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-- Uni BS Conferenza del 19.Ott.2012 presso la Facoltà di Medicina dell'Iniversità di Brescia

Ennio DE LORENZO

e-mail: deloren @ tin.it

- INTRODUZIONE Prima di esporre le diapositive e i temi presentati alla conferenza del 19.10.2012, vorrei porre delle spiegazioni sulla scelta degli argomenti trattati in due capitoli: 1. L' ERA ELETTRICA 2. L' ENERGIA ELETTRICA NEL MONDO: STORIA, PRODUZIONE ODIERNA. In primo luogo - trattandosi di un argomento, che coinvolgeva non solo la conoscenza dell'Energia, ma anche la salute umana, ho voluto fare dei ragionamenti su quella che è la più grande rivoluzione Scientifica - Industriale - Culturale del mondo moderno e cioè su quella che Marshall Mc Luhan chiamò l'"Era Elettrica" o "Rivoluzione Elettrica ed Elettronica". McLuhan espose questo fatto negli anni '60 del 20° secolo ed in molte sue previsioni ebbe conferma. Lui si riferiva altresì solo all'aspetto comunicativo dell'energia elettrica, ma quanto da lui esposto vale anche per l'aspetto energetico, come cercherò di esporre. Il secondo capitolo tratta della produzione di Energia Elettrica e la sua storia. In seguito sono documentate le diapositive presentate alla Conferenza del 19.Ott.2012 presso la Facoltà di Medicina dell'Università di Brescia. -- 1. L'ERA ELETTRICA Nella mia esposizione voglio far presente, che viviamo in mezzo ad una rivoluzione. E quealla che Marshall McLuhan chiamò "L'Era Elettrica" o "Rivoluzione Elettrica". Oggi viviamo quello che 100 anni fa vissero Einstein ed altri scienziati. E' solo una questione di tempo, fino a che la "Svolta Elettrica" arrivi fino alla popolazione. Con "Svolta Elettrica" non intendo solo la tanto menzionata "Svolta Energetica", che si riferisce solo all'aspetto energetico, ma anche e soprattutto la "Svolta Culturale" corellata che cambierà in modo fondamentale la nostra vita..

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Di questa "svolta" noi percepiamo solo alcune conseguenze, e non siamo in grado di capirle come conseguenza di questa rivoluzione, della quale non ne percepiscono quasi nulla o non sanno come gestirla anche Politici, Governi, Economisti ecc. L'odierna crisi economica è in parte dovuta anche alla ignoranza in merito dei centri di gestione e governo. E' stato sempre così: 1. circa 3.0000 anni fa durante l'introduzione dell'alafabeto fonetico, che causò la separa zione tra Oriente ed Occidente, 2. all'anno 1.000 dC con il cosidetto "aratro pesante", che contiribuì decisamente all'aumento della popolazione europea da 20 milioni a 70 milioni di abitanti, 3. la stampa di Gutenberg o 4. la "rivoluzione industriale" che - tra l'altro - portò il numero di abitanti nel mondo da 1 miliardo agli odierni 7 miliardi. Questo non percepire dei cambiamenti ha poco a che vedere con l'Intelligenza umana, ma con il fatto che durante lo svolgersi di una Rivoluzione (energetica o culturale) la popolazione si trova in una situazione simile a quella del sommozzatore sott'acqua. Il sommozzatore non vede il mare, ma i pesci, le alghe, le rocce, ecc. Per vedere il mare deve smettere di fare il sommozzatore ed uscire dall'acqua. Ci sono molti esempi documentati nella storia dell'uomo moderno nei quali questo problema è evidente. - La "Rivoluzione" Elettrica" è la più grande rivoluzione nella storia dell'uomo moderno. A differenza delle altre "Rivoluzioni" è che si manifesta sia a livello energetico che culturale. Cambierà sia il nostro modo di produrre e "gestire" l'energia, ma anche - e soprattutto - il nostro modo di pensare. Nel mondo elettrico non c'è più un "centro" una sequenzialità alla quale siamo abituati p.es. nella lettura di un libro. La pagina di un libro viene letta in modo sequenziale: una lettera dopo l'altra, una parola dopo l'altra, riga dopo riga fino a che abbiamo letto l'intera pagina. Questo atteggiamento cambierà in modo radicale. Internet non ha un centro. La telefonia mobile non è un libro, un giornale, ecc. Il mondo "elettrico/eletronico" ci circonda sempre di più e cambia il modo di lavorare del nostro cervello e del nostro pensiero. Questo avvenne anche con la stampa di Gutenberg: p.es. nella periodo della scolastica si leggeva solo ad alta voce (per questo nei monasteri i frati avevano bisogno di celle singole). La cultura orientale ha un modo di pensare differente dal nostro. Loro pensano in maniera "globale" in consonanza con la loro scrittura che possiamo chiamare "simbolica". Un esempio: Lo scienziato danese Niels Bohr, che ricevette il premio Nobel per l'introduzione del modello dell'Atomo chiamato appunto "atomo di Bohr", si occupava profondamente del Taoismo, una filosofia/mistica orientale nata intorno al 600 aC, alla stessa epoca in cui nella nostra cultura occidentale fiorì il filosofo greco Eraclito. I suoi colleghi lo apostrofarono: "Niels, come mai tu, che sei uno scienziato occidentale, ti interessi tanto della mistica orientale?". Niels rispose:"Avete ragione, la scienza occidentale non ha bisogno del taoismo ed il taoismo non ha bisogno della scienza occidentale. Ma il nostro cervello ha bisogno di ambedue per trovare qualcosa di nuovo." Albert Einstein - il più importante scienziato del 20° secolo - si trovò proprio a cavallo tra la fine dell'era dell'Alfabeto Fonetico e l'inizio dell' Era Elettrica. Egli fu un personaggio altamente intuitivo ed aveva percepito con la sua sensibilità il cambiamento, ma non riuscì a separarsi completamente dalla sua "cultura alfabetica". La sua famosa frase "Dio non gioca a dadi" è eloquente. Egli trascorse gli ultimi 20 anni della sua vita senza poter raggiungere il suo "obiettivo" di portare la fisica quantistica dal suo modo probabilistico di spiegare il mondo ad un livello deterministico. Einstein con la sua capacità intuitiva disse una volta Kurt Gödel, il più grande matematico del suo tempo con cui collaborava a Princeton negli Stati Uniti: "nella Teoria della Relatività ho avuto sempre una "Leitlinie" una "linea guida"; nella diatriba con la Fisica Quantistica ed il suo modo di "pensare" statistico e probabilistico non ce l'ho più". Il suo spirito era ancora immerso nel modo di pensare conforme all'"alfabeto fonetico", che gli ostacolava di accettare la "struttura" della fisica quantistica. E' comunque possibile, che Einstein abbia ragione; questo non lo voglio mettere in discussione: c'è ancora molto da fare a livello scientifico in quest'ambito. Ma che siamo nell "Era Elettrica" non possiamo negarlo. L'epoca dell'alfabeto Fonetico, nata ca. 3.000 anni fa è arrivata ad una "svolta". Quali differenze? Le "Rivoluzioni" precedenti portaveno sempre ad una divisione/separazione. Questa rivoluzione fa il contrario: unisce in modo drastico, porta alla globalizzazione. Noi stiamo diventando - ad un livello superiore - di nuovo "tribali". A cosa porterà questo, lo mostrerà il futuro. Noi possiamo trovare e sviluppare vantaggi dal cambiamento, solo se percepiamo e comprendiamo la "svolta".

