STMicroelectronics

Coherence 2011

Roma, 14 dicembre 2011

U. Mastromatteo

STMicroelectronics – Health & Energy - Fellow

Apr 11, 2023 2

argomenti

Generalita' sull'energia;

Fonti di energia primaria e ripartizione;

Combustibili fossili;

Energia solare, Biomassa e fotosintesi;

Clima.

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Energia: capacità di un sistema di compiere lavoro.

Non si consuma energia per produrre lavoro: Si trasforma energia da una forma ad un’altra e/o si trasferisce energia da un sistema ad un altro.

Lab = Integrale da “a” a “b” di (F × dl) dimensioni: [L] = [E] = [F] [l] = [massa] [lunghezza]2[tempo]-2

unità: 1J = 1N 1m (MKSA); 1erg = 10-7J; 1kcal = 4.18 103J; 1kWh = 3.6 106J; 1tep = 4.3 × 1010J = 11.6 MWh Lavoro necessario per sollevare 10 Kg di 1 m: m g h = 98.2 J Scaldabagno da 80 l da 20°C a 80°C: mCT = 4.8 103 kcal = 5.6 kWh Contenuto energetico di un litro di benzina: 3.4 107J @ 10 kWh

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UNITÀ DI MISURA - SISTEMA INTERNAZIONALE (SI)

SISTEMI TECNICI, Energia•kcal e multipli 1 kcal = 4,186 kJ = 3,968 BTU

•kWh e multipli 1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal

•tep (tonn. equiv. petrolio) e multipli 1 tep = 107 kcal = 39,68 MBTU1 tep = 11,63 MWh(t ) = 4,65 Mwh(e)

•BTU (British Thermal Unit) e multipli 1BTU = 1,055 kJ = 0,252 kcal

•barili al giorno (bl/d) e multipli 1 Mbl/d ≈ 50 Mtep per anno

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Coefficienti di conversionePETROLIO

1 barile = 159,0 litri ≈ 1/7,3 tep1 Mbl/d ≈ 50 Mtep/annopeso specifico petrolio 0.86 Kg/litro circa

GAS NATURALE1 mc ≈ 9,10 Mcal (Potere Calorifico Superiore)1 mc ≈ 10,6 kWh 1 MBTU ≈ 27,7 mc

CARBONE1 t = 1 tec ≈ 0,67 tep

 ENERGIA ELETTRICA

all'uso finale: 1 kWh = 860 kcalalla produzione: 1 kWh = 2.200-2.300 kcal

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Contenuto energetico dei carburanti per autotrazione

MJ / kg MJ / m3

Benzina 43,96

Gasolio 42,50

GPL 45,55

Gas naturale 34,12

Biodiesel 37,70

Metanolo 19,80

Etanolo 27,00

MTBE 35,28

ETBE 36,00

Apr 11, 2023 7

argomenti

Generalita' sull'energia;

Fonti di energia primaria e ripartizione;

Combustibili fossili;

Energia solare, Biomassa e fotosintesi;

Clima.

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1010 tep = 4.211020J = 1020 cal = 1.171014 kWh = 4.66 Tc2

Potenza: (1 a = 3.15107 s); 1010 tep/ 3.15107 s = 317 tep/s = 13.31012 W = 148 mgc2/s

Popolazione mondiale: 6109 persone Potenza individuale: 2200 W/persona = 0.78 mgc2/a/persona

Una centrale nucleare tipica produce 1 GWe

Lavoro compiuto in media da un uomo in un giorno: 1.7 MJ 400 kcal. Potenza media “erogata”: 20 W = 0.9% energia “consumata”

Energia consumata nel mondo (anno 2000)

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Elettricità Svizzera Italiana A. Romer / Bellinzona, primavera 2003

Carbone 23,5%

Petrolio34,8% Gas naturale

21,1%

Rinnovabili13,8%

Nuclea

re 6,

8%

Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)

LE QUOTE DI ENERGIA PRIMARIA NEL 2000LE QUOTE DI ENERGIA PRIMARIA NEL 2000

Altri 0,5%

Forza idrica2,3%

- Biomassa - Prodotti animali- Derivati di biomassa- Rifiuti

11,0%

Vento 0,026%

Geotermia 0,442%

Marea0,004%

Sole 0,039%

Apr 11, 2023 10

Elettricità Svizzera Italiana A. Romer / Bellinzona, primavera 2003

Carbone 39%

Petrolio 8%

Gas naturale 17%

Nucleare 17%

Rinnovabili 19%

Forza idrica 17%

Altri 1%

Combustibilirinnovabili e rifiuti 1%

Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)

LE FONTI CHELE FONTI CHECONTRIBUISCONOCONTRIBUISCONO

ALLA GENERAZIONEALLA GENERAZIONEDI ELETTRICITÀDI ELETTRICITÀ

Energia in Italia - storico

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Italia 2009

Apr 11, 2023 12

CONSUMO D' ENERGIA 2009 = 180,4 Mtep

Carbone7,3%

Gas Naturale35,4%

Petrolio40,6%

Elettricità importata5,5%

Fonti rinnovabili11,2%

Italia rinnovabili 2009

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Fonti rinnovabili 2009 = 20,2 Mtep

Idroelettrico53,5%

Biomasse termiche13,0%

Eolico7,1%

Geotermoelettrico5,8%

Fotovoltaico0,7%

Biomasse elettriche19,8%

Italia – crescita rinnovabili

Apr 11, 2023 14

0

5

10

15

20

25

30

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

ANNO

PR

OD

UZ

ION

E E

LE

TT

RIC

A (

TW

h)

