Università dell’InsubriaCorso di laurea Scienze Ambientali

FISICA GENERALEModulo su

“Elementi di tematiche ambientali globali e dei processi fisici connessi”

Fonti e risorse energetiche

in collaborazione con

Landau NetworkCentro Volta Como

Note a cura di M. Martellini e M. Zeni

Queste note sono state in parte preparate con immagini tratte da alcuni testi e da Internet.Queste note sono da intendersi per uso interno del corso di Fisica Generale per gli studenti del Corso di Laurea in Scienze Ambientali, A.A. 2003/04

Una civiltà costruita sull’energia

Le problematiche:

Quali risorse energetiche per il futuro?

Quali fonti di energia?

Quali tecnologie?

Quali e quante riserve?

L’ottimizzazione dei consumi

Le scelte hanno un riflesso diretto con le varie tematiche globali

Una civiltà costruita sull’energia• In passato il lavoro era umano e animale(corpo umano ~ 100 w)

• 1769 Macchina a vapore (Watt) è l’origine della rivoluzione industriale

Non bastano le riserve di legnameCarbonePetrolio (XX secolo) Gas naturale

Combustibili fossili

• Il carbone origina dalla decomposizione di piante di 300-400 milioni di anni fa

• Gas e petrolio derivano principalmente da sedimenti di plancton sul fondo del mare (2-140 milioni di anni)

La macchina a vapore

Nel 1700 lo scozzese James Wattrealizzò una serie di importanti invenzioni che portarono allo sviluppo della moderna macchina a vapore.

La macchina a vapore e' costituita da un motore termico alternativo a combustione esterna, che si basa sull'espansione e sul successivo raffreddamento del vapore generato in una caldaia.

Questa macchina trasforma energia termica in energia meccanica

La scoperta della pressione atmosferica, grazie agli esperimenti di Torricelli e Pascal, fu un precedente importante per l'invenzione della macchina a vapore perché suggerì l'idea di impegnare la pressione atmosferica per azionare un pistone sotto al quale era creato il vuoto

Quali fonti di produzione di energia

Lavoro animaleCombustibili fossiliNucleareFonti rinnovabili

In generale lo schema di produzione dell’energia è sempre basato su quello di una macchina termodinamica:Calore vapore lavoro meccanico energia elettrica

• Caso idroelettrico ed eolico: lavoro meccanico energia elettrica

• Caso della produzione fotovoltaica: conversione diretta energia luminosa in energia elettrica

Una nota storica: la pila di Alessandro Volta(bicentenario nel 1999)

La pila di Volta era costituita da una serie di dischi in zinco e rame impilati uno all'altro, interposti ad essi vi erano dischi di feltro imbevuti di sostanza acida; era nato così il primo generatore statico di energia elettrica.

Importanza fondamentale:

Possibilità di studio sistematico dei fenomeni e delle correnti elettriche corrente elettrica come principale vettore per la distribuzione capillare dell’energia

Gli utilizzi dell’energia

Spostamenti e trasportiRiscaldamento e climatizzazioneLavoro meccanico e produzione industrialeIlluminazioneInformatica e telecomunicazioni (più recente)

Esempio: alla fine del 19-esimo secolo il lavoro umano costituiva il 94% del lavoro industriale negli USA. Oggi ne costituisce l’8%

Esempio: ogni europeo beneficia di una potenza di lavoro pari a 150 servitori; negli USA il numero sale a 300; anche in India ogni persona beneficia mediamente della potenza di lavoro di 15 servitori

La distribuzione dell’energiaDipende dal tipo: innanzitutto dipende dall’ubicazione delle risorseMovimentazione dei combustili fossili:è legata al posizionamento geografico dei giacimenti o delle miniere• Petroliere rischio inquinamento• Oleodotti e metanodotti

problemi geopolitici (ex Cecenia)interdipendenza tra gli Stati

Didascalia: Francia ed Inghilterra collegate da un cordone ombelicale. In occasione del primo cavo sottomarino che ha collegato nel 1850 Calais con Dover ( da “Le Charivari”, 1850)

La distribuzione dell’energiaDipende anche dal tipo di produzione energetica e dal posizionamento delle centrali sul territorio. In particolare:

Energie eolica o geotermica: è legata a località con caratteristiche specificheEnergia elettrica: è la più vantaggiosa per la distribuzione e per la versatilità ed efficienza di utilizzo Energia solare: può permettere anche una produzione capillare riducendo le necessità delle reti di distribuzione

Necessità di reti complesse ed interdipendenti Gestione di situazioni di criticità e problemi di blackout

Il problema delle riserve finite

La Crisi petrolifera degli anni 70 ha generato vari scenari catastrofici di previsione per le future riserve energeticheScenari infondati e smentiti dai fatti, ma è stato posto il problema delle risorse per le generazioni future

Risorse rinnovabili e risorse non rinnovabili

Risorse non rinnovabili impossibile garantirle a tutte le generazioni future

l’importante è garantire lo stesso livello di benessere, ovvero un paragonabile sviluppo e una sempre rinnovata capacità di rinnovare le risorse energetiche, di trovarne di nuove e di ottimizzarne l’uso.

