appunti di sicurezza e impatto ambientale dei sistemi energetici

Le interazioni dei sistemi energetici con l'ambiente

L'ambiente viene maggiormente definito come il luogo di vita dove coesistono e si relazionano aspetti tipicamente naturalistici (ecologici) e aspetti tipicamente umani (antropici), ed esprime anche le relazioni e i processi tra i suoi componenti. L'habitat invece rappresenta lo spazio fisico (posizione localizzata), occupato da una certa specie, e permette di rappresentare le esigenze ambientali della specie considerata. L'ecosistema invece consente di studiare i flussi di materia e energia presenti nell'ambiente, che vengono mutati con l'inserimento al suo interno di un sistema energetico.

Il territorio rappresenta lo spazio fisico governato da una specie che sfrutta le sue risorse. Esso costituisce la base su cui poggia il sistema di relazioni che regolano l'economia di una società. Il paesaggio è definito come l'ambiente visibile, l'aspetto dell'ecosistema o del territorio come viene percepito dalla specie che lo popola.

Analisi di impatto ambientale

In un'analisi di impatto ambientale viene tenuto conto dell'effetto che ha l'impianto sugli elementi aria, acqua e terra. L'inserimento di oggetti antropici all'interno dell'ambiente deve essere fatto in modo da impattare il meno possibile, e bisogna ragionare come se quando verrà smantellato tale impianto, l'ambiente circostante torni alle condizioni iniziali.

Fonti energetiche

Le fonti energetiche disponibili in natura sono divise in due grandi famiglie:

• Rinnovabili: Sono quelle rigenerate naturalmente dopo l'utilizzo e che non si esauriscono. Hanno un basso impatto ambientale, ma la loro reperibilità varia col variare del giorno e della notte e con le stagioni.
• Non rinnovabili: Risorse che non si riformano (se non in milioni di anni) e che vanno incontro ad esaurimento. Creano un enorme impatto ambientale, a cominciare da quando vengono estratte.

Usi dell'energia

I principali usi dell'energia includono meccanico, termico, luminoso ed elettronico/elettrico. Nei sistemi energetici vengono attuati processi di conversione (si passa da una forma di energia a un'altra) e trasformazione (stessa forma di energia ma caratteristiche diverse).

Interazioni fra sistemi energetici e ambiente

Le interazioni che si possono avere fra i sistemi energetici e l'ambiente possono essere:

• Emissioni di materia (gas, liquida o solida)
• Emissioni di energia (calore, radiazioni, rumore)
• Interazioni come l'occupazione del suolo e l'impatto visivo

Le emissioni gassose dovute al processo di combustione sono il più grande problema di impatto ambientale esistente, e dipendono dalla composizione chimica del combustibile, dal tipo di processo di combustione e dalla qualità dei filtri e rimotori applicati a monte del camino.

Emissioni liquide e solide

Le emissioni liquide hanno un impatto limitato e riguardano solo alcuni specifici sistemi energetici, dove l'acqua viene utilizzata per il lavaggio di componenti e dei gas combusti, trattamento e movimentazione di ceneri, solvente per soluzioni chimiche. Esse dipendono dall'efficacia dei processi di depurazione a monte dello scarico.

Le emissioni solide hanno un impatto significativo, soprattutto per le centrali che utilizzano combustibili solidi e idrocarburi pesanti. Le scorie vengono raccolte e trasportate presso i siti di smaltimento. Le emissioni solide e liquide, a differenza delle gassose, sono controllabili, stoccabili, e perciò sono più desiderate in quanto l'aria in cui vengono disperse le gassose non è purificabile tramite impianti di depurazione.

Emissioni di energia

Le emissioni di energia sotto forma di calore invece possono avere impatti diretti (rilascio di fluidi caldi nell'ambiente) o indiretti (rilascio di sostanze clima alteranti → effetto serra). Gli impatti che un sistema può avere sull'ambiente possono essere a breve o a lungo termine, cumulativi, diretti e indiretti, reversibili e irreversibili. Viene inoltre associato ad ogni impatto un grado di significatività.

Ciclo di vita di un impianto industriale

Durante le varie fasi del ciclo di vita di un impianto industriale, l'andamento dell'impatto ambientale varia: la fase di realizzazione dell'impianto è quella col più alto impatto, anche se più breve della fase di esercizio. Dopo la fase di realizzazione si ha una fase di recupero, in cui viene migliorata la qualità dell'ambiente per compensare l'abbassamento avuto durante le fasi di cantiere. Durante la fase di esercizio si ha invece un impatto costante, che deve essere tenuto sotto controllo secondo le norme di legge. Quando l'impianto viene dismesso, si ha una ricaduta della qualità dell'ambiente circostante dovuta alla fase di decommissioning, durante la quale si cerca di riportare il territorio interessato dall'impianto alla sua forma originale.

