uno sguardo
sul problema
energetico
3 lezioni
3^ parte
Cenni
su
fonti energetiche
alternative
o rinnovabili,
superconduttori
Le fonti di energia
Fonti primarie rinnovabili:
Solare
Eolica
Idrica
Biomasse
Geotermica
Normative europee*
Sin dal 1997 la commissione europea ha impostato una decisa
politica di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia e si è
impegnata a portare entro il 2010 la quota di dette fonti al 12%
e successivamente di assumere l’impegno di portare questa
quota al 20% per il 2020.
Una proposta del 23/1/2008 che deve ancora passare
all’esame del parlamento europeo prevedrebbe la conferma del
205 per il 2020 e del 50% entro il 2040-2050, attualmente è pari
al 8.5%.
Un altro obiettivo interessante è quello di incorporare un
minimo di 10% di biocarburanti nel settore dei trasporti entro il
2020.
*da un articolo di Vanja Cencič del Ceta (Centro di Ecologia teorica ed applicata dell’università di Udine
La Conferenza mondiale
"Infopoverty"
• Dal 16 al 18 aprile u.s. si è svolta all’ONU questa conferenza
mondiale per promuovere nuove tecnologie e fonti energetiche
rinnovabili per lo sviluppo dei ‘paesi poveri’
• le nuove tecnologie e le fonti energetiche rinnovabili rappresentano
una speranza concreta per vincere il sottosviluppo nei Paesi più
poveri del mondo. “Tecnologie intelligenti e a basso costo per
combattere la povertà e salvare il pianeta” è il tema prescelto per
l’ottava edizione mondiale Infopovertà che si è svolta al Palazzo di
Vetro della Nazioni Unite a New York connesso in videoconferenza
con l’UNESCO a Parigi e la Commissione Europea a Bruxelles e le
due sedi milanesi del Politecnico e dell’Università Cattolica che ha
ospitato la tavola rotonda conclusiva del 18 aprile.
Energia da idrogeno
ENERGIA DA IDROGENO
L'idrogeno, (H) è l'elemento più leggero, più semplice e più
diffuso in natura, ma difficilmente si trova allo stato libero in
natura. Per ottenerlo allo stato puro deve essere estratto
partendo da molecole che lo contengono (H2O-acqua, CH4metano)
Sintetizzare idrogeno da una delle tante sostanze che lo
contengono, richiede l'utilizzo di una certa quantità di energia,
necessaria per rompere i legami molecolari e ottenere così il
singolo atomo. Per tale motivo la ricerca si sta indirizzando a
migliorare le tecniche di estrazione di idrogeno, in modo da
rendere conveniente la produzione di questo biocombustibile,
che in forma gassosa può essere usato in motori a
combustione o turbine a gas.
L’estrazione dell’idrogeno può avvenire dalla stessa acqua,
tramite elettrolisi o fotolisi. Questi processi sono ancora molto
costosi dal punto di vista energetico, limitando per ora l’uso
dell’idrogeno come fonte energetica alternativa.
A cura del Dott. Stefano Grigolato - Dipartimento Te.S.A.F. (Università degli Studi di Padova)
A parte l'inquinamento esiste un altro motivo
per il quale risulta conveniente la produzione
di idrogeno da utilizzare come fonte di energia
elettrica ed esso è legato al fatto che l'energia
elettrica non può essere immagazzinata ma
deve essere consumata subito dopo essere
stata prodotta.
L'idrogeno serve proprio per conservare e
trasportare l'energia.
Se poi utilizziamo l’idrogeno ottenuto come
scarto di lavorazione…
dal Corriere della Sera del 9/4/2008
La notizia proviene da un quotidiano, perciò
è da valutare con una certa prudenza.
Se fosse vera appare molto interessante
utilizzare l’idrogeno di scarto (1.3 t all’ora) dei
cicli di lavorazione dell’etilene del petrolchimico
come combustibile entro una speciale caldaia.
Anche il vapore di scarto dell’impianto sarà
utilizzato per produrre vapore che a sua volta
farà girare la turbina della vicina centrale a
carbone. Dalla combustione dell’idrogeno si
genereranno solo vapore acqueo e ossidi
d’azoto,che verranno opportunamente filtrati,in
modo da avere emissioni prossime a zero.
Energia solare
Energia solare
Energia irraggiata dal sole annualmente sulla
Terra:
19.000 miliardi TEP
Domanda mondiale annua di energia:
~10 miliardi di TEP
Domanda italiana annua di energia:
~165 milioni di TEP
TEP (tonnellata equiv.petrolio = 11.700 kWh).