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Ma questo purtroppo non avviene ancora nella nostra cultura. In tutti i paesi evoluti si nota una crescita di "analfabetismo" fra i giovani. Non che non sappiano leggere o scrivere, ma hanno sempre maggiori difficoltà in testi più complessi. Leggono meno libri, guardano di più la televisione e comunicano prevalentemente in Internet o con cellulari. Anche qui c'è una famosa frase di Einstein: "I fear the day when the technology ovelaps with our humanity. The world will only have a generation of idiots" "Temo il giorno quando la tecnologia supererà la nostra umanità. Il mondo avrà solo una generazione di idioti" Non so cosa Einstein intendesse con l'aggettivo "idioti". Se intendeva "stupidi" sono d'accordo, in quanto "stupido" non vuol dire "demente" o "cretino", ma deriva dal verbo latino "stupeo" che vuol dire "stupire" esse incapage di scegliere, come colui che davanti ad un bivio non sa quale strada prendere. Il concetto di "stupido" è stato spiegato bennissimo da Carlo Cipolla, professore alla Univesità Berkeley in California che scrisse un saggio scritto in maniera molto comprensibile: "The Basic Laws of Human Stupidity" traddotto in italiano in "Allegro ma non troppo". Un breve osservazione sul tema Energia e Materia e Entropia Crescita. Nel suo libro: "Energia e Miti economici", il noto economista Nicolas Georgescu Roegen, esprime un pesniero interessante per quanto riguarda un tema centrale attuale: la "crescita". Prende in osservazione il concetto di Entropia: in termine della Termodinamica, che descrive l'energia "dissipata" in tutti i processi produttivi e non più recuperabile dall'uomo: più aumenta l'Entropia e più alta sono la quantità di energia e materia dissipati in un processo produttivo. Roegen descrive quelle che lui chiama le maggiori rivoluzioni nella cultura umana: Prometeo -che lui chiama Prometeo I - era un "semidio" che portò all'uomo il fuoco. Per secoli l'uomo si avvalse del legno non solo per riscaldarsi e cucinare, ma soprattutto pre fondere metalli e costruire atrezzi. Verso il XVII secolo in Inghilterra ed in Europa comparirono le prime leggi per limitare il consumo del legno ed evitare l'esautimento delle foreste. Si conosceva il carbone, ma non lo si poteva estrarre perchè le miniere si riempivano d'acqua e la forza dell'uomo e degli animali non risolvevamo il problema, con il quale si confrontò inutilmente gia Galilei con le pompe aspiranti. Alla fina del XVII secolo, due comuni mortali - non semidei - Thomas Savery e Thomas Newman inventarono la pompa e la macchina a vapore e diedero inizio alla cosidetta "rivoluzione industriale". Roegen li ha chiamati "Prometeo II": Con il carbone riuscirono ad estrarre il carbone. Ma ora siamo di nuovo ad un limite: I combustibili fossili (petrolio, gas, carbone, uranio) stanno finendo La "crescita" è in crisi. Dobbiamo aspettare "Prometeo III". La vita umana non è un "ciclo chiuso". Per manenersi deve prendere energia e materiali a bassa Entropia dall'ambiente esterno. La Terra - per quanto riguarda i materiali - è un sistema chiuso. Solo l'energia sulla Terra viene alimentata dal sistema aperto dell'ambiente in primo luogo dal Sole. In confronto a tutte la tecnologie conosciute, sembra che l'unico modo è quello dell'energia solare fotovoltaica possa - nel lungo termine - portare ad una almeno parziale soluzione. Non è accertato che sia così, cioè che l'essere umano possa trarre - anche nei tempi futuri - dal fotovoltaico più energia di quanta sia necessaria a mantenere il sistema. Con il solare termico a collettori piani non è ancora così. Con il fotovoltaio potrebbe esserlo, ma bisognerà ancora aspettare il futuro per esserne certi. Per quanto riguarda la materia, invece non possiamo fare nulla. La materia (i combustibili fossili i metalli e gli altri minerali utilizzati dall'uomo) sono limitati. Inoltre, l'uomo può produtrre Energia dalla Materia (es. calore dal carbone), ma non è in grado di produrre Materia dall'Energia (questo accadde nei primi momenti del Big Bang a temperature elevatissime oltre i 1010 °K. --

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2. L' ENERGIA ELETTRICA NEL MONDO: STORIA, E PRODUZIONE ODIERNA. La produzione di energia elettrica avviene con apparechi chiamati per l'appunto generatori elettrici. Di questi ci sono di 2 tipi 1. Generatori "calssici", che funzionano facendo ruotare un asse! 2. Generatori Fotovoltaici, dove non c'è nulla che si muova, non ci sono liquidi che scorrono, ma solo i cosidetti fotoni della luce solare che producono elettricità. Ci sono altri modelli di produzione di energia elettrica, ma sono attualmente solo prototipi a livello di laboratori di ricerca, che non hanno alcun impatto sull'attuale produzione industriale. La generazione "classica" di energia elettrica avviene in base al fenomeno dell'Induzione formulato dal fisico inglese Faraday nel 1831 e sintetizzata nel concetto di "Campo" utilizzato dal contemporaneo Clerk Maxwell, che - prendendo dalla matematica il concetto astratto di "campo" - descrisse il Campo Elettrico, il Campo Magnetico ed il Campo Elettromagnetico. Egli formulò le sue famose "equazioni di Maxwell" che sono ancor oggi la base di tutta l'elettrotecnica. Ecco alcuni esempi:

Campo elettrico di una carica positiva o negativa.

