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ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA

ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA. Prof. Pietro Dalpiaz Dipartimento di Fisica Università di Ferrara. Firenze 23 Novembre 2011. 24 Dicembre 1968. Siamo veramente molto isolati, quanto un’astronave nello spazio,. La Terra fotografata da 6 miliardi di Km di distanza: (la distanza da Plutone)

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ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA

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  1. ENERGIA, SOCIETÀ ed ECONOMIA Prof. Pietro Dalpiaz Dipartimento di Fisica Università di Ferrara Firenze 23 Novembre 2011

  2. 24 Dicembre 1968

  3. Siamo veramente molto isolati, quanto un’astronave nello spazio, La Terra fotografata da 6 miliardi di Km di distanza: (la distanza da Plutone) una nicchia di vita in un’immensità di materia inanimata con 6.5 miliardi di passeggeri e senza possibilità di rifornimenti.

  4. 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. 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?

  5. Potenza di un uomo ~ 60Watt Equivalente a una lampadina da 60 Watt Se lavora senza sosta 10 ore accu-mula 0,6kWatt/ora (12 cent. di euro). Indurain 600 Watt, Cipollini 1200Watt x4 energia disponibile al principe medioevale 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 ~300 persone 8 ore/giorno

  6. TV Lavatrice La potenza a ns. disposizione: gli “schiavi energetici”* Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna http://www.isof.cnr.it/photoscience/Nicola.Armaroli/articles/KOS%20Dic%202005.pdf

  7. Auto 115 CV a 100 Km/h 1600 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

  8. Boeing 740 al decollo 1.6 MILIONI di schiavi energetici Nemmeno un imperatore avrebbe potuto permetter-selo Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

  9. Luce calore carbo idrati movimento L’ENERGIA -Dove si trova? -Come si trasforma? -Come si accumula? Cosa lega questi soggetti? Come si arrivati a capire?

  10. 500.000 anni fa l’Homo Erectus è riuscito a dominare il FUOCO ed 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

  11. per sfregamento come si ottiene CALORE in altro modo? ? MOVIMENTO CALORE

  12. ANIMALI e UOMINI SCARSE RIEQUILIBRIO < 5.000.000 di abitanti POPOLAZIONE CRESCENTE risorse Con la tecnologia dell’età della pietra 10.000 anni fa con l’allevamento e agricoltura, l’UOMO, ricava civiltà La civiltà consuma ENERGIA sia per le infrastrutture che per mantenere gli amministratori, ecc. energia dal TERRITORIO Molta più ENERGIA dal TERRITORIO popolazione x 100 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.

  13. - 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. La nostra civiltà europea +4 CARBONEFOSSILE + MACCHINA A VAPORE RIVOLUZIONE INDUSTRIALE MANIFATTURE E TRASPORTI Tecnol. Ferro -4 In Inghilterra che era particolarmente ricca di carbone si iniziò ad utilizzarlo anche se era considerato puzzolente. Un minatore estrae 1ton di carbone/giorno 1 kWatt.ora 10.000 kWatt.ora • Nel XIV e XV sec la miniglaciazione (freddo) • provocò delle serie difficoltà energetiche • specialmente nel nord Europa.

  14. CO, gas di città illuminazione stradale metropoli trasporti industria 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. Inghilterra, Francia, Belgio, USA (Germania) possedevanoFerro e Carbonee la tecnologia per sfruttarlo, ebbero enormi vantaggi rispetto agli altri.Durante tutto l’800 questi paesi hanno dominato militarmente il mondo, colonizzandolo. centralizzazione POPOLAZIONE X 10

  15. Scendendo in miniera le gallerie erano invase dall’acqua,tolta con pompe aspiranti mosse da uomini o da animali. scarseggiava il legname, fonte primaria di energia, si iniziò ad usare la torba ed il carbone, affiorante. 1600 pistone cal- daia condensatore 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 valvole e dei regolatori da lui inventati. Efficienza~20% Ebbe un enorme successo! È diventata il cavallo di 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 -per funzionare le macchine a vapore devono lavorare tra due distinte temperature T1 < T2 analogamente ad una cascata di acqua che può produrre lavoro solo tra due altezze diverse h1 < h2. T2 T1 h2 – h1 = Δh T2 – T1 = ΔT MOVIMENTO ENERGIA LAVORO

  17. PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA Tc-Tr Tc Efficienza < I - In un sistema isolato l’ENERGIA TOTALE si conserva. Certo, l’energia si conserva, ma in questo caso 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 trasferisce spontaneamente calore da una sorgente fredda ad una calda motore Lavoro Qr 200C Refrigeratore Tr