Lo sviluppo della moderna tecnologia ha
portato allo sfruttamento dell'energia solare
attraverso due tipi di applicazioni:
 il solare elettrico, che consiste nella
conversione dell'energia solare in elettricità
attraverso un fenomeno fisico-chimico
denominato “fotovoltaico”
 il solare termico, che consiste nella
trasformazione, attraverso un dispositivo detto
“collettore solare”, dell'energia solare in
calore.
Pannelli fotovoltaici
La tecnologia fotovoltaica consente la trasformazione diretta
della luce solare in energia elettrica utilizzando materiali
semiconduttori (in particolare silicio)
Cella fotovoltaica
• L'effetto fotovoltaico è stato scoperto nel 1839 dal fisico
francese Antoine-César Becquerel .
• Il principio di funzionamento del generatore fotovoltaico si basa
sulla cella fotovoltaica, dispositivo che converte le radiazioni
solari in energia elettrica sfruttando l'effetto indotto da un flusso
luminoso che incide su un materiale semiconduttore. Il flusso di
elettroni e' ordinato e orientato da un campo elettrico creato,
all'interno della cella, con la sovrapposizione di due strati di
silicio, in ognuno dei quali si introduce un altro particolare
elemento chimico (operazione di drogaggio), fosforo o boro. Di
tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di
radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia
elettrica
• I moduli fotovoltaici più diffusi in commercio sono costituiti da
semiconduttori in silicio. Le celle possono essere al silicio
monocristallino e policristallino, quest'ultimo ha minori costi di
produzione, e grazie alle innovazioni tecnologiche, permette di
raggiungere prestazioni elettriche paragonabili al silicio
monocristallino.
Cella solare di silicio monocristallino
Cella fotovoltaica
•
•
•
•
Questi dispositivi sono fabbricati a partire da materiali semiconduttori ,
come il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu2S).
In una cella fotovoltaica, i fotoni della luce solare incidente spezzano i
legami degli elettroni del semiconduttore, consentendo così agli elettroni
di muoversi liberamente nel semiconduttore. Le posizioni lasciate libere
dagli elettroni agiscono come cariche positive e prendono il nome di
lacune.
Le celle fotovoltaiche consistono generalmente in due regioni sottili, una
sopra all'altra, ognuna dotata di impurità aggiunte appositamente chiamate
droganti , in rapporto di un atomo per ogni milione di atomi di silicio.
Il risultato è che una regione è di "tipo n", avendo un eccesso di elettroni
(negativi), mentre l'altra è di "tipo p", avendo un'eccesso di lacune positive.
Questa struttura a 2 regioni, chiamata giunzione p-n, produce un campo
elettrico interno. Quando i fotoni creano elettroni liberi e lacune in
prossimità della giunzione p-n, il campo elettrico interno li fa muovere in
direzioni opposte; gli elettroni si muovono verso il lato n e le lacune si
muovono verso il lato p. Viene quindi generata una tensione (forza
elettromotrice, f.e.m.) fra le regioni p ed n, con il lato p positivo ed il lato n
negativo.
Se tramite di fili si collegano il lato p ed il lato n ad un "carico", per esempio
una lampadina, vi è una tensione ai capi del carico e una corrente elettrica
scorre sul carico.
•
Il fisico Carlo Rubbia, presidente dell’Enea (Ente Nazionale per lo
sviluppo dell’Energia nucleare e delle energie Alternative), ha calcolato che se
si coprisse con impianti solari anche solo un quinto dei palazzi
del nostro Paese, si produrrebbe l’intero fabbisogno nazionale di
energia elettrica.
• I tetti fotovoltaici, come sono chiamati questi piccoli generatori
locali di elettricità, avrebbero il vantaggio di non sottrarre
superficie al verde e all’agricoltura e di versare in rete elettricità
vicino al luogo in cui essa verrebbe consumata, limitando in
questo modo anche le perdite dovute al trasporto a distanza.
• Dal momento che l'utilizzo dell'effetto fotoelettrico è limitato dalla
presenza del Sole, che però alla sera tramonta, a volte è coperto
dalle nuvole, ed inoltre, nella stagione invernale, invia una luce
meno intensa che in piena estate, sorge il problema relativo allo
sfasamento fra produzione e richiesta. Per ovviare a questa
lacuna sono possibili due opzioni di cui la prima è ricorrere a
batterie che accumulino l'energia eccedente finché splende il
Sole e poi la restituiscano quando necessario, ma ciò
aumenterebbe i costi di tutto il sistema; la seconda possibilità
sarebbe quella di mandare il surplus in rete e poi la Compagnia
per l’elettricità lo restituirebbe quando ce ne fosse bisogno.
