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1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE MODELLO ENERGETICO – AMBIENTALE 2- GLI IMPIANTI E I REATTORI NUCLEARI 3- LE RINNOVABILI SI’, MA NON BASTANO ENERGIA NUCLEARE: § PER UN REFERENDUM DA FARE § PER UN SI’ DA DARE CON LA RAGIONE 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

1- INSOSTENIBILITA’ DELL’ATTUALE MODELLO ENERGETICO – AMBIENTALE

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina 1- FONTI DI ENERGIA 2- VETTORI ENERGETICI 3- UTENTI FINALI DI ENERGIA (effetto utile) + (rifiuti) Il Ciclo dell’Energia: dalle Fonti Energetiche (naturali), attraverso i Vettori Energetici, all’Effetto Utile (+ l’impatto ambientale).

Prof. Vincenzo Naso FONTI PRIMARIE (Energia Chimica, Elettromagnetica, Meccanica, Nucleare, Termica) FONTI SECONDARIE (Energia Chimica o Nucleare) ENERGIA ELETTRICA Energia Meccanica, Termica, Elettrica per gli USI FINALI A G R I C O L I D O M E S T I C I E S E R V I Z I I N D U S T R I A L I T R A S P O R T I (Energia Elettrica, Meccanica, Termica) scarico energia inutilizzata effetto utile (f) (e) (b) (a) (d) (c) VETTORI

Energie rinnovabili e non rinnovabili . Energie sostenibili. 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Classificazione delle fonti energetiche primarie secondo il criterio della rinnovabilità

INSOSTENIBILITA’ DEL MODELLO DI SVILUPPO QUANTITÀ DI ENERGIA CONSUMATA 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina DENSITÀ (CONCENTRAZIONE) DI DOMANDA DI ENERGIA [ 13 MILIARDI TEP / ANNO ] [ CITTÀ | INDUSTRIA | TRASPORTI ] FOSSILI [ NON RINNOVABILI ] [ 11,5 MILIARDI TEP / ANNO ] FER [ RINNOVABILI ] [ 1,5 MILIARDI TEP / ANNO ] PROBLEMI

INSOSTENIBILITA’ DEL MODELLO DI SVILUPPO QUANTITÀ DI EMISSIONI GLOBALI 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina DENSITÀ DI IMPATTO AMBIENTALE LOCALE [ GAS SERRA ] [ INQUINAMENTO CITTÀ ] CONSEGUENZE

INSOSTENIBILITA’ DEL MODELLO DI SVILUPPO NUOVO MODELLO “DI SVILUPPO” 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina NECESSITÀ RINNOVABILI VETTORI ENERGETICI PULITI USO RAZIONALE / EFFICIENZA ENERGETICA FONTI EN. VETTORI USI FINALI H2 VERDE ELETTRICITÀ VERDE

VELOCITA’ DI CRESCITA DEI CONSUMI 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Consumi mondiali di energia per fonti primarie dal 1850 al 1987

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Source Professeur Helmut Rott Universite d’ Innsbruck

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina TRANSIZIONE: Che si può fare? uso delle fonti rinnovabili efficienza degli impianti trasporto sostenibile sviluppo nuove tecnologie consumo energetico

3 SETTORI - CHIAVE Sorgenti energetiche rinnovabili Solare Eolico Biomasse Geotermico, Energia dal mare (correnti, etc.) Hydro e Mini hydro Nuovi vettori energetici Idrogeno (verde); Elettricità (verde) Nuove Tecnologie Celle a combustibile 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

QUELLO CHE NON SI DEVE FARE: CONTARE SUI FOSSILI NON CONVENZIONALI - GAS HYDRIDES - OIL SHALE(2.5 Gb; 72% in US) - SHALE GAS (30% of US gas today) - OIL SANDS, EXTRA HEAVY OIL- NATURAL BITUMEN

2- GLI IMPIANTI ED I REATTORI NUCLEARI (ENERGIA SOSTENIBILE (?) , MA NON RINNOVABILE - Il Ciclo del combustibile e dell’impianto - I reattori ad acqua bollente (BWR) - I reattori ad acqua pressurizzata (PWR) - I reattori a gas ad alta temperatura (HTGR) - I reattori autofertilizzanti (FBR)

Numero annuo di avvio di costruzione di nuovi impianti

Schema semplificato di un impianto BWR (G.E.). Nome Docente

Sezione schematica dell'edificio reattore in un BWR (Soluzione Mark III della General Electric).