Campo magnetico prodotto da una corrente elettrica in un cavo. .. e da una bobina percorsa da corrente elettrica

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Il fenomeno dell'induzione espresso in parole semplici dice: Un campo magnetico in movimento "induce" (genera) in un cavo elettrico presente nel campo una corrente elettrica. Lo stesso avviene se il campo magnetico è fermo ed il cavo elettrico si muove. Il fenomeno base è il movimento tra campo magnetico e campo elettrico indipendentemente da come vengono generati. Trasdotto in "tecnica": Il movimento più facile da realizzare in macchine meccaniche è - dall'invenzione della ruota - il moto rotatorio. Quindi il principio di Faraday viene realizzato nei moderni generatori elettrici facendo ruotare il campo magnetico o facendo ruotare i cavi elettrici esposti a detto campo. Per ovvi motivi geometrici i cavi vengono avvolti in bobine e voilà, abbiamo gia il prototipo di un generatore elettrico: Un campo magnetico rotante dove si trovano bobine nelle quali vien indotta la corrente elettrica. In altre parole: l'energia meccanica che noi utilizziamo per far ruotare il campo elettromagnetico viene trasformata in energia elettrica in forma di corrente elettrica che scorre nei cavi.

Un esempio di un generatore "quasi giocattolo": una "pila" casalinga nella quale con una semplice puleggia a mano viene fatto ruotare un magnete cilindrico (il cilindro grigio scuro al centro), che induce la corrente elettrica nelle due bobine ai suoi lati. La corrente generata fa accendere la lampadina collegata con i fili rossi. Altro esempio sono le piccole dinamo delle biciclette dove la forza delle nostre gambe fa ruotare l'asse della dinamo che produce l'energia elettrica per accendere la lampadina sul manubrio. Lo stesso avvine nei generatori nelle nostre automobili: questi sono collegati con una puleggia al motore a benzina e producono la corrente per caricare la batteria, che ci permette di far ripartire il motore o accendere i fari. Le grandi centrali elettriche in tutto il mondo funzionano con il medesimo principio: far ruotare un asse alla quale è collegato un sistema di bobine immesre in un campo magnetico che si muovon tra loro in moto rotatorio. Naturalmente a livello tecnico le centrali elettriche delle dimensioni di Megawatt di potenza son ben più complesse di una dinamo di una bicicletta o dell'esempio "giocattolo" sopra illustrtato, ma il principo del funzionamento è sempre lo stesso: E' l'induzione elettromagnetica, che comporta un movimento di un campo megnetico rispetto ai conduttori elettrici in esso coinvolti.

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Il movimento scelto - per motivi meccanici - in tutte le macchine è quello rotatorio. Quindi, produrre l'energia elettrica comporta il fatto di far "ruotare un asse". Come già detto si può far ruotare il magnete (anche in form a di elettromagnete) o le bobine: importante è il movimento relativo fra campo magnetico e i conduttori. Esempi di trasformazione di movimento rotatorio in energia elettrica

Generatori di energia elettrica Ci sono diverse forme di "centrali" elettriche nel mondo. 1. Possiamo far ruotare un asse utilizzando il vapore, che può essere prodotto in diversi modi. Con i combustibili fossili (e anche con il nucleare) in sostanza viene prodotta "acqua calda" in forma di vapore. Questo vapore fa girare una turbina e questa a sua volta fa girare un generatore elettrico, che funziona secondo il principio di Faraday-Maxwell.

Turbina a vapore: 2. Lo stesso avviene se si utilizza il vapore che proviene dal sottosuolo come avviene nelle centrali geotermiche di Lardarello. 3. Lo stesso effetto si può realizzare utilizzando l'energia idrica; qui si parla di centrali idroelettriche. La corrente dei fiumi fa girare delle pale e queste alla loro volta di nuovo fanno girare gli elettrogeneratori. Le differenze qui sono date dal tipo di forma di corrente idrica utilizzata: Sempici ruote a pale o cosiddette turbine Kaplan o sistemi con enormi dighe per concentrare l'energia meccanica di masse d'acqua da utilizzare per far ruotere appunto le turbine.

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Semplice pala idrica. 4. Altrettanto avviene con l'energia eolica. Qui viene sfruttata l'energia del vento per far ruotare le pale, che a loro volta fanno ruotare le assi degli elettrogeneratori.