• Oggi si producono materiali da copertura tetti che
sono fotovoltaici ma di aspetto gradevole anche se
molto cari: bisogna però tener conto che dal loro costo
andrebbe dedotto quello dei materiali convenzionali
che sostituiscono. Edifici con tetti fotovoltaici si stanno
diffondendo in molti paesi del mondo come Olanda,
Germania, Svizzera, Giappone e Australia ma in Italia
poco o niente si fa in questo senso.
• Tale fonte energetica presenta indubbi vantaggi:
- l'inesauribilità della fonte di energia (il sole),
- la non produzione di scorie,
- la scarsa necessità di manutenzione dei
componenti
- l'alta affidabilità grazie all'assenza di parti in
movimento
Installazioni di tipo fotovoltaico
- In Italia sono installate una dozzina di centrali FV
con potenza variabile da 30 kW a 3,3 MW
(Serre-SA).
- In Europa sono installati solo 20 MW, nonostante
gli sforzi di promozione e gli incentivi
- In Germania, leader europeo nel FV, sarà
installato il più grande e potente impianto del
mondo: superficie 45.000 m2 e potenza di 5 MW
Pannelli solari
I pannelli solari si possono suddividere in varie tipologie costruttive:
il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 °C e i
90 °C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al sole superfici piane è quello
a collettore piano.
Un collettore piano è costituito da:
• Una lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle
in uscita
• Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore in esso sono ricavati
molti canali dove circola acqua o aria. Il Sole scalda la piastra, che a sua
volta scalda l'acqua o l'aria.
• Isolante termico, che impedisce la
dispersione di calore.
L'acqua domestica viene messa a contatto
con il fluido tramite una serpentina ed essa può
essere utilizzata come acqua calda nelle
abitazioni o per riscaldare gli ambienti.
I pannelli solari sono in grado di fornire acqua
calda e riscaldamento in buone quantità ma non
possono sostituire completamente gli usuali
metodi di riscaldamento per via dell'incostanza
dell'energia solare.
• Una tipologia in grado di garantire un maggiore apporto
energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o
basse temperature esterne è quella dei Pannelli solari
sottovuoto.
• Il collettore solare maggiormente prodotto è costituito da una
serie di tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine,
saldati all'estremità, al cui interno è provocato il vuoto.
L'intercapedine interna è resa selettiva per l'assorbimento
della radiazione elettromagnetica solare per mezzo di una
verniciatura metallica speciale multistrato. Tale laminato
riflettente a bassa iridescenza appositamente è realizzato per
riflettere con percentuali superiori al 90% della luce totale.
• Grazie a queste caratteristiche il campo di applicazioni risulta
molto eterogeneo (produzione acqua sanitaria, integrazione
agli impianti di riscaldamento, riscaldamento piscine ed altro).
I pannelli per generare energia
Un secondo utilizzo dei pannelli prevede che lo
scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato
in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase
gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che
convertirà il movimento del gas in energia elettrica.
Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per
l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole
costante. Esempi di queste centrali sono state installate
nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progettata
ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia
Questi esperimenti hanno finora dato risultati controversi,
per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento
rapportati alla bassa potenza elettrica generata.
Progetto Archimede
• Frutto della collaborazione tra Enel ed Enea, il Progetto Archimede consente
di applicare, per la prima volta nel mondo, l'integrazione tra un ciclo
combinato a gas e un impianto solare termodinamico. Utilizzando una
tecnologia innovativa ed esclusiva, elaborata da Enea, Archimede produce
energia elettrica dal Sole in maniera costante.
Un campo solare composto da 360 specchi (collettori parabolici)
concentrerà la luce del Sole su tubazioni percorse da un nuovo fluido a base
di sali che ha la proprietà di accumulare il calore. Ciò renderà disponibile
calore ad alta temperatura in ogni momento della giornata e in qualsiasi
condizione meteorologica. In questo modo sono superati i problemi tipici
delle fonti energetiche rinnovabili. L'energia termica così raccolta produce
vapore ad alta pressione che, convogliato nelle turbine della centrale,
incrementa la produzione di energia elettrica. Questo riduce il consumo di
combustibili fossili migliorando, di conseguenza, le prestazioni ambientali.
Installazioni a collettore in funzione
• Alla fine dello scorso anno l’allora Ministro per l'Ambiente, ha istituito
una task force, guidata dal premio Nobel Carlo Rubbia, per avviare il
solare termodinamico in Italia,o meglio, indicare la strada da
percorrere per cercare di imitare altri Paesi europei, come la Spagna,
la Germania, o alcuni stati degli Usa, come la California
• Da circa 20 anni sono in esercizio nove grandi impianti di questo tipo
in California per una potenza elettrica complessiva di oltre 350
megawatt.
