Esiste un futuro sostenibile per energia e risorse - MUSE

Esiste un futuro sostenibile per
energia e risorse ?
di Claudio Della Volpe
DIMTI, UniTn e ASPO-Italia
Cosa sono?
• con il termine energie rinnovabili si intendono
quelle forme di energia generate da fonti che
per loro caratteristica intrinseca si rigenerano
o non sono "esauribili" nella scala dei tempi
"umani" e, per estensione, il cui utilizzo non
pregiudica le risorse naturali per le
generazioni future
• (da Wikipedia)
Più in generale: Risorse rinnovabili e
non rinnovabili
• Risorsa: Ogni mezzo con cui è possibile
provvedere a un bisogno, a una necessità
• Non rinnovabile: è una risorsa naturale che
non può essere riprodotta o generata su una
scala che può sostenere la sua velocità di
consumo
• Rinnovabile: è una risorsa naturale che può
essere riprodotta o generata su una scala che
può sostenere la sua velocità di consumo
Sostenibilità
• La commissone Brutland (nominata dall’ONU,
1987):
"(...) uno sviluppo che soddisfi i bisogni del presente
senza compromettere le capacità delle
generazioni future di soddisfare i propri e i cui
obiettivi devono essere definiti in termini di
sostenibilità in tutti i paesi, sviluppati o in via di
sviluppo che siano, a economia di mercato o a
pianificazione centralizzata."
Modello degli stocks.
Energia e materia
• Né l’energia, né la materia vengono distrutte
dall’uso tecnologico che ne facciamo ma
entrambe si trasformano in modo da divenire
meno disponibili:
• -l’energia diventa calore a bassa temperatura, la
forma meno nobile e ritrasformabile di energia
• -la materia viene rimescolata o dispersa in basse
concentrazioni nell’ambiente e il suo recupero
non è impossibile ma molto, molto costoso dal
punto di vista energetico
Differenza fra materia ed energia
• La degradazione dell’energia è necessaria, una
legge di natura, il cosiddetto secondo principio
della termodinamica
• La degradazione della materia dipende dal
nostro uso disattento ed eccessivo delle
risorse minerali e la situazione può essere
molto migliorata
Lo sviluppo finora.
Tom Murphy prof.
associato di fisica alla
University
of
California, San Diego;
dirige un progetto
sulla verifica della
relatività usando gli
specchi che l’Apollo
lasciò sulla Luna.
Il tasso di sviluppo
medio negli ultimi
350 anni per il
consumo di energia
in USA: 2.9%
La crescita esponenziale
Per rappresentare gli andamenti molto veloci si usa il grafico semilogaritmico,
a sinistra la scala verticale cresce linearmente, a destra logaritmicamente e la curva
esponenziale diventa una retta, mostrando il carattere costante della crescita
Per ogni ciclo di crescita uno sviluppo del 2.9% corrisponde ad incrementare l’esponente di
consumo dell’energia dopo n cicli = (1.029)n
E’ il medesimo meccanismo dell’interesse composto.
Cosa succederebbe se
continuassimo così……
(in realtà al 2.3%)
?
Risorse e Natura
• Come si comporta la Natura nell’uso delle proprie
risorse?
• In Natura esistono grandi cicli che riguardano
tutte le sostanze importanti, cicli la cui durata è
molto lunga, costituiti spesso di altri cicli, più
piccoli, e che consentono di riusare integralmente
i materiali e gli elementi, anche attraverso la
spesa dell’enorme flusso energetico solare che
attraversa il sistema della biosfera.
Risorse e Natura
• Un esempio il ciclo del carbonio:
Risorse e Natura
• Un esempio il ciclo dell’azoto:
Attività umane e risorse
• Qui la situazione è molto più articolata; in
genere non esistono cicli di riuso e riciclo:
sorgent
e
Ooops!
pozzo
Cosa succede alle risorse non
rinnovabili od usate in modo “non
rinnovabile”?
• C’è un comportamento comune: andremo
incontro ad un “picco” della risorsa, ossia ad
un certo punto , nonostante tutti gli sforzi,
nonostante lo sviluppo della tecnologia la
produzione comincerà a diminuire.
• Vediamo qualche esempio:
Energia e storia
Fino al XVIII secolo l’energia necessaria alla società umana è stata prevalentemente
di origine non -fossile.
