ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA

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ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA

Prof. Pietro DalpiazDipartimento di FisicaUniversità di Ferrara

Firenze 23 Novembre 2011

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24 Dicembre 1968

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La Terra fotografata da 6 miliardi

di Km di distanza: (la distanza da

Plutone)

una nicchia di vita in

un’immensità di materia inanimata

Siamo veramente molto isolati, quanto

un’astronave nello spazio,

con 6.5 miliardi di passeggeri e senza possibilità di rifornimenti.

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Un operaio europeo è oggi più ricco in beni e servizi di un principe medievale, anche se possiede poche decine di metri quadrati di appartamento invece di un feudo. Da dove

deriva tutta questa ricchezza?

Negli ultimi decenni c’è stato un acceso dibattito sull’impatto ambientale delle attività

umane. Pochissima attenzione, invece, è stata rivolta al problema della diminuzione delle

risorse disponibili. Nel disinteresse generale, sia il calo delle risorse sia la crescita demografica sono

proseguiti senza sosta.

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Consumo di energia di unoccidentale ~150kWh/giorno

Equivalente al lavoro di~300 persone 8 ore/giorno

Potenza di un cavallo 700Watt

Potenza di un uomo

~ 60Watt

Se lavora senza sosta 10 ore accu-mula 0,6kWatt/ora (12 cent. di euro).

Indurain 600 Watt, Cipollini 1200Watt

Potenza di un motorino 2000 Watt = 2 kWatt

Potenza di un auto > 50.000 Watt, > 50 kWatt

Equivalente a una lampadina da 60 Watt

x4 energia disponibile al principe medioevale

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La potenza a ns. disposizione: gli “schiavi energetici”*

TV

Lavatrice

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna http://www.isof.cnr.it/photoscience/Nicola.Armaroli/articles/KOS%20Dic%202005.pdf

71600

Auto 115 CV a 100 Km/h

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

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1.6 MILIONIdi schiavi energetici

Boeing 740 al decollo


Nemmeno un

imperatore

avrebbe potuto

permetter-selo

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Cosa lega questi

soggetti?

L’ENERGIA

-Dove si trova?-Come si trasforma?-Come si accumula?

Come si arrivatia capire?

Luce

calore

carboidrati

movimento

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- Scaldarsi ed illuminare l’oscurità.- Alimenti più digeribili, appetibili e sani.- Allontanare i predatori.- Colonizzare territori ostili.

500.000 anni fa l’Homo Erectus è riuscito adominare il FUOCO

ed ad utilizzarlo come fonte di

CALORE e LUCE a volontà, per:

Il controllo del fuoco ha costituito un vantaggioformidabile per la sopravvivenza della specie

umana nella selezione naturale e nell’uscita dal luogo di selezione naturale

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come si ottiene CALORE in altro modo?

persfregamento

MOVIMENTO CALORE?

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ANIMALI e UOMINI

dal TERRITORIO

POPOLAZIONECRESCENTE risorse

SCARSE

RIEQUILIBRIO< 5.000.000 di

abitanti

Molta più ENERGIAdal TERRITORIO

popolazione x 100

civiltà

energia

10.000 anni fa con l’allevamento e agricoltura, l’UOMO, ricava

A parte le civiltà con terreni concimati periodicamente dai fiumi, come quella Egizia, per le altre, dopo un certo tempo il loro territorio si esaurisce e la civiltà si disgrega, per mancanza di risorse ENERGETICHE. La carestia produce guerre per accaparrarsi le ultime risorse. La

popolazione cala moltissimo. Anche l’impero Romano ha subito la stessa sorte, Quando si è bloccata l’espansione, hanno esaurito i terreni in 300anni ed è apparsa la crisi energetica.

La civiltà consuma ENERGIA sia per leinfrastrutture cheper mantenere gliamministratori, ecc.

Con la tecnologia dell’età della pietra

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La nostraciviltà

europea

- Rinasce con la fertilità dei terreni attorno all’anno 1000.- La popolazione cresce fortemente attorno al 1200.- Molte innovazioni tecnologiche, (tessitura …..).- Energia: Agricoltura, Allevamento, Legno delle Foreste e sfruttamento dei corsi d’acqua per manifatture.

