2. Scenari energetici futuri
In memoria di Giuseppe Minardi, un amico, Senigalliese
che amato la sua città come testimonia il suo libro
Senigallia... frammenti di un luogo caro
e che nel settore energetico ha svolto con passione la
sua attività professionale.
3. Scenari energetici futuri
Energia e clima
Dai fossili ai rinnovabili
La fissione nucleare
Fusione a confinamento magnetico
Fusione a confinamento inerziale
I prossimi 1000 anni
4. Scenari energetici futuri
Energia e clima
L’energia è un sistema complesso
• Le sorgenti sono naturali: sole, combustibili chimici e nucleari.
• Le tecnologie di trasformazione sono basate su chimica e fisica.
La vita è un sistema complesso
Energia e vita binomio inscindibile
Energia abbondante per civiltà avanzate
6. Scenari energetici futuri
Il consumo totale su tutte le fonti energetiche ora è 9 GTep pari
a 3.8x1020 J. Potenza media circa 10 TW= 1013 W.
Popolazione attuale 6 miliardi (6x109). Il doppio tra un secolo.
http://www.census.gov/ipc/www/world.html
7. Scenari energetici futuri
GEOGRAFIA
I 2/3 delle riserve petrolifere sono in medio oriente. La
Distribuzione del carbone è più uniforme.
Consumi in Tep/anno: USA 10, EU 5, Emisfero sud <1, Media1.5
Legge di Pareto. Meno del 20% consuma più della metà
8. Scenari energetici futuri
ECOLOGIA E CLIMA
Sole Fonte di energia primaria. Carbone, gas e petrolio sono
energia solare accumulata in milioni di anni. Idroelettrica è
è energia solare accumulata nel ciclo annuale.
Clima. Dipende dalla concentrazione di CO2 in atmosfera.
9. Scenari energetici futuri
Concentrazione di CO2 e temperatura sono correlate.
Relazioni di causa-effetto non chiare.
Concentrazione: 270 ppm inizio 1800. Ora 360 ppm.
Proiezioni 2100 tra 500 ppm e 900 ppm
Concentrazione CO2 negli
Correlazione tra CO2 Previsione aumento
ultimi 150.000 anni
e temperatura temperatura
10. Scenari energetici futuri
Aumento CO2 causato da crescita demografica e del livello di vita
Oltre 80% di energia attuale dai fossili. Raddoppio concentrazione
entro 50 anni con aumento importante della temperatura media.
11. Scenari energetici futuri
Dai fossili ai rinnovabili
Energia di origine non fossile meno del 20% (elettrica 30%)
ITALIA 195 MTep: petrolio 92, gas 64, carbone 16, idro-geo 12.
Energia elettrica 70 MTep (pari a 30 centrali da 1 Gw)
Una centrale da 1 GW produce 3x1016 J anno e con efficienza del 32%
ha un consumo annuo di 2.3 MTep pari a 75 Kg/s
.
.
. carbone
idro
nucleare
gas
petrolio
12. Scenari energetici futuri
Energia solare
La energia del sole è perpetua ma diluita e intermittente
Costante solare: max energia per secondo e metro quadro
W= 1 KW/m2 Eanno = 3x1010 J = 0.7 Tep
Corrisponde ai 2.3 TeP per produrre 1 KW in centrale con efficienza 30%
Efficienza conversione 10%. Costante solare media 0.12 KW/m2
<W>
~ 12% <Wel> = 12 W/m2
Wpicco
13. Scenari energetici futuri
Centrali e tetti fotovoltaici
• I pannelli istallati sui tetti sono ecologici, le centrali meno.
• Il costo del KWh fotovoltaico è alto (4-5 x termico)
• Centrale da 1 GW quasi 100Km2. Stoccaggio
• Potenza centrali italiane 30 GW pari a 3000 Km2 di pannelli
Dai tetti il 10%
14. Scenari energetici futuri
Altri rinnovabili
• Idro-geo Fonte privilegiata, poco espandibile.
• Eolico. Forte variabilita. Centrali di sostegno.
• Solare termico. Più efficiente del fotovoltaico, poco scalabile
• Biomasse. Basso rendimento.
• Idrogeno da batteri. Possibile senza produrre CO2
Le fonti rinnovabili possono sostituire
i fossili solo in parte. Il nucleare può
sostituire la parte mancante
15. Scenari energetici futuri
La energia da fissione nucleare
Le reazioni nucleari sono molto più energetiche di quelle chimiche.
Energia chimica si misura in eV
Energia nucleare in MeV.
Raggi degli atomi in nanometri
Raggi dei nuclei in Fermi
Rapporto energie legame 1 a 1 milione
Fermi MeV
= 10-6 = 106
nm eV
Energia di Coulomb E = + e2/r Reazione a catena
16. Scenari energetici futuri
La energia nucleare è stata messa al bando in Italia dopo il
referendum del 1987 seguito all’incidente di Chernobyl.
L’effetto più devastante è stato lo smantellamento progressivo
delle competenze di natura scientifica, tecnologica e industriale
che l’Italia vantave in questo settore, oltre ad una sistematica
campagna di disinformazione da parte dei media.
