Petrolio, energie rinnovabili e futuro dell'energia

Tesina interdisciplinare

Anno scolastico 2008/2009

Istituto tecnico industriale – Liceo scientifico-tecnologico “S. Mottura”

A

Classe 5 G, corso liceo scientifico tecnologico

Marino Giuseppe Antonio

Alunno:

Petrolio, energie rinnovabili e futuro dell’energia

In memoria di Giuseppe Cavaleri 2

Indice

• 1. Introduzione ……………………………………… pag. 4
• L’energia e la crisi energetica ……………………………………… pag. 5
• 2.
• 3. Le centrali elettriche ……………………………………… pag. 8
• 4. Il petrolio e il gas naturale ……………………………………… pag. 13
• 5. Le fonti di energia rinnovabile
• 5.1. Le biomasse ……………………………………… pag. 20
• 5.1.1. La produzione di biodiesel ……………………………………… pag. 24
• Termovalorizzatori e inceneritori ……………………………………… pag. 25
• 5.1.2.
• 5.2. L’energia solare ……………………………………… pag. 27
• 5.2.1. Il solare fotovoltaico ……………………………………… pag. 28
• 5.2.2. Il solare termodinamico ……………………………………… pag. 33
• 5.3. L’energia eolica ……………………………………… pag. 37
• 5.4. L’energia idroelettrica ……………………………………… pag. 43
• 6. Il futuro…
• L’idrogeno ……………………………………… pag. 46
• 6.1.
• 7. Fonti e bibliografia ……………………………………… pag. 55
• 8. Ringraziamenti ……………………………………… pag. 57 3

Introduzione

“C’è bisogno di contare su un cambiamento radicale dell’energia per il futuro dell’umanità, siamo arrivati al limite sia dalle sorgenti sia anche dalla produzione, dell’ambiente e da tutte le conseguenze del clima associate all’uso dei fossili.” Carlo Rubbia

Premio Nobel per la fisica nel 1984

Il percorso che ho scelto per la mia tesina di maturità è quello della crisi energetica, problema attualissimo visti i rincari del petrolio dello scorso anno e la scelta del ritorno al nucleare da parte del nostro Paese. 4

L’energia e la crisi energetica

Fisicamente l’energia è definita come la capacità di un corpo a compiere lavoro, in particolare in termodinamica l’energia è tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.

Essa è misurata nel SI in Joule (simbolo J), che corrisponde ad 1 N x m.

L’energia esiste in varie forme, le cui principali sono:

• Energia meccanica: è una forma di energia pregiata che può essere facilmente convertita in altre forme. Essa è data dalla somma di energia potenziale e cinetica;
• Energia elettrica: è l’energia che ha un flusso di cariche elettriche, ed è facilmente convertibile in altre forme, come l’energia meccanica;
• Energia chimica: è l’energia potenziale accumulata nei legami chimici che può liberarsi in una reazione chimica;
• Energia nucleare: è una forma di energia potenziale accumulata nel nucleo di atomi pesanti che può liberarsi in una reazione nucleare;
• Energia termica: è data da vibrazioni atomiche e molecolari; tutte le forme di energia possono essere convertite totalmente in questa forma, ma non è possibile l’opposto, per il II principio della termodinamica.

Le forme di energia elencate possono tutte essere trasformate a loro volta in altre forme di energia anche se durante questo processo si perde parte dell’energia come calore, che non è riutilizzabile totalmente per produrre lavoro.

La forma di energia forse più versatile è quella elettrica. Oggi sarebbe impossibile vivere senza elettricità dato che essa è utilizzata per illuminare ambienti, per produrre lavoro meccanico, per il riscaldamento, e per svariati altri usi!

È interessante sapere quali sono le fonti di energia elettrica, dato che saranno ampiamente descritte nella mia tesina:

• Energia idraulica: viene convertita in elettrica mediante delle apposite centrali con altissimi rendimenti (fino al 90%); 5
• Energia mareomotrice: è l’energia delle onde e delle maree e il suo utilizzo è ancora in fase sperimentale visto che presenta notevoli difficoltà;
• Energia termoelettrica: bruciando un combustibile (di origine fossile o di altro tipo) si genera calore che crea vapore ad alta pressione; questo vapore fa girare le turbine e viene generata elettricità;
• Energia geotermica: sfrutta il calore interno della terra per creare vapore e generare elettricità in maniera analoga ad una centrale termoelettrica; l’Italia è stata la prima al mondo ad avere centrali simili a Lardarello in Toscana;
• Energia eolica: l’energia cinetica del vento mette in moto delle eliche collegate ad un generatore;
• Energia fotovoltaica: sfrutta le proprietà dei semiconduttori di produrre corrente continua se sottoposti a radiazioni elettromagnetiche, soprattutto luce solare;
• Energia solare termodinamica: la radiazione solare è convogliata in un unico punto da specchi parabolici; così facendo si riscalda uno speciale fluido che compie un ciclo termodinamico in un motore, generando elettricità;
• Energia nucleare da fissione: rompendo i nuclei di alcuni atomi pesanti, come torio e uranio, si libera tantissima energia termica, che viene utilizzata per produrre vapore che fa girare la turbina dell’alternatore.

A parte nel caso del fotovoltaico, noi produciamo energia elettrica dall’energia meccanica, che a sua volta può essere prodotta dall’energia termica.

In tutti i processi fisici c’è uno scambio di energia tra le varie forme ed esse non sono altro che diverse manifestazioni della stessa grandezza fisica.

Nel 1905 con la pubblicazione della teoria della relatività speciale, in cui è contenuta la celeberrima equazione e=mc², Albert Einstein dimostrò che la massa è essa stessa una forma di energia.

L’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma da una forma all’altra rimanendo costante. Ma l’energia termica è una forma di energia così detta degradata: per il secondo principio della termodinamica tutto può essere convertito in energia termica, ma questa non può essere riconvertita totalmente nelle altre forme. 6

È una grossa limitazione!

La seconda legge della termodinamica spiega come entropicamente l’energia va esaurendo la capacità di generare lavoro. Tra 5 miliardi di anni il sole dicono che si spegnerà, a tutto c’è un fine!

Stando ai dati EIA del 2003 l’energia che utilizziamo viene per il 39% da petrolio, per il 23-24% da gas naturale e carbone, per l’8% da fonti rinnovabili (di cui l’energia idroelettrica ha un ruolo preponderante) e per il 6% da fissione nucleare. Eliminare subito i combustibili fossili è praticamente impossibile ma questi prima o poi si esauriranno e l’umanità dovrà fare i conti con la loro assenza, trovando delle fonti di energia che li sostituiscano. Si parla di idrogeno, di fusione nucleare ma attualmente non c’è ancora una tecnologia in grado di fronteggiare la domanda di energia, così come fanno oggi i combustibili fossili.

Non si sa ad oggi quanto tempo ancora potrà durare il petrolio, il CERA (importante centro di ricerca nel settore energetico) afferma che fino al 2030 non sono previsti picchi di produzione del petrolio.

Le riserve petrolifere non esprimono i volumi esistenti in giacimento ma bensì la quantità di petrolio estraibile con i prezzi e la tecnologia esistenti; aumentando i prezzi del petrolio si può investire maggiormente nella tecnologia di estrazione; il petrolio come sappiamo è spinto dalla pressione iniziale verso l’alto, che dopo un periodo comincia a scendere fino ad interrompersi. Con le vecchie tecnologie si estraeva fino al 20% delle risorse mentre oggi si riescono ad estrarre dal 35% fino ad arrivare, in casi eccezionali, al 50% delle risorse.

Vento, sole, idrogeno e nucleare non danno ancora certezze per il futuro, ma sono le uniche tecnologie che possono potenzialmente contribuire a soddisfare il fabbisogno energetico globale.

L’idrogeno è un vettore energetico, non una fonte di energia, non esiste in natura ed il modo ad oggi più conveniente per ottenerlo consiste nell’estrarlo dagli idrocarburi mediante processi di steam reforming o gassificazione, mentre l’elettrolisi è ancora costosissima e pertanto non attuabile.

Il fotovoltaico è ancora caratterizzato da un basso rendimento anche se la ricerca prosegue egregiamente, mentre il termodinamico ha un notevole potenziale ma occorrono ancora investimenti nella ricerca.

L’energia eolica è in continua crescita negli ultimi anni per quanto concerne il contributo alla domanda globale di energia, aumentato di circa un punto percentuale ogni anno, anche se questa crescita non potrà continuare per sempre (non possono essere installati infiniti impianti eolici!).

I biocombustibili sono una realtà affermata e sono in commercio a prezzi simili a quelli dei classici carburanti. Presentano un limite fisico però: per rimpiazzare i carburanti fossili con biocarburanti occorrerebbe coltivare interamente la superficie di 4 pianeti senza contare il fatto che coltivare dovrebbe dare innanzitutto cibo e non carburanti!

Il nucleare da fissione come sappiamo, non è una fonte rinnovabile e presenta sempre problemi legati allo smaltimento delle scorie, mentre la fusione nucleare sembra ancora un miraggio.

Una delle poche cose che si possono far da subito per allontanare il picco del petrolio è il risparmio energetico. Questo tipo di energia virtuale, potrebbe ridurre, per quanto riguarda l’Italia, la domanda energetica del 20%.

Come spero di aver fatto comprendere, la situazione energetica è estremamente complessa e va ad interessare oltre la tecnica anche la politica e l’economia. È impossibile prevedere per quanto tempo durerà ancora questo sistema energetico, ma certamente cambierà, visto che i combustibili fossili non sono inesauribili, anche se non si sa chi rimpiazzerà il petrolio, forse l’idrogeno…

Le centrali elettriche

Le centrali elettriche sono impianti industriali atti alla produzione di energia elettrica. Esse convertono altre forme di energia (termica, meccanica, ecc…) in energia elettrica mediante l’uso di apposite macchine elettriche, gli alternatori.

La corrente prodotta dalle centrali è solitamente alternata anche se esistono centrali a corrente continua come quelle fotovoltaiche (anche se immettono corrente alternata nella rete di distribuzione) o in Russia. 8

Le centrali si caratterizzano per due fattori principali quali la potenza ed il tipo di combustibile o di fonte energetica usata per produrre elettricità.

La tipologia di centrali più diffusa nel mondo è quella termoelettrica. Questo modello di centrale brucia un combustibile sviluppando calore che viene trasmesso ad una caldaia, nella quale circola acqua ad alta pressione; l’acqua si trasforma così in vapore raggiungendo elevate temperature. Il vapore mette in funzione le turbine a vapore che trasmettono il loro moto ad un alternatore che converte l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Il rendimento delle centrali di questo tipo non è altissimo e si attesta nel migliore dei casi intorno al 28%.

Negli ultimi tempi si è sviluppata una nuova tipologia di centrali termoelettriche, le centrali a ciclo combinato, che riescono a recuperare calore dai gas di scarico della combustione; il calore recuperato è trasmesso all’acqua che diventa vapore e fa funzionare una centrale termoelettrica secondaria collegata alla principale. Il rendimento di queste centrali è più alto rispetto a quelle tradizionali e sfiora anche il 60%.

Le centrali termoelettriche sono però una fonte di inquinamento di grande portata, infatti i residui della combustione contengono particolato fine, ossidi di azoto e di zolfo, idrocarburi incombusti e anidride carbonica. Negli ultimi anni si sono però fatti dei passi avanti rendendo queste emissioni meno inquinanti, trattando i combustibili e trattando opportunamente i gas di scarico. Si può ridurre ulteriormente l’impatto ambientale legato a questo tipo di centrali utilizzando combustibili poco inquinanti come il gas naturale o le biomasse, e non disperdendo il calore nell’atmosfera ma utilizzarlo per il teleriscaldamento nelle abitazioni vicine alla centrale.

Altro tipo di centrali elettriche sono quelle nucleari, delle quali si sente parlare spesso ultimamente. Le centrali nucleari hanno un funzionamento simile a quello delle termoelettriche ma differisce il processo con il quale si fornisce calore e si forma vapore da inviare alle turbine. Il calore ottenuto è dato da reazioni di fissione nucleare, cioè della rottura del nucleo di elementi pesanti come l’uranio ed il torio. In futuro forse si arriverà a processi di fusione nucleare, che comportano reazioni di fusione tra nuclei di elementi leggeri come l’idrogeno o l’elio. 9

Le centrali nucleari non emettono gas inquinanti ma in compenso presentano notevoli problemi legati allo smaltimento delle scorie, altamente radioattive che rimangono attive per millenni (nel caso dell’uranio). Un altro grosso rischio è rappresentato da incidenti che possono accadere nel ciclo vitale dell’impianto, come quello di Chernobyl, anche se con le nuove tecnologie questo rischio sembra limitato, almeno in Europa.

Altro tipo di centrali sono quelle geotermoelettriche, centrali che sfruttano il calore del sottosuolo per scaldare l’acqua e creare vapore per far girare le turbine e quindi produrre elettricità. Vista l’assenza di reazioni di combustione non ci sono emissioni inquinanti di alcun genere anche se gli impianti presentano alcuni svantaggi, come la scarsità di siti con un’attività geotermica rilevante e gli elevati costi di manutenzione dovuta alla composizione delle acque del sottosuolo, ricca di sali, che crea incrostazioni e depositi. L’Italia è stato il primo Paese al mondo a costruire centrali geotermoelettriche nella zona di Lardarello, in Toscana. Schema di una centrale geotermica.

Esistono attualmente vari tipi di centrale che descriverò nel seguito della mia tesina, dedicandogli ampio spazio.

Alternatore e trasformatore

L’alternatore e il trasformatore sono due macchine fondamentali in quasi tutte le centrali elettriche esistenti.

L’alternatore riesce a convertire l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica, sfruttando la legge di Lenz – Faraday-Neumann che lega la variazione del flusso del campo magnetico ad una forza elettromotrice indotta, secondo la seguente relazione: 10

f.e.m. = − dΦ_B / dt

Ogni qualvolta vari il flusso del campo magnetico, visto che la derivata di una costante è zero, si ha una forza elettromotrice indotta che si oppone alla causa che l’ha generata (indicata dal segno “−”). Se chiudiamo il circuito nel quale si genera la f.e.m. otterremo una corrente indotta.

Questo principio è alla base dell’alternatore. Il più semplice modello di alternatore è costituito da una spira in grado di ruotare all’interno di un campo magnetico costante. La rotazione della spira fa sì che cambi continuamente il flusso legato al campo magnetico.