RIVOLUZIONE INDUSTRIALE

CARBONEFOSSILE

MACCHINAA VAPORE+ MANIFATTURE

E TRASPORTITecnol.Ferro

-Nel XIV e XV sec la miniglaciazione (freddo) provocò delle serie difficoltà energetiche specialmente nel nord Europa.

In Inghilterra che era particolarmentericca di carbone si iniziò ad utilizzarloanche se era considerato puzzolente.

Un minatore estrae 1ton di

carbone/giorno

1 kWatt.ora

10.000 kWatt.ora

+4

-4

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Per la prima volta una civiltà non si disgre-gava per l’esaurimento delle risorse energe-tiche. Sfruttando il

CARBONE FOSSILE come fonte primaria di energia, si è evitata la crisi ed é stato indotto un enorme

sviluppo: La rivoluzione industriale.

trasportiindustria

centralizzazione

metropoli

CO, gas di città

illuminazionestradale

POPOLAZIONE X 10

Inghilterra, Francia,Belgio, USA (Germania)possedevano Ferro e

Carbone e la tecnologiaper sfruttarlo, ebbero

enormi vantaggi rispetto agli altri.

Durante tutto l’800questi paesi hanno

dominato militarmente il mondo,

colonizzandolo.

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scarseggiava il legname,fonte primaria di energia,si iniziò ad usare la torba ed il carbone, affiorante.1600

Scendendo in miniera le gallerie erano invasedall’acqua, tolta conpompe aspiranti mosseda uomini o da animali.

Prima applicazione dell’idea di Papin “L’amica del minatore” (T.Sarvey, 1698) una macchina a vapore poco efficiente e pericolosa, migliorata nel 1705 T.Newcomen (fabbro). Ma non ebbe successo.

-1782 James Watt (artigiano)guidato da Joseph Black (prof. Fisica) ha messo a punto la sua

macchina a vapore. Watt separò la produzione del vapore nella caldaia dai pistoni e dal condensatore. Il vapore era diretto con delle valvolee dei regolatori da lui inventati.

cal-daia

pistone

condensatore

Efficienza~20%

Ebbe un enorme successo!

È diventata il cavallodi lavoro universale.

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-1823 Sadi Carnot: ing. francese responsabile di macchine a vapore (in Francia a quella data 300 erano in funzione)

studia i cicli di lavoro delle macchine a vapore e deduce: h2

h1

T2

T1

-per funzionare le macchine a vapore devono lavorare tra due distinte

temperature T1 < T2

analogamente ad una cascata diacqua che può

produrre lavoro solo tra due altezze

diverse h1 < h2.

h2 – h1 = Δh

T2 – T1 = ΔTMOVIMENTO

LAVORO ENERGIA

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PRINCIPI DELLA TERMODINAMICAI - In un sistema isolato l’ENERGIA TOTALE si conserva.

II - Non tutto il CALORE può essere trasformato in LAVORO, una parte del calore è trasferita dalla sorgente calda a quella fredda.

Caldaia Tc

Refrigeratore Tr

Qr

motore Lavoro

Qc

Lavoro = Qc- Qr

Tc-Tr

Tc

Efficienza <

Non si trasferisce spontaneamente

calore da una sorgente fredda ad una calda

200C

Certo, l’energia si conserva, ma in questo caso si trasforma in calore a bassa temperatura

praticamente non più utilizzabile.

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L’entropia da una misura

dell’ordine o della caoticità del

sistema.

energiadisordinata

(inutile)entropia

alta.

entropia bassa energia ordinata (utile)

Dall’esperienza popolare è ben noto che: Se non si agisce, le cose vanno di

male in peggio

Gli stati in natura o le situazioni personali non desiderate sono molto più numerose di quelle

desiderate. Se non si agisce con energia, è molto poco probabile

ottenere i risultati desiderati.

L’entropia di un sistema è proporzionale al numero di stati possibili che il sistema può assumere, gli stati desiderabili sono sempre molto pochi.