Inquinamento ambientale

L'inquinamento ambientale è un'alterazione della qualità dell'ambiente di origine antropica o naturale dovuta all'immissione di sostanze inquinanti che ne alterano le caratteristiche chimico-fisiche o sono nocivi per la vita, che produce disagi, patologie o danni in una data area. Viene considerato atto di inquinamento quello dovuto all'agire umano, ma non quelli naturali (vulcanismo, emissioni gassose ecc).

Processo di realizzazione energetica

Prima di decidere per la realizzazione di un qualunque processo energetico è necessario identificare tutti gli effetti derivati dall'interazione del processo con il territorio che lo ospita e valutare l'entità dell'impatto sulle componenti ambientali: litosfera (suolo e sottosuolo), atmosfera (massa gassosa), idrosfera, biosfera (complesso degli esseri viventi), antroposfera (esseri umani e opere da essi realizzate).

Tipi di impatto ambientale

I principali tipi di impatto sull'ambiente dei sistemi energetici sono (in base al sito inquinato) l'inquinamento atmosferico, delle acque, del suolo, acustico, termico, visivo e il consumo di risorse. Inoltre vi è una distinzione in base all'agente inquinante rilasciato. L'inquinamento più grave e insidioso è quello atmosferico, poiché non è possibile centralizzare e controllare la distribuzione dell'aria, non è possibile controllare tutte le sostanze immesse (ma solo quelle campione), per la deposizione delle sostanze sul suolo e per la bonifica praticamente impossibile in tempi utili. Esso si distingue fra scala locale (per es. smog) e scala globale (effetto serra, buco dell'ozono, piogge acide).

Norme e sostanze atmosferiche

Va notato che non esistono norme che limitano l'inquinamento globale, esistono soltanto indicazioni. Le sostanze immerse in atmosfera sono milioni ed in diverse forme e fasi fisiche ed è impossibile censirle tutte. Vengono perciò prelevati dei campioni e analizzati fissando dei livelli di soglia oltre i quali devono intervenire le autorità. Questi limiti vengono stabiliti mediante somministrazione su cavie, e successivamente accostati per similitudine all'uomo.

Strati dell'atmosfera

L'atmosfera, l'involucro gassoso che circonda la Terra, è costituita da 5 strati:

• Troposfera (0-10 km): quella in cui avvengono i fenomeni meteorologici. La temperatura minima raggiunge i -50°C. In essa è concentrato il 75% dell'intera massa gassosa e quasi la totalità del vapore acqueo.
• Stratosfera (10-50 km): è la zona in cui vi è la maggior concentrazione di ozono, che assorbe i raggi ultravioletti (la temperatura raggiunge 0°C) e trattiene le radiazioni nocive, svolgendo la funzione di filtro.
• Mesosfera (50-80 km): qui la temperatura raggiunge i -90°C.
• Termosfera
• Esosfera (dai 500 km): da qui la temperatura comincia ad aumentare raggiungendo i 1000°C.

Qualità dell'aria e inquinanti

Siccome non è possibile definire un ambiente incontaminato di riferimento, viene stabilito uno standard convenzionale di qualità dell'aria e viene ritenuta aria inquinata l'aria la cui composizione eccede i limiti stabiliti per legge. I fenomeni di inquinamento sono il risultato di una complessa competizione tra fattori che portano ad un accumulo di inquinanti (sorgenti, grado di mescolamento dell'aria, persistenza degli inquinanti) e quelli che determinano la loro rimozione o diluizione nell'atmosfera (piogge, reazioni chimiche e biologiche, assorbimento e adsorbimento). Non sempre l'evoluzione chimica naturale degli inquinanti va verso stati favorevoli.

Assorbimento: ritenzione fisica o chimica di un gas in un solido o liquido oppure di un liquido in un solido.

Adsorbimento: accumulo di una o più sostanze fluide sulla superficie di un condensato (solido o liquido).

Poiché gli inquinanti reagiscono, vengono suddivisi in primari (quelli emessi direttamente in atmosfera) e secondari (quelli che si originano in aria per trasformazione chimica).