5. Energia solare termica a concentrazione

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La concentrazione di raggi solari viene utilizzata in apparecchiature che concentrano la luce solare con specchi concentrici e fanno riscaldare l'acqua a livello di vapore. Oggi invece dell'acqua si usano sali minerali per portare la temperatura a livelli elevati come nel progetto Archimede del premio Nobel italiano Carlo Rubbia. Di nuovo: il vapore viene utilizzato per far ruotare turbine, che alla loro volta fanno ruotare i generatori di energia elettrica. In conclusione: Tutti i generatori elettrici "calssici" del mondo funzionano allo stesso modo: far ruotare (nella teoria il concetto è il "movimento" di qualsiasi tipo) un campo elettromagnetico con dei conduttori elettrici immersi nel campo nei quali viene "indotta" la corrente elettrica. L'unica differenza nella produzione di energia elettrica oggi è il Fotovoltaico. Qui non ci sono parti in movimento, ne liquidi che scorrono. Sono solo i cosidetti "fotoni" - componenti della luce solare - che producono energia nelle cosiddette "celle fotovoltaiche". Come avviene: il processo è estremamente complesso e per la sua completa comprensione occorre una profonda conoscenza della fisica quantistica. Fu Einstein in uno dei suoi famosi articoli sulla rivista scientifica "Annalen der Physik" nel 1905 , che diede la spiegazione dell'effetto fotoelettrico. Fu il suo suo articolo: "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" : "Emissione e trasformazione della luce da un punto di vista euristico" che lo portò al premio Nobel, non la - altretanto importante - teoria della relatività. I fotoni Einstein li chiamava "quanti di luce" in correlazione del concetto di quanti di Energia del fisico tedesco Max Planck. Il nome "fotone" venne coniato più tardi nel 1926 dal chimico statunitense Gilber Lewis. L'effetto fotoelettrico è corellato con la nascita della fisica quantistica ai tempi di Planck ed Einstein. E' la teoria moderna del modo subatomico ed è ancora in evoluzione. Einstein stesso non era d'accordo con la struttura probabilistica della scienza quantistica, che espesse nelle famosa frase "Dio non gioca da dadi". Per poter comprendere l'effetto fotoelettrico espongo il modello, dove la "barriera" formata dalla congiunzione di due strati di silicio "drogati" serve ad impedire la "ricombinazione" di elettroni e "lacune". La loro uscita nei cavi collegati produce infine la corrente elettrica voluta. Il principo di una cella fotovoltaica si riduce a due aspetti: 1. Il "drogaggio" del Silicio 2. La zona di "svuotamento" o la "giunzione" nella cella fotoelettrica. I fotoni sono i "quanti di luce " di Einstein, che continuamente invadono la superficie della terra. Entrano negli oggetti e nel nostro corpo. Noi non ce ne accorgiamo, ma cosi è. Cosa succede: un fotone penetra in un atomo della materia ( p.es.: il legno del tavolo o la nostra pelle) e "spara" via un elettrone da un atomo. L'atomo diventa un "lacuna" cioè un elemento con carica positiva (gli manca un elettrone) e l'elettrone con carica negativa se ne va a "spasso". Cosa succede? L'elettrone trova un altro atomo-lacuna e si "ricombina" cioè si inserice nell'atomo al quale manca un elettrone e tutto torna come prima. In sostanza allora il fotone cosa ha fatto? Ha solamente aumentato la temperatura della materia nella quale si è inserito. Cosa fa la cella fotoelettrica per produrre energia elettrica? Impedisce la "ricombinazione" di "elettrone" e "lacuna" e fa scorrere gli elettroni nei cavi di collegamento producendo corrente elettrica. Come?

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Cella fotoelettrica o fotovoltaica Giunzione pn - Zona di svuotamento. Nella maggior parte delle cosidette Celle Fotovoltaiche come materiale viene utilizzato il Silicio (formula chimica: Si), sia in forma cristallina che amorfa. Per quantità, il silicio è il secondo elemento sulla terra (sabbia, vetro, ecc..). L'atomo - secondo il modello di Bohr - è costituito da un nucleo centrale e da elettroni che ruotano attorno a questo nucleo in diverse orbite a vari livelli di distanza dal nucleo. Nell'orbita esterna del silicio ruotano 4 elettroni: il Silicio viene perciò chiamato "tetravalente". In una piastrina di silicio puro vengono diffusi 2 materiali differenti: da un lato un materiale "pentavalente" (es. Fosforo) e dall'altro uno "trivalente" (es. Boro). La diffusione avviene in forni adatti. Il processo viene chiamato "drogaggio" del silicio. Il drogaggio con elementi "pentavalenti" porta ad un eccesso di elettroni e quella parte della piastrina viene chiamata zona n (negativa per eccesso di elettroni). Analogtamente, quella drogata con elementi "trivalenti" si chiama zona p (positiva perchè ha meno elettroni). A cosa serve tutto ciò? Ai limiti delle due zone si forma una "zona di Giunzione" chiamata anche "zona di svuotamento" che impedisce il movimento di elettroni o lacune da una zona all'altra. E' una specie di "campo elettrico" artificiale costruito dal "drogaggio". La piastrina di silicio drogato si può già considerare una "cella fotoelettrica" : infatti, quando un "fotone" o "quanto di luce" penetra nella cella e fa uscire un elettrone dal primo atomo che incontra, la giunzione pn, impedisce all'atomo diventato "lacuna" ed all'elettrone usciti di "ricombinarsi" l'elettrone allora si "avventura" attraverso l'elettrodo apposto sulla cella ai cavi collegati generando corrente elettrica. Il "trucco" sta tutto qui: Il "drogaggio" del silicio fa si che la ricombinazione non avvenga e la cella Fotovoltaica produce energia elettrica semplicemente stando esposta al sole. Questa spiegazione è quella di un "Modello" come lo è quello del Campo Elettromagnetico di Maxwell o dell Atomo di Bohr. La realtà è molto più complessa e per entrarci occorre la fisica quantistica. La spiegazione teorica in fisica quantistica è decisamente più complessa, ma il modello qui esposto può portare ad una comprensione abbastanza coerente dell'effetto fotoelettrico. Per esempio, non tutti gli elettroni evitano la ricombinazione, solo una minima parte raggiunge le condutture esterne. Questo fatto fa rende molto bassa la cosiddetta "efficienza energetica" della cella fotovoltaica. Ma per capire il funzionamento della cella il modello presentato è più che sufficiente. Questo modello è sufficiente anche per progettisti di impianti fotofoltaici. La comprensione profonda a livello della fisica quantistica è necessario per sienziati che vogliono inserirsi in profondo nella fisica odierna o per ricercatori che si occupano p.es. di aumentare l'efficienza delle celle fotovoltaiche. Ma anche sul punto dell'efficienza dobbiamo fare un'osservazione. L'efficienza energatica - fondamentale nell'era meccanica - qui è certamente ancora importante, ma ha perso un pò del suo ruolo. E' solo la nostra abitudine mentale, che la valorizza in modo che talvolta chimerei estremo.