Tuttavia materiali come la torba o la pece, e lo stesso carbone o il gas naturale
erano conosciuti da millenni (fuoco greco, etc)
Le emanazioni naturali di depositi superficiali hanno addirittura dato origine a
religione e cultura. Marco Polo rivela il petrolio alla società occidentale nel Milione:
“ …e in queste confine è una fontana, ove surge tanto olio e in tanta abbondanza che 100
navi se ne riempirebbero alla volta…”
Tempio degli adoratori
del fuoco o di Ateshgah,
Baku, Azerbaijan
È da notare che le
sorgenti di gas naturale
del tempio
si sono esaurite nel 1880,
Il tempio è stato poi
ricostruito per i turisti
Dinamica delle risorse: olio di balena
U. Bardi - PRICE TRENDS OVER A COMPLETE HUBBERT CYCLE: THE CASE
OF THE AMERICAN WHALING INDUSTRY IN 19th CENTURY.
Dinamica delle risorse: il carbone britannico
Dinamica delle risorse:il petrolio
• Petrolio USA
Dinamica delle risorse:il petrolio
• Petrolio Norvegia
Dinamica delle risorse: il mercurio
Il mercurio
potrebbe essere
sostituito in
alcune
applicazioni dal
gallio, che è pure
liquido a bassa
temperatura,
specie se in lega
con In e Sn;
molto più raro. E
costoso.
Fonte: elaboraz.
dati USGS
Dinamica delle risorse: le rocce fosfatiche
Non sono
fungibili,
cioè sostituibili
con altri elementi
nella applicazione
principale:
concimi sintetici.
Fonte: elaboraz.
dati USGS
Picco di una risorsa
Picco di una risorsa
• Il picco di un risorsa quindi non corrisponde
all’esaurimento della risorsa, ma al momento
di massima produzione; dopo quel momento
la produzione non potrà che diminuire
• Il modello di crescita logistico è basato sulla
nozione che la crescita istantanea è
proporzionale alle dimensioni attuali della
popolazione ed alla frazione di risorse ancora
disponibili nell’habitat.
Curva logistica o di Verhulst
Modello di popolazioni, tumori, distribuzione di Fermi,
reazioni autocatalitiche del tipo A+B  2A
Nel caso delle risorse la produzione è quindi proporzionale sia alla quantità
già estratta che a quella da estrarre ancora; perchè?
La produzione della risorsa dipende dalla quantità già estratta, quindi dalla
esperienza acquisita, dal capitale investito
e da quella ancora da estrarre, dalle aspettative di mercato residue, dai prezzi
che si possono spuntare.
Petrolio  CO2
• Un caso in cui abbiamo problemi sia con le
sorgenti che con i pozzi:
• Le sorgenti ossia i depositi di petrolio (e di altre
risorse fossili) si riducono e le scoperte diventano
minori delle necessità: siamo al “picco del
petrolio”.
• I pozzi, le zone dove si scaricano i residui di
combustione, ossia l’atmosfera, vedono un
aumento di concentrazione dei residui: l’anidride
carbonica e gli altri gas serra, con effetti sul clima.
Un po’ di tecnologia
•
•
•
Energia geotermica
Energia idroelettrica
Energia marina
–
–
–
–
–
•
Energia delle correnti marine
Energia a gradiente salino (osmotica)
energia mareomotrice (o delle maree)
energia del moto ondoso
energia talassotermica (OTEC)
Energia solare
– Solare termico e termodinamico
– Solare fotovoltaico
•
•
Energia eolica
Energia da biomasse (o Agroenergie)
– Biocarburanti, Gassificazione
– Oli vegetali
– Cippato
•
Energia o cogenerazione da acqua di falda
Situazione italiana: energia elettrica
Situazione italiana complessiva, 2010
Energia totale consumata:circa 200 MTEP
(1MTEP=11.6TWh) ossia circa 2300TWh
Di cui elettrica: 326 TWh (eq. a oltre 800TWh
termici, 1/3 circa)
Di cui rinnovabile 23%!!
Rinnovabile
italiano è
il 23% di tutto
l’elettrico e 9%
del totale;
eolico+ FV=3%
dell’elettrico
e l’1% del totale.
