Finale 3

04/13/23Prof. Vincenzo Naso Pagina 2

1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE MODELLO 1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE MODELLO ENERGETICO – AMBIENTALEENERGETICO – AMBIENTALE

2- GLI IMPIANTI E I REATTORI NUCLEARI2- GLI IMPIANTI E I REATTORI NUCLEARI

3- LE RINNOVABILI SI’, MA NON BASTANO3- LE RINNOVABILI SI’, MA NON BASTANO

• ENERGIA NUCLEARE:• § PER UN REFERENDUM DA FARE • § PER UN SI’ DA DARE CON LA RAGIONE

1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE 1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE MODELLO ENERGETICO – AMBIENTALEMODELLO ENERGETICO – AMBIENTALE


1- FONTI DI ENERGIA

2- VETTORI ENERGETICI

3- UTENTI FINALI DI ENERGIA

(effetto utile) + (rifiuti)

Il Ciclo dell’Energia: dalle Fonti Energetiche (naturali), attraverso i Vettori Energetici, all’Effetto Utile (+ l’impatto ambientale).

04/13/23Prof. Vincenzo Naso

Prof. Vincenzo NasoProf. Vincenzo Naso

FONTI PRIMARIE(Energia Chimica, Elettromagnetica, Meccanica,

Nucleare, Termica)

FONTI SECONDARIE(Energia Chimica o Nucleare)

ENERGIA ELETTRICA

Energia Meccanica, Termica, Elettricaper gli USI FINALI

A G RIC O LI D O MES TICI E SE R VIZ I IN DU S TRI ALI TRA S PO R TI

(Energia Elettrica, Meccanica, Termica)

scaricoenergiainutilizzata

effettoutile

(f)

(e)

(b)

(a)

(d)

(c)VETTORI

Prof. Vincenzo NasoProf. Vincenzo Naso


Energie rinnovabili e non rinnovabili. Energie sostenibili.

Classificazione delle fonti energetiche primarie secondo il criterio della rinnovabilità


INSOSTENIBILITA’ DEL MODELLO DI SVILUPPO

• QUANTITÀ DI ENERGIA CONSUMATA

• DENSITÀ (CONCENTRAZIONE) DI DOMANDA DI ENERGIA

[ 13 MILIARDI TEP / ANNO ]

[ CITTÀ | INDUSTRIA | TRASPORTI ]

FOSSILI [ NON RINNOVABILI ]

[ 11,5 MILIARDI TEP / ANNO ]

FER [ RINNOVABILI ]

[ 1,5 MILIARDI TEP / ANNO ]

PROBLEMI



• QUANTITÀ DI EMISSIONI GLOBALI

• DENSITÀ DI IMPATTO AMBIENTALE LOCALE

[ GAS SERRA ]

[ INQUINAMENTO CITTÀ ]

CONSEGUENZE



NUOVO MODELLO “DI SVILUPPO”

NECESSITÀ

RINNOVABILI

VETTORI ENERGETICI PULITI

USO RAZIONALE / EFFICIENZA

ENERGETICA

FONTI EN.

VETTORI

USI FINALI

H2 VERDE

ELETTRICITÀ VERDE


VELOCITA’ DI CRESCITA DEI CONSUMI

Consumi mondiali di energia per fonti primarie dal 1850 al 1987



Source Professeur Helmut Rott Universite d’ Innsbruck


uso delle fonti rinnovabili

efficienza degli impianti

trasporto sostenibile

sviluppo nuove tecnologie

consumo energetico

TRANSIZIONE: Che si può fare?


3 SETTORI - CHIAVE

• Sorgenti energetiche rinnovabili• Solare• Eolico• Biomasse• Geotermico, Energia dal mare (correnti, etc.)• Hydro e Mini hydro

• Nuovi vettori energetici • Idrogeno (verde); Elettricità (verde)

• Nuove Tecnologie• Celle a combustibile

QUELLO CHE QUELLO CHE NONNON SI DEVE FARE: CONTARE SUI SI DEVE FARE: CONTARE SUI FOSSILI NON CONVENZIONALIFOSSILI NON CONVENZIONALI

• - GAS HYDRIDES

• - OIL SHALE(2.5 Gb; 72% in US)• • - SHALE GAS (30% of US gas today)

• - OIL SANDS, EXTRA HEAVY OIL-NATURAL BITUMEN

2- GLI IMPIANTI ED I REATTORI NUCLEARI (ENERGIA SOSTENIBILE (?) , MA NON RINNOVABILE

- Il Ciclo del combustibile e dell’impianto

- I reattori ad acqua bollente (BWR)

- I reattori ad acqua pressurizzata (PWR)

- I reattori a gas ad alta temperatura (HTGR)

- I reattori autofertilizzanti (FBR)

Numero annuo di avvio di costruzione di nuovi impianti

Nome Docente

Nome Docente

CombustibileCombustibile

Nome Docente

Schema semplificato di un impianto BWR (G.E.).