• In Europa la Spagna ha avviato dal 2004 un programma industriale per
la realizzazione di una trentina di centrali per una potenza di 1.300
megawatt/ora. Ogni collettore parabolico di questi impianti è costituito
da un riflettore di forma parabolica, ovvero uno specchio di vetro, in
grado di concentrare i raggi solari su un tubo ricevitore nel fuoco della
parabola.
• Questi impianti sono capaci di accumulare energia e di funzionare
anche in condizioni meteo sfavorevoli. Tra l'altro, sottolinea Rubbia,
per la costruzione di questi impianti non servirebbe necessariamente
un impegno economico da parte del governo: lo sviluppo di questa
tecnologia può essere basata su un sistema di autofinanziamento da
parte delle industrie.
Energia eolica
Eolico
Sfruttamento dei venti. Tipologie di turbine
A elica
Cretese
Multipala
Darrieus
Vantaggi:
• Assolutamente pulita
• Rinnovabile
• Materia prima a costo zero
Svantaggi:
• Irregolarità dei venti (velocità >4 m/s per
almeno 100 giorni)
• La tecnologia attuale non consente di
ricavare grandi quantità di energia
• Il difetto maggiore di queste apparecchiature rimane comunque
il rumore.
• Le turbine eoliche inoltre sono produttive solo se i venti cui
sono esposte sono forti e regolari: questa caratteristica, tipica
dei luoghi che si affacciano sull’Oceano, nel nostro Paese è
presente parzialmente solo in alcune zone alpine ed
appenniniche nonché sulle coste, specialmente quelle delle
regioni meridionali, e nelle isole.
•
Fino ad oggi le cosiddette centrali o “fattorie eoliche” si sono
sviluppate sulla terraferma lontano dai centri abitati, ma negli
ultimi tempi è iniziato anche lo sfruttamento in mare. Al largo di
Copenhagen, ad esempio, da alcuni anni è in funzione un
grande parco eolico formato da venti mulini ciascuno da
2mW Le strutture che sorreggono i mulini piazzati al largo
delle coste su bassi fondali sono studiate in modo da resistere
non solo alle sollecitazioni del vento, ma anche alle forze
esercitate dal mare.
• Recentemente in Germania, seguendo l’esempio
della Danimarca, è stato dato il via alla costruzione in
mare della più grande centrale eolica al mondo la
quale prevede la posa di 200 macchine
aerogeneratrici che produrranno complessivamente
1000 mW, sufficienti per soddisfare le richieste di
energia elettrica degli abitanti di una regione grande
quanto il Friuli-Venezia Giulia.
•
Comunque anche la Germania e la Danimarca, che
vengono indicate come esempio di successo
nell'impiego dell’energia eolica, con le 16.000 turbine
installate in Germania contribuiscono per meno del
5% al fabbisogno elettrico di quel Paese. Inoltre,
quando il vento non soffia o è troppo debole, devono
essere pronti ad entrare in funzione gli impianti
convenzionali se si vogliono evitare i black out.
Con l’eolico non si aggiunge capacità al sistema, ma si risparmia solo
carburante convenzionale.
Per quanto riguarda la Danimarca, essa è sì il primo Paese al mondo che si
serve dell’eolico ma, non bastandole questo e avendo rinunciato al nucleare,
fa intenso uso di carbone con la conseguenza di essere uno dei Paesi più
inquinati del mondo e per rispettare il Protocollo di Kyoto dovrebbe ridurre le
proprie immissioni di anidride carbonica del 12% contro una riduzione media
globale del 5,5%.
L’ultima frontiera dell’energia eolica è una giostra di vele. Di recente, un
gruppo di ricercatori piemontesi, sponsorizzati dal Politecnico di Torino, ha
progettato un nuovo tipo di mulino a vento che costa poco e dovrebbe
produrre una notevole quantità di energia elettrica. Si tratta di una specie di
giostra nella quale al posto dei seggiolini sono legate delle vele che salgono
fino all’altezza di 500-800 metri dove il vento è più forte e costante.
Le vele sono delle specie di paracadute (realizzate con materiale
leggerissimo e ultraresistente) simili a quelli che a volte si vedono collegati
alle tavole da surf. Queste, gonfiandosi sotto la spinta del vento, fanno girare
la giostra all’interno della quale è sistemato l’apparecchio convertitore
dell’energia meccanica in energia elettrica.
Di questo particolare mulino a vento è stato realizzato solo un prototipo ma
sarà difficile che vengano investite ingenti somme per produrlo in serie.