Schema di principio di un reattore PWR (Westinghouse)

3. Reattori ad alta temperatura ( HTR ) e a gas ( HTGR ) I reattori ad alta temperatura (HTR, High Temperature Reactors, o HTGR, High Temperature Gas-cooled Reactors) hanno raggiunto uno stadio di sviluppo molto promettente, hanno acquisito un loro spazio commerciale, e rappresentano una delle filiere con prospettive per l'avvenire ( quarta generazione ). Essi sono caratterizzati da noccioli interamente in materiale ceramico e in genere dal gas elio come refrigerante, sia per l'ottima compatibilità chimica con i materiali strutturali, che per la buona conducibilità termica. L'assenza di assorbitori parassiti, come gli acciai, permette l'impiego di quasi ogni possibile combinazione dei tre isotopi fissili (233U, 235U, 239Pu) e dei due isotopi fertili (232Th, 238U).

Il nocciolo dei reattori HTR presenta diverse caratteristichefavorevoli ne ricordiamo le principali: elevata temperatura degli elementi di combustibile, che consente il raggiungimento di temperature dell'elio dell'ordine di 850÷1000 °C, con rendimenti del ciclo elevati (oltre 40 %) e una serie di interessanti prospettive; struttura di materiali ceramici, con assenza di assorbitori parassiti, che consente un'ottima economia neutronicaed il raggiungimento di «burn-up» elevatissimi; possibilità conseguente di produrre vapore secondario con elevate caratteristiche (190 atm, 540 °C); insensibilità del nocciolo ad eventuali escursioni di temperatura,grande capacità termica, assenza del pericolo di fusioni, nessun possibile cambiamento di fase del refrigerante o del moderatore, comportamento auto-stabilizzante della reattività dovuto ad un coefficiente di temperatura negativo; debole corrosione nel circuito primario; ricambio continuo del combustibile con reattore in potenza e quindi elevati fattori di utilizzazione.

Nome Docente 5. Reattori veloci (FBR) 5.1. Soluzioni proposte I reattori veloci autofertilizzanti sono, come si è detto, fra i più promettenti reattori su cui si punta per una soluzione di lunghissima durata per i fabbisogni energetici. Con essi, partendo dal fertile 238U, si produce più fissile di quanto se ne consumi e si aumenta di 60  70 volte l'energia ricavabile dall'uranio. Le stime sull'energia ricavabile dall'uranio, con costi di estrazione commerciali, forniscono un valore di 5 Q per l'impiego nei reattori termici (1 Q = 0,25·1018 kcal) e di ben 350 Q per l'impiego nei reattori veloci autofertilizzanti. A prescindere dall'impiego di U molto più arricchito, una condizione critica per l'avvio industriale dei reattori veloci è la disponibilità iniziale di plutonio prodotto dai reattori termici.

Nome Docente Fig. 12: a) Schema del reattore veloce Superphénix, da 1200 MWe: il recipiente principale è appeso ad una struttura metallica di tipo scatolare che rappresenta il « tetto» del reattore. Esso è circondato da un secondo recipiente, detto «di sicurezza», destinato a contenere eventuali fughe di sodio, pure appeso al tetto del reattore. Al di sopra del tetto un involucro metallico (duomo), accessibile senza restrizioni in esercizio, assicura una funzione di contenimento di eventuali fughe di prodotti radioattivi. L'insieme del recipiente di sicurezza e del duomo costituisce il contenimento primario.

I PREGI ED I VANTAGGI DEGLI IMPIANTI NUCLEARI

3- LE FONTI RINNOVABILI NON BASTANO … OCCORRE INTEGRARLE CON: A – EFFICIENZA ENERGETICA B - VETTORI ENERGETICI “VERDI” - ELETTRICITA’ “VERDE” - IDROGENO “VERDE” C - CICLI ENERGETICI E DELLE RISORSE “CHIUSI” 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

LIMITI DELLE F0NTI RINNOVABILI DISCONTINUITA’ ALEATORIETA’ BASSA DENSITA’ DI POTENZA/ ENERGIA NECESSITA’ DI ACCUMULO!!! 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Vettori energetici Un vettore energetico consente di trasportare, nello spazio e/o nel tempo, una determinata quantità di energia (chimica, elettrica, termica, meccanica, radiante), rendendola disponibile per un utilizzo a distanza (di tempo e/o di spazio) rispetto al punto di disponibilità della fonte primaria* * F. Orecchini, Dispense per il corso di Sistemi Energetici I , Università di Roma “La Sapienza”, 2005 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Cicli chiusi delle risorse e sostenibilità del sistema energetico Un sistema energetico (SE) è un sistema che utilizza risorse energetiche da fornire ad un’utenza per produrre l’effetto utile da questa desiderato Inevitabilmente il suo funzionamento avviene in un continuo processo di interazione con l’ambiente naturale ed anche - allo stato attuale praticamente nella totalità dei casi - generando rifiuti 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Cicli Aperti Il ciclo che porta ogni materia prima dal suo posto "naturale" alla nostra vita quotidiana è più o meno lo stesso per tutti i prodotti. Comprende attività note come: 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Estrazione Trasporto Prima Trasformazione Trasformazioni Successive Produzione Distribuzione

Schematizzazione di un SE a ciclo aperto 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina USI FINALI RIFIUTI FLUSSO DI ENERGIA Risorse energetiche Effetto Utile INTERAZIONI CON L’AMBIENTE

Oggi un sistema energetico: consuma risorse produce rifiuti usa fonti d’energia esauribili e incerte Nel settore dell’energia possiamo affermare di essere rimasti uomini primitivi: raccogliamo quello che ci ha dato la natura lo consumiamo buttiamo via i residui Quel che abbiamo imparato per il cibo lo dobbiamo applicare anche all’energia: imparare a “coltivarla” pensare in termini di ecosistemi energetici 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Schematizzazione di un SE a ciclo chiuso 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina USI FINALI VETTORI “ PULITI” Risorse Energetiche Rinnovabili Effetto Utile INTERAZIONI CON L’AMBIENTE Occorre tendere all'individuazione di cicli che, partendo da risorse rinnovabili, siano in grado di " chiudersi completamente ”

L’era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici Molti parlano della futura era dell’idrogeno : è molto più corretto fare riferimento innanzitutto all’affermarsi deciso - e, in una certa misura, ineluttabile- dell’ era della diversificazione delle fonti e dei vettori energetici . Una società ed uno sviluppo basati, quindi, sulla distribuzione e sulla possibilità di produzione di alcuni vettori di energia . La principale e decisiva novità sarà rappresentata proprio dall’ ingresso dell’idrogeno tra questi vettori 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Principali vettori energetici oggi utilizzati Elettricità Biocombustibili Idrogeno Fluidi termovettori Trasmissioni meccaniche Irraggiamento 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Necessità di “produrre” H 2 Tra questi vettori, l’ idrogeno , a differenza dei combustibili di origine fossile, è un vettore-combustibile che non è disponibile “libero” in natura, ma in aggregazione con altri componenti, e deve perciò essere oggetto di specifici processi di “produzione” (peraltro con dispendio di energia primaria) 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Non rinnovabili (Combustibili fossili) Produzione di idrogeno Rinnovabili PROCESSI DI PRODUZIONE dell’IDROGENO 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

