L’energia Giorgio Giacomelli Università di Bologna

Bologna 6/2/2006

Cibo, salute, ambiente dipendono dall’ energiaPer avere cibo, si consuma molta

energia: fertilizzanti, macchinari, irrigazione, ecc. per produrre 1 kg di carne occorrono 7 litri di petrolioPer avere assistenza sanitaria, si consuma molta energia: ospedali, attrezzature, farmaci, trasporti, ecc; per costruire un computer occorrono ~200 litri di petrolioLe fonti di energia piu’ usate danneggiano l’ambiente: effetto serra, piogge acide, variazioni climatiche

I quattro grandi problemi dell’umanità : Cibo, salute, ambiente, energia

+ Qualita’ della vita + Economia

PIL

, vi

ta e

al fa

beti z

zazi

o ne

PIL, aspettativa di vita e alfabetizzazione

Country Real GDP perPerson (1997)

LifeExpectancy

AdultLiteracy

United States $29,010 77 years 99%

Japan 24,070 80 99

Germany 21,260 77 99

Mexico 8,370 72 90

Brazil 6,480 67 84

Russia 4,370 67 99

Indonesia 3,490 65 85

China 3,130 70 83

India 1,670 63 53

Pakistan 1,560 64 41

Bangladesh 1,050 58 39

Nigeria 920 50 59

L’astronave Terra

“passeggeri”: 6,2 miliardi che diventeranno 8

miliardi entro 20 anni

l’ aumento è di 80 milioni all’

anno ogni minuto nascono 24 cinesi

da V. Balzani

rifiuti

manufatti

lavorazione

servizi

uso

risorse

L’astronave Terra - risorse e rifiuti

L’astronave Terra non è isolata: riceve dal Sole, sotto forma di luce, la risorsa più importante: l'energia

Sole

luce solareenerg ia

pian tefo tos in tes i

C O (diossido di carbonio)2basso contenu to energe tico

C O (diossido di carbonio)2basso contenu to energe tico

O (ossigeno)2a lto contenu to energetico

O (ossigeno)2a lto contenu to energetico

H O (acqua)2basso contenu to energe tico

H O (acqua)2basso contenu to energe tico

cereali, frutta, …a lto contenu to energetico

cereali, frutta, …a lto contenu to energetico

prodotti vegetali:

prodotti vegetali:

energiaper la v ita

esseriviventi

resp iraz ione

Macchine combustione

Sull’astronave Terra il numero di “passeggeri” sta aumentando e quelli che già vi si trovano sono collocati in “classi” diverse. Tutti i passeggeri vogliono avere più energia.~85% dell’energia proviene dai combustibili fossiliE’ necessario diminuire il consumo dei combustibili fossili perché sono una risorsa “una tantum”, non rinnovabile ed il loro uso causa danni, forse irreparabili, all’ambiente.

Popolazione, energia e ambiente:un intreccio di problemi

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

TV

Lavatrice

Automobile

350 1600

World primary energy consumption

Proved oil reserves at end 2004

Proved natural gas reserves at end 2004

Proved coal reserves at end 2004

Consumi energetici nel 2003 Italia Mondo

• Petrolio 47 % 34 %• Gas 33 21 • Carbone 7.9 24• Rinnovabili 6.5 13• Nucleare -- 6.5• Importazioni (en.el.) 5.8 --

Totale 100%193Mtep

Consumo pro capite italiano: 3.3 tep/anno/persona

Emissione CO2 = 2.4x193 Mt = 444 Mt CO2/anno

Energia elettrica

• Forma intermedia di energia – non inquina• Facile da trasportare• Ruolo importante nel mondo moderno• Domanda in aumento raddoppio in 10-20 anni• Ore di punta: 10, 16 (con condizionatori ore 14)

• Urgente per l’Italia– aumentare produzione – migliorare la rete elettrica– diversificare le fonti– ridurre emissioni di CO2 (Kyoto)

Blackout !

Energia elettrica in Italia (Dati 2002)

• Domanda totale elettricità: 311 miliardi kWh

Carbone 32.3

Gas 100.2

Olio combustibile 72.1

Rifiuti 1.4

Biogas 0.9

Idrica 46.6

Termica 218.4

Geotermica 4.4

Eolica 1.4

Fotovoltaica 0.01

Importazione 51.5

• Produzione energia elettrica (kWh x 109)

• Consumo pro-capite di elettricità: 5017 kWh /abitante/anno– Industria 53 %– Terziario 25 %– Domestico 22 % ~ 1100 kWh /abitante/anno

L’idrogeno è un ottimo combustibile, perché quando brucia (combustione) libera energia formando solo acqua (niente gas serra, sostanze inquinanti, polveri ) :

H2 + 1/2O2 H2O + energiaenergia

MA…L’idrogeno non esiste sulla Terra: non ci sono pozzi o giacimenti di idrogeno.Questo significa che per usare l’idrogeno bisogna prima produrlo.

