APPUNTI DI FISICA AMBIENTALE PARTE SECONDA ENERGIA ED AMBIENTE Anno scolastico 2015-16 prof.ing. Riccardo Fanton Istituto tecnico “S.B. Boscardin” Vicenza Versione 01-2015 2 ENERGIA ED AMBIENTE PREMESSA La società italiana è strutturata in modo da dare per scontata una serie di abitudini di vita diffuse in modo pressoché uniforme tra tutta la popolazione. Ciascuno di Voi, infatti, considera inaccettabile l’assenza dell’illuminazione, del riscaldamento, degli elettrodomestici ecc. nella casa in cui vive. Il problema consiste nel fatto che, per ottenere tutti questi comfort, è necessario consumare energia e che questo consumo ha due aspetti fortemente negativi:  il costo  l’inquinamento ambientale. Ad esempio per produrre l’energia elettrica è necessario far funzionare le centrali elettriche che, come vedremo più specificatamente nel corso del 5° anno, hanno TUTTE un forte impatto ambientale. Per rimanere su qualcosa di più immediato, in quanto riguarda le singole famiglie, è evidente che, per riscaldare un appartamento durante il periodo invernale, si utilizzano degli impianti termici che, prevalentemente, bruciano combustibili (metano, gasolio, carbone, legna….) ed immettono nell’aria dosi considerevoli di CO . 2 In definitiva, quanto detto si riassume con il seguente schema: COSTI ENERGIA INQUINA- MENTO UTILIZZATI A COMFORT Dando per scontato che nessuno vuole tornare a vivere come nel medioevo, durante il quale i consumi energetici erano decisamente esigui e l’inquinamento non significativo, è necessario stabilire quanta importanza dare a ciascuno dei quattro blocchi sopraindicati . 3 Questo compito è delegato alle leggi in materia previste dai Parlamenti dei vari Stati all’interno delle indicazioni generali predisposte dall’U.E. Negli ultimi venti anni ha preso piede l’idea di ridurre gli effetti inquinanti cercando di mantenere un livello di comfort accettabile. Ciò comporta un incremento dei costi di costruzione degli impianti, ma allo stesso tempo una diminuzione del consumo energetico e della relativa bolletta energetica. Si tratta in definitiva di cercare soluzioni tecniche che bilancino questi due aspetti. Durante questa parte del corso vedremo quali sono le normative e le modalità tecniche attualmente utilizzate concentrando la nostra attenzione sui problemi relativi al riscaldamento degli edifici. 4 MODULO 1 LE FONTI ENERGETICHE In questo capitolo verrà fatta una analisi sintetica delle principali fonti di energia utilizzate nei vari ambiti e delle prospettive che queste tipologie energetiche hanno nell’immediato futuro. 1) CLASSIFICAZIONE DELLE FONTI ENERGETICHE Le fonti energetiche sono divise in:  Primarie – sono quelle direttamente utilizzabili dall’uomo: gli idrocarburi, l’acqua dei fiumi, il sole, il vento, il calore della terra, i combustibili nucleari.  Secondarie – sono quelle che necessitano di una trasformazione per poter essere usate come i prodotti petroliferi derivati. Un altro tipo di classificazione è la seguente:  Fonti esauribili (fossili) – petrolio, carbone e gas.  Fonti rinnovabili – il sole, il vento, l’energia idrica ecc. che a loro volta si suddividono in: - Classiche: idroelettrico, geotermia - Nuove: solare, eolico, biomasse (in parte). In generale le fonti energetiche non fossili vengono definite alternative anche se strettamente non rinnovabili. 2) I COMBUSTIBILI FOSSILI La combustione di carbone o idrocarburi (metano o petrolio) è utilizzata per la produzione di energia elettrica. Va evidenziato che il rendimento dei combustibili fossili nella produzione di energia elettrica è del 40% (il che significa che il 60% dell’energia non è correttamente utilizzato) e che le centrali termoelettriche producono attualmente il 65% della elettricità mondiale. 