ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA Prof. Pietro Dalpiaz Dipartimento di Fisica Università di Ferrara 1 Firenze 23 Novembre 2011 24 Dicembre 1968 2 La Terra fotografata da 6 miliardi di Km di distanza: Siamo veramente molto isolati, quanto un’astronave nello spazio, (la distanza da Plutone) una nicchia di vita in un’immensità di materia inanimata con 6.5 miliardi di passeggeri3 e senza possibilità di rifornimenti. Negli ultimi decenni c’è stato un acceso dibattito sull’impatto ambientale delle attività umane. Pochissima attenzione, invece, è stata rivolta al problema della diminuzione delle risorse disponibili. Nel disinteresse generale, sia il calo delle risorse sia la crescita demografica sono proseguiti senza sosta. Un operaio europeo è oggi più ricco in beni e servizi di un principe medievale, anche se possiede poche decine di metri quadrati di appartamento invece di un feudo. Da dove 4 deriva tutta questa ricchezza? Equivalente a una lampadina da 60 Watt Potenza di un uomo ~ 60Watt Se lavora senza sosta 10 ore accumula 0,6kWatt/ora (12 cent. di euro). Indurain 600 Watt, Cipollini 1200Watt Potenza di un cavallo 700Watt x4 energia disponibile al principe medioevale Potenza di un motorino 2000 Watt = 2 kWatt Potenza di un auto > 50.000 Watt, > 50 kWatt Consumo di energia di un occidentale ~150kWh/giorno Equivalente al lavoro di ~300 persone 8 ore/giorno 5 La potenza a ns. disposizione: gli “schiavi energetici”* TV Lavatrice 6 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna http://www.isof.cnr.it/photoscience/Nicola.Armaroli/articles/KOS%20Dic%202005.pdf Auto 115 CV a 100 Km/h 1600 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna 7 Boeing 740 al decollo 1.6 MILIONI di schiavi energetici Nemmeno un imperatore avrebbe potuto permetterselo 8 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna calore Luce carbo idrati movimento L’ENERGIA Cosa lega questi soggetti? Come si arrivati a capire? -Dove si trova? -Come si trasforma? -Come si accumula?9 500.000 anni fa l’Homo Erectus è riuscito a dominare il FUOCO ed ad utilizzarlo come fonte di CALORE e LUCE a volontà, per: - Scaldarsi ed illuminare l’oscurità. - Alimenti più digeribili, appetibili e sani. - Allontanare i predatori. - Colonizzare territori ostili. Il controllo del fuoco ha costituito un vantaggio formidabile per la sopravvivenza della specie umana nella selezione naturale e nell’uscita dal 10 luogo di selezione naturale come si ottiene CALORE in altro modo? per sfregamento MOVIMENTO ? CALORE 11 ANIMALI e UOMINI energia dal TERRITORIO SCARSE POPOLAZIONE CRESCENTE Con la tecnologia dell’età della pietra 10.000 anni fa con l’allevamento e agricoltura, l’UOMO, ricava risorse RIEQUILIBRIO < 5.000.000 di abitanti Molta più ENERGIA dal TERRITORIO popolazione x 100 civiltà La civiltà consuma ENERGIA sia per le infrastrutture che per mantenere gli amministratori, ecc. A parte le civiltà con terreni concimati periodicamente dai fiumi, come quella Egizia, per le altre, dopo un certo tempo il loro territorio si esaurisce e la civiltà si disgrega, per mancanza di risorse ENERGETICHE. La carestia produce guerre per accaparrarsi le ultime risorse. La 12 popolazione cala moltissimo. Anche l’impero Romano ha subito la stessa sorte, Quando si è bloccata l’espansione, hanno esaurito i terreni in 300anni ed è apparsa la crisi energetica. La nostra civiltà