Il consumo di petrolio

• L’utilizzo di petrolio è cresciuto velocemente nel ventesimo secolo• È il combustile fossile più versatile: facile da trasportare, compatto, alto contenuto energetico• Nel confronto, il carbone pesa, è ingombrante e inquina di più.• Il gas è pulito ma è più voluminoso e richiede metanodotti e condotte

Un indicatore importante: Il prezzo dei combustibiliIl prezzo dell’unità di energia prodotta dai vari combustibili fossili riflette la loro effettiva abbondanza, versatilità ed efficienza

Esiste una correlazione tra abbondanza combustibile, prezzi ed efficienza di estrazione ed individuazione di nuovi giacimenti

Nota lo scavalcamento di prezzo del gas rispetto al carbone

Nota che i prezzi, a parte il picco della crisi petrolifera, non evidenziano trends di crescita rilevanti

Prezzo vs produzioneIl prezzo del petrolio non è cresciuto nonostante una produzione crescente, in particolare a partire dal secondo dopoguerra.

Le risorse disponibili sono crescenti

Un paradosso: riserve crescenti!

Le riserve aumentano perché migliora continuamente la capacità di determinare nuovi giacimenti e di sfruttarli meglio

Inoltre, laddove i prezzi aumentino rendono competitivi giacimenti e risorse che inizialmente non lo erano

Un paradosso: riserve crescenti!Aumenta l’efficienza nell’uso dell’energia

Nuovi tipi di motori a scoppio

Sistemi di riscaldamento più efficienti

Politiche di contenimento dei consumi

• Petrolio da sabbie e scisti bituminosi. È un tipo di petrolio più difficile e leggermente più costoso da estrarre. Ma sta diventando competitivo. È 8 volte più energetico degli altri combustibili fossili. Stima globale di una riserva pari a circa 242 volte quella delle riserve petrolifere convenzionali.

oltre 5000 anni di riserve energetiche da idrocarburi

Gli altri combustibili fossiliAnche per carbone e gas valgono le considerazioni fatta per il petrolio in merito alle riserve disponibili.

Produzione TermoelettricaI combustibili fossili vengono utilizzati per l’autotrazione, nei motori a scoppio o nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettricaLo schema di utilizzo è sempre quello di una macchina termodinamica che scambia calore a due o più temperature di esercizio, sfruttando l’espansione del vapore per trasformare l’energia termica in lavoro meccanico e successivamente in energia elettrica

Energie Rinnovabili: Produzione idroelettricaÈ attualmente la più importante fonte di energia rinnovabile. Fornisce il 6,6% della produzione globale di energia. In molti paesi supera il 50% e in una ventina di paesi supera il 90%.L’energia potenziale dell’acqua nel bacino a monte viene trasformata in energia cinetica nella caduta a valle e quindi utilizzata per produrre, grazie al fenomeno dell’induzione magnetica, energia elettrica.

Margini di crescita limitati: per ex in Europa è quasi completamente sfruttata

Aspetti negativi:

• Impatto ambientale delle dighe

• Le dighe tendono ad ostruirsi a causa del limo in qualche decina di anni

Energia eolicaMulini a vento: una tecnica di produzione di energia molto antica. Anche in questo caso l’energia meccanica viene per induzione magnetica trasformata in energia elettrica

La Danimarca, per tradizione e conformazione geografica, è leader mondiale di questa produzione (circa il 9% della produzione nazionale)

Un certo impatto ambientale delle installazioni

Costi di ammortamento e di manutenzione non sono ancora completamente competitivi

Collocazione ideale: in mare aperto

Energia nucleare

Costituisce il 6% della produzione su scala mondiale ed il 20% per i paesi che la producono

Sfrutta il fenomeno della fissione nucleare: i nuclei di uranio-235 e di altri elementi pesanti della tavola periodica vengono spezzati con rilascio di energia

1 grammo di uranio-235 ~ 3 tonnellate di carbone

È una sorgente di energia molto pulitaZero emissioni di CO2

Bassissime emissioni radiative di esercizioIl problema è quello delle scorie, alcune sono radioattive per oltre 100.000 anni individuazione, costruzione e gestione di siti di smaltimento problemi politici

Energia nucleare: le riserveLa stima attuale delle riserve di uranio-235 è di circa 100 anni.Una diversa tecnologia di reattori (reattori veloci) utilizza l’uranio-238 (più diffuso in natura). L’uranio-238 viene trasformato dalla radiazione emessa dall’uranio-235 in plutonio-239 che a sua volta può costituire nuovo combustibile per il reattore.

produzione di più combustibile di quanto ne venga utilizzato.

