Esiste un futuro sostenibile per energia e risorse ?

di Claudio Della VolpeDIMTI, 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 curvaesponenziale diventa una retta, mostrando il carattere costante della crescitaPer 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:

sorgente

pozzo

Ooops!

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 storiaFino 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 adoratoridel fuoco o di Ateshgah,Baku, Azerbaijan

È da notare che le sorgenti di gas naturaledel tempiosi sono esaurite nel 1880, Il tempio è stato poiricostruito 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 mercurioIl 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."