europea - Rinasce con la fertilità dei terreni attorno all’anno 1000. - La popolazione cresce fortemente attorno al 1200. - Molte innovazioni tecnologiche, (tessitura …..). - Energia: Agricoltura, Allevamento, Legno delle Foreste e sfruttamento dei corsi d’acqua per manifatture. +4 -Nel XIV e XV sec la miniglaciazione (freddo) provocò delle serie difficoltà energetiche specialmente nel nord Europa. -4 In Inghilterra che era particolarmente ricca di carbone si iniziò ad utilizzarlo anche se era considerato puzzolente. Un minatore estrae 1ton di carbone/giorno CARBONE FOSSILE + MACCHINA A VAPORE Ferro 1 kWatt.ora 10.000 kWatt.ora RIVOLUZIONE MANIFATTURE 13 INDUSTRIALE Tecnol. E TRASPORTI Per la prima volta una civiltà non si disgregava per l’esaurimento delle risorse energetiche. Sfruttando il CARBONE FOSSILE come fonte primaria di energia, si è evitata la crisi ed é stato indotto un enorme sviluppo: La rivoluzione industriale. centralizzazione CO, gas di città illuminazione stradale industria trasporti metropoli POPOLAZIONE X 10 Inghilterra, Francia, Belgio, USA (Germania) possedevano Ferro e Carbone e la tecnologia per sfruttarlo, ebbero enormi vantaggi rispetto agli altri. Durante tutto l’800 questi paesi hanno dominato militarmente il mondo, 14 colonizzandolo. scarseggiava il legname, fonte primaria di energia, si iniziò ad usare la torba 1600 ed il carbone, affiorante. Scendendo in miniera le gallerie erano invase dall’acqua, tolta con pompe aspiranti mosse da uomini o da animali. Prima applicazione dell’idea di Papin “L’amica del minatore” (T.Sarvey, 1698) una macchina a vapore poco efficiente e pericolosa, migliorata nel 1705 T.Newcomen (fabbro). Ma non ebbe successo. -1782 James Watt (artigiano)guidato da Joseph Black (prof. Fisica) ha messo a punto la sua macchina a vapore. Watt separò la produzione del vapore nella caldaia dai pistoni e dal condensatore. Il vapore era diretto con delle valvole e dei regolatori da lui inventati. Efficienza~20% pistone Ebbe un enorme successo! È diventata il cavallo di lavoro universale. caldaia 15 condensatore -1823 Sadi Carnot: ing. francese responsabile di macchine a vapore h2 (in Francia a quella data 300 erano in funzione) studia i cicli di lavoro delle macchine a vapore e deduce: -per funzionare le macchine a vapore devono lavorare tra due distinte temperature T1 < T2 analogamente ad una cascata di acqua che può produrre lavoro solo tra due altezze 1 diverse h1 < h2. T2 T h1 h2 – h1 = Δh MOVIMENTO T2 – T1 = ΔT LAVORO ENERGIA 16 PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA I - In un sistema isolato l’ENERGIA TOTALE si conserva. Certo, l’energia si conserva, ma in questo caso si trasforma in calore a bassa temperatura praticamente non più utilizzabile. II - Non tutto il CALORE può essere trasformato in LAVORO, una parte del calore è trasferita dalla sorgente calda a quella fredda. Caldaia Tc Qc motore Qr Lavoro Lavoro = Qc- Qr Non si trasferisce spontaneamente calore da una sorgente fredda ad una calda Efficienza < Tc-Tr Tc Refrigeratore Tr 200C 17 L’entropia L’entropia da una di un sistema è misura proporzionale al numero di stati dell’ordine o della possibili che il sistema può caoticità del assumere, gli stati desiderabili sistema. sono sempre molto pochi. Dall’esperienza popolare è ben noto che: Se non si agisce, le cose vanno di male in peggio Gli stati in natura o le situazioni personali non desiderate sono molto più numerose di quelle desiderate. Se non si agisce con energia, è molto poco probabile ottenere i risultati desiderati. energia disordinata (inutile) entropia alta. entropia bassa18 energia ordinata (utile) Forme di Energia: E N T R O P I A C A L O R E ACQUA TIEPIDA LEGNO e TORBA CARBONE PETROLIO GAS NATURALE NUCLEARE LUCE IDROGENO IDROELETTRICO ELETTRICITÀ LAVORO UMANO FONTI FOSSILI DI ENERGIA Deposito di energia trasporto e decentralizzazione 19 ORDINE entropia bassa APPLICHIAMO IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Esseri viventi o società. Se disponessimo di sufficiente energia non ci sarebbero problemi ad eliminare le scorie, ed a procurarci le materie prime SCORIE DISORDINE 20 entropia alta All’equilibrio: le scorie di una specie sono alimento delle altre. Luce CO2 o2 H 2O Luce CO2 metano CO2 H2O concime cenere Se una specie è troppo numerosa o consuma molta energia: 21 le sue scorie non sono eliminate e si rompe l’equilibrio. AMBIENTE È importante fermarsi a riflettere prima che accada. ECONOMIA 22 Consumo globale umano di energia 3.1011kWh/g = 300.000.000.000kWh/g Una enorme quantità di energia. Pari alla quantità di calore prodotta dalla radioattività terrestre, che è responsabile di tutti i terremoti e dei fenomeni vulcanici e dello spostamento delle placche continentali. INDUSTRIA ABITAZIONE TRASPORTI 23 produzione e consumo di energia nei secoli combustibili Fossili prodotti in 200.000.000 di anni consumati in 200 anni ? agricoltura -3000 -2000 -1000 0 ? 1000 2000 anno 24 Potenza irrag.=1.4 KW/m2 1/3 riflessa 1 LUCE ED ENERGIA SPAZIO -270OC KW/m2 6000oC 6600Km 1.3x1014m2 3.1015KWh/g consumo globale umano=3.1011KWh/g oC 14 2 -60oC 0.4 KW/m2 Marte effetto serra zero 1 KW/m e.s.0 - 30oC e.s.t. 250oC ~500oC effetto serra totale Terra 2 KW/m2 Venere Efficienza ~ 10- 6 VEGETALI PER FOTOSINTESI CALORE VENTO PIOGGIA FULMINI 25 URAGANI Agricoltura: bilancio energetico: periodo resa per ettaro fino al 1900 4q di grano 800 1 2000 meccanizzata 80q di grano 8 10 ore di lavoro umano resa energetica 4 1 calorie L’agricoltura moderna trasforma: 26 PETROLIO CIBO efficienza 10% I PASSEGGERI DELL’ASTRONAVE TERRA OGGI • La maggioranza della popolazione vive nelle nazioni “meno sviluppate” • Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno (dati U.S. PRB) 27 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna Perché la popolazione è aumentata? • Per millenni l’agricoltura ha avuto vincoli rigidi di produttività: un sistema, povero ma prevalentemente “circolare” • Nell’800 l’Europa ha cominciato ad importare concimi da altri continenti (guano, fosfati) • Nel 1913: sintesi industriale dell’ammoniaca ~5000 lavoratori • Nel XXsec l’uso del petrolio aumenta la produttività dei terreni per aratura profonda, irrigazione ……….. SI DA PER SCONTATO CHE LA TERRA SIA UN DEPOSITO INESAURIBILE DI RISORSE E CHE LO“SVILUPPO” POSSA CRESCERE INDEFINITAMENTE: “keep growing“ QUESTA IDEA NON HA ALCUN FONDAMENTO SCIENTIFICO, MA PURTROPPO E’ ANCORA MOLTO DIFFUSA SIA NELLA POPOLAZIONE, CHE IN AMBIENTI POLITICI (di tutti i colori),28 ECONOMICI, SINDACALI ED INTELLETTUALI CONSUMO GLOBALE DI ENERGIA 3.1011kWh/giorno=300TWh/giorno idro 7% petrolio 40% nuc 7% 1 2 gas naturale 23% 3 4 5 carbone 22% Fossile 92% 6 CONSUMO PERSONALE ACQUA CALDA 8% 31% 53% AUTO 8% RISCALDAMENTO LUCE ED ELETTRODOM. 