Costi di energia elettrica da eolico:
• In Europa: 0.05 Euro/kwh (pari al costo dell’elettricità
prodotta con centrali convenzionali a combustibili
fossili)
• In USA: 0.038 Euro/kwh, grazie alla Federal
Production Tax Credit di 0.012 Euro/kwh
• In Italia: 0.045 -0.075 Euro/kwh.
Energia da biomasse
Biomasse
Tipologie più importanti: residui forestali, scarti
dell’industria del legno, scarti delle aziende
zootecniche, alghe e colture acquatiche, rifiuti solidi
urbani.
La conversione di biomasse in combustibili di vario
tipo avviene attraverso due tipi di processi:
biochimici: processi di fermentazione con il contributo
di enzimi, funghi e micro-organismi che danno origine a
biogas (miscela di metano e anidride carbonica)
termochimici: il calore prodotto può essere convertito
in energia elettrica: il rapporto Carbonio /Azoto deve
essere superiore a 30
Processo biochimico
Con il 2007 gli agricoltori Italiani si sono resi conto che la
produzione di elettricità attraverso le fonti rinnovabili
rappresenta un clamoroso affare da non lasciarsi sfuggire.
Le attuali realizzazioni di Germania e Austria sono per il
nostro paese un primo traguardo ancora lontano ma non
irraggiungibile se verranno superate le pastoie burocratiche
che rallentano le autorizzazioni per la costruzione degli
impianti.
A partire dal 2005 ma specialmente nel 2006 anche in Italia
sono state inaugurate diverse centrali biogas, ma decine di
richieste di autorizzazione sono state presentate alle
diverse amministrazioni e sono in attesa di risposta.
• La digestione anaerobica è un processo di conversione di tipo
biochimico che avviene in assenza di ossigeno e consiste nella
demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche
complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti
di origine animale, che produce biogas costituito abitualmente per il
50÷70% circa da metano e per la restante parte da CO2 ed altri componenti.
• ll potere calorifico del gas ottenuto varia a seconda del contenuto di metano.
Il biogas così prodotto viene trattato, accumulato e può essere utilizzato
come combustibile per alimentare caldaie a gas accoppiate a turbine per la
produzione di energia elettrica o in centrali a ciclo combinato o motori a
combustione interna.
• I sottoprodotti di tale processo biochimico sono ottimi fertilizzanti poiché
parte dell'azoto che avrebbe potuto andare perduto sotto forma di
ammoniaca è ora in una forma fissata e quindi direttamente utilizzabile dalle
piante. Al termine del processo di fermentazione si conservano integri i
principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella
materia prima, favorendo così la mineralizzazione dell’azoto organico
risultando in tal modo un ottimo fertilizzante
Processo termochimico
• Sarà opportuno a questo punto chiarire meglio la
differenza tra inceneritore e termovalorizzatore,
perché anche in documenti ufficiali risulta una certa
confusione. il termine non viene inoltre mai utilizzato
nelle normative europea e italiana di riferimento, nelle
quali si parla solo di "inceneritori
• Gli inceneritori sono impianti essenzialmente utilizzati
per lo smaltimento dei rifiuti mediante un processo di
combustione ad alta temperatura che dà come prodotti
finali un effluente gassoso, ceneri e polveri.
Nei termovalorizzatori il calore sviluppato durante la combustione dei rifiuti
viene recuperato e utilizzato per produrre vapore, poi utilizzato per la
produzione di energia elettrica o come vettore di calore (ad esempio per il
teleriscaldamento).
Le categorie principali e quantitativamente predominanti di rifiuti inceneribili
sono: Rifiuti Solidi Urbani (RSU) e rifiuti speciali, i rifiuti medici o
dell'industria chimica.
Prima di procedere all'incenerimento i rifiuti possono essere trattati tramite
processi volti a eliminare i materiali non combustibili (vetro,metalli,inerti) e la
frazione umida (la materia organica come gli scarti alimentari, agricoli,
ecc...). I rifiuti trattati in questo modo sono definiti CDR (ovvero combustibile
derivato dai rifiuti) o più comunemente ecoballe
Il rendimento di tali impianti è certamente molto minore di quello di una
normale centrale elettrica, poiché i rifiuti non sono un buon combustibile per
via del loro basso potere calorifico, e le temperature raggiunte in camera di
combustione sono inferiori rispetto alle centrali tradizionali
L'efficienza energetica di un termovalorizzatore è variabile tra il 19 e il 27%
se si recupera solo l'energia elettrica ma aumenta molto col recupero del
calore. Ad esempio, nel caso dell'inceneritore di Brescia si ha un rendimento
del 26% in produzione elettrica e del 58% in calore per teleriscaldamento,
con un indice di sfruttamento del combustibile dell'84%
• .A titolo di confronto una moderna centrale termoelettrica, il cui scopo
primario è ovviamente quello di produrre elettricità, ha una resa del 57% per
la produzione elettrica, e se abbinata al teleriscaldamento raggiunge l'87%.