5 Oltre all’uso sopra riportato gli idrocarburi e il carbone hanno un largo impiego nei seguenti settori:  Trasporti  Riscaldamento  Produzione di materie plastiche  Produzione di fertilizzanti per l’agricoltura  Produzione di una serie di altre sostanze di largo uso (paraffina, asfalto, vaselina …) Gli svantaggi insiti nell’utilizzo dei combustibili fossili sono:  La combustione produce anidride carbonica (CO ) assieme ad altre sostanze 2 inquinanti come ossidi di zolfo e ossidi di azoto responsabili dell’effetto serra;  Il consumo mondiale è più rapido della rigenerazione della fonte che è destinata ad esaurirsi a breve termine;  La localizzazione geografica dei combustibili fossili vede concentrato il 65% delle risorse mondiali di petrolio in Medio Oriente mentre in 30 anni i depositi europei di gas naturale saranno esauriti. Le risorse stimate di carbone sono ancora molto grandi e, pur tenendo conto dello sviluppo dei paesi emergenti (Cina, India e Brasile), si ritiene (nel 2013) che possano durare ancora un centinaio di anni. Al contrario, il petrolio si stima che possa soddisfare le richieste energetiche solo per altri 40 anni (N.B. significa che quando Voi avrete l’età dei vostri genitori il mondo che conoscete non esisterà più….) Analizziamo ora più specificamente le varie tipologie di combustibili fossili. 2.1) PETROLIO Il petrolio è una miscela di vari idrocarburi che si trova in alcuni giacimenti entro gli strati superiori della crosta terrestre. L’industria petrolifera ha notevole impatto sociale e ambientale, dai gravi incidenti (come quello della perdita di petrolio della piattaforma di estrazione nel golfo del 6 Messico) alle attività di routine come l’esplorazione sismica, le perforazioni e gli scarti inquinanti. L’estrazione petrolifera, il trasporto e la lavorazione del petrolio sono costosi e spesso danneggiano l’ambiente marino, terrestre ed atmosferico. Non ultima la combustione di enormi quantità di petrolio (centrali elettriche, mezzi di trasporto e Figura 1 - disastro del Golfo del Messico riscaldamento) è tra i maggiori responsabili dell’incremento, nell’atmosfera, dell’anidride carbonica e di altri gas che causano l’effetto serra. Per quanto riguarda l’Italia, non possedendo giacimenti di petrolio nel suo territorio, è totalmente dipendente dalle importazioni che sono una delle principali cause del deficit nel bilancio statale che ha portato all’attuale crisi economica. Figura 2- centrale termoelettrica 7 2.2) CARBONE Il carbone è un combustibile fossile estratto dalla terra in miniere sotterranee o a cielo aperto. E’ un combustibile pronto all’uso composto principalmente da carbonio, tracce di idrocarburi, oltre ad altri minerali assortiti (a seconda della provenienza) compresi alcuni a base di zolfo. Il carbone viene utilizzato attualmente per la produzione del 25% dell’energia elettrica mondiale. Negli USA si arriva al 50% dell’elettricità prodotta in questo modo, mentre in Italia la quota è del 17%.  Effetti inquinanti del carbone La combustione del carbone, come quella di ogni altro composto del carbonio, produce anidride carbonica oltre a quantità variabili di anidride solforosa; quando l’anidride solforosa reagisce con il vapore acqueo dà luogo ad acido solforoso che poi si riversa al suolo sotto forma di piogge acide. Le emissioni del carbone, usato nelle centrali elettriche, contenenti tracce di altri elementi presenti quali l’arsenico e il mercurio sono velenose se respirate e soprattutto, nel caso di uranio e altri isotopi radioattivi naturali, possono causare contaminazione radioattiva nelle zone circostanti le centrali. Sebbene queste sostanze siano presenti solo in tracce, bruciando grandi volumi di carbone per molti anni ne vengono rilasciate quantità significative. Una centrale a carbone può immettere nell’aria più radioattività di quella prodotta da una centrale nucleare di pari potenza correttamente funzionante. In Italia le ultime miniere di carbone in funzione (nel Sulcis) sono state chiuse nel 2012. Ci sono, oltre a quelle sarde, anche altre miniere in disuso in quanto, a causa della notevole profondità dei giacimenti, risulta non conveniente continuare l’estrazione a causa dei grandi costi che ne derivano. 