L'Energia nella Società Moderna - i combustibili fossili ed i possibili scenari futuri.
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L’Energia nella Società Moderna
i combustibili fossili ed i possibili scenari futuri.
Prof. Pietro Dalpiaz
Dipartimento di Fisica
Università di Ferrara
INFN
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?
1
Equivalente a una lampadina da 100 Watt
Potenza
Se lavora senza sosta 10 ore accu-
di un uomo
mula 1kWatt/ora (20 cent. di euro).
~100Watt
Indurain 600 Watt, Cipollini 1200Watt
Potenza di un cavallo 700Watt
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
~180 persone 8 ore/giorno
2
calore
Luce
carbo
idrati
movimento
L’ENERGIA
Come si:
Cosa lega -trova?
questi Come si arrivati -trasforma?
soggetti? -accumula?
3
a capire?
A cosa ci serve l’energia? - A muovere le persone, gli animali e gli oggetti. - A riscaldarci d’inverno. - A raffrescarci in estate. - A cuocere e a conservare gli alimenti. - A far funzionare l’industria. - A recuperare le materie prime. - È essenziale anche per l’agricoltura. - Ad eliminare gli scarti di ogni genere. - …………………………………………….. 4
produzione combustibili
e consumo Fossili
prodotti in 200.000.000 di
di energia anni
consumati in 200 anni ?
nei secoli
agricoltura ?
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 anno
5
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 INDUSTRIA ABITAZIONE
radioattività terrestre,
che è responsabile di
tutti i terremoti e dei TRASPORTI
fenomeni vulcanici e
dello spostamento delle
placche continentali.
6
3.10 kWh/giorno 300TWh/giorno
Attuale produzione e
consumo delle
principali risorse idro
energetiche. 7%
nuc
7% petrolio
40%
gas
naturale
23%
carbone
22%
Fossile 92% 7
Agricoltura: bilancio energetico:
periodo resa per ore di resa
ettaro lavoro energetica
umano
fino al 4q di 1 4
800
1900 grano
2000
mecca- 80q di 10 1
8
nizzata grano
calorie
L’agricoltura moderna trasforma:8
PETROLIO CIBO efficienza ~10%
Inquinamento atmosferico dall’uso di combustibili fossili
oto dal satellite - Ecco la Terra inquinata
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 !!!!
9
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).
Ora l’elettricità in Italia costa il doppio che
in Francia ed il triplo che in Svezia.
10Da quando l’uomo usa l’energia?
~500.000 anni fa l’Homo Erectus
è riuscito a controllare il
FUOCO, 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
luogo di selezione naturale.
11come si ottiene CALORE in altro modo?
per
sfregamento
MOVIMENTO ? CALORE
12ANIMALI
e UOMINI POPOLAZIONE SCARSE
risorse
energia CRESCENTE
RIEQUILIBRIO
dal < 5.000.000
TERRITORIO
Molta più ENERGIA
10.000 anni fa
dal TERRITORIO
1 caloria→ 4 calorie
con l’allevamento e
agricoltura, popolazione x 100
l’UOMO, ricava civiltà
La civiltà consuma
ENERGIA sia per le
infrastrutture che
per mantenere gli
amministratori, ecc.
Generalmente dopo un certo tempo il 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.
Roma: traeva energia dagli schiavi che lavoravano i terreni. Finita l’espansione
13
dopo Augusto → terreni esauriti nel III sec. → il crollo.- Rinasce con la fertilità dei terreni attorno all’anno 1000.
