1
ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA
Prof. Pietro DalpiazDipartimento di FisicaUniversità di Ferrara
Firenze 23 Novembre 2011
2
24 Dicembre 1968
3
La Terra fotografata da 6 miliardi
di Km di distanza: (la distanza da
Plutone)
una nicchia di vita in
un’immensità di materia inanimata
Siamo veramente molto isolati, quanto
un’astronave nello spazio,
con 6.5 miliardi di passeggeri e senza possibilità di rifornimenti.
4
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
deriva tutta questa ricchezza?
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.
5
Consumo di energia di unoccidentale ~150kWh/giorno
Equivalente al lavoro di~300 persone 8 ore/giorno
Potenza di un cavallo 700Watt
Potenza di un uomo
~ 60Watt
Se lavora senza sosta 10 ore accu-mula 0,6kWatt/ora (12 cent. di euro).
Indurain 600 Watt, Cipollini 1200Watt
Potenza di un motorino 2000 Watt = 2 kWatt
Potenza di un auto > 50.000 Watt, > 50 kWatt
Equivalente a una lampadina da 60 Watt
x4 energia disponibile al principe medioevale
6
La potenza a ns. disposizione: gli “schiavi energetici”*
TV
Lavatrice
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna http://www.isof.cnr.it/photoscience/Nicola.Armaroli/articles/KOS%20Dic%202005.pdf
71600
Auto 115 CV a 100 Km/h
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna
8
1.6 MILIONIdi schiavi energetici
Boeing 740 al decollo
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna
Nemmeno un
imperatore
avrebbe potuto
permetter-selo
9
Cosa lega questi
soggetti?
L’ENERGIA
-Dove si trova?-Come si trasforma?-Come si accumula?
Come si arrivatia capire?
Luce
calore
carboidrati
movimento
10
- Scaldarsi ed illuminare l’oscurità.- Alimenti più digeribili, appetibili e sani.- Allontanare i predatori.- Colonizzare territori ostili.
500.000 anni fa l’Homo Erectus è riuscito adominare il FUOCO
ed ad utilizzarlo come fonte di
CALORE e LUCE a volontà, per:
Il controllo del fuoco ha costituito un vantaggioformidabile per la sopravvivenza della specie
umana nella selezione naturale e nell’uscita dal luogo di selezione naturale
11
come si ottiene CALORE in altro modo?
persfregamento
MOVIMENTO CALORE?
12
ANIMALI e UOMINI
dal TERRITORIO
POPOLAZIONECRESCENTE risorse
SCARSE
RIEQUILIBRIO< 5.000.000 di
abitanti
Molta più ENERGIAdal TERRITORIO
popolazione x 100
civiltà
energia
10.000 anni fa con l’allevamento e agricoltura, l’UOMO, ricava
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
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 civiltà consuma ENERGIA sia per leinfrastrutture cheper mantenere gliamministratori, ecc.
Con la tecnologia dell’età della pietra
13
La nostraciviltà
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.
RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
CARBONEFOSSILE
MACCHINAA VAPORE+ MANIFATTURE
E TRASPORTITecnol.Ferro
-Nel XIV e XV sec la miniglaciazione (freddo) provocò delle serie difficoltà energetiche specialmente nel nord Europa.
In Inghilterra che era particolarmentericca di carbone si iniziò ad utilizzarloanche se era considerato puzzolente.
Un minatore estrae 1ton di
carbone/giorno
1 kWatt.ora
10.000 kWatt.ora
+4
-4
14
Per la prima volta una civiltà non si disgre-gava per l’esaurimento delle risorse energe-tiche. Sfruttando il
CARBONE FOSSILE come fonte primaria di energia, si è evitata la crisi ed é stato indotto un enorme
sviluppo: La rivoluzione industriale.
trasportiindustria
centralizzazione
metropoli
CO, gas di città
illuminazionestradale
POPOLAZIONE X 10
Inghilterra, Francia,Belgio, USA (Germania)possedevano Ferro e
Carbone e la tecnologiaper sfruttarlo, ebbero
enormi vantaggi rispetto agli altri.
Durante tutto l’800questi paesi hanno
dominato militarmente il mondo,
colonizzandolo.
15
scarseggiava il legname,fonte primaria di energia,si iniziò ad usare la torba ed il carbone, affiorante.1600
Scendendo in miniera le gallerie erano invasedall’acqua, tolta conpompe aspiranti mosseda 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 valvolee dei regolatori da lui inventati.
cal-daia
pistone
condensatore
Efficienza~20%
Ebbe un enorme successo!