  18. L’entropiadi un sistema è proporzionale al numero di stati possibili che il sistema può assumere, gli stati desiderabili sono sempre molto pochi. L’entropia da una misura dell’ordine o della caoticità del sistema. Dall’esperienza popolare è ben noto che: Se non si agisce, le cose vanno di male in peggio energia disordinata (inutile) entropia alta. PROCESSO IRREVERSIBILE 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. entropia bassa energia ordinata (utile)

  19. Forme di Energia: CALORE FONTI FOSSILI DI ENERGIA Deposito di energia trasporto e decentralizzazione ACQUA TIEPIDA LEGNO e TORBA CARBONE PETROLIO GAS NATURALE NUCLEARE LUCE IDROGENOIDROELETTRICO ELETTRICITÀ LAVORO UMANO E NTROPIA

  20. ORDINE entropia bassa Esseri viventi o società. SCORIE APPLICHIAMO IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: ENERGIA Se disponessimo di sufficiente energia non ci sarebbero problemi ad eliminare le scorie, ed a procurarci le materie prime DISORDINE entropia alta

  21. Luce CO2 H2O metano Luce CO2 CO2 H2O concime cenere All’equilibrio: le scorie di una specie sono alimento delle altre. o2 Se una specie è troppo numerosa o consuma molta energia: le sue scorie non sono eliminate e si rompe l’equilibrio.

  22. È importante fermarsi a riflettere prima che accada. AMBIENTE ECONOMIA

  23. INDUSTRIA ABITAZIONE Consumo globale umano di energia TRASPORTI 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.

  24. produzione e consumo di energia nei secoli combustibili Fossili prodotti in 200.000.000 di anni consumati in 200 anni ? agricoltura ? -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 anno

  25. Potenza irrag.=1.4 KW/m2 1/3 riflessa SPAZIO -270OC 6000oC 6600Km 1.3x1014m2 3.1015KWh/g LUCE ED ENERGIA 1 KW/m2 consumo globale umano=3.1011KWh/g 14oC -60oC ~500oC 1 KW/m2 riflessa effetto serra zero e.s.0 - 30oC effetto serra totale 0.4 KW/m2 2 KW/m2 e.s.t. 250oC Marte Terra Venere Efficienza ~ 10- 6 CALORE VENTO PIOGGIA FULMINI URAGANI VEGETALI PER FOTOSINTESI

  26. resa • energetica • 4 • 1 • calorie L’agricoltura moderna trasforma: PETROLIO CIBO efficienza 10% Agricoltura: bilancio energetico: periodo fino al 1900 2000 mecca- nizzata resa per ettaro 4q di grano 80q di grano ore di lavoro umano 800 8

  27. OGGI I PASSEGGERI DELL’ASTRONAVE TERRA • La maggioranza della popolazione vive nelle nazioni “meno sviluppate” • Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno (dati U.S. PRB) Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

  28. Perché la popolazione è aumentata? ~5000 lavoratori • Nel XXsec l’uso del petrolio aumenta la produttività • dei terreni per aratura profonda, irrigazione ……….. • 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: “keepgrowing“ 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

  29. 3.1011kWh/giorno=300TWh/giorno idro 7% petrolio 40% nuc 7% gas naturale 23% carbone 22% CONSUMO PERSONALE Fossile 92% ACQUA CALDA 8% 31% 53% AUTO 8% RISCALDAMENTO LUCE ED ELETTRODOM.

  30. 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) Produzione di elettricità al 31/05/08 (fonti IAEA)

  31. IL PETROLIO Marco Polo Il Milione Baku, affiora olio nero: illuminazione -27/8/ 1859 E.L.Drake Titusville, Penn.USA con trivella artigianale trova petrolio a 12m, 20 /g Kerosene: illuminazione L’invenzione da parte degli Europei (Bersanti) delmotore a combustione interna alimentato a benzina, (sotto- prodotto volatile ed allora inutile del petrolio)introdusse il PETROLIO come fonte primaria di energia. EFFICIENZA <33% Potenza / Peso M.C.I.>>M.Vap. Il PETROLIO ha dato agli USA, che ne posse- devano riserve enormi e la tecnologia per usarlo, un vantaggio che ancora permane.

  32. 0.43 €/litro Meno caro di… costo BENZINA ca. 1.5 €/l (65 % tasse!!!) IL PETROLIO E’ TROPPO CARO !!! O NO …? costo PETROLIO: 95 $/barile Molto più economica di … Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

  33. Andamento nelle scoperte dinuovi giacimenti di petrolio 1930-2040 Peak oil Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

  34. La tecnologia ci permette di esplorare sempre più in profondità e di aumentare l’efficienza, MA C’E’ UN LIMITE !!!! Nel 1970 si estraeva il 22% di un giaci-mento ora il ~40%: -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 Il petrolio si esaurirà in decine di anni