17. Scenari energetici futuri
Neutroni termici Prodotti di fissione. Decadono
con emissione di n eutroni
Energia cinetica dei prodotti di fissione circa 160 MeV
Energia sviluppata dalla combustione di 1 g di Carbonio circa 33 KJ
Energia sviluppata da 1 g di Uranio circa 36 GJ
E(1 g U)
= 1 milione
E(1 g C)
18. Scenari energetici futuri
Produzione energia elettrica
Reattori: in operazione: 443 (in 30 paesi) in costruzione: 27 (in 11 paesi)
Potenza totale installata: 370 GW(e) reattori in
costruzione: 22 GW(e)
Nucleare 19.3 % Nella UE 33% Italia 0%
Gas naturale 19.4%
Carbone 39.0% operativita reattori 12.000 anni
Idro+geo+rinn. 22.3%
19. Scenari energetici futuri
I problemi del nucleare da fissione
• Economicità
Elelvati investimenti in impianti ad alta sicurezza. Costi di esercizio molto bassi.
La vita dei reattori di I e II generazione è stata portata da 30-40 a 50-60 anni
Costo in euro di 1 MWh: nucleare 28,4 , gas 35, carbone pulito 32 Euro
• Sicurezza
Molto alti nei paesi occidentali. Dopo Cernobil migliorata la sicurezza negl
impianti di Russia e Ukraina con assistenza UE. Migliora con generaz. III e IV
• Rifiuti
Un reattore da 1 GW produce 30 tonnellate di combustibile esarito per anno.
Stivaggio in depositi geologici. Ricerca avanzata sulla trasmutazione
degli attinidi a vita lunga. Problema molto ridotto nei reattori veloci generaz. IV
Proliferazione
I reattori di II e III generazione producono plutonio usabile per armi nucleari
20. Scenari energetici futuri
Siti di processamento e stoccaggio dei rifiuti
Il riprocessamento in un reattore o con acceleratori è in studio.
Yucca mountain USA Centre ANDRA de l’Aube (Fr)
22. Scenari energetici futuri
Dieci paesi si sono uniti per formare il Generation IV International Forum
per sviluppare i sistemi nucleari di futura generazione. Italia assente
Sostenibilità Economicità Sicurezza e affidabilità
Resistenza alla proliferazione.
24. Scenari energetici futuri
Reattori di generazione III+ PWR
Questi reattori sono la evoluzione della generazione II con un
aumento significativo delle sicurezza.
Sono ad acqua pressurizzata PWR. In UE sono in costruzione due reattori EPR
di questo tipo in Francia (Flamanville) e Finlandia (Olkiluoto). In esercizio 2012
Sicurezza aumentata notevolmente.
Stimato funzionamento per 100 milioni di
anni senza incidenti gravi.
Combustibile uranio arricchito 4-6%
MOX miscela uranio-plutonio
Problema scorie invariato
25. Scenari energetici futuri
Reattori di IV generazione
Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)
Reattori a spettro veloce, refrigerati a sodio e con ciclo del combustibile
chiuso, per una più efficiente conversione dell’uranio fertile e la gestione
degli attinidi
Spettro: veloce
Refrigerante: sodio
T out: 550°C
Potenza rif:
• 150-500 MWe (con comb. Lega U-
Pu-MA-Zr)
• 500-1500 MWe (con comb. MOX)
Ciclo: chiuso (MA inclusi e
conversione Pu)
Riciclo AM: si
26. Scenari energetici futuri
Gas-Cooled Fast Reactor (GFR)
Reattori a spettro veloce, refrigerati a elio e con ciclo del combustibile
chiuso, per una più efficiente conversione dell’uranio fertile e la gestione
degli attinidi
Spettro: veloce
Refrigerante: elio
T out: 850°C
Potenza rif.: 288 MWe
Ciclo: chiuso, on site
Riciclo AM: si
Caratt. Particolari:
produzione di H2 per termo-
dissociazione dell’acqua
27. Scenari energetici futuri
Lead-Cooled Fast Reactor (LFR)
Reattori a spettro veloce, refrigerati a piombo o eutettico piombo-bismuto
e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione
dell’uranio fertile e la gestione degli attinidi
Spettro: veloce
Refrigerante: Pb o Pb-Bi
T out: 550°C (fino a 800?)
Potenza rif.:
• 50-150 MWe (reattore a
“batteria”)
• 600 MWe
Ciclo: chiuso (on site o regional)
Riciclo AM: si
28. Scenari energetici futuri
Fusione termonucleare
Quando due nuclei leggeri si fondono formano un nucleo con
energia di legame piu alta e rilasciano energia.
• 2D + 3T= 4He + n reazione fusione
• 6Li + n = 4He + 3T produzione trizio
29. Scenari energetici futuri
Vantaggi
Risorse inesauribili (decine di milioni di anni)
No scorie a vita lunga
No emissioni CO2
No proliferazione
No incidenti nucleari
30. Scenari energetici futuri
PROBLEMI
Estrema difficoltà nel realizzare la fusione controllata
Due strade possibili: confinamento magnetico, inerziale
Dimostrazione: 10 anni per inerziale 20 per magnetico
Sviluppo tecnologie per centrali 20-40 anni
Confinamento magnetico Confinamento inerziale
31. Scenari energetici futuri
Enormi progressi sono stati realizzati. L’aumento di potenza
da reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale).
Esperimento al JET con trizio prossimo al break-even
32. