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Energia per l’Astronave Terra
Vincenzo Balzani
Dipartimento di Chimica “GiacomoCiamician”
Università di [email protected]
3a Festa dell’energia pulita di Pieve di Cento
Se pensi che l’istruzione
sia costosa,prova l’ignoranza.
Derek Bok, Harvard University, USA
Se vuoi capire bene una cosa o un problema, prima di
tutto devi guardarli da lontano
Italo Calvino
Questo Questo èè il nostro pianetail nostro pianetala Terrala Terra
Foto scattata Foto scattata dalla sonda dalla sonda CassiniCassini--JuygensJuygensnel 2004, nel 2004, quando si quando si trovavatrovavapresso gli anelli presso gli anelli di Saturno.di Saturno.
Earthrise
“We came all this way to explore the moon, and the most important thing is that
we discovered the Earth”
L’astronave Terra
“passeggeri”: 7 miliardiche diventeranno
8 miliardi nel 2025
l’ aumento è di
75 milioni all’ anno
ogni minuto nascono32 indiani e 24 cinesi
vivere = usare energia
Energia
Senza energia non si può fare nulla
cibo casatrasportiindustriecomunicazioni…
Per “fare” una mucca di 5 quintali sono necessari 6 barili (circa 1000 litri) di petrolio
Per “fare” 1 kg di carne di vitello si consumano “a monte”7 litri di petrolio
Energia “nascosta”
Per far crescere pomodori di serra si consuma una quantità dienergia fino a 50 volte maggiore del loro contenuto energetico
National Geographic
Seawater DesalinationSi può ottenere acqua <dolce> dall’acqua di mare
Per produrre 1 metro cubo di acqua si consumano circa 2 kWh di energia elettrica.
Per fabbricare un PC occorrono 1700 Kg di materiali vari, di cui 240 Kgdi petrolio (energia)
Esso consuma 3/4 dell’energia del suo ciclo di vita prima ancora di essere acceso
Nature Mater. 2004, 3, 287
Energia “nascosta”
0.35 2.5 5.0 3.0
Acciaio Plastica Alluminio Automobili
Energia necessaria per produrre vari materiali tonnellate equivalenti di petrolio (tep)/t)
Cereali, frutta Riso Verdure di serra
0.1 0.25 1
uso
di
ener
gia
anni
Uso di energia col passare dei secoli
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 40000
10
20
30
40
50
60
Egitto Grecia Roma
scoperta dell’America
inizio dell’era cristiana
uso dei combustibili fossili,rivoluzione industriale
combustibili fossili(90% dell’energia
usata oggi)
?
energia dell’uomo, degli animali, del fuoco e del vento
Seul, Corea, 10 milioni di abitanti
Svincolo autostradale a Yokohama. Giappone
Inquinamento dell’aria a San Paolo, Brasile
Discarica di Abidjan, Costa d’Avorio
Il confine fra Stati Uniti e Messico
Messico
Stati Uniti
National Geographic
Le luci della costa est USA
Antropocene(Paul Crutzen premio Nobel per la Chimica 1995)
Epoca storica iniziata con l’uso dei combustibili fossili, caratterizzata da profonde
“impronte” lasciate dall’uomo sulla Terra.
risorse
L’astronave TerraFonti primarie di
energia
petrolio 38%gas naturale 26%carbone 27%energia nucleare 2.4%Rinnov. (idroel.) 2.7%
circa il 90% dell’energia proviene dai combustibili fossili
Oggi al mondo consumiamo 1000 barili di petrolio al secondo ....
Picchi di produzione di petrolio e gas
•Aumento del prezzo
•Crisi economica
•Instabilità politica
•Guerre per ottenerlo
Petrolio “ facile”Petrolio “difficile”
Anni del picco
Pessimisti: 2005-2010
Ottimisti: 2035-2040
Fino a che punto “conviene”?
Piattaforma Deepwater Horizon, Golfo del Messico, aprile 2010
Profondità acqua: 1.524 m
Profondità roccia sottostante: 3960 m
petrolio
Catastrofe ecologica
La zona del mondo nella quale si trova il 70% delle riserve di petrolio
e di metano
USA oil
production
consumption
import
20061991
Baghdad, Ministero del Petrolio, Aprile 2003
petrolio
L’astronave Terra
petrolio
petrolio
petrolio
petrolio
Anidride carb
onica
effetto serra:modifica il clima, fa sciogliere i ghiacciai, .....