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Prendiamo l'esempio delle automobili, che utilizziamo giornalmente. L'efficienza totale di un automobile è di circa il 20%. Tradotto in soldi vuol dire, che dei 100€ di benzina che immetto nel serbatoio, 20€ vengono utilizzati per farmi viaggiare, 80€ per scaldare Brescia. Qui si, che un aumento di eifficienza ha un senso. Se utilizzassi un auto elettrica con efficienza più che 4 volte superiore, allora risparmierei. Nel fotovoltaico l'efficienza non è più così importante, per il semplice fatto che i fotoni - a differenza dei combustibili fossili con la loro enorme filiera di produzione - non li pago. I fotoni arrivano da miliardi di anni sulla terra e lo faranno per i prossimi miliardi di anni sia che io li utilizzi o meno. La filiera di produzione del fotovoltaico inoltre è cortissima: dietro al modulo (insieme di celle) c'è già la corrente elettrica, che posso utilizzare. L'unico svantaggio della bassa efficienza consiste nel fatto che ho bisogno di maggiore superfice per soddisfare le mie esigenze. I moduli fotovoltaici hanno oggi efficienze che vanno dal 6-8% al 14-16%, ma ci sono già laboratori di ricerca, che riescono a costruire moduli con efficienza ben maggiore. -- DIAPOSITIVE STORIA DELL'ENERGIA 1. Energia fonte di Vita. 3 Rivoluzioni: Fuoco, Agricoltura, Carbone 2. Remi e vele I Fenici 3. Aumento di Energia: Aratro pesante nell'anno 1.000 dC. Popolazione in Europa da 20milioni a 70 milioni (1.300 dC). 3. Calo di Energia: Piccola glaciazione 1348, Malnutrizione, Peste Nera: 20 milioni di morti (1/3 dell'Euriìopa). 4. Carbone: Rivoluzione industriale, Ferrovie. 5. Petrolio: Automobile, Aereo, Energia Elettrica. 6. Grafico: Storia delle sorgenti energetiche. Biomassa(legno), carbone, perolio, gas, nucleare, rinnovabili. [Fonte: deutsche Shell] 7. Riserve fossili [fonte: ODAC]. 8. Green Revolution. [Fonte: FAO] 9. Rivoluzione Energetica moderna vista da Kjel Aleklett Univ.Uppsala, Sweden. 10. Konrad Lorenz, Nobel medicina, Libro:gli otto peccati capitali della nostra civiltà. 11. Marshall Mc Luhan, Libro: Gli strumenti del comunicare, L'Era Elettrica. ENERGIA SOLARE 1. Fonte dell'Energia Solare 2. Energia solare incidente sulla terra 3. Diverse tecniche per l'utilizzo dell'energia solare 4. Superficie necessaria per soddisfare il fabbisogno energetico in Italia e nel mondo con il fotovoltaico. ENERGIA ELETTRICA 1. Storia della Rivoluzione Elettrica 2. Vantaggi e problemi dell'Energia Elettrica 3. Generazione dell'Energia Elettrica: Generatori, Fotovoltaico, Principio di Induzione di Faraday)

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4. Eolico e Fotovoltaico: Confronto IL FOTOVOLTAICO 1. Effetto fotoelettrico, Fotoni, 2. Cella fotovoltaica, Ricombinazione, Drogaggio, Giunzione PN, produzione di corrente elettrica. 3.Silicio, dalla produzione di silicio al modulo fotovoltaico. 4.Esempi di impianti fotovoltaici nel mondo Il FUTURO DELL'ENERGIA 1. Fine dei combustibili fossili 2. Il nucleare 3. Il Futuro dell'Energia 4. La "Grid Parity". 5. Biocarburanti 6. Trasporto e Distribuzione di Energia: La DG=Distributed Generation: Produzione Distribuita. 7. Esempio di DG dall'Università di Kassel. 8. Incompatibilità tra sistemi centralizzati CG e distribuiti DG (Filiera lunga e corta) ENERGIA EOLICA ENERGIA IDROELETTRICA --

En.fonte.d

L’Energia ... fonte di vita

Umanità: 3 mln anni = 100.000 generazioni

3 Rivoluzioni energetiche principali

1. L’utilizzo del fuoco: 1,4 milioni di anni fa

2. L’agricoltura: neolitico 10 mila anni a.C.

3. Estrazione del carbone: Rivoluzione industriale 1800 d.C.

Tutte le evoluzioni energetiche ebbero un impatto sull’assetto demografico

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Storia risorse

L’Energia ... fonte di vitaImpatto della disponibilità Energetica sull’assetto demografico:a.C.:1.400.000: 1. Il fuoco La prima energia rinnovabile: (Kenia)------

10.000: 2. Agricoltura e sedentarietà -> ACCUMULO alimentare.mondo: ca. 5 milioni di abitanti

------4.000: Altre Energie rinnovabili: acqua e vento.

La Vela in navigazione nel Mediterraneo.Ruote idrauliche per pompaggio in Mesopotamia.Mulini a vento in Persia e Cina.

0: Utilizzo Solare passivo:Vetri piani negli edifici (Roma).d.C.1.000: Aratro pesante, Mulini ad acqua

Eu: da 30 -> 70 milioni di abitanti (1.300 d.C.).

1.800: al Mondo 900 miloni di abitanti------

3. Estrazione del carbone -> Rivoluzione industriale2012: -> Mondo = 7 miliardi di abitanti

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Remi-Vela:I

I migliori costruttori di navi ed inventori dell’alfabeto foneticoEnergia nel 1000 a.C: Mobilità e Comunicazione.

Storia dell’Energia: Remi e Vele - Fenici

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Demograf:Peste

Calo di Energia: Esempio: Peste Nera del 1348Egon Friedell – Storia della cultura nell’era moderna.

1.000-1.300: -Invenzione dell’aratro “pesante”. - in Europa: ca.300.000 Mulini ad acqua-Aumento demografico in Eu a ca.70 milioni (massimo sotenibile)

1344/46: Inverni rigidi e piovosi-> Carenza di produzione agricola -> Carestia, malnutrizione.

Denutrizione = calo delle difese umane -> Peste Nera del 1348.Morì 1/3 della popolaz. in Europa (ca. 20 milioni).

Il morbo della peste partì dal medio oriente: non ci fu un aumento della popolazione, l’energia era in equilibrio con il volume demografico -> nessuna Peste nera in medio oriente.

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Carb:Il vapore

nel 2 a.C. Macchina a vapore di Herorimase una “curiosità”:

anche Galilei si occupò del problemadell’estrazione del carbone ...

... che rimase irrisolto fino a ....

CARBONE -> Rivoluzione industrialeFino al 1.700 gli unici vettori energetici utilizzati furono:

il vento, il fuoco e l’acqua (mulini).

Thomas Savery 1768 Costruì una pompa a vapore per l’estrazione del carbonedando inizio alla Rivoluzione Industriale.

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Carb:Macchina Vapore

Macchina a vaporeJames Watt 1769

Il RocketStephenson 1829

Era del CARBONEMacchine a Vapore

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Carb:Ilmenau.de

Era del carboneFabbrica in Germania Ilmenau 1860

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Carb:Eise

Era del carboneFerrovia Bonn – Colonia 1844

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Petr:Mot.Otto

Era del PetrolioIl motore a combustione interna

1876 - August Otto - primo motore a 4 cilindri (a gas)Base di tutti i motori moderni

Motore Otto del 1976

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Petr:Karl

Primo accoppiamento motore – veicolo: Motore a benzina monocilindrico, 4 tempi

Era del PetrolioKarl Benz 1885

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Era del Petroliol’Aereo

Primo volo ad’elica. Fratelli Wright 1903

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Era del Petrolio: L’energia Elettrica

L’energia Elettrica -

Fonte: Deutsche Shell AG

Sorgenti En.storia

ll ciclo di vita delle fonti energetiche

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Perchè di

Il perchè di un cambiamento

Il mondo oggi ospita oltre 6 miliardi di personeciò è dovuto ai combustibili fossili!

Senza i combustibili fossili ed energie rinnovabili-a livello di prima della rivoluzione industriale del 1800,

il mondo può mantenere: ca. 1,5 .. 2 miliardi di esseri umani

vedi -> Green Revolution!

Ma i combustibili fossili si esauriscono

L’unica energia a disposizione dell’uomo oggi conosciuta per i prossimi 4-6 miliardi di anni è quella solare(oltre a geotermia e gravitazione lunare)

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Riserve

6045Uranio nat.

169120Carbone6545Gas

4235Petrolio

(2)anni

(1)anni

Il perchè di un cambiamentoRiserve Fossili

[Valutate ai consumi attuali]

(1) Istituto Prognos, Basilea 1998(2) Min. Economia e Tecnologia, Berlino, 2000

Il Sole ..... 6 Miliardi anni

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Petrol-distribution

Distribuzione del petrolio nel mondo: [Miliardi di Barili]�verde: estratto finora [fonte: ODAC] �rosso: riserve note�giallo: probabili quantità da scoprire

[Eurasia = ex URSS, Cina] [East: India ->Australia]

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Green Revoluti

Alimentazione: Green Revolution [anni ’60]

Utilizzo di fertilizzanti sintetici e pesticidi (derivati dal petrolio).Es. Frumento: aumento della produzione-> aumento demografico-> maggior divario tra agricoltori ricchi (gran proprietari) e poveri.

1.Dipendenza dalpetrolio

2.problema più gravefame nel mondo

al suo esaurimento.

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Aleklett-

La Rivoluzione Energetica, Fonte: Kjell Aleklett, Univ.Uppsala Sweden

E’ la rivoluzione più determinate nella storia umana.Il problema non è l’esaurimento dei combustibili fossili in se, ma la velocità della loro scomparsa, in relazione alla possibile sostituzione con altri mezzi.

E’ il divario temporale (�t) il “lasso di tempo” tra Causa ed Effettotipico in un sistema di controllo/regolazione con retroazione.

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Konrad

Konrad Lorenz - Premio Nobel - medicinaLibro

Gli otto peccati capitali della nostra civiltà

I due “peccati” più importanti: 1. La sovrappopolazione2. La devastazione dello spazio vitale (Ambiente)

…………..

3. La competizione fra gli uomini4. L’estinguersi dei sentimenti5. Il deterioramento del patrimoniol genetico6. La tradizione demolita7. L’indottrinamento8. Le armi nucleari

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McLuhan-Era

L’era elettrica Marshall Mc Luhan, Libro: Understanding Media, 1964

Dopo 3 mila anni di “Alfabeto Fonetico” il mondo occidentale sta entrando nell’ “Era elettrica”.

Cambia il modi di pensare, di reagire.

Cambia la società.

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Quasi tutta l'energia sulla terra proviene dal sole

Solo il 0,02% ha altre sorgenti: geotermia, maree.

L'energia solare = reazioni nucleari nel Sole (Idrogeno > Elio)

La radiazione solare produce:

calore, fotosintesi, effetto.fotovoltaico, venti, correnti marine, petrolio, ecc

Energia Solare-1

L’ ENERGIA SOLARE

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Il Sole

Nucleo: Tmp = 16.000.000 oK -> Fusione nucleare: H2 -> HeSuperf.: Tmp = 5.800 oK -> Radiazione Elettromagntica - Fotoni

Il Sole

Energia Solare

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Radiaz.So

Irraggiamanto solare sulla terra [dati in 1013 Wh]

Energia assorbita dalla terra = 120.000 1013 Wh/anno1.200.000 TWh/anno

12.000 volte fabbisogno energetico mondiale (6 mrd.pers)

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Enegia dal Sole

Fotovoltaico-FVSolare termico-ST

Energia dal Sole

Eolico

FotosintesiBiomasseRifiuti organiciCorrenti marine

STAltaTemp.

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FV-Fabbis.El.

Superficie di moduli FV sufficiente per coprire il fabbisogno mondiale di energia elettrica

Per il fabbisogno mondiale:380 x 380 km

Fabbisognomondialeannuo En.El

=17.000 TWh/a

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Superf. FV per coprire il fabbisogno Elettrico in Italia

E’ sufficiente una superfice di 50x50 km (2.500 km2) di pannelli fotovoltaici. (Prof. Carlo Rubbia)

FV-Fabbis.It.Rubbia

•Radiazione Solare minima: 1.000 kWh/m2/anno •Rendimento FV basso: 14%

-> 2,5 Mrd m2 rendono ca. 350 Mrd kWh/anno[Fabbisogno En.Elettrica Italia 2006 = 310 Mrd kWh]

infatti:

assumendo:

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L’energia Elettrica

L’energia Elettrica -

La Rivoluzione Elettrica

Rivoluzione culturale paragonabile in tempi storici a quelle dell'alfabeto fonetico e della stampa.

1800-Volta, Pila.1844-Morse, Telegrafo1872-Maxwell, Teoria dell'Elettromagnetismo.1876-Bell, Telefono.1877-Edison, Lampadina.1891-Marconi, Radio.1900-Elettrificazione trasporti (tram, ferrovie…),

Reti - elettriche, Industria (acciaio,..),1954-Televisione (in Italia)1958-Circuito Integrato (IC) ...1970-Microprocessore, ..., Automazione,..

