiazione infrarossa riemessa (che andrebbe persa nello spazio), rendendo il clima più caldo. L'effetto serra è fondamentale per rendere la Terra abitabile (e non fredda come Marte). Se però la concentrazione di gas serra aumenta troppo il riscaldamento può diventare eccessivo, ponendo problemi per la civiltà umana

Effetto serra: come funziona

La CO2 ha uno spettro di assorbimento della radiazione elettromagnetica con un picco proprio in corrispondenza del massimo dell'emissione infrarossa della Terra: l'energia riemessa dalla Terra, invece di disperdersi nello spazio, va a scaldare l'atmosfera

Andamento storico CO2 e Temperatura

Variazione di CO2 (e altri gas serra) e temperatura sono correlate (feedback):CO2 favorisce effetto serra; aumento di T favorisce aumento di concentrazione digas serra (rilascio di metano, diminuzione di solubilità di CO2 negli oceani,vapore acqueo in atmosfera...)!

Attuale concentrazione di CO2 (>380 ppm) al di fuori di qualsiasi variabilitànaturale (180-280 ppm): dati disponibili arrivano fino a 800mila anni da oggi!L'origine e' SENZA DUBBIO antropica (attività umane)!

La CO2 non è il solo gas serra!

Anche il metano (CH4) ha un forte effetto serra e il suo aumento nell'atmosferaa causa dell'aumento della temperatura (scioglimento del permafrost) potrebberendere il problema drammatico e fuori controllo (passate estinzioni di massa?)!

La “pistola fumante”

Inizio di aumento anomalo di CO2 (si parte da 280 ppm, massimo del normale ciclo naturale) coincide con rivoluzione industriale (1769: macchina a vapore)!

Scenari futuri

Gli scenari sono simulazioni al computer del clima futuro basate su modelli matematici e su possibili decisioni politico-economiche (“business as usual”, riduzione di emissioni di gas serra...).Ogni scenario prevede (con grandi incertezze) un diverso aumento della temperatura e diverse conseguenze per la vita umana: innalzamento del livello dei mari, desertificazione, carenza di acqua dolce, scioglimento dei ghiacciai (carestie, guerre, migrazioni...).Cambiamenti del clima ce ne sono sempre stati, ma oltre un certo livello e una certa velocità diventa difficile adattarsi

NB: i dati degli ultimi 5-10 anni (2015 non compreso, anno più caldo!) segnano un rallentamento della crescita della temperatura rispetto alle predizioni dei modelli!

Dobbiamo fidarci dei modelli climatici? Cosa prevedono?

● I modelli climatici possono essere validati, vedendo se sarebbero stati in grado di prevedere il clima del passato: nel complesso lo fanno con successo

● Per la fine del XXI secolo prevedono

– Un aumento della temperatura

– Un aumento del livello dei mari

– Una diminuzione dei ghiacci

– Un aumento degli eventi estremi

Produzione di energia:fonti fossili vs fonti rinnovabili

NB: a parte nucleare e geotermica, che hanno origine dalla presenza di isotopi fissili e/o radioattivi nelle rocce (uranio, torio...) tutte le altre fonti di energia (idroelettrica, eolica, biocarburanti, idrocarburi...) hanno in qualche modo origine dal sole!

Emissioni di CO2 per kWh

gCO2/kWhen. chimica

gCO2/kWhen. elettrica

Gas Naturale 190 470

Benzina 240

Carbone 300 1000

Legna 410

gCO2/kWhen. elettrica

Idroelettrico 4

Nucleare 12

Eolico 16

Solare 22-46

Tra le fonti fossili, il gas naturale (metano) è di gran lunga la meno inquinante: la sostituzione totale come combustibile del carbone con esso porterebbe a una significativa riduzione delle emissioni di CO2, cosa che sta avvenendo negli USA con lo shale-gas. NB: occorre assicurarsi che non ci siano perdite nelle fasi di estrazione e trasporto (il metano è un gas serra)!

(Fonte: IPCC)

La produzione di energia elettrica in Italia

La produzione di energia elettricain Italia

La parte del leone è giocata dal termoelettrico (combustibili fossili)

Fonti di energia termoelettrica

(fonte: Terna)

La sostituzione del carbone col metano consentirebbe una significativa riduzione delle emissioni di CO2.

La produzione da fonti rinnovabili

Oggi in Italia le fonti rinnovabili coprono il 40% della produzione elettrica (leader in Europa!).

Il balzo lo si è avuto negli ultimi anni grazie al boom del fotovoltaico (equivalente a produzione di 3 centrali nucleari)

I consumi energetici complessivi

I consumi elettrici corrispondono solo al 23% della domanda di energia!Il 40% di energia elettrica da fonti rinnovabili corrisponde a meno del 10% della domanda complessiva di energia in Italia.La parte principale è giocata dalla produzione di energia termica: importanza di sistemi come il teleriscaldamento (produzione di energia elettrica + termica)!

Produzione termoelettrica: efficienza

L'efficienza delle centrali a metano è cresciuta costantemente, grazie anche all'introduzione del ciclo combinato che, sfruttando il calore rilasciato dal primo ciclo (prima perso), consente una ulteriore produzione di energia, raggiungendo rendimenti del 50-60%. Abbinandolo a un sistema di teleriscaldamento si può arrivare ad una efficienza complessiva vicina al 90%.

Il caso degli USA

Gli USA, grazie a nuove tecniche estrattive, hanno puntato sullo sfruttamento dello “shale-gas” (gas di scisto). Questo ha portato all'autosufficienza energetica e a un crollo del prezzo del metano, che sta andando massicciamente a sostituire il carbone producendo come risultato un significativo calo delle emissioni di CO2 (tornate al livello del 1992)!