L'incenerimento dei rifiuti produce scorie solide pari circa al 10-12% in
volume e 15-20% in peso dei rifiuti introdotti, e in più ceneri per il 5%. Gran
parte della massa immessa nei forni viene infatti combusta ottenendo dei
fumi che verranno opportunamente pretrattati prima di essere emessi dal
camino.
• Le ceneri volanti e le polveri intercettate dall'impianto di depurazione dei
fumi sono rifiuti speciali altamente tossici (in quanto concentrano molti degli
inquinanti più nocivi), che come tali sono soggetti alle apposite disposizioni
di legge e sono poi conferiti in discariche speciali.
• Le scorie pesanti, formate dal rifiuto incombusto – acciaio, alluminio, vetro e
altri materiali ferrosi, inerti o altro –, sono raccolte sotto le griglie di
combustione e possono poi essere divise a seconda delle dimensioni e
quindi riciclate se non troppo contaminate.
• Le scorie sono generalmente smaltite in discarica e costituiscono una
grossa voce di spesa. Tuttavia, possono rivelarsi produttive: per esempio
divenendo materiale destinato alla produzione di calcestruzzo, anche se,
alcuni studi hanno dimostrato la tossicità di alcuni calcestruzzi contenenti
scorie
termovalorizzatore
Per confrontare i pareri pro-contro vedi. http://www.ambientespa.it/informa/termovalorizzatori.htm
LOCALIZZAZIONE e POTENZIALE
•Paesi in via di sviluppo: ricavano circa il
38% della propria energia dalle biomasse
(con punte del 90%)
•Paesi industrializzati: ~3%
•Europa: ~3,5% con punte del 18% in
Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria
•Italia: ~2,5% (nonostante l’elevato potenziale
di cui dispone)
• Oggi una centrale elettrica basata su
biomasse raggiunge una potenza di 80
MW.
• Gli analisti prevedono che entro il 2050 il
40% del fabbisogno energetico mondiale
sarà soddisfatto dallo sfruttamento delle
biomasse (Conf. Mondiale sulle Biomasse, 2004).
Consumo energetico mondiale
Annualmente vengono consumati nel mondo circa 10
miliardi di TEP (tonnellata equiv.petrolio = 11.700 kWh).
Percento delle diverse fonti
Petrolio
36%
Carbone
26%
Gas naturale 24%
Idroelettrico
6%
Nucleare
6%
Rinnovabili
2%
Riserve (anni)
40
250
50
∞
400
∞
Il problema italiano
L’Italia importa l’80% dell’energia che consuma
L’Italia è il maggior produttore di energia
elettrica da gas naturale e petrolio (fonti costose
e inquinanti)
L’energia elettrica importata nella sua totalità
proviene dal nucleare.
superconduttori
il futuro dell'energia?
Sulla necessità di concentrare gli sforzi scientifici
internazionali per ottenere energia illimitata e pulita, non si
può non esser tutti d'accordo.
Energia significa salute (del pianeta e quindi nostra), pace,
sicurezza, sviluppo.
O meglio, “sviluppo sostenibile”, espressione politically
correct che dice oggi quello che un secolo fa così esprimeva
Gandhi:
”La Terra ha abbastanza risorse per le necessità dell'uomo,
non per la sua avidità”.
L'accordo però finisce qui : i guai nascono subito dopo,
quando si scende sul terreno delle cose da fare, del dove
farle e dei relativi investimenti.
ma forse ….
superconduttori
• La superconduzione consiste nella totale perdita
di resistenza offerta dal conduttore al passaggio
di una corrente elettrica.
• Un superconduttore può trasportare grandi
quantità di corrente elettrica senza dissipare
energia sotto forma di calore e una corrente
elettrica immessa in un anello superconduttore
può circolare per molti anni senza alcuna
misurabile dissipazione
• La scoperta della superconduttività è dovuta a H. K. Onnes
(1911), il quale osservò la perdita totale di resistenza elettrica
nel mercurio raffreddato alla bassissima temperatura di 4.2 K .
Il fisico olandese vinse il premio Nobel per la Fisica nel 1913.
• lo sviluppo della superconduttività è stato dato dalla scoperta
della possibilità di innalzare la temperatura critica dei
superconduttori. Nel 1986 J. G. Bednorz e K. A. Muller
trovarono superconduttività a 35 K in una ceramica di lantanio,
bario, rame e ossigeno.
