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: [email protected]
Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Parma
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