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ENTROPIA

ACQUA TIEPIDALEGNO e TORBA

CARBONEPETROLIO

GAS NATURALENUCLEARE

LUCEIDROGENO

IDROELETTRICOELETTRICITÀ

LAVORO UMANO

FONTI FOSSILI

DI ENERGIA

CALORE

Forme di Energia:

Deposito di energia

trasporto e decentralizzazione

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Esseri viventi o società.

APPLICHIAMO IL SECONDOPRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:

ENERGIA

ORDINEentropia bassa

SCORIEDISORDINEentropia alta

Se disponessimo di sufficiente energia non ci sarebbero problemi

ad eliminare le scorie, ed a procurarci le materie prime

21Se una specie è troppo numerosa o consuma molta energia:le sue scorie non sono eliminate e si rompe l’equilibrio.

LuceCO2 H2O

Luceo2

concime

All’equilibrio: le scorie di una specie sono alimento delle altre.

CO2

H2O

cenere

CO2

metano

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ECONOMIA

AMBIENTEÈ importante fermarsi a riflettere

prima che accada.

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Consumo globale umano di energia

3.1011kWh/g = 300.000.000.000kWh/g

Una enorme quantità di energia. Pari alla quantità di calore prodotta dalla

radioattività terrestre, che è

responsabile di tutti i terremoti e dei

fenomeni vulcanici e dello spostamento

delle placche continentali.

INDUSTRIA ABITAZIONE

TRASPORTI

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produzionee consumodi energianei secoli

agricoltura

combustibiliFossili

prodotti in 200.000.000 di anniconsumati in 200 anni ?

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 anno

?

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LUCE ED ENERGIA6000oC

SPAZIO-270OC

Potenza irrag.=1.4 KW/m2

1/3 riflessa

6600Km

1 KW/m2

1.3x1014m2 3.1015KWh/g consumo globale umano=3.1011KWh/g

~500oC14oC-60oC

Marte Terra Venere

2 KW/m2

1 KW/m2

0.4 KW/m2

effetto serra totale

effettoserrazero

e.s.0 - 30oC

e.s.t. 250oC

Efficienza ~ 10- 6

CALOREVENTOPIOGGIAFULMINIURAGANIVEGETALI PER FOTOSINTESI

riflessa

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Agricoltura: bilancio energetico:

periodo

fino al1900

2000mecca-nizzata

resa perettaro

4q digrano

80q digrano

ore dilavoroumano

800

8

resaenergetica

1 4

10 1

calorie

L’agricoltura moderna trasforma:PETROLIO CIBO efficienza 10%

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I PASSEGGERI DELL’ASTRONAVE TERRA

• La maggioranza della popolazione vive nelle nazioni “meno sviluppate”


• Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno (dati U.S. PRB)

OGGI

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Perché la popolazione è aumentata?• Per millenni l’agricoltura ha avuto vincoli rigidi di produttivi- tà: un sistema, povero ma prevalentemente “circolare”

• Nell’800 l’Europa ha cominciato ad importare concimi da altri continenti (guano, fosfati)

• Nel 1913: sintesi industriale dell’ammoniaca

SI DA PER SCONTATO CHE LA TERRA SIA UN DEPOSITO INESAURIBILE DI RISORSE E CHE LO“SVILUPPO” POSSA CRESCERE

INDEFINITAMENTE: “keep growing“

QUESTA IDEA NON HA ALCUN FONDAMENTO SCIENTIFICO,MA PURTROPPO E’ ANCORA MOLTO DIFFUSA SIA NELLA

POPOLAZIONE, CHE IN AMBIENTI POLITICI (di tutti i colori), ECONOMICI, SINDACALI ED INTELLETTUALI

• Nel XXsec l’uso del petrolio aumenta la produttività dei terreni per aratura profonda, irrigazione ………..

~5000 lavoratori

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CONSUMO GLOBALE DI ENERGIA

1

2

3

4

5

6

petrolio40%

carbone22%

gasnaturale23%

idro 7%

nuc 7%

3.1011kWh/giorno=300TWh/giorno

Fossile 92%

RISCALDAMENTO

53%

LUCE ED ELETTRODOM.

8%

AUTO

31%

ACQUA CALDA

8%

CONSUMO PERSONALE

30

Produzione di elettricità al 31/05/08 (fonti IAEA)

Carbone 40%

Gas 19%

Nucleare 16%

Idroelettrico 16%

Olio combustibile 7%

Fonti rinnovabili 2%

Produzione elettrica nel mondo

Nucleare 33%

Carbone 30%

Gas 20%

Idroelettrico 11%

Olio combustibile 4%

Fonti rinnovabili 2%

Produzione elettrica in Europa (27 paesi)

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IL PETROLIO

L’invenzione da parte degli Europei(Bersanti) del motore a combustioneinterna alimentato a benzina, (sotto-prodotto volatile ed allora inutile del petrolio) introdusse il PETROLIO

come fonte primaria di energia.EFFICIENZA

<33%

Marco Polo Baku, affiora olio nero: illuminazioneIl Milione

-27/8/ 1859 E.L.DrakeTitusville, Penn.USA

con trivella artigianaletrova petrolio a 12m,

20 /g Kerosene:illuminazione

Il PETROLIO ha datoagli USA, che ne posse-devano riserve enormi

e la tecnologia perusarlo, un vantaggioche ancora permane.

Potenza / PesoM.C.I.>>M.Vap.

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IL PETROLIO E’ TROPPO CARO !!! O NO …?

costo PETROLIO: 95 $/barile

0.43 €/litro

Meno caro di…

costo BENZINA ca. 1.5 €/l(65 % tasse!!!)

Molto più economica di …


33

Andamento nelle scoperte dinuovi giacimenti di petrolio 1930-2040

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna Peak oil

34

La tecnologia ci permette di esplorare sempre più in profondità e di aumentare l’efficienza,

Il petrolio si esaurirà in decine di anni

Nel 1970 si estraeva il 22% di un giaci-mento ora il ~40%:

MA C’E’ UN LIMITE !!!!

-Prospezione 4D ed perforazione direzionale. -Iniettando, CO2, acqua o vapore. Rit. en. 2.7

-Sabbie bituminose R. 2.2

-Diesel da carbone R. 0.6

35

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

10

30

20

40

50

Miliardi di barili / anno

Produzione annuale di liquidi combustibili da fonti fossiliDati storici, con resa per estrazione del ~30%

Con resa per estrazione del ~45%

Con resa per estrazione del ~60%

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nel utilizzo e sviluppo tecnologico.Riserve superiori al petrolio, picco di produzione previsto per il 2035. Attualmente in M.O. si brucia sui pozzi. La costruzione dei gasodotti ne incrementerà l’uso. Con un costo del 20% si può convertire in benzina. Si può usare direttamente nei motori a scoppio. Il gas è sempre accompagnato da CO2 spesso al 70%Il prezzo dal 1980 è riferito al petrolio. Molto meno inquinante del petrolio

Gas Naturale.

Europa S.Amer. N.Amer. Africa Asia P. Golfo P. Russia

% riservegas naturale 3836

87553

L’Italia con l’AGIP è stata pioniera

IL GAS NATURALE SI ESAURISCE SENZA PREAVVISO

“Circa il 44% delle riserve provate mondiali di gas è concentrato in circa 20 campi mega e supergiganti”.

rete

37

Rete europea del gas, un’infrastruttura fragile …

giacimenti produttivi

CARBONE:Riserve superiori al petrolio (anche in USA ed Europa)

Ovviamente molto più inquinante del petrolio

38

10:1 20:1 30:1 40:1 50:1 60:1 70:1 80:1 90:1 100:1

USA 1930

USA 1970

USA 2000 PETROLIO

IMPORTATO 1970

IMPORTATO 2005

Alaska

CARBONE 2005

LEGNO

IDROELETTRICO

EOLICOGAS NATURALE

NUCLEARE

Fotovoltaico

Biodisel ed etanolo

ENERGIA

5

13

23

15

>1

30

227

>1

>1

>1

20

3

8

1018JRR

R =Ritorno energetico

Investimento energeticocosti

39

Le emissioni di gas serra per produrre 1kWh elettrico

Grammi di CO2

per kWh elettrico 1017

790

575

362

362

10

176

113

77

236 280100

21484 9200

1000

400

1200

Carbone Gas Idro Solare Vento Nucleare

Emissione dal combustibile

Emissione indiretta per costruzioni ed esercizio

I due valori rappresentano l’intervallo di variabilità

dipendente dalla tecnologia

40

Morti per TWy per la produzione di energia elettrica

(analisi sul periodo 1970-1992)