Stime di riserve per 14.000 anni

Problemi di sicurezza: il plutonio può essere utilizzato per la produzione di armi atomiche.

Energia nucleare: i costiL’energia nucleare costa comunque complessivamente ancora circa il doppio di quella da combustibili fossili

previsione di sostanziale stagnazione per i prossimi 10-20 anni, anche per le difficoltà politiche legate all’immagine del nucleare nell’opinione pubblica (Hiroshima, Cernobyl)

La rilevante tecnologia nucleare del futuro: la fusione nucleare

È lo stesso processo che avviene sul Sole e nelle stelle.Due isotopi di idrogeno atomo di elio1 grammo ~ a 45 barili di petrolio

Riserve virtualmente infinite (acqua dagli oceani)Bassissime emissioni in esercizio e no scorie

Tecnologia ancora non matura: previsioni per una tecnologia efficiente verso la metà del XXI secolo

Energia solareCelle fotovoltaiche

Dispositivo che sfrutta l’effetto fotoelettrico interno per convertire direttamente l’irraggiamento solare in energia elettrica.

Si comporta come una minuscola batteria, producendo, nelle condizioni di soleggiamento tipiche italiane, una corrente di circa 3 A (Ampere) con una tensione di circa 0.5 V (Volt), quindi una potenza intorno a 1.5 W (Watt).

Le celle fotovoltaiche hanno solitamente una colorazione blu scuro, derivante da un rivestimento antiriflettente (ossido di titanio), importante per ottimizzare la captazione dell'irraggiamento solare.

Solo una parte dell’energia della radiazione luminosa viene convertita in energia elettrica. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio cristallino e' in genere compresa tra il 10% e il 14%.

Effetto fotoelettricoÈ il fenomeno grazie al quale un fascio di luce, colpendo una superficie metallica, può estrarre da essa elettroni e quindi generare una corrente

Fenomeno fondamentale per introdurre la natura corpuscolare della luce (fotone), spiegato da Einstein nel 1905 (Nobel 1921)

L’avvenimento del fenomeno è legato alla frequenza della radiazione incidente, e non alla sua intensità frequenza di taglio fc

Energia solare: i costiLa bassa efficienza e l’alto costo delle singole celle non la rendono ancora competitiva.Si prevede una competitività intorno al 2030.Il flusso di energia solare è circa 7000 volte il nostro consumo globale di energia enorme margine di espansione per lo sfruttamento di questa risorsa

Altri vantaggi:È più efficiente (anche se al momento non competitiva economicamente) dell’energia ricavabile dal Sole tramite le biomasse; richiede circa un terzo della superficieGli impianti possono essere collocati in luoghi desertici o poveri dal punto di vista dello sfruttamento agricoloNon dà problemi di inquinamento e polveri sottili

Una singola area quadrata di 469 Km di lato (il 2,6% del Sahara) sarebbe sufficiente, anche con le efficienze attuali, per produrre tutta la richiesta energetica mondiale attuale!

Energia solare vs altre fonti

Questo grafico ci dà la proporzione tra l’energia solare annuale, i nostri consumi annuali e le varie risorse energetiche globali

Nota:Il totale delle fonti non rinnovabili nel

loro complesso è una frazione del flusso solare annuale

Energia eolica, idroelettrica e energia prodotta dalla fotosintesi sono una frazione molto piccola dell’energia solare totale

Altre fonti rinnovabili

Combustibili tradizionali: legna e carbone da legna. Costituiscono il 6,4% della produzione globale di energia, ma sono oltre il 25% della produzione complessiva nei paesi in via di sviluppo

Energia geotermica: può essere competitiva ma solo in alcune aree geografiche (per ex Filippine ed Indonesia)

Combustione biomasse: scarti di lavorazioni agricole o di legname, inceneritori di rifiuti

La produzione globale di energia

Il grafico mostra le percentuali delle diverse fonti energetiche nella produzione globale di energia

La parte più consistente (86%) è costituita da fonti non rinnovabili

Nella rimanente parte di fonti rinnovabili prevalgono la produzione idroelettrica ed il consumo di combustibili tradizionali.

Marginale è il ruolo dell’energia da biomasse, geotermica, eolica e solare

Stoccaggio e flessibilità delle risorse energetiche

Energia solare ed eolica alternano picchi di produzione con momenti di non produzione necessità stoccaggio

Allacciamento di impianti idroelettrici alla rete: accumulo di energia nei bacini Oppure produzione di idrogeno mediante

elettrocatalisi dell’acqua

Più in generale per una politica energetica: è necessario assicurare una diversificazione di fonti energetiche e di mezzi di produzione in una rete integrata e flessibile.