Sezione schematica dell'edificio reattore in un Sezione schematica dell'edificio reattore in un BWRBWR (Soluzione Mark III della General Electric).(Soluzione Mark III della General Electric).

Schema di principio di un reattore Schema di principio di un reattore PWRPWR (Westinghouse) (Westinghouse)

3. Reattori ad alta temperatura (HTR) e a gas (HTGR)

I reattori ad alta temperatura (HTR, High Temperature Reactors, o HTGR, High Temperature Gas-cooled Reactors)

hanno raggiunto uno stadio di sviluppo molto promettente, hanno acquisito un loro spazio commerciale,

e rappresentano una delle filiere con prospettive per l'avvenire (quarta generazione).

Essi sono caratterizzati da noccioli interamente in materiale ceramico e in genere dal gas elio come refrigerante, sia per l'ottima compatibilità

chimica con i materiali strutturali, che per la buona conducibilità termica. L'assenza di assorbitori parassiti, come gli acciai, permette l'impiego

di quasi ogni possibile combinazione dei tre isotopi fissili (233U, 235U, 239Pu) e dei due isotopi fertili (232Th, 238U).

Il nocciolo dei reattori HTR presenta diverse caratteristichefavorevoli ne ricordiamo le principali: elevata temperatura degli elementi di combustibile, che consente

il raggiungimento di temperature dell'elio dell'ordine di 850÷1000 °C, con rendimenti del ciclo elevati (oltre 40 %) e una serie di interessanti prospettive; struttura di materiali ceramici, con assenza di assorbitori parassiti, che consente un'ottima economia neutronicaed il raggiungimento di «burn-up» elevatissimi; possibilità conseguente di produrre vapore secondario con elevate caratteristiche (190 atm, 540 °C); insensibilità del nocciolo ad eventuali escursioni di temperatura,grande capacità termica, assenza del pericolo di fusioni, nessun possibile cambiamento di fase del refrigerante o del moderatore, comportamento auto-stabilizzante della reattività dovuto ad un coefficiente di temperatura negativo; debole corrosione nel circuito primario; ricambio continuo del combustibile con reattore in potenza e quindi elevati fattori di utilizzazione.

Nome Docente

Nome Docente

5. Reattori veloci (FBR)

5.1. Soluzioni proposte

I reattori veloci autofertilizzanti sono, come si è detto, fra i più promettenti reattori

su cui si punta per una soluzione di lunghissima durata per i fabbisogni energetici.

Con essi, partendo dal fertile 238U, si produce più fissile di quanto se ne consumi

e si aumenta di 6070 volte l'energia ricavabile dall'uranio.

Le stime sull'energia ricavabile dall'uranio, con costi di estrazione commerciali,

forniscono un valore di 5 Q per l'impiego nei reattori termici

(1 Q = 0,25·1018 kcal) e di ben 350 Q per l'impiego nei reattori veloci autofertilizzanti.

A prescindere dall'impiego di U molto più arricchito, una condizione critica

per l'avvio industriale dei reattori veloci è la disponibilità iniziale di plutonio prodotto

dai reattori termici.

Nome Docente

Fig. 12: a) Schema del reattore veloce Superphénix, da 1200 MWe: il recipiente principale è appeso ad una struttura metallica di tipo scatolare che rappresenta il « tetto» del reattore. Esso è circondato da un secondo recipiente, detto «di sicurezza», destinato a contenere eventuali fughe di sodio, pure appeso al tetto del reattore. Al di sopra del tetto un involucro metallico (duomo), accessibile senza restrizioni in esercizio, assicura una funzione di contenimento di eventuali fughe di prodotti radioattivi. L'insieme del recipiente di sicurezza e del duomo costituisce il contenimento primario.

