Coherence 2011
Roma, 14 dicembre 2011
U. Mastromatteo
STMicroelectronics – Health & Energy - Fellow
STMicroelectronics
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
21-Dec-15
2
Energia: capacità di un sistema di
compiere lavoro.
Non si consuma energia per produrre lavoro:
Si trasforma energia da una forma ad un’altra e/o
si trasferisce energia da un sistema ad un altro.
Lab = Integrale da “a” a “b” di (F × dl)
dimensioni: [L] = [E] = [F] [l] = [massa] [lunghezza]2[tempo]-2
unità: 1J = 1N 1m (MKSA); 1erg = 10-7J;
1kcal = 4.18 103J; 1kWh = 3.6 106J;
1tep = 4.3 × 1010J = 11.6 MWh
Lavoro necessario per sollevare 10 Kg di 1 m: m g h = 98.2 J
Scaldabagno da 80 l da 20°C a 80°C: mCDT = 4.8 103 kcal = 5.6 kWh
Contenuto energetico di un litro di benzina: 3.4 107J @ 10 kWh
21-Dec-15
3
UNITÀ DI MISURA - SISTEMA INTERNAZIONALE
(SI)
SISTEMI TECNICI, Energia
•kcal e multipli
1 kcal = 4,186 kJ = 3,968 BTU
•kWh e multipli
1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal
•tep (tonn. equiv. petrolio) e multipli
1 tep = 107 kcal = 39,68 MBTU
1 tep = 11,63 MWh(t ) = 4,65 Mwh(e)
•BTU (British Thermal Unit) e multipli
1BTU = 1,055 kJ = 0,252 kcal
•barili al giorno (bl/d) e multipli
1 Mbl/d ≈ 50 Mtep per anno
21-Dec-15
4
Coefficienti di conversione
PETROLIO
1 barile = 159,0 litri ≈ 1/7,3 tep
1 Mbl/d ≈ 50 Mtep/anno
peso specifico petrolio 0.86 Kg/litro circa
GAS NATURALE
1 mc
≈ 9,10 Mcal (Potere Calorifico Superiore)
1 mc
≈ 10,6 kWh
1 MBTU ≈ 27,7 mc
CARBONE
1 t = 1 tec ≈ 0,67 tep
ENERGIA ELETTRICA
all'uso finale:
1 kWh = 860 kcal
alla produzione: 1 kWh = 2.200-2.300 kcal
21-Dec-15
5
Contenuto energetico dei carburanti per
autotrazione
MJ / m3
MJ / kg
Benzina
43,96
Gasolio
42,50
GPL
45,55
Gas naturale
34,12
Biodiesel
37,70
Metanolo
19,80
Etanolo
27,00
MTBE
35,28
ETBE
36,00
21-Dec-15
6
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
21-Dec-15
7
Energia consumata nel mondo
(anno 2000)
1010 tep = 4.211020J = 1020 cal = 1.171014 kWh = 4.66 Tc2
Potenza: (1 a = 3.15107 s); 1010 tep/ 3.15107 s = 317 tep/s =
13.31012 W = 148 mgc2/s
Popolazione mondiale: 6109 persone
Potenza individuale: 2200 W/persona = 0.78 mgc2/a/persona
Una centrale nucleare tipica produce 1 GWe
Lavoro compiuto in media da un uomo in un giorno: 1.7 MJ @
400 kcal. Potenza media “erogata”: 20 W = 0.9% energia
“consumata”
21-Dec-15
8
Elettricità Svizzera Italiana
A. Romer / Bellinzona, primavera 2003
LE QUOTE DI ENERGIA PRIMARIA NEL 2000
Petrolio
34,8%
Gas naturale
21,1%
Rinnovabili
13,8%
Carbone
23,5%
Altri 0,5%
Marea
0,004%
Forza idrica
2,3%
Vento 0,026%
Sole 0,039%
- Biomassa
- Prodotti
animali
- Derivati di
biomassa
- Rifiuti
Geotermia
0,442%
11,0%
Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)
21-Dec-15
9
Elettricità Svizzera Italiana
A. Romer / Bellinzona, primavera 2003
Gas naturale
17%
Petrolio 8%
Nucleare
17%
LE FONTI CHE
CONTRIBUISCONO
ALLA GENERAZIONE
DI ELETTRICITÀ
Altri 1%
Carbone
39%
Rinnovabili
19%
Forza idrica
17%
Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)
Combustibili
rinnovabili e rifiuti 1%
21-Dec-15
10
Energia in Italia - storico
21-Dec-15
11
Italia 2009
Fonti rinnovabili
11,2%
Carbone
7,3%
Elettricità importata
5,5%
Gas Naturale
35,4%
Petrolio
40,6%
CONSUMO D' ENERGIA 2009 = 180,4 Mtep
21-Dec-15
12
Italia rinnovabili 2009
Biomasse termiche
13,0%
Biomasse elettriche
19,8%
Idroelettrico
53,5%
Fotovoltaico
0,7%
Eolico
7,1%
Geotermoelettrico
5,8%
Fonti rinnovabili 2009 = 20,2 Mtep
21-Dec-15
13
Italia – crescita rinnovabili
30
PRODUZIONE ELETTRICA (TWh)
25
Fotovoltaico
Eolico
Biomasse
Geotermoelettrico
20
15
10
5
0
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
ANNO
21-Dec-15
14
Crescita - Eolico e fotovoltaico
7000
7000
5850
POTENZA CUMULATA (MW)
6000
FOTOVOLTAICO
EOLICO
4898
5000
4000
3538
3000
2714
1908
2000
1639
1142
1131
1000
664
1619
1634
1797
363
164 232
18
18
19
20
780
874
432
22
26
31
38
50
99
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
ANNO
SPAIS - Ubaldo Mastromatteo - 16, 20 luglio 2007
21-Dec-15
15
Dati elaborati nel 2003
IL FABBISOGNO MONDIALE DI ENERGIA
PRIMARIA
35 Gtep
20 Gtep
10.078 Gtep
2000
2050
2100
21-Dec-15
16
Destinazioni:
Bilancio elettrico nazionale
Anno 2005 – dalla produzione al consumo
Fonte GSE
17
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
21-Dec-15
18
100 anni di carbone e petrolio
Finora consumati circa 1000 Miliardi di barili di riserve accertate
3000
2500
Fonte en.