I primari sono:

• Particolato primario
• CO
• SO_x
• NO_x
• COV – composti organici volatili (comprendono i CFC)
• IPA – idrocarburi policiclici aromatici
• Composti alogenati

Mentre i secondari:

• Particolato secondario (deriva tra reazioni chimico fisiche tra inquinanti primari e secondari)
• Ozono O₃ formato per via fotochimica
• Biossido di azoto NO₂ formato da NO primario
• PerossiAcetilNitrato (PAN), Acido nitrico (HNO₃), acido nitroso (HNO₂) e formaldeide (HCHO)

A questi fa aggiunto il contaminante CO₂, co responsabile dell'effetto serra. Lo studio del fenomeno dell'inquinamento atmosferico viene affrontato partendo dalla conoscenza dei fenomeni che determinano l'attività delle sorgenti. Vengono poi identificate le modalità prevalenti di trasporto dell'inquinante. Successivamente viene effettuata una stima delle alterazioni spazio-temporali della qualità dell'aria creando delle mappe di indicatori. Dopo la definizione dei bersagli esposti a tale inquinante e della loro vulnerabilità, si fa una valutazione delle conseguenze attese sui bersagli.

Particolato

Il particolato è un qualsiasi solido o liquido disperso in atmosfera avente dimensioni comprese tra 0,2 nm (molecole) e 0,5 mm (sabbia fine). Ai fini dell'inquinamento le proprietà da tenere in conto del particolato sono le dimensioni, la distribuzione dimensionale, la forma, la sua composizione e la sua fase, le capacità di assorbimento e le sue proprietà ottiche. Avendo forma irregolare si fa riferimento ad un diametro convenzionale D, che può essere per esempio il diametro della sfera avente stesso volume o superficie. La distribuzione dimensionale del particolato si esprime in termini di numero o massa di particelle di una classe dimensionale. Quella di origine industriale segue un andamento log-normale, ossia quello per il quale ln(D) segue una distribuzione normale o Gaussiana. Ogni distribuzione ha associata la sua cumulata, ed ha anch'essa un valore significativo per l'analisi delle sostanze rilasciate.

Una prima classificazione dei particolati è basata sulla sua fase fisica e dimensioni: si possono avere aerosol (D<2 micron), esalazioni (D<1 micron), polveri (dust, 0,25<D<500 micron), fumi, nebbie, smog e sabbie (D>500 micron).

Una seconda classificazione del particolato è fatta in base al comportamento nel sistema respiratorio ed è quella su cui vengono basate le norme:

• Particolato grossolano (>10 micron), non riesce a penetrare il tratto respiratorio superiore
• PM10 – Particelle di dimensioni comprese tra 2,5 e 10 micron che hanno la capacità di entrare nel tratto respiratorio superiore (naso e laringe)
• PM2,5 – Particolato fine D<2,5 micron, chiamata polvere toracica perché in grado di penetrare profondamente nei polmoni
• PM0,1 – Particolato ultrafine con dimensioni <0,1 micron, particelle in grado di penetrare fino agli alveoli.

Componenti Fonti Permanenza Distribuzione PM10 Polvere, spore, Agricoltura, Da ore a giorni 10-100 km dalla terreno, metalli suolo, aerosol fonte marina PM2,5 Carbonio Combustioni Da giorni a 1000 km dalla elementare, primarie settimane fonte idrocarburi PM0,1 Combustioni Fotochimica Da minuti a ore 100 mt dalla primarie secondaria, fonte idrocarburi, emissioni metalli, C autoveicolari

Effetti del particolato

Sull'uomo: Il particolato è intrinsecamente tossico perché in grado di adsorbire e assorbire sostanze nocive e di trasportare allergeni e agenti infettivi. I tessuti umani sostanzialmente colpiti sono i polmoni, che sono quelli a più diretto contatto col flusso sanguigno. La maggior parte del particolato ritenuto dal corpo (75%) è quello con dimensione minore di 10 micron. I PM 2,5 sono quelli più presenti dopo la combustione e quelli con tempo di sedimentazione più elevato (da notare che una volta depositati a terra non hanno finito di impattare l'ambiente). A Roma la produzione arriva a 700 tonnellate annue, più della metà prodotte dai veicoli.

Sui materiali: sia direttamente (danno estetico) sia indirettamente (danno dovuto all'effetto corrosivo degli agenti pulenti, che aumenta più è alta l'umidità).

Sulla vegetazione: è dovuto solo a polveri specifiche. Esse mescolandosi con nebbie e piogge si depositano sulle foglie delle piante e oltre ad ostacolare la fotosintesi rendono contaminato il cibo per gli animali erbivori.