41

Per rispettare i vincoli del trattato di Kioto un francesedovrebbe spendere ogni anno 3$, un tedesco 5$ e un

italiano 360$. Questi sono i risultati delle diversepolitiche energetiche !!!!

Foto satellitare Concentrazione degli Ossidi di Azoto

42

Animali, persone o società che hanno un modello mentale

errato sulle loro risorse hanno poche probabilità di

sopravvivenza.

Per avere un prezzo dell’energia simile a quello vigente in Europa, nel

1955, l’Italia entra nella CECA ed origina il II sviluppo:

(scambio carbone minatori). (Mattei)

Ora l’elettricità in Italia costa il doppio che in Francia ed il triplo che in

Svezia.

L’Italia che è notoriamente scarsa di combustibili fossili, ha iniziato il suo sviluppo industriale ~1895 con la conversione

dell’energia dei corsi d’acqua delle Alpi, in elettricità.

sostenibili

43

E = mc2

1905 - A. Einstein

massa energia

materia deposito di energia

CHE COSA è L’ENERGIA?

Tutte le forme di energia che sfruttiamo, provengono dalla conversione di massa in una

forma di energia.

44Del petrolio, di una petroliera di 100.000 ton. Usiamosolo 30g per fare energia, il resto scorie (CO2)+1curie

C+O2

CO2

C+O2 energia + CO2

2H2+O2 = 2H2O petrolio,carboneC+O2=CO2 effetto serra gas naturale,legnaS+O2=SO2 tossico (solo nella polvere da sparo)

La COMBUSTIONE è una reazione chimica

Senza conoscere queste leggi, l’uomo ha sfruttato la COMBUSTIONE

Il peso dei prodotti combusti è leggermente inferiore di quello dei

comburenti. Una parte dell’energia di legame si libera.

Si trasforma in energia meno di una parte per miliardo della

massa.

45

ENERGIADAI NUCLEI

ATOMICI

Se fondo nuclei

leggeri per farne uno pesante

oppure se divido uno

molto pesante in

altri più leggeri,

libero, molta energia di legame

Fe

U

MASSA/nucleoni (protone o neutrone)

pn

I nuclei sono tenuti insieme da forze

almeno un milione di volte più forti di quelle che tengono insieme

le molecole.

peso atomico

46

FUSIONE NUCLEARE (NUCLOSINTESI STELLARE)

4 1H 4He 12C+ 4He 16O

3 4He 12C

e+

e+

4 1H ENERGIA + 4He

Fusione: Energia liberata:0.6% della massa

1.5t/H2 15m3/H2Oconsumo mondiale/giorno

1925-Eddington: la fusione nucleare fa brillare le stelle:

Il Sole consuma l’1% della sua massa in 1010anni ~109 ton

H/s

ITER

47

ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE Molte ricerche in corso

+ +T2 D + p 3He + energia

++ +T1 D + T He + n + en.

Le prove di laboratorio con reazione D+T che avviene alla temperatura più bassa

1991 Joint Europen Torus a confinamento magnetico: innesco della fusione (x0.7). Il progetto internazionale ITER per studiare il mantenimento della reazione (x10).

Spettacolare accensione

del Z PROJECT perfusione inerziale deiSandia Laboratoryche recentementeottenuto la fusione

Non ci si aspettache questi esperimenti

portinorapidamente ad

una fontecommerciale

di energia. 30g 5 Kgenergia scorie

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La fissione nucleare

La reazione a catena

USr+Xe +2n

+ Energia (~10/00)

neutroni lenti

-1934 E.Fermi

235U + n → 236U → 144Ba + 89K + 2/3n + 211.5 MeV → 137Cs + 90Sr +……

4930 g di energia 30 kg di scorie

Reattori nucleari raffreddati ad acqua a pressione1g di 235U da calore come 3tonnellate di

Carbone

Barre dicontrollo

Condensatore

50

RISERVE PETROLIO

Meno scorie e con vite medie di centinaia di anni!