2.3) METANO Il metano è un idrocarburo semplice (alcano) che si trova in natura sotto forma di gas naturale di cui è il principale componente; è un eccellente combustibile poiché produce il maggior quantitativo di calore per massa unitaria infatti dalla combustione di 1 m3 standard di metano si ottengono 36 MJ di energia termica. Il metano è il risultato della decomposizione di alcune sostanze organiche in assenza di ossigeno. E’ quindi classificato come biogas. E’ inodore, incolore e insapore, quindi per rendere avvertibile la presenza di questo gas nell’ambiente e diminuirne la 8 pericolosità (è tossico se respirato) nelle reti domestiche deve essere mescolato con apposite sostanze che producono il caratteristico “odore di gas” che conoscete.  Effetti inquinanti del metano Il metano è di per sé un gas serra che, a parità di concentrazione, è 23 volte più inquinante dell’anidride carbonica. Infatti il metano è responsabile da solo del 20% dell’incremento dell’effetto serra negli ultimi decenni. Le principali fonti di emissione di metano nell’atmosfera sono: - Decomposizione dei rifiuti nelle discariche 28% - Fonti naturali (paludi) 23% - Estrazione da combustibili fossili 20% - Processo di digestione degli animali (bestiame) 17% - Risaie 12%. 3) NUCLEARE Sono “combustibili” fossili anche quelli utilizzati per produrre energia nucleare sebbene il termine combustibile, in questo caso, sia utilizzato in modo improprio. L’energia nucleare è oggetto di molte discussioni e opinioni spesso espresse senza conoscere effettivamente di cosa si tratti. Vi sono due tipi di possibili produzioni di energia nucleare: da fusione e da fissione. Vediamo brevemente di cosa si tratta rimandando gli approfondimenti al corso del quinto anno. 3.1) FISSIONE L’energia atomica prodotta da fissione si fonda sul principio del difetto di massa: un nucleo atomico pesante (ad esempio l’uranio 235) si rompe formando due nuclei più piccoli di elementi più leggeri. La somma delle due masse ottenute risulta minore della massa dell’atomo iniziale e la parte mancante della massa si trasforma in energia secondo la formula E = mc2. Una centrale elettrica nucleare a fissione della potenza di 1 GW produce energia pari ad una centrale a petrolio che consumi 1.400.000 tonnellate di petrolio in un anno (l’equivalente di 100 petroliere). 9 Figura 3 Da quanto sopra riportato si potrebbe concludere che sarebbe molto conveniente utilizzare solo centrali nucleari. Lo schema teorico di una centrale nucleare è molto simile a quello di una centrale termoelettrica a carbone o petrolio dalle quali differisce solo perché il calore non è prodotto da reazioni chimiche di combustione, ma dalla reazione nucleare di fissione nelle barre di combustibile fissile composte di uranio o di plutonio. E’ evidente che in questo caso non si ha nessuna emissione di CO . E fino a 2 qui ho elencato i vantaggi di questo tipo di centrale. Vediamo ora gli svantaggi insiti in questo metodo di produzione di energia.  I prodotti delle reazioni di fissione e delle altre reazioni dei neutroni con i materiali che costituiscono il nocciolo sono altamente radioattivi;  Le scorie dei materiali (dei prodotti di cui sopra) devono essere trattate con tecniche particolari molto costose e una parte di esse immagazzinata in siti geologici profondi (depositi permanenti)  Le riserve di materiali fissili sono inferiori rispetto a quelle del carbone e del petrolio;  Nel caso di incidenti alle centrali si producono devastazioni su territori molto ampi (Cernobyl, Fukushima) e durevoli nei secoli. 10