La nostra - La popolazione cresce fortemente attorno al 1200.
civiltà - Molte innovazioni tecnologiche, (tessitura …..).
europea - 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 1 kWatt.ora
estrae 1ton di
carbone/giorno 10.000 kWatt.ora
CARBONE MACCHINA RIVOLUZIONE MANIFATTURE
FOSSILE + A VAPORE Ferro INDUSTRIALE Tecnol. E TRASPORTI
14Per la prima volta una civiltà non si disgregava per l’esaurimento delle ri-
sorse energetiche. Sfruttando il CARBONE FOSSILE come fonte primaria di
energia, si è evitata la crisi mortale ed é stato indotto un enorme sviluppo.
centralizzazione
CO, gas
di città
Illuminazione
delle fabbriche
e stradale metropoli
trasporti industria
POPOLAZIONE x 10
Inghilterra, Francia, Belgio, USA, (Germania dal 1870 conquista la
Lorena (ferro)). Possedevano in proprio Ferro e Carbone e la tecnologia
per sfruttarlo, ebbero enormi vantaggi rispetto agli altri. Durante 15
tutto
l’800 questi paesi hanno dominato militarmente il mondo, colonizzandolo.Scendendo in miniera
scarseggiava il legname, le gallerie erano invase
fonte primaria di energia, dall’acqua, tolta con
si iniziò ad usare la torba pompe aspiranti mosse
1600 ed il carbone, affiorante. 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 Efficienza~20%
dai pistoni e dal condensatore. Il
vapore era diretto con delle valvole
e dei regolatori da lui inventati.
pistone
Ebbe un enorme successo!
cal-
daia
È diventata il cavallo
16
di lavoro universale. condensatore-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
-per funzionare le
macchine a vapore
devono lavorare
tra due distinte
temperature
T1 < T2
analogamente ad
una cascata di
T2
acqua che può
produrre lavoro
solo tra due altezze 1 T h1
diverse h1 < h2.
h2 – h1 = ∆h
MOVIMENTO
T2 – T1 = ∆T
LAVORO ENERGIA
17PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA
I - In un sistema isolato l’ENERGIA TOTALE si conserva.
Certo, l’energia si conserva, ma nella pratica
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 Lavoro = Qc- Qr
Qc
Non si può
trasferire calore
da una sorgente
motore Lavoro
fredda ad una calda
Qr Efficienza < Tc-Tr
Tc 200C
Refrigeratore Tr 18L’entropia di un sistema è L’entropia da una
proporzionale al numero di stati misura
possibili che il sistema può dell’ordine o della
assumere, gli stati desiderabili caoticità del
sono sempre molto pochi. sistema.
Dall’esperienza popolare energia
è ben noto che: Se non si
agisce, le cose vanno di disordinata
male in peggio (inutile)
entropia
Gli stati in natura o le situazioni alta.
personali non desiderate sono
molto più numerose di quelle
desiderate. Se non si agisce con
energia, è molto poco probabile
ottenere i risultati desiderati.
entropia bassa19
energia ordinata (utile)Forme di Energia:
E ACQUA TIEPIDA
C LEGNO e TORBA
N A
CARBONE FONTI
T L FOSSILI
O PETROLIO
R R
DI
GAS NATURALE ENERGIA
O E
NUCLEARE
P LUCE
I IDROGENO Deposito di energia
A IDROELETTRICO
trasporto e
ELETTRICITÀ decentralizzazione
20
LAVORO UMANOORDINE APPLICHIAMO IL SECONDO
entropia bassa
PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA:
IA
R G
N E
E
Esseri viventi o società.
Se disponessimo di sufficiente
energia non ci sarebbero problemi SCORIE
ad eliminare le scorie, ed ha DISORDINE
21
procurarci le materie prime entropia altaAll’equilibrio: le scorie di una specie sono alimento delle altre.
Luce Luce
CO2 H2 O
o2
CO2
metano
CO2
H2O
concime
cenere
Se una specie è troppo numerosa o consuma molta energia: 22
le sue scorie non sono eliminate e si rompe l’equilibrio.È importante
AMBIENTE
fermarsi a
riflettere
prima
accada.