• Il prof. P. Chu è considerato uno dei massimi esperti della
superconduttività: le sue ricerche, insieme a quelle di Berdnorz
e Muller, hanno portato alla scoperta dei cosiddetti “Hts”,
superconduttori ad alta temperatura, capaci di superare il
maggior handicap di questi materiali, che funzionano solo a
temperature molto basse. Una grande svolta, anzi una vera
rivoluzione: con gli Hts, infatti, non è necessario raggiungere il
freddo estremo dell'elio liquido (269 gradi centigradi sotto zero),
ma basta il freddo ben più abbordabile dell'azoto (-196 gradi).
•
Da quel momento divenne possibile usare come refrigerante
l'azoto liquido (punto di liquefazione a 77 K), invece del più
costoso elio.
• Un materiale ceramico a base di mercurio attualmente detiene
il record di più alta temperatura critica pari a 133 K.
• La facilità di raffreddare i nuovi superconduttori ha reso
accessibili le varie applicazioni elettriche e magnetiche ed
elettroniche.
• L'applicazione che più attira le industrie è la possibilità di
trasportare tramite cavi superconduttori energia elettrica
ad altissima intensità di corrente (sino a 10 mila Ampere, 100
milioni di Watt di potenza). Dato il necessario raffreddamento
con azoto liquido, i cavi superconduttori hanno un costo molto
più elevato dei convenzionali cavi di rame; in compenso non si
ha dissipazione di energia elettrica sotto forma di calore. Tale
applicazione potrà avere in futuro un positivo impatto sul
problema del risparmio energetico.
• Un'altra applicazione é l'immagazzinamento di energia
elettrica in anelli superconduttori. La superconduttività
implica infatti che, una volta indotta una corrente elettrica in un
circuito superconduttore questa non si fermerà, ma continuerà
a circolare per sempre: in questo modo un superconduttore può
fungere da accumulatore di energia elettrica.
• In un esperimento condotto nel 1956 da Collins non si è
osservata alcuna riduzione della corrente su un arco di due
anni .
• E' allo studio la possibilità di immagazzinare l'energia elettrica
prodotta in eccesso dalle centrali di notte per far fronte ai picchi
diurni di assorbimento. Ci stiamo insomma avvicinando a
superconduttori che è non solo possibile, ma conveniente
industrializzare: domani, infatti, potremo disporre di nuovi
elettrodotti, fatti di cavi superconduttori lunghi e robusti, con cui
otterremo una distribuzione ideale dell'energia, eviteremo
problemi di black out (o brown out, cioè abbassamenti di
tensione) e raggiungeremo risparmi equivalenti alla produzione
di intere centrali
• Ormai da tempo gli avvolgimenti superconduttori sono
utilizzati per la realizzazione di magneti ad altissimo campo
(20 Tesla).
.
• Genova è il polo italiano della superconduttività, dove da
poco si è avviata la produzione del superconduttore
industriale più versatile ed economico del momento, l'Mgb2.
Questo materiale ha permesso di realizzare su scala
industriale un cavo dotato di notevoli proprietà in un tempo
brevissimo
• Ma la competizione è aperta in tutto il mondo, perché la posta
in gioco è molto grossa: soprattutto considerando che la
tecnologia superconduttiva si presta a supportare ogni forma
di energia, tradizionale e alternativa
Teoria BCS
Ma come si spiega la superconduttività?
L'idea venne a J. Bardeen, L. Cooper e J. Schrieffer, che nel
1972 vinsero il premio Nobel per la Fisica .
In pratica in un superconduttore gli elettroni si condensano in
uno stato quantistico di energia minima e viaggiano
collettivamente e coerentemente
Nei Superconduttori in determinate condizioni di temperatura la
corrente non è condotta da elettroni come nei metalli, ma da
coppie di elettroni (coppie di Cooper), che possono condensare
in uno stesso stato, comportandosi come un tutt’uno e
interagendo tra di loro mediante il reticolo, che si comporta come
mezzo di attrazione tra gli elettroni invece che come ostacolo al
loro moto.
Il risultato fondamentale, tipico della Quantistica, è che gli
elettroni così accoppiati si trovano sistemati in livelli energetici da
non poter trasferire alcuna energia agli ioni del reticolo : non si ha
alcuna dissipazione di energia per effetto Joule e il trasporto di
carica attraverso il metallo avviene con resistività nulla.
Un Superconduttore è un sistema macroscopico che segue le
leggi della meccanica quantistica.