Fotovoltaico

Eolico

Biomasse

Geotermoelettrico

Crescita - Eolico e fotovoltaico

Apr 11, 2023 15SPAIS - Ubaldo Mastromatteo - 16, 20 luglio 2007

16 16 17 18 18 19 20 22 26 31 38 50 99

432

1142

7000

19 34 97 164 232363

664780 874

1131

16391908

2714

3538

4898

5850

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

ANNO

PO

TE

NZ

A C

UM

UL

AT

A (

MW

)

FOTOVOLTAICO

EOLICO

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IL FABBISOGNO MONDIALE DI ENERGIA PRIMARIA

Dati elaborati nel 2003

2000 2050 2100

10.078 Gtep

20 Gtep

35 Gtep

17

Destinazioni:Bilancio elettrico nazionale

Anno 2005 – dalla produzione al consumo

Fonte GSE

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argomenti

Generalita' sull'energia;

Fonti di energia primaria e ripartizione;

Combustibili fossili;

Energia solare, Biomassa e fotosintesi;

Clima.

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100 anni di carbone e petrolio

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1900 1999

Carbone

Petrolio

Gas Naturali

Crescita nei consumi di combustibili fossili tra il 1900 ed il 1999 (in Mtep=milioni di tonnellate equivalenti di petrolio).

(1 barile USA=159 litri=0.18 Tep)

Finora consumati circa 1000 Miliardi di barili di riserve accertate

Fonte en. 1900 1999

Carbone 501 2122

Petrolio 18 2940

Gas naturali

9 2173

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Conseguenze uso dei combustibili fossili

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Numeri da ricordare

1 barile USA=159 litri=0.18 Tep (cp=0.9 g/cc)

Consumo giornaliero=70Mbarili

i.e.

25 Gb=4500 MTep (consumo annuo)

Riserve provate= 1000 Gb

Riserve non provate 500 Gb

Totale greggio sul pianeta, incluso quello già estratto e riserve non provate 2500 Gb

1Btu=1055 Joule

Apr 11, 2023 22

argomenti

Generalita' sull'energia;

Fonti di energia primaria e ripartizione;

Combustibili fossili;

Energia solare, Biomassa e fotosintesi;

Clima.

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Energia solare

Apr 11, 2023 24

Energia e mondo biologico

Il regno animale non potrebbe esistere se gli animali si nutrissero gli uni degli altri in quanto necessitano di energia per compiere lavoro meccanico, questo apporto di energia deve provenire da un sistema esterno al loro “regno”: il regno vegetale.

Apr 11, 2023 25

Osservazioni

Se tutti gli animali fossero carnivori, l’intero regno animale scomparirebbe nel giro di pochissime generazioni e in effetti non sarebbe mai nato.

La sintesi degli aminoacidi e degli acidi nucleici avviene quasi esclusivamente nelle piante.

Solo una minoranza di animali (e probabilmente anche di uomini !) può permettersi il lusso di essere carnivora.

Apr 11, 2023 26

E le piante ?

Anche le piante non sarebbero in una situazione migliore se non si rifornissero da una fonte di energia esterna.

E’ l’energia solare che sostiene quindi tutte le forme viventi (ad eccezione di alcuni batteri).

Apr 11, 2023 27

L’ENERGIA DAL SOLE

In Italia, il valor medio sulle 24 ore e sulle 4

stagioni la potenza specifica dal sole è:

200 W/m2

Tuttavia: l’energia solare non è né energia elettrica né energia meccanica!

Apr 11, 2023 28

argomenti

Generalita' sull'energia;

Fonti di energia primaria e ripartizione;

Combustibili fossili;

Energia solare, Biomassa e fotosintesi;

Fonti a confronto;

Clima.

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Potenza emessa dal Sole: 3.881026 W = 3.881014 TJ/s = 4.3109 Kgc2/s

Distanza Sole-Terra: 150 Mkm: 3.881014 TW/{41.5 1011 m]2} = 1372 W/m2 ;

RT= 6400 km ; 1372 W/m2[6.4106 m]2 = 1.77105 TW = 5.581012 TJ/a = 1.33108 Mtep/a = 13300 volte il “consumo” energetico annuo mondiale

In media su un m2 di “superficie” terrestre:

P= 1372 W/m2 (1-0.34) RT2/4 RT

2 = 226 W/m2

Albedo sezione terrestre superficie terrestre

Energia dal sole

Apr 11, 2023 30

Assumiamo: Sole: corpo nero Terra: corpo nero La terra riflette il 34% della rad. La terra non ha atmosfera

rs = 7 x 108 m

Dt-s=1.5 x 1011 m

5800 K

Legge di Stefan-Boltzmann : M(T)= T4

Tt 1 a 1/ 4 rs2dt-s

1/2

TsTt

252..5K 20oC

Quale sarebbe Tt in queste ipotesi?

Flusso solare totale

Frazione che laterra riceve

Albedo terrestre

Flusso totale terrestre

Equil ibr io :rt

2

4dt-s2 1 a Tt

44 rt2s

44rs2

Energia radiante

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terra

Luce solare visibile e ultravioletta

Termico-infrarosso

H2O,CO2,CH4,N2O.FCFatmosferici

Le basi del nostro clima

1353 W/m2

situazione reale presente: T media = + 15 °C

32

Conclusioni

In genere le attivita’ umane nella gestione e trasformazione delle risorse materiali sono molto inefficienti, di piu’ delle trasformazioni dell’energia da una forma ad un’altra.

Grandi quantita’ di energia sono utilizzate per lo spostamento di cose e persone da un posto ad un altro;

Le sorgenti di energia piu’ abbondanti e rinnovabili hanno bassa “densita” (W/m2) e un utilizzo “locale” risulta vantaggioso;

Quesito: sara’ possibile in un futuro con l’aiuto dell’alta tecnologia un utilizzo distribuito di sorgenti di energia pulite e ad alta densita’ ?