  35. Produzione annuale di liquidi combustibili da fonti fossili Con resa per estrazione del ~45% Con resa per estrazione del ~60% Miliardi di barili / anno 50 40 30 20 10 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Dati storici, con resa per estrazione del ~30%

  36. Gas Naturale. L’Italia con l’AGIP è stata pioniera % riserve gas naturale 36 38 5 5 8 3 7 Europa S.Amer. N.Amer. Africa Asia P. Golfo P. Russia 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 “Circa il 44% delle riserve provate mondiali di gas è concentrato in circa 20 campi mega e supergiganti”. IL GAS NATURALE SI ESAURISCE SENZA PREAVVISO rete

  37. giacimenti produttivi Riserve superiori al petrolio (anche in USA ed Europa) CARBONE: Rete europea del gas, un’infrastruttura fragile … 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 1018J USA 1930 5 23 USA 1970 PETROLIO ENERGIA 15 USA 2000 13 IMPORTATO 1970 30 IMPORTATO 2005 Alaska >1 27 CARBONE 2005 2 LEGNO 3 IDROELETTRICO >1 EOLICO Ritorno energetico 20 GAS NATURALE R = 8 NUCLEARE Investimento energetico >1 Fotovoltaico >1 Biodisel ed etanolo R R costi

  39. Emissione dal combustibile 362 1200 Emissione indiretta per costruzioni ed esercizio 1000 1017 176 Grammi di CO2 per kWh elettrico I due valori rappresentano l’intervallo di variabilità dipendente dalla tecnologia 790 113 575 400 77 362 280 236 200 48 4 10 21 9 100 Carbone Gas Idro Solare Vento Nucleare Le emissioni di gas serra per produrre 1kWh elettrico

  40. Morti per TWy per la produzione di energia elettrica (analisi sul periodo 1970-1992)

  41. Concentrazione degli Ossidi di Azoto Foto satellitare 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 !!!!

  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. massa energia materia deposito di energia CHE COSA è L’ENERGIA? E = mc2 1905 - A. Einstein Tutte le forme di energia che sfruttiamo, provengono dalla conversione di massa in una forma di energia.

  44. Senza conoscere queste leggi, l’uomo ha sfruttato la COMBUSTIONE 2H2+O2 = 2H2O petrolio,carbone C+O2=CO2 effetto serragas naturale,legna S+O2=SO2 tossico(solo nella polvere da sparo) CO2 C+O2 C+O2 energia + CO2 La COMBUSTIONE è una reazione chimica 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. Del petrolio, di una petroliera di 100.000 ton. Usiamo solo 30g per fare energia, il resto scorie (CO2)+1curie

  45. ENERGIA DAI NUCLEI ATOMICI I nuclei sono tenuti insieme da forze almeno un milione di volte più forti di quelle che tengono insieme le molecole. n p MASSA/nucleoni (protone o neutrone) U Fe Se fondo nuclei leggeri per farne uno pesante oppure se divido uno molto pesante in altri più leggeri, libero, molta energia di legame peso atomico

  46. FUSIONE NUCLEARE (NUCLOSINTESI STELLARE) e+ e+ 3 4He 12C 4 1H ENERGIA + 4He 4 1H 4He 12C+ 4He 16O ITER 1.5t/H2 15m3/H2O consumo mondiale/giorno 1925-Eddington: la fusione nucleare fa brillare le stelle: Fusione: Energia liberata: 0.6% della massa Il Sole consuma l’1% della sua massa in 1010anni ~109ton H/s

  47. ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE Molte ricerche in corso + + + + + T2 T1 D + p 3He + energia D + T He + n + en. Le prove di laboratorio con reazione D+T che avviene alla temperatura più bassa 30g 5 Kg energia scorie 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 per fusione inerziale dei Sandia Laboratory che recentemente ottenuto la fusione Non ci si aspetta che questi esperimenti portino rapidamente ad una fonte commerciale di energia.

  48. -1934 E.Fermi Sr+Xe +2n U + Energia (~10/00) neutroni lenti La fissione nucleare 235U + n → 236U → 144Ba + 89K + 2/3n + 211.5 MeV → 137Cs + 90Sr +…… La reazione a catena

  49. Reattori nucleari raffreddati ad acqua a pressione 30 g di energia30 kg di scorie 1g di 235U da calore come 3tonnellate di Carbone Condensatore Barre di controllo

  50. RISERVE 235U RISERVE PETROLIO per decine di anni RISERVE 238U per centinaia di anni RISERVE Torio(Th) per migliaia di anni = x150 Con reattori a neutroni veloci (alta temperatura) aumentano le riserve di un fattore ~ 600 Meno scorie e con vite medie di centinaia di anni! Non come nei reattori lenti con centinaia di migliaiadi anni. Sicurezza intrinseca!!!! Agli attuali consumi riserve per almeno 3000 anni x4

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