I PREGI ED I VANTAGGI DEGLI IMPIANTI NUCLEARI

Nome Docente


3- LE FONTI RINNOVABILI NON BASTANO

• … OCCORRE INTEGRARLE CON:

A – EFFICIENZA ENERGETICA

B - VETTORI ENERGETICI “VERDI”

- ELETTRICITA’ “VERDE”

- IDROGENO “VERDE”

C - CICLI ENERGETICI E DELLE RISORSE “CHIUSI”


LIMITI DELLE F0NTI RINNOVABILILIMITI DELLE F0NTI RINNOVABILI

• DISCONTINUITA’• ALEATORIETA’• BASSA DENSITA’ DI POTENZA/ ENERGIA

NECESSITA’ DI ACCUMULO!!!



Vettori energetici

Un vettore energeticovettore energetico consente di trasportare, nello spazio e/o nel tempo, una determinata quantità di energia (chimica, elettrica, termica, meccanica, radiante), rendendola disponibile per un utilizzo a distanza (di tempo e/o di spazio) rispetto al punto di disponibilità della fonte primaria*

* F. Orecchini, Dispense per il corso di Sistemi Energetici I, Università di Roma “La Sapienza”,

2005

Cicli chiusi delle risorse e sostenibilità del sistema energetico

• Un sistema energetico (SE)sistema energetico (SE) è un sistema che utilizza risorse energetiche da fornire ad un’utenza per produrre l’effetto utile da questa desiderato

• Inevitabilmente il suo funzionamento avviene in un continuo processo di interazione con l’ambiente naturale ed anche - allo stato attuale praticamente nella totalità dei casi - generando rifiuti


Cicli Aperti

Il ciclo che porta ogni materia prima dal suo posto "naturale" alla nostra vita quotidiana è più o meno lo stesso per tutti i prodotti. Comprende attività

note come:


Estrazione TrasportoPrima

TrasformazioneTrasformazioni

Successive Produzione Distribuzione

Schematizzazione di un SE a ciclo aperto


USI FINALI

RIFIUTI

FLUSSO DI ENERGIA

Risorse energetiche Effetto Utile

INTERAZIONI CON L’AMBIENTE

• Oggi un sistema energetico: – consuma risorse– produce rifiuti– usa fonti d’energia esauribili e incerte

• Nel settore dell’energia possiamo affermare di essere rimasti uomini primitivi:– raccogliamo quello che ci ha dato la natura– lo consumiamo– buttiamo via i residui

• Quel che abbiamo imparato per il cibo lo dobbiamo applicare anche all’energia:– imparare a “coltivarla”– pensare in termini di ecosistemi energetici


Schematizzazione di un SE a ciclo chiuso


USI FINALIVETTORI“PULITI”

Risorse Energetiche Rinnovabili Effetto Utile

INTERAZIONI CON L’AMBIENTE

FusioneFusione++ ++

++++

++++

2H 2H

n3He 3,2 MeV

++Neutrone

Protone

FusioneFusione++++++ ++++++

++++++++++++

++++++++++++++++

2H2H 2H2H

n3He3He 3,2 MeV

++Neutrone

Protone++Neutrone

Protone++++Neutrone

Protone

Occorre tendere all'individuazione di ciclicicli che, partendo da risorse rinnovabili, siano in grado di "chiudersi completamentechiudersi completamente”

L’era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici

• Molti parlano della futura era dell’idrogeno: è molto più corretto fare riferimento innanzitutto all’affermarsi deciso - e, in una certa misura, ineluttabile- dell’era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici.

• Una società ed uno sviluppo basati, quindi, sulla distribuzione e sulla possibilità di produzione di alcuni vettori di energia.

• La principale e decisiva novità sarà rappresentata proprio dall’ingresso dell’idrogeno tra questi vettori


Principali vettori energetici oggi utilizzati

• Elettricità• Biocombustibili • Idrogeno• Fluidi termovettori• Trasmissioni meccaniche• Irraggiamento




Necessità di “produrre” H2

• Tra questi vettori, l’idrogenoidrogeno, a differenza dei combustibili di origine fossile, è un vettore-vettore-combustibilecombustibile che non è disponibile “libero” in natura, ma in aggregazione con altri componenti, e deve perciò essere oggetto di specifici processi di “produzione” (peraltro con dispendio di energia primaria)


Non rinnovabiliNon rinnovabili(Combustibili fossili)(Combustibili fossili)