1 kg di benzina produce 3 kg di CO2
Perdita nell’aspettativa media statistica di vita (mesi) a causa dell’esposizione a PM 2.5
“About 400,000 Europeans are dying prematurely every year as a result of air pollution, say the latest studies. Illnesses due to current levels of airborne particles lead to more than 100,000 extra hospital admissions per year .”
EC, DG Environment
http://europa.eu.int/comm/environment/news/efe/20/article_2434_en.htm
Disuguaglianza nell’uso delle risorse energetiche
Un americano consuma energia come
due europei
una decina di cinesi
Gli Stati Uniti, con meno del 5% della popolazione mondiale, consumano circa il 25% dell’energia
una quindicina di indiani
una trentina di africani
Abitanti Automobili in milioni ogni mille abitanti
USA 300 840
Cina 1300 40
India 1100 20
Auto più piccoleda Cina, India, Italia, ,,,
nano
Il governatore della California fa il pieno nel suo Hummer SUV
“ fusione” FIAT-Chrysler
La FIAT vende il SUV Freemont in Italia (!)
La Chrysler vende la FIAT 500 in USA
ieri oggi
In un mondo con risorse limitate, i consumi non possono crescere all’infinito
media mondiale 2,2
L'impronta ecologica"la superficie di Terra capace di fornire le risorse necessarie al consumo quotidiano di una persona e di smaltirne i rifiuti”
Cittadino Ettari per persona
biocapacità: 1,8 ettari per persona
americano (USA) 9,5 tedesco 4,8italiano 3,8cinese 1,5indiano 0,8eritreo 0,3
Sostenibilità:risorse, rifiuti, ambiente
In un mondo con risorse
limitate, i consumi
non possono crescere
all’infinito
rifiuti
risorse
Insostenibilità ecologica
La “civiltà” dell’usa e getta
consumismo
Il nostro modello di sviluppo non è sostenibile:
(risorse limitate, problemi ecologici, occupazione del
territorio)
riciclare
Riacquistare il senso del limite. Passare dal “di più” alla logica della sufficienza.
Vivere secondo l’etica della sobrietà, della solidarietà e della responsabilitànei confronti della Terra e di tutti i suoi abitanti, presenti e futuri.
Le persone che viaggiano sull’astronave Terra sono collocate in “classi” molto, troppo diverse.
- I 50 milioni di cittadini più ricchi di Europa e Nordamerica hanno lo stesso reddito di 2,7 miliardi di poveri.
Insostenibilità sociale
- In Italia il 10% della popolazione possiede il 45% della ricchezza (ma solo il 2 per mille dei contribuenti dichiara più di 200.000 € annuali)
Nella ComunitàEuropea gli agricoltori rice-vono un sussidio di 3 € al giorno per ogni muccache allevano.
insostenibilità sociale
“C'era un uomo ricco,
che vestiva di porpora
e di bisso e tutti i
giorni banchettava
lautamente.
Un mendicante, di
nome Lazzaro, giaceva
alla sua porta, coperto
di piaghe, bramoso di
sfamarsi di quello che
cadeva dalla mensa del
ricco."
Luca 16, 19-21
...ho avuto fame e non mi avete dato da mangiare, ho avuto sete e non mi avete dato da bere, …
Matteo 25, 31-45
Mappa basata sulla ricchezza
Survivors rescued by tunny nets close to the costs of southern Italy
…, ero straniero
e non mi avete accolto, …
Matteo 25, 31-45
Antico proverbio
La sola differenza fra un ottimista ed
un pessimista è che il secondo è meglio
informato
3.Le risorse debbono essere piùequamente distribuite
2.Le risorse sono limitate e quindi iconsumi non possono crescere all’infinito
Tre verità scomode
1. La Terra è un’astronave
… ma alle verità scomode la gente preferisce
le bugie rassicuranti
A seconda delle decisioni che prenderemo riguardo le risorse, e in particolare lin particolare l’’energiaenergia, riusciremo a custodire
l’astronave Terra e i suoi abitanti, oppure rischieremo di distruggere tutto.
La Terra è fragile ed è nelle nostre mani
uso
di
ener
gia
anni
Uso di energia col passare dei secoli
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 40000
10
20
30
40
50
60
Egitto Grecia Roma
scoperta dell’America
inizio dell’era cristiana
uso dei combustibili fossili,rivoluzione industriale
combustibili fossili(90% dell’energia
usata oggi)
cercare e svilupparefonti alternative
l’era dei combustibili fossili sta per finire
risparmioefficienza
Requisiti richiesti alla fonte energetica necessaria per custodire il pianeta
- abbondante
- inesauribile
- ben distribuita
- non pericolosa per l’uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro)
-capace di:favorire lo sviluppo economico colmare le disuguaglianzefavorire la pace
Energia e qualità della vita
Nei paesi in via di sviluppo,la qualità della vita aumenta all’aumentare della quantitàdi energia disponibile.