ECONOMIA
23Potenza irrag.=1.4 KW/m2
SPAZIO
1/3 riflessa LUCE ED ENERGIA -270OC
1 KW/m2 6000oC
6600Km
1.3x1014m2 3.1015KWh/g consumo globale umano=3.1011KWh/g
-60oC 14oC ~500oC
1 KW/m2
effetto e ssa
e.s.0 - 30oC
rifl effetto
0.4 serra 2
KW/m2 zero serra KW/m2
totale
e.s.t. 250oC
Marte Terra Venere
Efficienza ~ 10- 6
CALORE
VENTO
PIOGGIA
FULMINI
24
VEGETALI PER FOTOSINTESI URAGANIMarco Polo Baku, affiora olio nero: illuminazione
IL PETROLIO Il Milione
-27/8/ 1859 con trivella artigianale
E.L.Drake trova petrolio a 12m,
Titusville, 20 /g Kerosene:
Penn.USA illuminazione
L’invenzione da parte degli Europei
(Bersanti) del motore a combustione
interna alimentato a benzina, (sotto-
prodotto volatile ed allora inutile del
petrolio) introdusse il PETROLIO
come fonte primaria di energia.
EFFICIENZA
Potenza / Peso >M.Vap.
Il PETROLIO ha dato
agli USA, che ne posse-
devano riserve enormi
e la tecnologia per
usarlo, un vantaggio 25
che ancora permane.RISERVE DI PETROLIO SCOPERTE PER ANNO
Gbarili
26Prezzo del Petrolio
$/barile
PRODUZIONE DI PETROLIO
riferito
al 2003
Miliardi di barili/anno
25 MONDO
MONDO – GOLFO PERSICO
GOLFO PERSICO
USA + CANADA
20
EX URSS
MARE DEL NORD
Riserve 15
dichiarate Guerra Kippur
OPEC Golfo Persico
2$ 13$
500 10 Iran $x2
5
100
27
1980 1985 1990 1995 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000M.K.Hubbert
1956 previde
per USA
massimo 1969
Curva di
Hubbert
Produzione di
petrolio nei 48
Stati centrali USA.
28Previsioni ASPO (www.peakoil.net)
(Assotiation for Study
of Peak Oil. Sede Stoccolma)
modello di Hubbert
peak oil
Il DoE (USA) nel 2000
prevedeva il peak oil
nel 2015.
Estratti 1000Gbo
RISERVE Gbo
Mondiali 1000
USA 26
Arab.Saud 208
Russia 79
Golfo Persico 660
2970
$/barile Prezzo del Petrolio riserve
60 petrolio a
basso costo 66
50 %
40
4 6 6
30 2 7 9
Eu AP NA Ru Af SA GP
20
10 GP Golfo Persico Ru Ex URSS
SA Sud e C. America Af Africa
NA Nord America AP Asia Pacifico
Eu Europa
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
PETROLIO AD ALTO COSTO
1- Nel 1970 si estraeva il 22% di un giacimento ora il 37%:
- Iniettando, CO2, acqua o vapore
- Prospezione 4D ed perforazione direzionale.
2- Alti fondali marini (Messico, Brasile, Cina) alti costi, +5% ris.
3- Sabbie bituminose (Canada, Venezuela, Lituania, Australia Miniere a cielo
aperto, alto carico di metalli pesanti. Fortissimo impatto ambientale. Riserve
teoriche pari a quelle di petrolio. 30
Costi alti ma dipendenti dalle leggi sull’inquinamento.Gas Naturale. L’Italia con l’AGIP è stata
pioniera 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 e rigassificatori ne
incrementa l’uso. Con un costo del 20% si può
convertire in benzina. Il gas è sempre accompagnato
da CO2 spesso al 70% Il prezzo dal 1980 è riferito al
petrolio. Molto meno inquinante del petrolio
% riserve GP Golfo Persico
Ru Ex URSS
gas naturale SA Sud e C. America
36 38 Af Africa
NA Nord America
8 AP Asia Pacifico
3 5 5 7
Eu Europa
Eu SA NA Af AP GP Ru
Riserve superiori al petrolio
CARBONE: (anche in USA ed Europa).
Molto più inquinante del petrolio.