Quando un elettrone passa nelle vicinanze di ioni positivi,
questi ultimi vengono attratti e si spostano leggermente dalle
loro posizioni di equilibrio andando verso di esso. Non appena
l'elettrone è passato oltre, gli ioni tornano indietro, velocemente
ed elasticamente, verso le proprie posizioni originarie.
In alcuni materiali, quando raffreddati al di sotto della loro Tc,
gli ioni positivi non tornano immediatamente nelle loro posizioni
originarie dopo il passaggio di un elettrone.
Secondo la teoria BCS, questo fa sì che localmente si abbia un
addensamento di carica ionica positiva che è in grado di
attrarre un secondo elettrone posto nelle immediate vicinanze.
Una volta catturato, questo elettrone seguirà la deformazione
reticolare indotta dal primo, e i due elettroni si comporteranno di
fatto come una coppia legata con spin totale nullo (coppia di
Cooper) in moto nel cristallo, ignorando la reciproca repulsione
coulombiana.
Il meccanismo di formazione delle coppie può essere assimilato
a quello per cui due sfere di piombo, poste su un materasso,
tendono a convergere nello stesso punto, sfruttando la
deformazione del materasso sottostante.
Le coppie di Cooper sono molto instabili e si formano e disfano
continuamente all'interno del cristallo. Di fatto non urtano contro
gli ioni del reticolo perché è il reticolo stesso che, deformandosi
a livello microscopico, crea spazio per il moto dei due elettroni
legati: il cristallo presenta, quindi, resistenza nulla.
Effetto Meissner
• Un materiale superconduttore, opportunamente
raffreddato al di sotto di una data temperatura,
detta temperatura critica, è caratterizzato da due
fondamentali e stupefacenti proprietà, la
superconduzione e l'effetto Meissner.
• L'effetto Meissner consiste nella capacità di un
superconduttore di espellere dal suo volume un
campo magnetico esterno.
• Tale effetto fu scoperto nel 1933 da K. W.
Meissner e R. Ochsenfeld.
Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non
induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del
campo al suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un
superconduttore raffreddato sotto Tc entro un campo magnetico, esso si
comporta proprio da diamagnetico. Infatti, in un sottile strato interno, ma
prossimo alla superficie, si generano "supercorrenti" che schermano il campo
magnetico e gli impediscono di penetrare.
il comportamento di un diamagnetico (a sinistra), e un superconduttore alla
transizione di Tc (a destra).
• Effetto Meissner si realizza in quanto le correnti superficiali
inducono, all'interno del superconduttore, un campo magnetico
uguale e contrario a quello applicato.
• Questa capacità si mantiene fino a un certo campo magnetico
critico Bc, oltre il quale il superconduttore perde in ogni caso le
sue due proprietà fondamentali: resistenza nulla e
diamagnetismo "perfetto". Per tutti i superconduttori esiste una
regione di temperature critiche e campi magnetici critici
all'interno della quale superconducono
altre applicazioni
•
•
•
•
la risonanza magnetica per la ricerca e la diagnostica
medica,
magneti per curvare i fasci di particelle cariche nei
grandi acceleratori di particelle,
levitazione magnetica per i treni MAGLEV che
possono raggiungere i 500 Km/h.
dispositivi per la microelettronica,a d esempio gli
SQUID (dispositivi superconduttori ad interferenza
quantistica) sono in grado di misurare campi magnetici
debolissimi, sino a milionesimi del campo magnetico
terrestre. Vengono quindi utilizzati per realizzare
magnetometri ultra precisi per la medicina usati per la
mappatura dei campi magnetici generati dai
debolissimi segnali prodotti dal cervello.
A Shangai è per ora in funzione l’unico treno a maglev. Essendo il treno sospeso
in aria non ha un reale contatto con la rotaia e quindi l'unica forza che si oppone
al moto del treno è quella dovuta all'attrito con l'aria. La linea collega la città con
l’aeroporto, è lunga 30 Km e viene percorsa dal treno in 7 minuti e 20 secondi
con una velocità massima di 431 km/h e una velocità media di 250 km/h.
Riusciranno
i superconduttori ad entrare e
rivoluzionare la nostra vita
quotidiana?!...
Bibliografia
• Manuzio-Passatore Verso la fisica Ed. Principato
• www.unipv.it/iuss/safi/materiale/flor.ppt
• http://www.dpci.unipd.it/DipPagesIt/rbertani/lez/lezioni
• http://www.risorsehitech.it/elettronica/guide/superconduttori/effetto_
meissner.php
• http://www.lswn.it/comunicati/stampa/2003/i_superconduttori
• http://www.cosediscienza.it/fisica/14_energie%20alternative.htm