Nei paesi ricchi, l’aumento dei consumi energetici NON porta ad alcun miglioramento nella qualità della vita.
Indice di svilupo umano
energia consumata per persona (GJ/anno)© Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna
Aumento dell’efficienza
Possibili azioni
Risparmio energetico
Energia nucleare
Energia solare e altre fonti rinnovabili
Possibili soluzioni
Centrale nucleare
La grande speranza
Entro pochi anni l’energia sarà
disponibile gratuitamente,come l’aria.
J. von Neuman, 1956
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
World Energy Council
Combustibile nucleare: uranio
è una risorsa presente in quantità
limitata
non è una risorsa rinnovabile
L’Italia non ha uranio
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
Produce scorie radioattive
2009: gli USA dichiarano che il progetto è fallito
Deposito diYucca Mountain, USA
Iniziato nel 1982
Dovrebbe essere <sicuro> per 100.000 anni (!)
Costo provvisorio:60 miliardi di $
Apertura prevista 2012
Scorie ad alta radioattivitàpericolose per diecimila-centomila anni
Il deposito “permanente” di Yucca Mountain
non potràessere usato.
Le scorie verranno
conservate nei contenitori sui piazzali vicino alle centrali.
23 marzo2009
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
Produce scorie radioattive
Le centrali sono difficili da smantellare
“Quello che prima era un “sito”, ora è un giardino”
Pubblicità pro-nucleare dell’ ENEL
Centrale Yankee Rowe (USA)
Il sito della centrale dopo lo smantellamento “immediato” (10 anni)
Costo per la costruzione, 1960: $39 milioni
Stima costo smantellamento,1990: $368 milioni
Costo effettivo “finale”, 2000: $508 milioni
Yankee Rowe nuclear plant after “immediate”dismantling (10 years)
43 giganteschi contenitori contenenti il combustile “spento” e parti del reattore
(Greater Than Class-C waste)
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
Produce scorie radioattive
Le centrali sono difficili da smantellare
Ha un alto grado di pericolosità
Fukushima, 11 marzo 2011
Evacuazione della popolazione in un raggio di 30 km
80.000 persone evacuate
Danni per 100-200 miliardi di euro
Radioattività nelle acque del mare
Aumento radioattività percepito in tutto il mondo
Timore per l’uso di combustibile MOX
La centrale dovrà essere “tombata” per sempre
Dimostrazione che la sicurezza nucleare non esiste
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
Produce scorie radioattive
Le centrali sono difficili da smantellare
Ha un alto grado di pericolosità
Favorisce la proliferazione di armi nucleari
Complica le relazioni fra gli Stati
Science, 9 February 2007, p. 791
The same technology can be used both for nuclear energy and nuclear weapons. Nuclear weapons capability could spread to as many as 30 more countries.
Nuclearproliferation
Energia nucleare
Usa come combustibile uranio
Produce scorie radioattive
Le centrali sono difficili da smantellare
Ha un alto grado di pericolosità
Favorisce la proliferazione di armi nucleari
Aumenta la disuguaglianza fra le nazioni
Complica le relazioni fra gli Stati
L’energia nucleare non è la risposta adatta ai problemi energetici dei paesi in via di sviluppo
La costruzione di impianti nucleari da parte dei paesi ad alta tecnologia nei paesi poveri porterà a nuove
forme di colonialismo.