29 Produzione di elettricità al 31/05/08 (fonti IAEA) Produzione elettrica nel mondo Produzione elettrica in Europa (27 paesi) Carbone 40% Gas 19% Nucleare 16% Idroelettrico 16% Olio combustibile 7% Fonti rinnovabili 2% Nucleare 33% Carbone 30% Gas 20% Idroelettrico 11% Olio combustibile 4% Fonti rinnovabili 2% 30 IL PETROLIO Marco Polo Il Milione -27/8/ 1859 E.L.Drake Titusville, Penn.USA Baku, affiora olio nero: illuminazione con trivella artigianale trova petrolio a 12m, 20 /g Kerosene: illuminazione L’invenzione da parte degli Europei (Bersanti) del motore a combustione interna alimentato a benzina, (sottoprodotto volatile ed allora inutile del petrolio) introdusse il PETROLIO come fonte primaria di energia. Potenza / Peso M.C.I.>>M.Vap. Il PETROLIO ha dato agli USA, che ne possedevano riserve enormi e la tecnologia per usarlo, un vantaggio che ancora permane. EFFICIENZA <33% 31 IL PETROLIO E’ TROPPO CARO !!! O NO …? costo PETROLIO: 95 $/barile 0.43 €/litro Meno caro di… costo BENZINA ca. 1.5 €/l (65 % tasse!!!) Molto più economica di … 32 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna Andamento nelle scoperte di nuovi giacimenti di petrolio 1930-2040 33 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna Peak oil La tecnologia ci permette di esplorare sempre più in profondità e di aumentare l’efficienza, MA C’E’ UN LIMITE !!!! Nel 1970 si estraeva il 22% di un giacimento ora il ~40%: -Prospezione 4D ed perforazione direzionale. -Iniettando, CO2, acqua o vapore. Rit. en. 2.7 -Sabbie bituminose R. 2.2 -Diesel da carbone R. 0.6 Il petrolio si esaurirà in decine di anni 34 Produzione annuale di liquidi combustibili da fonti fossili Dati storici, con resa per estrazione del ~30% Con resa per estrazione del ~45% Con resa per estrazione del ~60% Miliardi di barili / anno 50 40 30 20 10 35 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 L’Italia con l’AGIP è stata pioniera nel utilizzo e sviluppo tecnologico. Gas Naturale. Riserve superiori al petrolio, picco di produzione previsto per il 2035. Attualmente in M.O. si brucia sui pozzi. La costruzione dei gasodotti ne incrementerà l’uso. Con un costo del 20% si può convertire in benzina. Si può usare direttamente nei motori a scoppio. Il gas è sempre accompagnato da CO2 spesso al 70% Il prezzo dal 1980 è riferito al petrolio. Molto meno inquinante del petrolio % riserve gas naturale 3 5 5 7 Europa S.Amer. N.Amer. Africa 36 38 8 Asia P. Golfo P. Russia “Circa il 44% delle riserve provate mondiali di gas è concentrato in circa 20 campi mega e supergiganti”. IL GAS NATURALE SI ESAURISCE SENZA PREAVVISO rete 36 Rete europea del gas, un’infrastruttura fragile … giacimenti produttivi Riserve superiori al petrolio CARBONE: (anche in USA ed Europa) Ovviamente molto più inquinante del petrolio 37 R 10:1 20:1 30:1 1018J 5 23 E N E R G I A 40:1 50:1 >1 27 2 3 >1 20 70:1 80:1 90:1 100:1 R USA 1930 USA 1970 PETROLIO 15 USA 2000 13 30 60:1 IMPORTATO 1970 IMPORTATO 2005 Alaska CARBONE 2005 LEGNO IDROELETTRICO EOLICO GAS NATURALE 8 NUCLEARE >1 Fotovoltaico >1 Biodisel ed etanolo Ritorno energetico R = Investimento energetico 38 costi Le emissioni di gas serra per produrre 1kWh elettrico Emissione dal combustibile 1200 362 Emissione indiretta per costruzioni ed esercizio 1000 Grammi di CO2 per kWh elettrico 400 I due valori rappresentano l’intervallo di variabilità dipendente dalla tecnologia 176 113 1017 790 77 575 200 362 Carbone Gas 236 4 Idro 48 280 100 Solare 10 Vento 21 9 39 Nucleare Morti per TWy per la produzione di energia elettrica (analisi sul periodo 1970-1992) 40 Foto satellitare Concentrazione degli Ossidi di Azoto Per rispettare i vincoli del trattato di Kioto un francese dovrebbe spendere ogni anno 3$, un tedesco 5$ e un italiano 360$. Questi sono i risultati delle diverse politiche energetiche !!!! 