,..., PC, Internet, ...,Telecomunicaz,...….Globalizzazione ……

Rivoluz.el.1

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La Rivoluzione Elettrica

Trasporto di Energia ed Informazione.

Separazione tra produzione ed utilizzo di Energia

Decentramento demografico.

Idroelettricità nel bacino Velino - Nera (Umbria)Acciaierie a Terni: inizio '900

Rivol.el.2 -

Accumulo

Vantaggi e Problemi dell’Energia Elettrica

Vantaggio energia elettrica: trasporto

Problema dell’energia elettrica: l’accumulo.

1. Elettrico: condensatore (Campo) -> Elettronica

2. Meccanico: sollevamento masse d’acqua, aria compressa, vapore.

3. Chimico: accumulatori, idrogeno.

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1.Trasformazione di movimento rotatorio in energia Elettrica.(generatori elettrici)

Gener.En.El-1

2. Da radiazione solare: Modulo Fotovoltaico.

Generazione di Energia Elettrica - 1

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Gener.En.

Generazione di Energia Elettrica - 2

Risorse fossili Centali termoelettriche1. Combustibili:

Petrolio, Gas, Carbone2. Nucleari

Risorse Rinnovabili1. Termiche:

- ST ad alta temperatura (parabolici)- Biomasse- Imp. Geotermici a profondità

2. Meccaniche:-Idroelettrico-Eolico-Maree

3. Fotovoltaico

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Energia Elettrica da Eolico e Fotovoltaico1. Eolico (solare - indiretto)Rendimento alto: 40%Tempi di ammortamento brevi: 3 – 5 anni.Richiedono misurazione accurata del vento.Grande Potenza: Generatori fino 5.000 kW.

Parchi Eolici fino 300 MWInquinamento zero - Impianti reversibili.Occupazione Terreno minima (solo 0,2 - 0,5%).Tecnologia matura.Impatto ambientale da valutare (V.I.A.)Investimenti consistenti.

2. Fotovoltaico (solare diretto)•Rendimento basso: 12 - 16% [1 kWp - > 8 mq]•Costo alto: ca. 6.000 Euro/kWp•Tempi di ammortamento lunghi.•Manutenzione quasi nulla (no parti movim, no liquidi).•Durata lunghissima (garanzia 20 anni): 30 anni e più.•Sistema Distribuito (risparmio su reti di distribuzione).

En.El.sist.sol.1 -

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Energia Fotovolt

L’Energia FOTOVOLTAICA

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Onda o

Luce = Radiazione elettromagnetica: Onda o Fotone?Einstein 1905:

L’effetto fotoelettrico si può spiegare solo considerandola luce una particella -> “quanti di luce”

Atomo di Bohr Fotoni

Dualità: onda/fotone

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Effetto Fotoelettri

Effetto fotoelettrico

L’effetto fotoelettrico consiste nell’emissione di elettroni dallasuperficie di corpi, quando questi vengono colpiti da luce diuna data frequenza.

Solo luce di una certa frequenza riesce a “espellere” elettroni.

Einstein: La luce è composta da un insieme di “quanti di luce”

Gli elettroni emessi dall’effetto fotoelettrico si possono“ricombinare”.

Cella fotovoltaica => silicio “drogato”: Permette agli elettroni “liberati” dall’effetto fotoelettrico di raggiungere gli elettrodi di connessione.

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Fotovoltaico.funz.1

Effetto FotovoltaicoLa cella fotovoltaica è un cristallo di silicio nel quale i fotoni provenienti dal sole generano un flusso di elettroni -> correnteelettrica.

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Drogaggi

Si=5.1023 atomi/cm2

Drog =1015 atomi/cm2

Si-cristallino puro = 4.val

Silicio “drogato”

Boro = 3.val -> Zona tipo “p”

Fosforo = 5.val ->Zona di tipo “n”Drogaggio con:

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Giunzione

Giunzione pnReg.carica.spaziale = =Zona di Svuotamento dovenon ci sono elettroni o lacune libere, come nelle zone “p” (lacune libere) o “n”(elettroni liberi).

Giunzione pn colpita da fotoni.

-> produzione dicorrente elettrica[effetto FV]

A cosa serve il “drogaggio” del silicio

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FV-funz

Funzionamento di una cella Fotovoltaica= giunzione “pn” con contatti elettrici

Una giunzione “pn” = “fotodiodo”.

Fotoni

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Silicio

La produzione del silicioSilicio [Si] è per quantità il secondo elemento sulla crosta terrestre dopo l’ossigeno [O2]

E’ presente perlopiù come diossido di silicio [SiO2] in forma di quarzo o sabbia.

“Silicio metallurgico” [mg-Si] Purezza = 98%.-> Si per uso industriale

.

Estrazione tramite riduzione del quarzo con il carbonioin forni ad arco:

temperatura: ca. 1.900 °C.

reazione: SiO2 + 2C -> Si + 2 CO

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Si-Cella-

Strada completa dal Silicio al modulo FV cristallino

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Cella-Policristal

Cella policristallina da 6”

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Kyomino-

Case con impianti FV a Kyomino - Tokyo

In zone non connesse alla rete vengono montati impianticon accumulo ad idrogeno.

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Quartiere-

Quartiere – FV Germania

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FV-arch 1

Integrazionearchitettonica

del FV

BIPVBuildingIntegratedPhotoVoltaics

Pannelli - FV“trasparenti”

con doppo vetro

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FV-arch 2

Facciate e pensiline FV Interno con tetto FV

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FV-arch 3

FV alla ringhiera di un ponte

Stazione Ferroviaria

-

FV-arch 3

FV alla ringhiera di un ponte

Stazione Ferroviaria

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Mod-

Moduli trasparenti-1

-

Mod-

Moduli trasparenti

Kaneka

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Pechino.1

Pechino

Flower Expo Park

Potenza: 1MWp

Produz: >1GWh/a

Fornitori:BP, Kyocera

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Burgeran

Impianto su scuole finanziato da fondo raccolto dai cittadini, che beneficiano dell’incentivo per 20 anni.Dopo 20 anni l’impianto diventa proprietà della scuola.