Gli USA: l'attenzione per la ricerca● Obama crea ARPA-E, agenzia federale di

finanziamento a progetti di ricerca su temi energetici

● Come ministro dell'energia nel suo primo mandato Obama sceglie il premio Nobel per la Fisica Steven Chu

● Una importante parte della ricerca scientifica negli USA è finanziata dal Dipartimento (= ministero) dell'Energia. In Italia non abbiamo un simile ministero, le competenze sono spezzettate, anche tra ministeri “di serie B”

La strategia europea: 20-20-20

Obbiettivi da raggiungere entro il 2020:● -20% di emissioni di CO2 rispetto al 1990● 20% di energia da fonti rinnovabili● +20% di efficienza energetica (risparmio senza

rinunciare a qualità della vita)

Energia elettrica da fonti rinnovabili

● Idroelettrico: è la storica fonte rinnovabile– Bacini sfruttabili sono stati sfruttati

– Può essere usato come una grande “batteria” in presenza di eccesso di produzione da rinnovabili

● Eolico: competitivo nel Nord Europa● Solare: competitivo nel Sud dell'Europa

– A concentrazione (specchi): radiazione solare usata per scaldare un fluido che muove una turbina

– Fotovoltaico: radiazione solare incidente su materiale semiconduttore produce direttamente una corrente elettrica.

Solare a concentrazione

L'impianto nella foto (California) fornisce una potenza di picco di 400 MW, come mezza centrale termoelettrica.➢ Enorme consumo di territorio (1400 ettari!), possibile solo in zone desertiche➢ Produzione soggetta alle variabili condizioni atmosferiche➢ Alcuni impianti (progetto Archimede) usano come fluido miscele di sali in grado

di mantenere il calore per alcune ore (anche dopo il tramonto del sole)

Fotovoltaico

In Italia ha conosciuto un boom grazie agli incentivi fiscali, contribuendo a raggiungere il 40% di produzione elettrica da rinnovabili

➢ Bene quando viene inserito su superfici costruite (abitazioni, capannoni, stalle)➢ Male quando implica consumo di terreni agricoli

La sfida per la ricerca è molteplice: migliorare l'efficienza (oggi <15-20%), ridurre il silicio necessario (costo), ricerca di nuovi materiali, rendere possibile migliore integrazione con l'architettura...

I limite sono chiaramente la stagionalità e l'intermittenza della produzione!

Il riscaldamento

● Rappresenta la maggior quota di consumi energetici! Il 45% in Italia. Nonostante questo è il grande assente nelle discussioni. Dovrebbe al contrario essere al centro delle politiche di riduzione delle emissioni.

● Possibili interventi:– Coibentazione degli edifici esistenti

– Vincoli da rispettare nella costruzione di nuovi (classe energetica alta)

– Teleriscaldamento abbinato a produzione di energia elettrica

I trasporti e i biocarburanti

Potrebbero rappresentare la soluzione per il problema dei trasporti (32% dei consumi energetici in Italia). Idea di base: durante la sua vita la pianta assorbe CO2, liberando ossigeno e fissando il carbonio nel suo “scheletro”; bruciando biodiesel riemetto in atmosfera la stessa CO2 che la pianta ha catturato durante la sua crescita.Problemi:➢ Uso prodotti agricoli (!) non per mangiare, ma per produrre carburanti➢ Sottraggo terreni agricoli (saremo a breve 9 miliardi!)

La sfida per la ricerca: ricavare biocarburanti da scarti vegetali e/o da terreni marginali

In sintesi● L'alterazione dell'ambiente prodotta dall'uomo è

un dato incontrovertibile (dati scientifici su concentrazione di CO2, metano...)

● Uno scenario futuro potrebbe prevedere un ruolo importante per le fonti rinnovabili SE si riusciranno a risolvere una serie di problemi– Intermittenza (accumulo di energia)

– Efficienza (<20% per il fotovoltaico)

– Trasporto (rinnovabili molto “localizzate”)

– Costi (petrolio basso non aiuta...)

– Consumo di territorio

– Conflitto con agricoltura (uso di scarti...)

La mia personale visione● Nessuno sa quale sarà la fonte di energia del domani. E' bene

non precludersi alcuna strada ed investire nella ricerca (la lampadina non si ottiene migliorando la candela!).

● AD OGGI le fonti rinnovabili non possono essere la soluzione del problema, ed è quindi importante (a meno di voler rinunciare a gran parte del nostro stile di vita) gestire la fase di transizione verso un'economia (quasi) totalmente green: le fonti fossili meno inquinanti (metano!) possono dare un importante contributo e trovo sbagliato impedire il loro sfruttamento

● Altri scenari potrebbero essere possibili (non mutuamente esclusivi!), come l'uso di fonti fossili abbinate al sequestro della CO2, la produzione di idrogeno da metano (CH4 → C + 2 H2) senza rilascio di CO2 e lo sfruttamento di idrati di metano (Rubbia), il nucleare a fissione di quarta generazione (scorie diventano combustibile), la fusione nucleare (un piccolo Sole sulla Terra)...

Ubi maior...minor cessat

● http://www.iass-potsdam.de/en/institute-advanced-sustainability-studies

● https://www.youtube.com/watch?v=z0o9jz7UZDw● https://www.youtube.com/watch?v=Nw3IB2_EUEg

Sopra trovate i link a un istituto di studi avanzati sui problemi della sostenibilità, a una conferenza pubblica del Prof. Carlo Rubbia e a un seminario del Dr. Cacciamani (direttore ARPA Emilia Romagna) al Dipartimento di Fisica di Torino