È diventata il cavallodi lavoro universale.
16
-1823 Sadi Carnot: ing. francese responsabile di macchine a vapore (in Francia a quella data 300 erano in funzione)
studia i cicli di lavoro delle macchine a vapore e deduce: h2
h1
T2
T1
-per funzionare le macchine a vapore devono lavorare tra due distinte
temperature T1 < T2
analogamente ad una cascata diacqua che può
produrre lavoro solo tra due altezze
diverse h1 < h2.
h2 – h1 = Δh
T2 – T1 = ΔTMOVIMENTO
LAVORO ENERGIA
17
PRINCIPI DELLA TERMODINAMICAI - In un sistema isolato l’ENERGIA TOTALE si conserva.
II - Non tutto il CALORE può essere trasformato in LAVORO, una parte del calore è trasferita dalla sorgente calda a quella fredda.
Caldaia Tc
Refrigeratore Tr
Qr
motore Lavoro
Qc
Lavoro = Qc- Qr
Tc-Tr
Tc
Efficienza <
Non si trasferisce spontaneamente
calore da una sorgente fredda ad una calda
200C
Certo, l’energia si conserva, ma in questo caso si trasforma in calore a bassa temperatura
praticamente non più utilizzabile.
18
L’entropia da una misura
dell’ordine o della caoticità del
sistema.
energiadisordinata
(inutile)entropia
alta.
entropia bassa energia ordinata (utile)
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.
L’entropia di un sistema è proporzionale al numero di stati possibili che il sistema può assumere, gli stati desiderabili sono sempre molto pochi.
19
ENTROPIA
ACQUA TIEPIDALEGNO e TORBA
CARBONEPETROLIO
GAS NATURALENUCLEARE
LUCEIDROGENO
IDROELETTRICOELETTRICITÀ
LAVORO UMANO
FONTI FOSSILI
DI ENERGIA
CALORE
Forme di Energia:
Deposito di energia
trasporto e decentralizzazione
20
Esseri viventi o società.
APPLICHIAMO IL SECONDOPRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:
ENERGIA
ORDINEentropia bassa
SCORIEDISORDINEentropia alta
Se disponessimo di sufficiente energia non ci sarebbero problemi
ad eliminare le scorie, ed a procurarci le materie prime
21Se una specie è troppo numerosa o consuma molta energia:le sue scorie non sono eliminate e si rompe l’equilibrio.
LuceCO2 H2O
Luceo2
concime
All’equilibrio: le scorie di una specie sono alimento delle altre.
CO2
H2O
cenere
CO2
metano
22
ECONOMIA
AMBIENTEÈ importante fermarsi a riflettere
prima che accada.
23
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
24
produzionee consumodi energianei secoli
agricoltura
combustibiliFossili
prodotti in 200.000.000 di anniconsumati in 200 anni ?
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 anno
?
25
LUCE ED ENERGIA6000oC
SPAZIO-270OC
Potenza irrag.=1.4 KW/m2
1/3 riflessa
6600Km
1 KW/m2
1.3x1014m2 3.1015KWh/g consumo globale umano=3.1011KWh/g
~500oC14oC-60oC
Marte Terra Venere
2 KW/m2
1 KW/m2
0.4 KW/m2
effetto serra totale
effettoserrazero
e.s.0 - 30oC
e.s.t. 250oC
Efficienza ~ 10- 6
CALOREVENTOPIOGGIAFULMINIURAGANIVEGETALI PER FOTOSINTESI
riflessa
26
Agricoltura: bilancio energetico:
periodo
fino al1900
2000mecca-nizzata
resa perettaro
4q digrano
80q digrano
ore dilavoroumano
800
8
resaenergetica
1 4
10 1
calorie
L’agricoltura moderna trasforma:PETROLIO CIBO efficienza 10%
27
I PASSEGGERI DELL’ASTRONAVE TERRA
• La maggioranza della popolazione vive nelle nazioni “meno sviluppate”
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna
• Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno (dati U.S. PRB)
OGGI
28
Perché la popolazione è aumentata?• Per millenni l’agricoltura ha avuto vincoli rigidi di produttivi- tà: 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
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), ECONOMICI, SINDACALI ED INTELLETTUALI
• Nel XXsec l’uso del petrolio aumenta la produttività dei terreni per aratura profonda, irrigazione ………..