Burgeranlage: Germania

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Burgeran

Burgeranlage: Germania

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Futuro

Fututro dell’Energia - 1

1.Nel medio-lungo termine: sostituzione dei combustibili fossili:fine dell’ “Era del Petrolio” (e del Gas naturale).

2. Fissione Nucleare:a) problema scorie ancora irrisoltob) solo “di passaggio”

Oggi: ca. 6,5% del fabbisogno mondiale di EnergiaUranio 238: max. 40-60 anni.

c) Autofertilizzanti? Plutonio, armi nucleari....…. Il problema è più umano/sociale che tecnico!

3. Fusione Nucleare = ? [scorie involucri del plasma?]

4.Carbone: problema del “sequestro” di CO2Chi garantisce la non fuoriuscita nel futuro?Terremoti od altro?

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Futuro

Fututro dell’Energia - 2

1. Diversificazione delle sorgenti:Eolico, Fotovoltaico, Geotermia, Bioenergie,.....

2.a)Generazione Distribuita: DG (Distribuited Generation)b)Reti “Supergrid” HVDC (Corrente Continua ad Alto Voltaggio)

a 800 kV. Reti sottomarine.

3.Problema maggiore nella mobilità: cosa sostituirà il petrolio?a) Biocombustibili? b) Idrogeno e celle a combustibile? c) Accumulatori elettrici? -> Plug-in-Hybrid (California)

-> Confronto: FV e Biocombustibili per autotrazione

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Futuro

Fututro dell’Energia - 3

La generazione di energia dominante nel futuro:

Nel breve e medio termine, fino alla cosidetta “Grid-Parity”Ci sarà ancora l’energia prodotta da combustibili fossili.

La Grid Parity è un termine che indica la parità di costo di Produzione dell’energia da fonte rinnovabile (FV, Eolico, Biomasse, ecc.) con il prezzo richiesto dal fornitore dell’energia in rete (Grid). Inizialmente definita per il FV.

La Grid Parity dipende da diversi fattori: p.es. - dal tipo di utente (Costo in bolletta)-dal sito (insolazione, ecc..)

L’Australia ha raggiunto la Grid-Parity per il FV nel 2011.

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Futuro

Fututro dell’Energia - 4

Nel medio termine le energie rinnovabili “dominanti” saranno l’idroelettrico e l’eolico

Nel lungo termine sarà il fotovoltaico a dominare.

A differenza delle altre sorgenti, Il FV è installabile ovunque:Tetti, apparecchi elettrici (comprese le automobili ed autocarri),Al nord al Sud, ecc.

Non ha parti in movimento -> minima manutenzione.

Il suoi limiti sono solo:-il costo elevato per la realizzazione-lo spazio necessario per l’impianto (resa, efficienza)Che verranno superati nel tempo.

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Bioenergi

Problemi con i biocombustibiliBiocarburanti: Bioetanolo, Biodiesel,.. 1.Aumento dei prezzi prodotti agricoli -> “Agflation”

Cereali -> Fabbriche Etanolo. USA:20%; Cina:10%

- Prezzi in Cina: Frumento = +47%, Mais = +34% in 2 anni.- Prezzi alimentari in USA: = +7,3% in 3 mesi

2.Spazio agricolo insufficiente (in EU)

3.Aumento del consumo di acqua, scarsa a livello mondialema specialmente in Africa.Conferenza mondiale sull’Acqua Ago.2007:Stoccolma, presenti 130 paesi.

Biogas: Interessante il Biogas da liquami di allevamento.

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Resa-km-PV-

Resa di un ettaro di terreno

................ ............

...............................................

.....

a) Biocombustibili: 67.000 km b) Fotovoltaico plug-in-hybrid: 3.200.000 km

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DG-Distrib-

1.DG = Distribuited GenerationGenerazione di Energia decentralizzata

1. Piccoli impianti autonomi2. Piccole reti locali

2.CG = Centalized GenerationGrandi Centrali Elettriche ereti di distribuzione.

Vantaggi di DG:•Contenute perdite di trasporto a grandi

distanze•indipendenza della fornitura

Trasporto e Distribuzione dell’Energia

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Accumulo e

Accumulo e Smart-grid

L’enegia elettrca “non si può accumulare”, occorre trasformarlaIn altre forme di energia, meccanica, chimica, termica…..

La discrepanza fra energia prodotta e quella consumata viene Gestita in 2 modi:1. Accumulo dell’energia prodotta in surplus2. Smart grid (reti intelligenti).

3. Esempio: il DG – “Kombikraftwerk” Uni- Kassel.

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DG-Kombikr

DG in de: “Kombikraftwerk”

4 Imp.Biogas - 4 MW -> 25%3 Parchi eolici - 12,6 MW -> 61%

20 imp FV - 5,5 MW -> 14%

Accumulo = imp.pompaggio idricoGoldistal

Regol.Centrale = ISET – Kassel.

Prod.tot: 50 GWh/a = città 12.000 ab

Modello di produzione di Energia El in Germania:

2020 -> 40%2050 -> 100%

Min.Economia. Esperim. 2006

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DG-Kombikra

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Fossili-Rinnova

Incompatibilità tra sistemi di produzione energeticiCombustibili fossili e Energie rinnovabili.La lunga filiera dei combustibili fossili:

1 - filiera di approvvigionamento e distribuzione

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Fossili-Rinnovabi

2-Filiera produzione:

Incompatibilità tra sistemi di produzione energeticiCombustibili fossili e Energie rinnovabili.La lunga filiera dei combustibili fossili:

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•Bilancio energetico – “fattore raccolto”1.generatore eolico: fattore = 20-100. 2.centrale termoel.: fattore = 0,3-0,4. [energia "fossile"]

•Energia per la costruzione: resa dopo 4 mesi•Ammortamento finanziario: 3-5 anni•Esercizio 20 anni ed oltre (Offshore: 50 anni)•Occupazione del terreno (torre accesso): 3 – 5%•Impatto ambientale

L’Energia Eolica

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Funzionamento di un Generatore EolicoFunz-eol

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Gondola di un generatore eolico

Gondola -

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Energia Idroelettrica

Idroelettricità

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Impianto idroelettrico con afflusso superiore

Hydro-sup --

50

Impianto idroelettrico con afflusso inferiore

Hydro-inf --

Impianto idroelettrico in pianura

Hydro-piano

Turbine Kaplan

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