Consumo Italiano
Ce la faremmo stanotte solo con le
rinnovabili?
Sviluppo esponenziale delle energie
alternative: è sostenibile?
Alcuni vantaggi delle rinnovabili
• Producono una quantità molto ridotta di gas
serra, solo nella fase di produzione del
dispositivo.
• Hanno un EROEI elevato (l’EROEI è è il rapporto
fra energia prodotta dal dispositivo e quella usata
nella sua costruzione)
• Producono una quantità di energia molto più
grande di quella che ci serve adesso
• Sono al principio della loro parabola tecnologica e
quindi potranno migliorare certamente
Alcuni limiti delle rinnovabili
• Sono in genere incostanti nel tempo; questo
obbliga a installazioni più numerose e a
sviluppare sistemi di accumulo
• Alcune occupano una grande superficie
• Occorre investire parecchio nella loro
produzione
• Occorre migliorare le caratteristiche della rete
di connessione per adeguarle a quelle dei
generatori (che sono incostanti)
Come superare i limiti delle
rinnovabili?
• Modificare la rete di connessione
• Usare un sistema complesso, che usi tutti i
diversi tipi di generatori, così da coprirne
reciprocamente le manchevolezze
• Sviluppare il risparmio energetico in modo da
ridurre la potenza installata necessaria
• Sviluppare la ricerca scientifica a riguardo per
ottenere risultati migliori
Qualche informazione
Quanto FV serve?
Nuovi tipi di dispositivi:
Kitegen generatore eolico ad aquiloni
Kitegen Stem, un generatore da 3 MW
è in costruzione a Sommarive Perno, in
provincia di Cuneo, a sin. l’inventore,
Ing. Massimo Ippolito
E’ una invenzione tutta italiana
Biocombustibili e idrogeno
• I biocombustibili di 1 generazione (alcool da
mais e simili) ha un EROEI <1
• I biocombustibili di 2 generazione (da piante
non commestibili) hanno comunque una
enorme occupazione di territorio
• L’idrogeno come accumulatore di energia ha
una bassa efficienza, inferiore a quella
dell’elettricità.
Dove siamo?
Dove siamo?
Esistono anche altri problemi:
• L’acqua e la sua carenza;
• La produzione mondiale pro-capite di cibo;
• La povertà e la fame che assillano buona parte
dell’umanità;
• La mancanza di istruzione e di diritti politici e
sociali;
• I problemi di genere (diritti delle donne);
Le energie rinnovabili possono
risolvere anche i problemi delle risorse
minerali e gli altri problemi?
Limiti della crescita
Meadows conclude che da sola la tecnologia non basta
e che occorre rivedere il modo di produrre e consumare
Tecnologia ed organizzazione sociale
• Vapore come forza motrice, conosciuto fin dal 2
sec. A.C. (Erone, età ellenistica) applicazione
pratica di massa: rivoluzione industriale
• Celle a combustibile, celle fotovoltaiche
conosciute fin dal 1839; diventano di uso pratico
solo nel nostro secolo.
• Esiste una relazione fra tecnologie di massa ed
organizzazione sociale?
• L’età dei combustibili fossili <-> la democrazia;
l’età delle rinnovabili ??? quale organizzazione
sociale?
Conclusione
• L’introduzione delle energie rinnovabili può
aiutarci a risolvere la crisi energetica ed
ambientale,
• Ma lascia irrisolto il problema delle risorse
minerali (per esempio il fosforo); e molti altri
problemi;
• Occorre modificare profondamente il nostro
modo di produrre, considerando che il nostro
pianeta NON E’ INFINITO e che la produzione non
può continuare a crescere quantitativamente per
sempre.
da "Energy for a sustainable world" di
N. Armaroli e V. Balzani
• "Per vivere nel terzo millenio abbiamo bisogno di
paradigmi sociali ed economici innovativi e di
nuovi modi di guardare ai problemi del mondo.
Scienza, ma anche coscienza, responsabilità,
compassione ed attenzione, devono essere alla
base di una nuova società basata sulla
conoscenza, la cui energia sia basata sulle energie
rinnovabili, e che siamo chiamati a costruire nei
prossimi trent'anni. L'alternativa, forse è solo la
barbarie."