Sviluppo sostenibile e
le fonti di energia rinnovabile
Alessio Bosio
Dipartimento di Fisica
Università degli Studi di Parma
Mondo
Richiesta energetica
12
2,7
10
38%carbone
11%petrolio
19%idro-geo
18%nucleare
miliardi di tep
13%gas
1%rinnovabili
2
8
6
Mondo
2,5
1,5
2,8
3,6
4,2
Ex URSS
1,5
4
2
0
3,7
1996
4,2
1998
4,4
4,5
2000
2002
Europa
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.
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 primarie utilizzate nel 2004
petrolio
metano
carboni
97.046
58.128
13.305
52,4%
31,39%
7,18%
nucleare
totali.ktep
12.601
4.120
185.200
6,8%
2,23%
100%
rinnovabili
Fonti secondarie ottenute dalla trasformazione delle fonti
primarie
En. elettrica
53.586
29%
En. termica
Carburanti
64.166,3
43.746,8
34,6%
23,6%
Usi non
energetici
Perdite
totali.ktep
11.320
12.381
185.200
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 mree
Aberdeen (Scozia)
1 Mwatt
1,6 Mwatt
1,2 Mwatt
Energia dal vento
Forti effetti di impatto ambientale
Necessità di venti a velocità costante
Energia da biomassa
S'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
Il bioetanolo
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
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).
Le centrali geo-termoelettriche
Impianti geotermici in
funzione ad Orbetello
Islanda, USA (Yellowstone-Park),
New Zeland, Australia, Kenya
Impianti geotermici per teleriscaldamento
Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare
direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).
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.
Schema di impianto di teleriscaldamento
tipicamente utilizzato in assenza di acqua
calda o vapore
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
“globo solare” per usi domestici
Esempio di concentratore a
parabola da 30 Kwatt
“forno solare” per ceramica
Solare termico
Esempio di impianto a concentratori
parabolici. Su questo schema l’ENEA
sta sviluppando il progetto Archimede.
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.
Energia dal sole: fotovoltaico
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
Il costo così alto è intrinseco al metodo di produzione
(crescita cristallina).
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