- abbondante
- inesauribile
- ben distribuita
- non pericolosa per l’uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro)
-capace di:favorire lo sviluppo economico colmare le disuguaglianzefavorire la pace
Si’
(forse)
NO
NO
SìNO
NO
La fonte energetica idealeEnergia nucleare
L’energia nucleare una serie di scommesse sul futuro
Individuazione dei siti e permessi vari: 3-5 anni
Costruzione della centrale: 7-10 anni
Periodo di funzionamento (salvo incidenti): 40-60 anni
Tempo di attesa per lo smantellamento: 50-100 anni
Pericolosità delle scorie radioattive: 10-100 mila anni
Col referendum del 12-13 giugno 2011 gli italiani hanno deciso di rinunciare all’energia nucleare
Aumento dell’efficienza
Possibili azioni
Risparmio energetico
Energia nucleare
Energia solare e altre fonti rinnovabili
Possibili soluzioni
Energia solare e altre rinnovabili
Energia solare direttaCaloreEnergia elettricaEnergia chimica
Energie solare indirettaIdroelettricaEolicaBiomasseGradienti di temperatura (oceani)
Energia dalle maree
Energia geotermica
- tecnologia semplice - il vento non costa nulla- non c’èdissipazione di calore- si costruiscono in breve tempo-si possono installare sulla terra o in mare- oggi è il modo piùeconomico per produrre energia elettrica
Energia eolicaAlla fine 2011:- potenza installata 239 GW (+ 21%)- energia generata 512 TWh/anno, equivalente a quella generabile da 75 reattori nucleari da 1000 MW usati a tempo pieno.
La potenza eolica installata in Spagna è 3 volte superiore a quella installata in Italia.
La Cina per il 2020 prevede di generare con l’eolico una quantità di energia doppia di quella generata dal nucleare.
- La Terra riceve dal Sole in 1 ora una quantità di energia pari a quella che l’umanità consuma in 1 anno!
- Il Sole brillerà per 4,5 miliardi di anni!
- L’energia solare è ben distribuita su tutta la Terra.
L’astronave Terra
L’energia solare è diffusa su tutti i luoghi della Terra
Roma 1.5
Londra 1.0Mosca 0.8
Problemi dell’energia solare
Intermittenza: giorno-notte, sole-nuvole: necessità di sistemi di accumulo di energia.
Bassa potenza: 170 W/m2 ; necessità di concentrazione.
Conversione in forme utili di energia: necessità di aumentare l’efficienza di conversione.
Elettricità(pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione)
Combustibili(biomasse, fotosintesi artificiale)
Calore(pannelli termici)
Conversione dell’energia solare
Elettricità (pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione)
Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale)
Calore (pannelli termici)
• 2 m2 per famiglia
• 3000-5000 €
• - Installati nel mondo (2010): 185 GWth
- In Austria 512 m2/1000 abitanti, in Italia 34 m2
Andalusia, Spagna
30 MW
Produzione di energia fotovoltaica
- Potenza installata nel mondo (2011): 67,4 GWp(+67%)- Elettricità prodotta nel mondo: 80 TWh,equivalente a 10 centrali nucleari da 1000 MW operanti con continuità
- In Italia, alla fine del 2011 la potenzainstallata era di 12,5 GWp, con produzionedi energia elettrica per pari al 4,1% del consumo nazionale, equivalente alla produzione di 1 centrale nucleareda 1500 MW operante con continuità)
Grid Connected
$3811MM
51%
60%
Nei paesi del Terzo Mondo, dove manca un’infrastruttura per la produzione e distribuzione dell’elettricità, i pannelli fotovoltaicipossono costituire una soluzione, almeno parziale, al fabbisogno di energia elettrica di due miliardi di persone.
Requisiti richiesti alla fonte energetica necessaria per custodire il pianeta
- abbondante
- inesauribile
- ben distribuita
- non pericolosa per l’uomo e per il pianeta (né oggi, né in futuro)
-capace di:favorire lo sviluppo economico colmare le disuguaglianzefavorire la pace
Energia solare
Sì
Sì
Sì
Sì
SìSì
Sì
- Efficienza energetica
Come risolvere il problema energetico
- Sviluppo dell’energia solare e delle altre energie rinnovabili
- Risparmio
energia prodotta in un anno
da un modulo PV di 1 kWp
Basterebbe coprire di pannelli fotovoltaici lo 0.8% del territorio per soddisfare tutti i consumi nazionali di elettricità.
L’Italianon ha carbone,non ha petrolio, non ha metano, non ha uranio …ha tanto sole
Potenziale fotovoltaico in Italia
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2006 2020 2030
rinnovabili convenzionale efficienza
Risparmio e efficenza
2008 2020 2030
Mte
p
110
184
Fonti convenzionali (combusibili fossili)
Energie rinnovabili
190
Strategia energetica per l’Italia
Piano per la riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO2
lo statista guarda invece a tutta la Terra e anche alle prossime generazioni.
Il politico e lo statista
Il politico guarda alla sua nazione e alle prossime elezioni,
Agisci sempre come se le tue azioni
facessero la differenza.
La fanno.
William James
Concern for man himself and his fate must always constitute the chief objective of all scientific endeavors. Never forget this in the midst of your diagrams and equations.