Non come nei reattori lenti con centinaia di migliaia di anni.

Sicurezza intrinseca!!!!Agli attuali consumi riserve

per almeno 3000 anni

=

Con reattori a neutroni veloci (alta

temperatura) aumentano le riserve di un fattore ~ 600

RISERVE Torio(Th) per migliaia di anni

RISERVE 238U

per centinaia di anni

x4

RISERVE 235U

per decine di anni

x150

51

Attualmente sono in sviluppo vari tipi di reattori nucleari a sicurezza intrinseca ad alta temperatura

come quello raffreddato con Elio a 9000C, con potenze fino a 100MW, si costruiscono in pochi anni

e solo con 200 diversi pezzi.Elio Barre di controllo

Grafite Sfere dicombustibile

Struttura di contenimento Condensatore

Generatoredi vapore

Turbina

GeneratoreTorre di

raffreddamento

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La Geotermia La riserva di calore nei primi 2-3 km della crosta terrestre è enorme,2000 volte superiore a quella ottenibile con tutti i combustibili fossili.

L’Italia è ricca di siti dove le vene calde sono vicine alla superficie.-A Lardarello (Pisa) fu iniziato per la prima volta lo sfruttamento di energia geotermica già nel 1865 per muovere macchinari e nel 1904 per produrre elettricità, attualmente la ERGA spa ha una centrale da 300Mwatt.

-In California del Nord il sito The Geyser dal 1991 ha una centrale di 1.400Mwatt -L’Islanda copre gran parte dei suoi bisogni energetici con la geotermia, ottenuta perforando vulcani. Gli islandesi hanno imparato dagli italiani a sfruttare la geotermia.

Il Vesuvio e l’Etna hanno le calderea meno di 1000 m dalla superficie.

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COME RICAVAREENERGIA DAL SOLE?

Effetto Serra perAgricoltura

Centrale elettrica del deserto de La Luz Ca. USA, specchiparabolici che riscaldano acqua in un tubo e produce

vapore che è inviato in una turbina per produrre elettricità.

Efficienza ~ 40%calore Energia con alta entropia

Per sostituire il petrolio 25000km2

La potenza dipende dalla v3 del vento. Funziona bene con vento costante (Germania, Spagna,

Danimarca, Portogallo..) compatibile con pascoloe deserto. Inconvenienti: Paesaggio modificato

e disturbo importante alle migrazioni dei volatili.

Produzione Eolicadielettricità.

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Effetto FotovoltaicoLUCE

Efficienza ~ 12%

Semiconduttori:Si,Ge, As..

GaP 3%GaInP2 9% GaAs 16%Si 25%Ge 9%GaSb 10%

Piccole celle ben curate

Efficienza (30 - 60)%

Con questa tecnologia sono necessari 10 anni di operazione per recuperare l’energia investita nella costruzione dell’impianto.

Dipartimento di FisicaFerrara: ~40%

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- Attuare un programma di risparmio e miglior uso dell’energia. (-30%)

- Incrementare la geotermia, il solare, l’eolico e le biomasse, date le peculiarità del nostro territorio.

- Se si è preoccupati dal effetto serra fare ricerche su reattori nucleari a fissione di IV generazione fino a quando non saranno disponibili fonti energetiche alternative oppure la fusione nucleare.

- Fare un piano energetico nazionale (nel nostro caso non è certo troppo presto).

Che fare dunque in Italia data la fortissima dipendenza da petrolio e gas e la mancanza di

risorse energetiche fossili proprie?

Informare onestamente la popolazione sulla serietà del problema energetico-ambientale, e far comprendere che i problemi del: - reperimento energetico, - dell’equilibrio ambientale, - della popolazione globale, - del livello vita, sono legati indissolubilmente e devono essere risolti insieme.

ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA

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