~5000 lavoratori
29
CONSUMO GLOBALE DI ENERGIA
1
2
3
4
5
6
petrolio40%
carbone22%
gasnaturale23%
idro 7%
nuc 7%
3.1011kWh/giorno=300TWh/giorno
Fossile 92%
RISCALDAMENTO
53%
LUCE ED ELETTRODOM.
8%
AUTO
31%
ACQUA CALDA
8%
CONSUMO PERSONALE
30
Produzione di elettricità al 31/05/08 (fonti IAEA)
Carbone 40%
Gas 19%
Nucleare 16%
Idroelettrico 16%
Olio combustibile 7%
Fonti rinnovabili 2%
Produzione elettrica nel mondo
Nucleare 33%
Carbone 30%
Gas 20%
Idroelettrico 11%
Olio combustibile 4%
Fonti rinnovabili 2%
Produzione elettrica in Europa (27 paesi)
31
IL PETROLIO
L’invenzione da parte degli Europei(Bersanti) del motore a combustioneinterna alimentato a benzina, (sotto-prodotto volatile ed allora inutile del petrolio) introdusse il PETROLIO
come fonte primaria di energia.EFFICIENZA
<33%
Marco Polo Baku, affiora olio nero: illuminazioneIl Milione
-27/8/ 1859 E.L.DrakeTitusville, Penn.USA
con trivella artigianaletrova petrolio a 12m,
20 /g Kerosene:illuminazione
Il PETROLIO ha datoagli USA, che ne posse-devano riserve enormi
e la tecnologia perusarlo, un vantaggioche ancora permane.
Potenza / PesoM.C.I.>>M.Vap.
32
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 …
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna
33
Andamento nelle scoperte dinuovi giacimenti di petrolio 1930-2040
Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna Peak oil
34
La tecnologia ci permette di esplorare sempre più in profondità e di aumentare l’efficienza,
Il petrolio si esaurirà in decine di anni
Nel 1970 si estraeva il 22% di un giaci-mento ora il ~40%:
MA C’E’ UN LIMITE !!!!
-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
35
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
10
30
20
40
50
Miliardi di barili / anno
Produzione annuale di liquidi combustibili da fonti fossiliDati storici, con resa per estrazione del ~30%
Con resa per estrazione del ~45%
Con resa per estrazione del ~60%
36
nel utilizzo e sviluppo tecnologico.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
Gas Naturale.
Europa S.Amer. N.Amer. Africa Asia P. Golfo P. Russia
% riservegas naturale 3836
87553
L’Italia con l’AGIP è stata pioniera
IL GAS NATURALE SI ESAURISCE SENZA PREAVVISO
“Circa il 44% delle riserve provate mondiali di gas è concentrato in circa 20 campi mega e supergiganti”.
rete
37
Rete europea del gas, un’infrastruttura fragile …
giacimenti produttivi
CARBONE:Riserve superiori al petrolio (anche in USA ed Europa)
Ovviamente molto più inquinante del petrolio
38
10:1 20:1 30:1 40:1 50:1 60:1 70:1 80:1 90:1 100:1
USA 1930
USA 1970
USA 2000 PETROLIO
IMPORTATO 1970
IMPORTATO 2005
Alaska
CARBONE 2005
LEGNO
IDROELETTRICO
EOLICOGAS NATURALE
NUCLEARE
Fotovoltaico
Biodisel ed etanolo
ENERGIA
5
13
23
15
>1
30
227
>1
>1
>1
20
3
8
1018JRR
R =Ritorno energetico
Investimento energeticocosti
39
Le emissioni di gas serra per produrre 1kWh elettrico
Grammi di CO2
per kWh elettrico 1017
790
575
362
362
10
176
113
77
236 280100
21484 9200
1000
400
1200
Carbone Gas Idro Solare Vento Nucleare
Emissione dal combustibile
Emissione indiretta per costruzioni ed esercizio
I due valori rappresentano l’intervallo di variabilità
dipendente dalla tecnologia
40
Morti per TWy per la produzione di energia elettrica
(analisi sul periodo 1970-1992)
41
Per rispettare i vincoli del trattato di Kioto un francesedovrebbe spendere ogni anno 3$, un tedesco 5$ e un
italiano 360$. Questi sono i risultati delle diversepolitiche energetiche !!!!
Foto satellitare Concentrazione degli Ossidi di Azoto
42
Animali, persone o società che hanno un modello mentale
errato sulle loro risorse hanno poche probabilità di
sopravvivenza.
