Sviluppo sostenibile e

le fonti di energia rinnovabile

Alessio Bosio

Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Parma

Mondo

38%carbone

1%rinnovabili13%gas

11%petrolio

19%idro-geo18%nucleare 3,7

1,5

1,5

4,2

2,8

2

4,4

3,6

2,5

4,5

4,2

2,7

0

2

4

6

8

10

12

mil

iard

i d

i te

p

Richiesta energetica

1996 1998 2000 2002

Europa

Ex URSS

Mondo

E’ possibile sostenere lo sviluppo dei paesi emergenti?

• Si da un punto di vista della quantità

• No da un punto di vista della qualità

Sviluppo sostenibile: possibilità di aumentare il fabbisogno energetico nel mondo rispettando l’ambiente

* tep = tonnellate equivalenti petrolio

Le fonti di energia rinnovabile non dipendono da combustibili le cui riserve sono limitate. La fonte di energia rinnovabile più sfruttata è l’energia idroelettrica; altre fonti rinnovabili sono l’energia da biomassa, l’energia solare, l’energia dalle maree, l’energia dalle onde e l’energia eolica. L’energia da biomassa non esclude il pericolo dell’effetto serra

A tale proposito si deve ricordare che il 99% dell’energia presente sul nostro pianeta proviene dall’esterno e soprattutto dal sole, sottoforma di radiazione, il resto è dato dall’energia derivante dall’attrazione gravitazionale della luna; il modesto 1% di energia prodotta dal nostro pianeta nasce dal suo interno e si manifesta come vulcanismo, geotermia ed energia nucleare.

        Fonti primarie utilizzate nel 2004

 petrolio metano  carboni   rinnovabili nucleare totali.ktep

 97.046  58.128    13.305    12.601     4.120    185.200

 52,4%    31,39%      7,18%      6,8%     2,23%    100%

Attualmente in Italia, per soddisfare il fabbisogno energetico, si consumano circa 185 Mtep di energia totale, utilizzando diverse fonti primarie, nella tavola seguente sono specificate le quantità di energia per singole fonti, espresse in migliaia di tonnellate equivalenti petrolio, (1 tep = 10.000.000 kcal)

Fonti secondarie ottenute dalla trasformazione delle fonti primarie

En. elettrica En. termica  CarburantiUsi non

energetici Perdite  totali.ktep

53.586   64.166,3   43.746,8   11.320  12.381 185.200

29% 34,6% 23,6% 6,1%  6,7%  100%

Energia dall’acqua

(fiumi e laghi)

Effetti di inquinamento praticamente nulli

Forti effetti di impatto ambientale

Energia dall’acqua (mare)

Principio della colonna d'acqua oscillante (OWC)

o energia dalle onde

energia dalle correnti marine (solo prototipi)

energia dal gradiente termico (prototipo – Hawai)

energia dalle mreeAberdeen (Scozia)

Energia dal vento

Forti effetti di impatto ambientaleNecessità di venti a velocità costante

1,6

Mw

att

1

Mw

att

1,2

M

watt

Energia da biomassaS'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante

direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. 

Sfruttamento “naturale” di una

discarica

Funzionamento di un “digestore” anaerobico per la produzione di biogas (metano)

Lo sfruttamento delle biomasse potrebbe rappresentare in futuro un modo intelligente per riciclare tutti gli scarti organici (nei rifiuti, nelle lavorazioni, …..)

La produzione di gas metano da biomasse non risolve il problema dell’aumento in atmosfera di gas serra (CO2, CH4) e di altri inquinanti come NOx.

Una piccola sorpresa: i biocarburanti

Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le tecnologie standard per ettaro di coltura:

Canna da zucchero: 7tonnellate

Mais: 3 tonnellate

Barbabietola da zucchero: 4 tonnellate

Patate: 3 tonnellate

Il bioetanolo

Volvo

Mercedes

Una piccola sorpresa: i biocarburanti

Il biodiesel

Le materie prime necessarie sono olii vegetali, anche usati, aspetto questo che rende molto interessante l' utilizzo del biodiesel.                            

La sua produzione è del tutto ecologica, poiché non presuppone la generazione di residui, o scarti di lavorazione. La reazione di transesterificazione prevede la generazione di glicerina quale “sottoprodotto” nobile dall’elevato valore aggiunto, della quale sono noti oltre 800 diversi utilizzi.

L'utilizzo può essere  diretto poiché non richiede alcun tipo d’intervento sulla produzione dei sistemi che lo utilizzano (motori e bruciatori).• Nell’autotrazione (motori diesel) sia puro che miscelato con il normale gasolio.• Nel riscaldamento.