DA DOVE “ESTRARLO” 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Breve termine Medio - lungo termine IDROCARBURI e ALCOOLI ENERGIE RINNOVABILI SOLARE EOLICO IDROELETTRICO ENERGIA ELETTRICA ELETTROLISI H 2 H 2 Biofuel CO 2 Processi di reforming

Thermal, Elettrolytic & Biologic Processes H 2 O 2 H 2 O Sun Wind Geothermal Biomass Hydro Combustion or Fuel Cells L’IDROGENO PUO’ ESSERE CONSIDERATO “PULITO” ED ECOCOMPATIBILE SOLO SE PRODOTTO CON ENERGIE RINOVABILI E A CICLO CHIUSO 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

SCHEMA DEL CICLO DI PRODUZIONE E UTILIZZO DELL’ IDROGENO 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

TRASPORTO e DISTRIBUZIONE di IDROGENO Il trasporto dell’idrogeno può essere considerato similare al trasporto del gas naturale (in forma gassosa), o al trasporto di oli combustibili (se in fase liquida, quindi con tutte le condizioni già viste nell’esempio del serbatoio BMW). 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

STOCCAGGIO DELL’IDROGENO A BORDO Gas compresso Pressioni: Standard attuale: fino a 350 bar In corso di standardizzazione: 700 bar Energia spesa per la compressione 4 – 7 % del contenuto energetico (in funzione della pressione di stoccaggio) Idrogeno liquido Temperatura di stoccaggio - 253 °C Energia spesa per la liquefazione Circa 30 % dell’energia stoccata Idruri Metallici 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

SISTEMI ENERGETICI “AD IDROGENO” Essenzialmente l’idrogeno in campo energetico può essere utilizzato o in pile a combustibile (fuel cell) per la produzione di energia elettrica o in motori a combustione interna (MCI) con produzione di energia meccanica (in ambo i casi ovviamente trasformabili in seguito in diverse forme energetiche). FUEL CELL MCI 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Il motore a combustione interna trasforma l'idrogeno direttamente in potenza propulsiva, senza quella ulteriore perdita di energia legata alla trazione di un motore elettrico. La potenza di quest'ultimo diminuisce al crescere del numero di giri creando problemi soprattutto in fase di sorpasso, mentre il sistema a combustione interna fornisce potenza in alcuni casi anche superiore rispetto ai normali motori a benzina. L'autonomia è di circa 350 Km ma all'interno della vettura è posizionato un bottone che permette di cambiare l'alimentazione da idrogeno a benzina. BMW 750 hL Motore: 5400 cc (12 cilindri a V) Da 0 a 100 Km/h in 9,6 sec. ed a una velocità massima di 226 km/h 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

Combustibile Energia Elettrica Funzionamento di una cella a combustibile 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Acqua Calore

Economia dell’Idrogeno Sorgenti di energia primaria: H 2 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Produzione di idrogeno con sistemi catalitici Reforming- ossidazione parziale, etc . CO 2 E.E Gassificazione E.

FUTURO: IDROGENO E FUEL CELL 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina

APPLICAZIONI FC 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Stazionario Trasporti Portatili

Combustibile Energia Elettrica 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Acqua Calore - + - + electric motor Idrogeno Metanolo Idrogeno Serbatoio di idrogeno Auto con cella a combustibile

AUTO 2006 -2009 05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Clarity (430 km—160 km/h) FC 100 kW , St 350 bar Provoq (500km—145 km/h) FC 70kW + Battery St 670 bar Kluger V (560km—175 km/h) FC 90 kw + Battery ST 700 bar Class B F-Cell (400km—180 km/h) FC 100 kW St 700 bar

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Stazioni di rifornimento di Idrogeno Irvine (CA-USA) Valdaro (I) Norvegia Tokyo

05/11/11 Prof. Vincenzo Naso Pagina Autostrade per Idrogeno B. C. Canada Hydrogen Highway California (USA) Giappone Norvegia

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Finale 3

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