1900
1999
2000
Carbone
501
2122
Petrolio
18
2940
Gas
naturali
9
2173
Carbone
Petrolio
Gas Naturali
1500
1000
500
0
1900
1999
Crescita nei consumi di combustibili fossili tra il 1900 ed il 1999
(in Mtep=milioni di tonnellate equivalenti di petrolio).
(1 barile USA=159 litri=0.18 Tep)
21-Dec-15
19
Conseguenze uso dei combustibili
fossili
21-Dec-15
20
Numeri da ricordare
1 barile USA=159 litri=0.18 Tep (cp=0.9 g/cc)
Consumo giornaliero=70Mbarili
i.e.
25 Gb=4500 MTep (consumo annuo)
Riserve provate= 1000 Gb
Riserve non provate 500 Gb
Totale greggio sul pianeta, incluso quello già estratto e
riserve non provate 2500 Gb
1Btu=1055 Joule
21-Dec-15
21
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
21-Dec-15
22
Energia
solare
21-Dec-15
23
Energia e mondo biologico
Il regno animale non potrebbe esistere se gli
animali si nutrissero gli uni degli altri in quanto
necessitano di energia per compiere lavoro
meccanico, questo apporto di energia deve
provenire da un sistema esterno al loro “regno”:
il regno vegetale.
21-Dec-15
24
Osservazioni
Se tutti gli animali fossero carnivori, l’intero
regno animale scomparirebbe nel giro di
pochissime generazioni e in effetti non sarebbe
mai nato.
La sintesi degli aminoacidi e degli acidi nucleici
avviene quasi esclusivamente nelle piante.
Solo una minoranza di animali (e probabilmente
anche di uomini !) può permettersi il lusso di
essere carnivora.
21-Dec-15
25
E le piante ?
Anche le piante non sarebbero in una situazione
migliore se non si rifornissero da una fonte di
energia esterna.
E’ l’energia solare che sostiene quindi tutte le
forme viventi (ad eccezione di alcuni batteri).
21-Dec-15
26
L’ENERGIA DAL SOLE
In Italia, il valor medio sulle 24 ore e sulle 4
stagioni la potenza specifica dal sole è:
200 W/m2
Tuttavia: l’energia solare non è né energia
elettrica né energia meccanica!
21-Dec-15
27
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Fonti a confronto;
Clima.
21-Dec-15
28
Energia dal sole
Potenza emessa dal Sole: 3.881026 W = 3.881014 TJ/s =
4.3109 Kgc2/s
Distanza Sole-Terra: 150 Mkm:
3.881014 TW/{4p [1.5 1011 m]2} = 1372 W/m2 ;
RT= 6400 km ; 1372 W/m2p[6.4106 m]2 = 1.77105 TW =
5.581012 TJ/a = 1.33108 Mtep/a =
13300 volte il “consumo” energetico annuo mondiale
In media su un m2 di “superficie” terrestre:
P= 1372 W/m2 (1-0.34) p RT2/4p RT2 = 226 W/m2
Albedo
sezione terrestre
superficie terrestre
21-Dec-15
29
Energia radiante
5800 K
Dt-s=1.5 x 1011 m
Assumiamo:
 Sole: corpo nero
 Terra: corpo nero
 La terra riflette il 34% della rad.
 La terra non ha atmosfera
rs = 7 x 108 m
Quale sarebbe Tt in queste ipotesi?
Legge di Stefan-Boltzmann : M(T)= sT4
Equilibrio :
2
sTs4 4prs2 prt 2  (1 - a) =s Tt4 4 p r2t
4pdt-s
Flusso
solare
totale

Frazione che la Albedo
terrestre
terra riceve
1/2


rs 
1/ 4
T
Tt = (1 - a) 
 2d t-s  s
Flusso totale
terrestre
o
Tt = 252..5 K (  - 20 C)
21-Dec-15
30
Le basi del nostro clima
2
1353 W/m
H2O,CO2,CH4,N2O.FCF
atmosferici
Luce solare
visibile e
ultravioletta
Termicoinfrarosso
terra
situazione reale presente: T media = + 15 °C
21-Dec-15
31
Conclusioni
In genere le attivita’ umane nella gestione e
trasformazione delle risorse materiali sono molto
inefficienti, di piu’ delle trasformazioni dell’energia da
una forma ad un’altra.
Grandi quantita’ di energia sono utilizzate per lo
spostamento di cose e persone da un posto ad un altro;
Le sorgenti di energia piu’ abbondanti e rinnovabili
hanno bassa “densita” (W/m2) e un utilizzo “locale”
risulta vantaggioso;
Quesito: sara’ possibile in un futuro con l’aiuto dell’alta
tecnologia un utilizzo distribuito di sorgenti di energia
pulite e ad alta densita’ ?
32