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 in Francia ed il triplo che in
Svezia.
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.
sostenibili
43
E = mc2
1905 - A. Einstein
massa energia
materia deposito di energia
CHE COSA è L’ENERGIA?
Tutte le forme di energia che sfruttiamo, provengono dalla conversione di massa in una
forma di energia.
44Del petrolio, di una petroliera di 100.000 ton. Usiamosolo 30g per fare energia, il resto scorie (CO2)+1curie
C+O2
CO2
C+O2 energia + CO2
2H2+O2 = 2H2O petrolio,carboneC+O2=CO2 effetto serra gas naturale,legnaS+O2=SO2 tossico (solo nella polvere da sparo)
La COMBUSTIONE è una reazione chimica
Senza conoscere queste leggi, l’uomo ha sfruttato la COMBUSTIONE
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.
45
ENERGIADAI NUCLEI
ATOMICI
Se fondo nuclei
leggeri per farne uno pesante
oppure se divido uno
molto pesante in
altri più leggeri,
libero, molta energia di legame
Fe
U
MASSA/nucleoni (protone o neutrone)
pn
I nuclei sono tenuti insieme da forze
almeno un milione di volte più forti di quelle che tengono insieme
le molecole.
peso atomico
46
FUSIONE NUCLEARE (NUCLOSINTESI STELLARE)
4 1H 4He 12C+ 4He 16O
3 4He 12C
e+
e+
4 1H ENERGIA + 4He
Fusione: Energia liberata:0.6% della massa
1.5t/H2 15m3/H2Oconsumo mondiale/giorno
1925-Eddington: la fusione nucleare fa brillare le stelle:
Il Sole consuma l’1% della sua massa in 1010anni ~109 ton
H/s
ITER
47
ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE Molte ricerche in corso
+ +T2 D + p 3He + energia
++ +T1 D + T He + n + en.
Le prove di laboratorio 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 perfusione inerziale deiSandia Laboratoryche recentementeottenuto la fusione
Non ci si aspettache questi esperimenti
portinorapidamente ad
una fontecommerciale
di energia. 30g 5 Kgenergia scorie
48
La fissione nucleare
La reazione a catena
USr+Xe +2n
+ Energia (~10/00)
neutroni lenti
-1934 E.Fermi
235U + n → 236U → 144Ba + 89K + 2/3n + 211.5 MeV → 137Cs + 90Sr +……
4930 g di energia 30 kg di scorie
Reattori nucleari raffreddati ad acqua a pressione1g di 235U da calore come 3tonnellate di
Carbone
Barre dicontrollo
Condensatore
50
RISERVE PETROLIO
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
=
Con reattori a neutroni veloci (alta
temperatura) aumentano le riserve di un fattore ~ 600
RISERVE Torio(Th) per migliaia di anni
RISERVE 238U
per centinaia di anni
x4
RISERVE 235U
per decine di anni
x150
51
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
Grafite Sfere dicombustibile
Struttura di contenimento Condensatore
Generatoredi vapore
Turbina
GeneratoreTorre di
raffreddamento
52
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 calderea meno di 1000 m dalla superficie.
53
COME RICAVAREENERGIA DAL SOLE?
Effetto Serra perAgricoltura
Centrale elettrica del deserto de La Luz Ca. USA, specchiparabolici che riscaldano acqua in un tubo e produce
vapore che è inviato in una turbina per produrre elettricità.
Efficienza ~ 40%calore Energia con alta entropia
Per sostituire il petrolio 25000km2
La potenza dipende dalla v3 del vento. Funziona bene con vento costante (Germania, Spagna,
Danimarca, Portogallo..) compatibile con pascoloe deserto. Inconvenienti: Paesaggio modificato
e disturbo importante alle migrazioni dei volatili.
Produzione Eolicadielettricità.
54
Effetto FotovoltaicoLUCE
Efficienza ~ 12%
Semiconduttori:Si,Ge, As..
GaP 3%GaInP2 9% GaAs 16%Si 25%Ge 9%GaSb 10%
Piccole celle ben curate
Efficienza (30 - 60)%
Con questa tecnologia sono necessari 10 anni di operazione per recuperare l’energia investita nella costruzione dell’impianto.
Dipartimento di FisicaFerrara: ~40%
55
- 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).
Che fare dunque in Italia data la fortissima dipendenza da petrolio e gas e la mancanza di
risorse energetiche fossili proprie?
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, sono legati indissolubilmente e devono essere risolti insieme.
56