41 Animali, persone o società che hanno un modello mentale errato sulle loro risorse hanno poche probabilità di sopravvivenza. L’Italia che è notoriamente scarsa di combustibili fossili, ha iniziato il suo sviluppo industriale ~1895 con la conversione dell’energia dei corsi d’acqua delle Alpi, in elettricità. Per avere un prezzo dell’energia simile a quello vigente in Europa, nel 1955, l’Italia entra nella CECA ed origina il II sviluppo: (scambio carbone minatori). (Mattei) Ora l’elettricità in Italia costa il doppio che 42 sostenibili in Francia ed il triplo che in Svezia. CHE COSA è L’ENERGIA? E = 2 mc 1905 - A. Einstein massa materia energia deposito di energia Tutte le forme di energia che sfruttiamo, provengono dalla 43 conversione di massa in una forma di energia. Senza conoscere queste leggi, l’uomo ha sfruttato la COMBUSTIONE La COMBUSTIONE è una reazione chimica 2H2+O2 = 2H2O petrolio,carbone C+O2=CO2 effetto serra gas naturale,legna S+O2=SO2 tossico (solo nella polvere da sparo) CO2 C+O2 C+O2 energia + CO2 Il peso dei prodotti combusti è leggermente inferiore di quello dei comburenti. Una parte dell’energia di legame si libera. Si trasforma in energia meno di una parte per miliardo della massa. Del petrolio, di una petroliera di 100.000 ton. Usiamo 44 solo 30g per fare energia, il resto scorie (CO2)+1curie ENERGIA DAI NUCLEI ATOMICI n p I nuclei sono tenuti insieme da forze almeno un milione di volte più forti di quelle che tengono insieme le molecole. MASSA/nucleoni (protone o neutrone) U Fe Se fondo nuclei leggeri per farne uno pesante oppure se divido uno molto pesante in altri più leggeri, libero, molta energia di legame peso atomico 45 FUSIONE NUCLEARE e+ e+ 3 4He 4 1H (NUCLOSINTESI STELLARE) 4He 12C 12C+ 4He 16O ITER 4 1H ENERGIA + 4He 1.5t/H2 15m3/H2O consumo mondiale/giorno Fusione: Energia liberata: 0.6% della massa 1925-Eddington: la fusione nucleare fa brillare le stelle: Il Sole consuma l’1% della sua 46 10 9 massa in 10 anni ~10 ton H/s ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE + + T2 3He D+ p Molte ricerche in corso + energia Le prove di laboratorio + D + T T1 + + He + n + en. con reazione D+T che avviene alla temperatura più bassa 1991 Joint Europen Torus a confinamento magnetico: innesco della fusione (x0.7). Il progetto internazionale ITER per studiare il mantenimento della reazione (x10). Spettacolare accensione del Z PROJECT per fusione inerziale dei Sandia Laboratory che recentemente ottenuto la fusione Non ci si aspetta che questi esperimenti portino rapidamente ad una fonte commerciale di energia. 