ALLA FINE DI QUESTO SECOLO TUTTI COMBUSTIBILI 31
Quaderni
FOSSILIdelle Scienze L’Energia
CARBONOSI SARANNO Gennaio 2003
ESAURITIPopolazione mondiale
10 miliardi
Ogni anno estraiamo: una montagna di
1Km x 1Km x 3500m (densità 1)
di petrolio, carbone e gas naturale che
5 mandiamo in atmosfera sotto forma di
gas serra: Anidride Carbonica (CO2)
1
1900 1950 2000 2050
3500m
CO2
alla densità dell’acqua
14Km
14Km
Dall’inizio dell’era industriale abbiamo inviato
in atmosfera una montagna di CO2 e siamo in
procinto di inviarne un altra, più grande.
32E= 2
mc CHE COSA é
1907-A. Einstein L’ENERGIA?
massa energia
materia deposito di energia
Senza conoscere queste
LA leggi, l’uomo ha sempre
COMBUSTIONE cercato di sfruttare
le reazioni chimiche
CO2
C+O2
C+O2=CO2 effetto serra legna, carbone
Quanta energia si libera nella combustione?
C+O2 energia + CO2 Carbone 9KWh/Kg 3x10-10 energia/massa
Del petrolio, di una petroliera di 100.000 ton. Usiamo
33
solo 30g per fare energia, il resto scorie (CO2)+1curieMASSA/nucleone ENERGIA DAI
U NUCLEI
n
p
mostra un evidente 4 1H ENERGIA + 4He
Fe minimo per il nucleo
del ferro. Fusione: energia
liberata ~ 1%
1.5t/H2 15m3/H2O
FUSIONE NUCLEARE (NUCLOSINTESI STELLARE) consumo mondiale/giorno
Il Sole consuma
ν e+
ν e+
lo 1% della sua
3 4He 12C
massa in 101034
anni
4 1H 4He 12C+ 4He 16O
~109 tonn. H2/sENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE Molte ricerche in corso
+ T2 + γ + T1 + + γ
D+ p 3He + energia 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 d
Z PROJECT per fusion
inerziale dei Sandia
Non ci si Laboratoryche recenteme
ottenuto la fusione
aspetta
che questi
esperimenti
portino
rapidamente ad
una fonte
commerciale
di energia. 30g 5 Kg 35
energia scorieFISSIONE
Sr+Xe
+2n
U
+ Energia (0.1%)
-1934 E.Fermi: neutroni lenti + U disintegrazione: reattori e bomba.
Fissione: quanta energia? 0.1% = 32.000.000 kWh/kg (235U)
reattori
nucleari
raffreddati
ad:
Acqua
pressione
elio
30 g di energia 30 kg di scorie 36TRASFORMAZIONE, TRASPORTO E ACCUMULO DI ENERGIA
V1
ELETTRICITÀ: nel XVIII sec si Legge di Coulomb
comprese che i Fulmini e l’Elettricità q1q2
per strofinio avevano la stessa natura. F=K 2
Esistevano due tipi di cariche (-) e (+). r
∆V = V1 − V2 + + - -
V2 Cariche in movimento energia elettrica ~100% calore
stufe, illuminazione, ecc.
nei conduttori metallici
ELETTRICITÀ
energia con Correnti Elettriche
entropia minima energia elettrica ~100% moto
difficile generatori e motori
accumulare Effetti Magnetici
Cariche Accelerate
XX sec. industria si trasforma:
dal carbone all’elettricità Onde Elettromagnetiche
(notevole decentralizzazione). (o.radio, luce, UV, raggiX)
37Con l’ELETTRICITÀ e MAGNETISMO, L’ENERGIA viene trasmessa con
facilità e si può produrre luce, movimento e calore dove si desidera.
efficienza ~100%
HERTZ
MARCONI
MEUCCI
EDISON BELL
Raggi X
L’Italia ha iniziato lo sviluppo industriale
~1895 con la conversione dell’energia
dei corsi d’acqua delle Alpi, in elettricità. 38
ROENGTEN / DNAFONTI RINNOVABILI
La riserva di calore nei primi 2-3 km della crosta terrestre è enorme,
La Geotermia 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.
Solare calorico efficienza~40% →LUCE Effetto Fotovoltaico
Efficienza ~ 12%
Con questa tecnologia sono
necessari 10 anni di operazione per recuperare
Semiconduttori:Si,Ge, As.. l’energia investita nella costruzione dell’impianto.
Dipartimento di Fisica - Ferrara
GaP 3%
GaInP2 9%
GaAs 16%
Si 25%
Ge 9%
GaSb 10%
Piccole celle ben curate
40
Efficienza (30 - 60)%- la popolazione globale,
- il livello e la qualità della vita,
- Il consumo energetico,
- l’equilibrio ambientale.
Sono
indissolubilmente
connessi. 41L’uomo non è mai vissuto meglio che in questa civiltà, ma
con la tecnologia attuale i consumi energetici necessari per
mantenerla, non sono sostenibili a lungo temine.
Una mancanza di energia metterebbe
in serio pericolo nostra civiltà!
Per risolvere il problema del rifornimento
energetico della nostra civiltà e dell’equilibrio
ambientale è necessario un forte programma
di ricerca scientifica e tecnologica ben
coordinato e finanziato.
La scienza ci prospetta soluzioni per mante-
nere il nostro livello di vita, ma le soluzioni
42
tecnologiche non sono ancora operative.Che fare dunque in Italia data la fortissima
dipendenza dal petrolio e la scarsità di risorse
energetiche fossili?
-Attuare un programma di risparmio e miglior uso dell’energia.
-Incrementare la geotermia ed il solare date le peculiarità del nostro territorio.
- Mettere l’idrogeno tra i combustibili per trazione e studiare una forma di
transizione verso l’economia all’idrogeno, risolvendo così anche i problemi
dell’inquinamento cittadino.
- Attivare un qualche tipo di energia da fissione nucleare 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 e della qualità
43
della vita sono legati indissolubilmente e devono essere risolti insieme.Estratti 1000Gbo
RISERVE Gbo
Mondiali 1000
USA 26
Arab.Saud 208
Russia 79
Golfo Persico 660
SCOPERTE: 7Gbo L’ultimo
Estrazioni: 30Gbo
petrolio
Consumo previsto sarà nel
per il 2020: 40Gbo
Cina, India, …….. Golfo Persico! 44La riserva di calore nei primi 2-3 km della crosta terrestre è enorme,
La Geotermia 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.
45COME RICAVARE
ENERGIA DAL SOLE?
Efficienza ~ 40%
calore Energia con alta entropia
Per sostituire il petrolio
25000
km2
Effetto Serra per
Agricoltura
Produzione Centrale elettrica del deserto de La Luz Ca. USA, specchi
Eolica parabolici che riscaldano acqua in un tubo e produce
vapore che è inviato in una turbina per produrre elettricità.
di
elettricità.
La potenza dipende dalla v3 del vento. Funziona
bene con vento costante (Germania, Spagna,
Danimarca, Portogallo..) compatibile con pascolo
e deserto. Inconvenienti: Paesaggio modificato
46
e disturbo importante alle migrazioni dei volatili.Taitner J. The Collapse of Complex Societies. Cambridge University Press 1988.
Rifkin J. Economia all’Idrogeno pg.64 Saggi Mondadari 2002
REPUBBLICA Conquiste territoriali
energia?
ROMANA e lavoro degli schiavi
IMPERO ROMANO
dopo Augusto, bloccata
l’espansione
Disgregazione inevitabile per mancanza di energia?
energia. Crollo della popolazione.
In Europa 600anni per rigenerare il territorio, sfruttamento intenso
in Nordafrica, l’abbandono troppo rapido del territorio, nel III sec.
delle campagne ha portato il deserto! inizia l’esaurimento
non evitano
il crollo IV Sec dC, il territorio si
esaurisce, mancano denari per
Editti di Costantino: pagare l’esercito ed i contadini
servitù contadine e militari, abbandonavano le campagne, 47
praticamente inizia il Medio Evo. per inurbarsi.Puoi anche leggere