Fonti rinnovabili

• Energia solare

• Energia geotermica

• Energia idrica

• Energia eolica

Fonti di energia rinnovabili

Energia solare direttaCalore a bassa temperaturaCalore ad alta temperaturaEnergia elettricaEnergia chimica

Energie solare indirettaIdroelettricaEolicaBiomasseGradienti di temperatura (oceani)

Energia geotermicaEnergia dalle maree

Eolico

M.Barbato, FoggiaM.Barbato, FoggiaE’ la fonte rinnovabile ora piu’ promettente

Grandi centrali eoliche nei paesi del nord Europa, nella California del sud, …

Efficienza(Disponibilita’)< 20 %

Inquinamento acustico

Economicamente competitiva

Potenza installata in Italia: 860 MW

- Le centrali o “fattorie” eoliche possono essere installate sulla terra (“onshore) o in mare (“offshore”).

-In Europa è installata una potenza eolica di 40.000 MW (75% della potenza eolica mondiale)

-Ma l’efficienza media e’ ~ 20% Contributo alla produzione elettrica

Danimarca 15% Germania 5%.Spagna 5%Italia 0,4%

Energia eolica

Energia Solare

• Arriva dovunque, non costa, e’ rinnovabile,

basso inquinamento.• Diluita nello spazio, giorno-notte, stagioni, nubi

• Pannelli solari termici: costo ok, “non in fase con l’uso”

• Pannelli fotovoltaici: produzione energia elettrica mediante celle silicio, costo elevato, “sono in fase con l’uso”

• Sistema fotovoltaico – isolato– connesso alla rete elettrica con invertersBasso rendimento (~10%)

Bavaria Solarpark

10 MegaWatt picco

3 siti

251000 m² (equiv. a 56 campi da calcio)

57600 pannelli solari

Mühlhausen: 6.3 MW

Minihof: 1.9 MW

Günching: 1.9 MW

Programma Tetti Fotovoltaici

Il Programma "Tetti fotovoltaici", è finalizzato alla realizzazione nel periodo 2000-2002, di impianti fotovoltaici di potenza da 1 a 20 kWp, su edifici pubblici e privati.

http://www.minambiente.it/Sito/http://www.minambiente.it/Sito/settori_azione/iar/FontiRinnovabili/settori_azione/iar/FontiRinnovabili/fotovoltaico/progetti/fotovoltaico/progetti/programma_tf_progetti_ep1.aspprogramma_tf_progetti_ep1.asp

Solare termico

Mildura, AustraliaMildura, Australia

200 MegaWattfine costruzione 2008

Diametro 6 km

Altezza 1 km

Tetto solare sopra il Dipartimento di Fisica dell’Università di Bologna

0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Ore

Rad

iazi

one

sola

re e

pot

enza

el

ettr

ica

prod

otta

(W

/m2)

Potenza elettrica prodotta

Radiazione solare incidente

2 luglio 2003

23 febbraio 2003 0

200

400

600

800

1000

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Ore

Ra

dia

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do

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(W

/m2)

Potenza elettrica prodotta

Radiazione solare incidente

Tabella riassuntiva dati

2001 2002 2003 2004

Insolazione

(kWh/m2)1440 1350 1443 1310

Energia prodotta (kWh/m2)

157 141 158 145

Energia totale prodotta (kWh)

2180 1965 2185 2010

Dati esaminati: 1 Gen 01 – 31 dic 04

Precisione di misura 5%

Rendimento = 150/1400 = 11% nubi 9-10%

Centrale da 100 MW elettrici 4.7 km2

Considerazioni su costi,futuro,inquinamento,…

• Investimento~6000 €/kWhp + Protezioni (ringhiere,…)• Esercizio-manutenzione ~5000 €/>20 anni• Altri costi (tasse, …) ? Smantellamento finale ??• Costo finale ~0.4 euro/kWh se funziona per >20anni• Costo energia elettrica ENEL: 0.10-0.15 euro• Restituisce “Costo in energia” in 4-5 anni• Inquinamenti per produrre materiali utilizzati• Maggiori produttori di pannelli Giappone, USA, UE• In UE: Italia 7% , Germania 73%

1kWh prodotto da fotovoltaico risparmia ~1 kg di petrolio non fa emettere ~1-2 kg di CO2

Conclusioni• Il problema energetico e’ un problema serio I combustibili fossili sono un regalo irripetibile della natura.

• Energie rinnovabili: contributo modesto in parte a causa dei limiti fisici che le caratterizzano

Tetti fotovoltaici: iniziativa positiva, si deve migliorare il rendimento e la manutenzione

• Vanno utilizzate tutte le fonti energetiche• Incentivare il risparmio energetico• La scienza e la tecnica vanno usate per risolvere i grandi problemi, rimuovendo le “grandi paure” che abbiamo