A. Einstein
Se conoscessi tutti i misteri e tutta la scienza, e possedessi la pienezza dellafede così da trasportare le montagne, ma non avessi la carità, non sono nulla.
san Paolo
2011
Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani
WILEY-VCH
2011
Energie rinnovabili
Consumo di energia totale mondiale
cubi bianchi: tecnicamente utilizzabile
cubi grigi: potenzialmente disponibile
Materiali in quantità limitata
Rame (Cu): fili elettrici, pannelli FV
Litio (Li): batterie
Neodimio (Nd): pale eoliche
Platino (Pt), Rodio (Rh), Iridio (Ir): idrogeno
Tellurio (Te), Indio (In), Gallio (Gd): semiconduttori
Elettricità (pannelli fotovoltaici,metodi a concentrazione)
Combustibili (biomasse, fotosintesi artificiale)
Calore (pannelli termici)
BIOMASSEPer ottenere combustibili
BIOETANOLO da granoturco, canna da zucchero, barbabietola)
BIODIESEL da olii vegetali: colza, girasole, soia, palma, ecc.)
Bioetanolo da cellulosa: studi in fase avanzata
arare, seminare, irrigare, fertilizzare, raccogliere, trasportare, trasformare, distribuire, …INGRESSO
USCITA
BILANCIO
ATTENZIONE: Abbiamo un guadagno energetico?
biocombustibile
H2 + O2
HO2
EnergiaLucesolare
Artificial photosynthesisArtificial photosynthesisphotochemical water splitting
Sun light
energy
H2+1/2O2 (combustion) → H2O + heat
H2+1/2O2 (fuel cell) → H2O + electr.
fuel
a closed, pollution free energy cycle
Water splitting by sunlight, of course,is not a straightforward process, otherwise it would already happen in Nature. The the emission spectrum of the sun does not overlap the absorption spect of water, so that direct water dissociation by sunlight cannot take place
Sol
ar e
mis
sion
spec
trum
direct
H2O + UV light UV light H + OH
--------------------------------------------------------
IR
Vis
UV
------- Onset of the absorption spectrum of water ----------------
direct
H2O + sunlightsunlight ----/ /------→
farUV
photosensitizerP
H2O + sunlightsunlight 1/2 H2 + 1/4O2
H2O + 1.23 eV (1010 nm) 1/2H2 + 1/4O2
Schematic representation of photosensitized water splitting (artificial photosynthesis)
2H2O + 4 hν → 2 H2 + O2
2011
Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani
WILEY-VCH
Appello al Governo
Le scelte energetiche
per il futuro dell’Italia
http://www.energiaperilfuturo.it
Firmato da più di duemila ricercatori delle università e centri di ricerca italiani
Appellowww.energiaperilfuturo.it
- Informare i cittadini riguardo la gravità della crisi energetica e climatica.
- Educare al risparmio energetico e promuovere un uso più efficiente dell’energia.
- Rinunciare al velleitario e pericoloso rilancio del
nucleare.
- Favorire un sempre più rapido sviluppo delle energie rinnovabili ed in particolare dell’energia solare.
Fine 2010: 17 GWpInstallato nel 2010: 7200 MWp
Fine 2010: 3,2 GWpInstallato nel 2010: 2200 MWp
Al 9/9/2011: 10 GWpInstallato nel 2011: 6800 MWp
6/10/2011 : 19,0 GWpInstallato nel 2011: 2000 MWp
0,1%0,3%
1,2%
3,7%
PV su consumo elettrico
PV installato nel 2011fornisce una quantità di energia equivalente alla produzione di una centrale nucleare da 1000 MW
al 6/10/2011: 11 GWpInstallato nel 2011: 7800 MWp
4,1%
GERMANIA
ITALIA
2 1 - g i u
2 1 - m a r
2 1 - d i c
Produzione di energia fotovoltaica
18 Ottobre 2009 6 Ottobre 2011
Costo incentivi annuali 2011: 4,2 miliardi euro
Risparmi sui prezzi di trading: 3-4 miliardi euro/anno (dalle 7,00 alle 17,00)
2 1 - g i u
2 1 - m a r
2 1 - d i c
Risparmi su emission trading: circa 120 milioni euro/anno
Risparmi su acquisto di combustibile: circa 1,1 miliardi euro/anno
280 mila piccoli/medi impianti Leonardo Setti
Il 60% torna nelle casse dell’erario attraverso meccanismi fiscali