Globali: comprendono l'alterazione della propagazione e dell'assorbimento delle radiazioni solari quindi visibilità (oscuramento globale) e processi di condensazione del vapore acqueo. Questo perché le particelle di particolato, soprattutto quelle sotto forma di aerosol, sono fortemente igroscopiche e favoriscono il formarsi delle nubi atmosferiche.

Tipologie di smog

Si riconoscono due diverse tipologie del fenomeno dello smog:

1. L'inversione termica da radiazione, o smog di Londra, è una condizione che si verifica in zone con alta escursione termica tra notte e giorno, basse temperature, umidità relativa alta e presenza di pulviscolo e anidride solforosa (SO₂).
2. Inversione termica da stasi, o smog di Los Angeles, si verifica in zone marine con alture alle spalle caratterizzate da brezze e forti irraggiamenti, quindi inversione termica in alta quota, forte irradiazione solare, temperature elevate e umidità relativa bassa.

Monossido di carbonio

È il prodotto della combustione incompleta dei combustibili organici, è esso stesso un buon combustibile rilasciando grandi quantità di calore quando reagisce (per questo negli impianti industriali si tende a minimizzarne le emissioni), ma è stato abbandonato per l'uso domestico a causa della sua tossicità. In Italia la maggior parte del monossido emesso è prodotto dal settore dei trasporti (10 volte di più degli altri settori) e a seguirlo quello industriale (impianti siderurgici e raffinerie). La percentuale di CO emessa dai motori a combustione interna degli autoveicoli va dal 3,5% al 10%, a seconda del regime di moto del motore (il traffico lento è una fonte importante). I motori Diesel ne emettono di meno perché utilizzano più aria, ma in compenso rilasciano più particolato. Le emissioni naturali di CO avvengono per effetti vulcanici, incendi, oceani e ossidazione di idrocarburi.

Effetti del monossido di carbonio

Sull'uomo: Il monossido di carbonio è un killer silenzioso, essendo incolore e inodore e avendo un'affinità 220 volte maggiore a quella dell'ossigeno rispetto all'emoglobina contenuta nel sangue umano. All'aumentare della concentrazione di CO nell'aria diminuisce il tempo di sopravvivenza.

Sui materiali: nessun effetto.

Sulla vegetazione: effetti di lieve entità.

Data la sua permanenza nell'atmosfera (3-4 mesi), viene utilizzato come tracciante dell'andamento temporale degli inquinanti a livello del suolo. Viene rimosso dall'atmosfera mediante processi di ossidazione o reazioni fotochimiche. In ambiente urbano per gli alti gradienti di temperatura (anche a livello di metri e secondi) è difficile stabilire dei modelli di diffusione.

Ossidi di zolfo SO_x

Sono presenti nell'atmosfera sotto forma di anidride solforosa SO₂ (prodotta antropicamente), acido solfidrico (prodotto naturalmente) e solfati derivanti dall'SO₂. Il biossido SO₂ è l'inquinante atmosferico per eccellenza, essendo il più diffuso, uno dei più aggressivi e pericolosi e quello emesso in quantità più elevate durante la combustione (il 90% di S nel combustibile viene trasformato in SO₂, il resto in SO₃ e solfati). Deriva principalmente dall'ossidazione dello zolfo durante la combustione delle sostanze che lo contengono come impurezza. Le emissioni di SO₂ sono le principali responsabili delle piogge acide, perché reagendo con l'ossigeno presente nell'aria (reazione lenta rispetto a quella dell'SO₂) dà origine all'anidride solforica che, legandosi con l'acqua produce acido solforico (problema della catena di successive ossidazioni dello zolfo). Questa reazione è favorita da atmosfera secca ed alta insolazione. Nella combustione viene considerato inquinante di riferimento l'SO₂ poiché la concentrazione del triossido di zolfo è compresa tra l'1 e il 5% rispetto a quella del biossido. Per limitare le emissioni di questo inquinante vengono utilizzati impianti di desolforazione del combustibile a monte della caldaia (quello solido ne contiene di più di quello liquido, il basso tenore zolfo comporta un aumento significativo del prezzo), ottimizzazione del processo di combustione e rimozione degli SO_x prima del camino tramite rimotori. Va notato che lo zolfo è uno degli elementi che forniscono mediante combustione le più alte quantità di energia.

Effetti degli ossidi di zolfo

Sull'uomo: patologie all'apparato respiratorio, alta reattività con le mucose dovuta all'elevata solubilità in acqua, irritazioni e morte (alte concentrazioni).