Energia geotermica o geotermia

Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" ed il significato letterale è "calore della Terra ".

Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 Watt per metro quadrato.

Oltre alla produzione di energia elettrica, a seconda della temperatura del   fluido geotermico sono possibili svariati impieghi:  acquicoltura (al massimo 38 °C), serricoltura (38 - 80 °C), teleriscaldamento (80 - 100 °C), usi industriali (almeno 150 °C).

Islanda, USA (Yellowstone-Park), New Zeland, Australia, Kenya

Le centrali geo-termoelettriche

Impianti geotermici in funzione ad Orbetello

Consiste nell'usare il fluido geotermico per scaldare direttamente, tramite degli scambiatori di calore, l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. 

Impianti geotermici per teleriscaldamento

Schema di impianto di teleriscaldamento tipicamente utilizzato in assenza di acqua calda o vapore

Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).

Energia dal sole: termico e fotovoltaico

L'energia solare è la fonte di energia primaria per eccellenza.

Ogni anno il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di tep (tonnellate equivalenti petrolio) mentre la domanda annua di energia è di circa 8 miliardi di tep.

Tutta l' energia che oggi utilizziamo ha origine dall'irradiamento solare, compresi i combustibili fossili.

L’energia solare può essere utilizzata sia in modo diretto (solare termico) che in modo indiretto (solare fotovoltaico).

Solare termico

Massimo rendimento da tubi sottovuoto in cui circola un liquido con alto calore specifico

Solare termico

Sono i primi ad essere stati installati, costano poco e servono quasi esclusivamente per l’acqua calda sanitaria. Poiché si raffreddano facilmente nel serbatoio viene posta una resistenza elettrica per sopperire alle carenze energetiche e di efficienza.

Solare termico

Esempio di concentratore a parabola da 30 Kwatt

“globo solare” per usi domestici

“forno solare” per ceramica

Esempio di impianto a concentratori parabolici. Su questo schema l’ENEA sta sviluppando il progetto Archimede.

Solare termico

Sicuri problemi di impatto ambientale e di controllo della potenza.

Energia dal sole: fotovoltaico

L'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione della luce in energia elettrica.

E’ noto fin dal secolo scorso, quando si scoprì che era possibile trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica tramite una cella elettrolitica senza passare per processi termodinamici. La prima applicazione commerciale si ebbe nel 1954 negli Stati Uniti, quando i laboratori Bell realizzarono la prima cella fotovoltaica utilizzando il silicio monocristallino.

Energia dal sole: fotovoltaico

Energia dal sole: fotovoltaico

Energia dal sole: fotovoltaico

Questi di spositivi anche se molto sofisticati hanno rendimenti piuttosto modesti, perché?

Per caratteristiche intrinseche ai materiali costituenti solo una piccola parte dello spettro slare viene realmente assorbita.

Le efficienze tipiche dei moduli al Silicio di tipo commerciale variano attorno al 12-15%, con costi vicino a 5 euro per watt.

Il costo così alto è intrinseco al metodo di produzione (crescita cristallina).

Il fotovoltaico offre enormi vantaggi:

Completamente rispettoso dell’ambiente

Sfrutta una forma d’energia molto delocalizzata il che permette di produrre energia là dove serve

Non dipende da alcuna forma primaria di energia

Produce una forma di energia di tipo “nobile”

Ma ha un’ enorme svantaggio: i costi ancora troppo alti per un utilizzazione di massa

Energia dal sole: fotovoltaico

Energia dal sole: fotovoltaico

Sono state sviluppate tecnologie alternative a quella del silicio, per es. nei laboratori del Dip. di Fisica sono state sviluppate celle solari con una tecnica che si chiama a film sottili che permette un grande abbassamento dei costi di produzione senza rinunciare alla buona efficienza.

Vantaggi della tecnologia a film sottili:

Ognuno degli strati ha uno spessore micrometrico

Si può costrire una macchina in cui entra il vetro ed esce alla fine il modulo completo

Con questo tipo di tecnologia si può arrivare ad un costo di produzione di circa 0,6 euro per watt.

Energia dall’Idrogeno

La pila a combustibile e' un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore .  Il combustibile (idrogeno) e i gas ossidanti (ossigeno dato semplicemente dall'aria) lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). 

Grazie della vostra attenzione e……..arrivederci!!!!!

Per info: Alessio.Bosio@unipr.it

Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Parma