Produzione di idrogeno

RinnovabiliRinnovabili

PROCESSI DI PRODUZIONE PROCESSI DI PRODUZIONE dell’IDROGENOdell’IDROGENO



DA DOVE “ESTRARLO”

CO2

• Breve termine

Medio - lungo termine

IDROCARBURI eALCOOLI

ENERGIERINNOVABILI

•SOLARE•EOLICO•IDROELETTRICO

ENERGIA ELETTRICAELETTROLISI

H2

Processi di reforming

H2

Biofuel


HH22

OO22

HH22OO

L’IDROGENO PUO’ ESSERE CONSIDERATO “PULITO” ED ECOCOMPATIBILE SOLO SE PRODOTTO CON

ENERGIE RINOVABILI E A CICLO CHIUSO


SCHEMA DEL CICLO DI PRODUZIONE E UTILIZZO DELL’ IDROGENOSCHEMA DEL CICLO DI PRODUZIONE E UTILIZZO DELL’ IDROGENO


TRASPORTO e DISTRIBUZIONE di IDROGENO

Il trasporto dell’idrogeno può essere considerato similare al

trasporto del gas naturale (in forma gassosa), o al trasporto di oli

combustibili (se in fase liquida, quindi con tutte le condizioni già

viste nell’esempio del serbatoio BMW).




STOCCAGGIO DELL’IDROGENO A BORDOSTOCCAGGIO DELL’IDROGENO A BORDO

• Gas compresso– Pressioni:

• Standard attuale: fino a 350 bar• In corso di standardizzazione: 700 bar

– Energia spesa per la compressione• 4 – 7 % del contenuto energetico (in funzione della pressione di

stoccaggio)

• Idrogeno liquido– Temperatura di stoccaggio

• - 253 °C

– Energia spesa per la liquefazione• Circa 30 % dell’energia stoccata

• Idruri Metallici

69

SISTEMI ENERGETICI “AD IDROGENO”

Essenzialmente l’idrogeno in campo energetico può essere

utilizzato o in pile a combustibilepile a combustibile (fuel cell) per la produzione di

energia elettrica o in motori a combustione internamotori a combustione interna (MCI) con

produzione di energia meccanica (in ambo i casi ovviamente

trasformabili in seguito in diverse forme energetiche).

FUEL CELLFUEL CELL MCIMCI


Il motore a combustione interna trasforma l'idrogeno direttamente in

potenza propulsiva, senza quella ulteriore perdita di energia legata

alla trazione di un motore elettrico. La potenza di quest'ultimo

diminuisce al crescere del numero di giri creando problemi

soprattutto in fase di sorpasso, mentre il sistema a combustione

interna fornisce potenza in alcuni casi anche superiore rispetto ai

normali motori a benzina. L'autonomia è di circa 350 Km ma

all'interno della vettura è posizionato un bottone che permette di

cambiare l'alimentazione da idrogeno a benzina.

BMW 750 hLBMW 750 hL

• Motore: 5400 cc (12 cilindri a V)• Da 0 a 100 Km/h in 9,6 sec. ed a una velocità massima di 226 km/h


Combustibile

Energia Elettrica

Acqua Calore

Funzionamento di una cella a combustibile


Economia dell’Idrogeno

Sorgenti di energia primaria:

Produzione di idrogeno con sistemi catalitici

Reforming- ossidazione

parziale, etc.

CO2

E.E

Gassificazione

E. H2


FUTURO: IDROGENO E FUEL CELL



APPLICAZIONI FCAPPLICAZIONI FC

Combustibile

Energia Elettrica

AcquaCalore

- + -+electricmotor

IdrogenoMetanolo

Idrogeno

Serbatoiodi idrogeno

Auto con cella a combustibile



AUTO 2006 -2009AUTO 2006 -2009

Clarity

(430 km—160 km/h)

FC 100 kW , St 350 bar

Provoq

(500km—145 km/h)

FC 70kW + Battery

St 670 bar

Kluger V

(560km—175 km/h)

FC 90 kw + Battery

ST 700 bar

Class B F-Cell

(400km—180 km/h)

FC 100 kW St 700 bar

Stazioni di rifornimento di Idrogeno

Irvine (CA-USA)

Valdaro (I)

Norvegia

Tokyo


Autostrade per Idrogeno

B. C. Canada Hydrogen Highway

California (USA)

Giappone

Norvegia


Date post:	14-Jun-2015
Category:	Education
Upload:	giovanni-romito
View:	572 times
Download:	0 times

Finale 3

Education