Hime Ishida

Hana wa sakuragi, hito wa bushi

Workshop: Energia e fonti rinnovabili

Sessione I: Idrocarburi e nucleare
Sessione II: Fotovoltaico
Sessione III: Idrogeno e celle a combustibile, biomasse

In Italia l’energia viene ormai prevalentemente da fonti fossili, da centrali nucleari (di altri Paesi) e dalle centrali idroelettriche. Il progetto a livello europeo Energia 2020 definisce i finanziamenti da attuare per incentivare l’utilizzo delle energie rinnovabili entro il 2020.

L’energia è un concetto astratto.
Esistono molti tipi di energia: elettricità, benzina, calore, aria compressa e altro. Di tutto questo riusciamo a prendere solo una piccola parte, ovvero il rendimento.
Nei primi anni del Novecento si è assistito al trapasso del lavoro dall’uomo alle macchine, che usavano carbone, spesso causa di malattie; circolavano poche vetture, il petrolio veniva usato nell’alimentazione delle lampade. Tutto il consumo era concentrato nelle industrie che utilizzavano caldaie a vapore; da qui si sviluppa l’idea di costruire le industrie (specialmente le tessili) vicino a corsi d’acqua.
Il consumo di energia è passato da 2 TWh del 1900 a 315 TWh (Italia), 3200 TWh (Europa), 19000 TWh (mondo).
Oggi l’energia è suddivisa in 30% nell’industria, 30% nei trasporti, 40% nel terziario; i consumi medi in Italia sono di 180-200 MTEP/anno.
Occorre agire sulla produzione di energia elettrica e calore da fonti fossili, nucleari, rinnovabili. Dalle prime si ricaverebbe un rendimento dal 40% al 60% (produzione concentrata) oppure fino all’80% (produzione distribuita); dalle fonti rinnovabili (solare, eolico, biomasse, rifiuti, geotermia, maree, idro) oggi si ricava il 12% di rendimento elettrico, con una proiezione futura del 30-40%. Si risparmia il 6,5-10% nell’industria, il 40-50% nel terziario e il 20-30% nei trasporti. In totale, i consumi si possono ridurre del 24-32% circa. Dovrebbero anche essere introdotte nuove tecnologie e nuovi studi per ridurre gli impatti ambientali, essere incentivati gli accordi di cooperazione internazionale.

I combustibili fossili saranno usati per decadi piuttosto che per secoli; l’Italia, pur avendo risorse petrolifere, preferisce importare.
Oltre l’80% della popolazione mondiale consuma in media meno di tredici barili di petrolio, che viene usato per il 60% per i trasporti; il gas e il carbone, invece, vengono utilizzati principalmente per la generazione elettrica. Con una proiezione per il futuro, per il 2030 il petrolio rimarrà l’energia per i trasporti.
La vita produttiva di un campo di petrolio varia da giacimento a giacimento. C’è ampia disponibilità di gas, soprattutto in Polonia, Francia e Germania e potenzialmente in Italia; hanno il vantaggio di essere distribuiti in Paesi meno problematici e più accessibili anche politicamente. Il trasporto avviene attraverso liquido, ovvero compressione del gas.
Il contesto italiano non permette esplorazioni sul territorio per il petrolio.

Per quanto riguarda il nucleare, l’energia si produce in impianti di vari tipi: nucleari (fissione), ad acqua leggera, ad acqua pesante e a grafite; inoltre possono essere pressurizzati (PWR) e bollenti (BWR). La sicurezza è mantenuta attraverso controlli di reazione a catena, raffreddamento del combustibile, confinamento dei prodotti radioattivi, per garantirla si utilizzano barriere multiple di protezione e barriere di difesa. Le barriere per l’uranio sono di circa 1cmx1cm, costituite da sei barriere, di cui tre in acciaio o calcestruzzo.
Gli incidenti di reattività possono essere causati da perdita del controllo di reazione (Cernobyl), mancato raffreddamento (Fukushima), perdita del fluido termovettorico (Three Mile Island – in foto il funzionamento del reattore), movimentazione di combustibile in stock (Fukushima).
Gli impianti di terza generazione sono dotati di un sistema di sicurezza passivo di bassa categoria, cioè in grado di garantire la funzionalità grazie a reazioni naturali; la sicurezza intrinseca permette di rimuovere le cause di danno incidentali. L’impianto di terza generazione AP1000 usa componenti ridotte e diversi sistemi di irraggiamento e ha una probabilità su cento di fusione del nucleo rispetto a un impianto di seconda generazione.
Il riprocessamento di scorie ha una durata di 10000 anni. I prodotti transuranici sono quelli che si possono reirraggiare in reattori più veloci.