30g energia 5 Kg scorie 47 La fissione nucleare U -1934 E.Fermi Sr+Xe +2n + Energia (~10/00) neutroni lenti 235U + n → 236U → 144Ba + 89K + 2/3n + 211.5 MeV → 137Cs + 90Sr +…… La reazione a catena 48 Reattori nucleari raffreddati ad acqua a pressione 1g di 235U da calore come 3tonnellate di Carbone Condensatore Barre di controllo 30 g di energia 30 kg di scorie 49 RISERVE PETROLIO = Con reattori a neutroni veloci (alta temperatura) aumentano le riserve di un fattore ~ 600 RISERVE 235U per decine di anni x150 RISERVE 238U per centinaia di anni Meno scorie e con vite medie di centinaia di anni! Non come nei reattori lenti con centinaia di migliaia di anni. Sicurezza intrinseca!!!! Agli attuali consumi riserve per almeno 3000 anni x4 RISERVE Torio(Th) per migliaia di anni 50 Attualmente sono in sviluppo vari tipi di reattori nucleari a sicurezza intrinseca ad alta temperatura come quello raffreddato con Elio a 9000C, con potenze fino a 100MW, si costruiscono in pochi anni e solo con 200 diversi pezzi. Elio Barre di controllo Generatore di vapore Turbina Generatore Grafite Torre di raffreddamento Sfere di combustibile 51 Struttura di contenimento Condensatore La Geotermia La riserva di calore nei primi 2-3 km della crosta terrestre è enorme, 2000 volte superiore a quella ottenibile con tutti i combustibili fossili. L’Italia è ricca di siti dove le vene calde sono vicine alla superficie. -A Lardarello (Pisa) fu iniziato per la prima volta lo sfruttamento di energia geotermica già nel 1865 per muovere macchinari e nel 1904 per produrre elettricità, attualmente la ERGA spa ha una centrale da 300Mwatt. -In California del Nord il sito The Geyser dal 1991 ha una centrale di 1.400Mwatt -L’Islanda copre gran parte dei suoi bisogni energetici con la geotermia, ottenuta perforando vulcani. Gli islandesi hanno imparato dagli italiani a sfruttare la geotermia. Il Vesuvio e l’Etna hanno le caldere a meno di 1000 m dalla superficie. 52 COME RICAVARE ENERGIA DAL SOLE? Efficienza ~ 40% calore Energia con alta entropia Per sostituire il petrolio 25000 km2 Effetto Serra per Agricoltura Produzione Eolica di elettricità. Centrale elettrica del deserto de La Luz Ca. USA, specchi parabolici che riscaldano acqua in un tubo e produce vapore che è inviato in una turbina per produrre elettricità. La potenza dipende dalla v3 del vento. Funziona bene con vento costante (Germania, Spagna, Danimarca, Portogallo..) compatibile con pascolo 53 e deserto. Inconvenienti: Paesaggio modificato e disturbo importante alle migrazioni dei volatili. Effetto Fotovoltaico LUCE Efficienza ~ 12% Semiconduttori:Si,Ge, As.. Con questa tecnologia sono necessari 10 anni di operazione per recuperare l’energia investita nella costruzione dell’impianto. Dipartimento di Fisica Ferrara: ~40% GaP 3% GaInP2 9% GaAs 16% Si 25% Ge 9% GaSb 10% Piccole celle ben curate 54 Efficienza (30 - 60)% Che fare dunque in Italia data la fortissima dipendenza da petrolio e gas e la mancanza di risorse energetiche fossili proprie? - Attuare un programma di risparmio e miglior uso dell’energia. (-30%) - Incrementare la geotermia, il solare, l’eolico e le biomasse, date le peculiarità del nostro territorio. - Se si è preoccupati dal effetto serra fare ricerche su reattori nucleari a fissione di IV generazione fino a quando non saranno disponibili fonti energetiche alternative oppure la fusione nucleare. - Fare un piano energetico nazionale (nel nostro caso non è certo troppo presto). Informare onestamente la popolazione sulla serietà del problema energetico-ambientale, e far comprendere che i problemi del: - reperimento energetico, - dell’equilibrio ambientale, - della popolazione globale, - del livello vita, 55 sono legati indissolubilmente e devono essere risolti insieme. 56