Il fotovoltaico, invece, si basa su un processo chiamato CPV, che prevede la concentrazione dei raggi solari su una zona molto piccola, definita da celle solari ad altissima efficienza. Si ha un migliore utilizzo dello spettro solare con celle a tre giunture: esse sono strutture monocristalline che utilizzano gli elementi del terzo e quinto gruppo della tavola periodica; la loro manifattura fa uso dell’epitassia (deposizione di sottili strati di materiale cristallino su un substrato massivo, anch’esso cristallino, che ne indirizza la crescita e ne determina le proprietà strutturali). Le temperature operative sono minori di 100°C, la temperatura massima minore di 350°C; l’efficienza della cella è del 38-40% a 500 soli. Le celle tradizionali sono in silicio, quelle di seconda generazione a film sottile, con costo e efficienza inferiori.
L’area occupata dall’intero impianto è solitamente di quattro ettari.
Uno dei problemi del fotovoltaico è che si tratta di un’energia nuova, con una legislazione non ancora ben definita, sebbene la prospettiva di crescita sia molto alta e l’Italia sia la seconda, dopo la Germania, ad utilizzarla di più.

L’idrogeno è un vettore di energia, che deve essere prodotto da fonti primarie. La presenza di idrogeno, sotto forma di molecola H2, è massiva, ma esso è combinato con altre molecole, per esempio per formare l’acqua. L’idrogeno bolle a -253°C e fonde a -259°C.
L’energia per unità di massa liberata da H2 è tripla di quella della benzina.
Per quanto riguarda la sicurezza, posto che non esista un combustibile non potenzialmente pericoloso, l’idrogeno è meno pericoloso in rapporto alla bassa tossicità sua e dei suoi prodotti, oltre al fatto che il rischio di incendi e/o esplosioni e danni da essi derivati è basso.
5 kg di H2 equivalgono a 60 m3: si può stoccare come gas (non per le autovetture), liquido (occorre troppa energia per liquefarlo – quasi la metà di quella che produce – viene utilizzato nelle applicazioni spaziali) o solido (serve un serbatoio particolare, ma nessun materiale fino adesso soddisfa i requisiti richiesti).
Poiché la maggior parte degli elementi forma composti (idruri) con la molecola H2, ma non tutti cedono poi l’idrogeno (per esempio MgH2), vengono solitamente utilizzati come soluzioni il nichel e il rame.

Le celle combustibili possono essere combinate a elementi come le turbine.
I vantaggi di una cella combustibile sono liberalizzazione del mercato, impatto ambientale, sicurezza di approvvigionamento; le debolezze sono il costo, la durata e l’affidabilità.
I campi di applicazione sono vari, dalle case ai trasporti agli oggetti portatili come PC, cellulari, etc.
Ci sono vari tipi di celle combustibili, le più utilizzate sono le Polymer Electrolyte, usate per eccellenza per le automotive, e le Solid Oxid, più antiche, possono causare problemi per le alte temperature che raggiungono, oltre alle celle enzimatiche o batteriche, che utilizzano i batteri come catalizzatori.

Le biomasse sono il risultato della comparsa della fotosintesi, sia per piante eterotrofe che autotrofe. Per contro, si ha un ingente rilascio di CO2.
La luce solare ha un’energia di 100000 TW (settemila volte il nostro tasso di consumo).
I biocarburanti sono i biocombustibili usati per l’autotrazione.
Le biomasse di prima generazione sono il bioetanolo da canna, paglia e altre masse cellulose, e il biodiesel. Gli obbiettivi sono che costino meno della benzina e che siano ambientalmente sostenibili, diventando il punto di partenza per una chimica verde. 150 kg di biomassa equivalgono a 10 $, mentre circa 150 kg di petrolio a 100 $.
Il biodiesel di seconda generazione richiede ancora lavoro dal punto di vista genetico. Per il diesel di terza generazione si pensa di usare microalghe (foto), con l’ulteriore vantaggio che la superficie per la loro crescita è molto ridotta, oltre al fatto che possono essere utilizzate in molti modi. Per adesso le microalghe possono essere usate per la fitodepurazione e/o l’abbattimento di CO2, perché il costo per il diesel è ancora troppo elevato.
Altra prospettiva è la conversione in bioetanolo di scarti di caseifici (siero del latte).

Relatori:
Giovanni Petrecca (Dipartimento di Ingegneria Elettrica)
Francesco Gattei (ENI SpA)
Andrea Borio di Tigliole (LENA e Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica)
Giuseppe Gabetta (CESI SpA)
Vittorio Chiesa (Politecnico di Milano)
Lucio Andreani (Dipartimento di Fisica “A. Volta”)
Amedeo Marini (Dipartimento di Chimica)
Giorgio Spinolo (Dipartimento di Chimica)
Dario Giordano (Chemtex Italia Srl)
Rino Cella (Dipartimento di Genetica e Microbiologia)
Moderatore: Armando Buttafava (Dipartimento di Chimica)

Links: 650.unipv.it – http://www.energia2020.it/

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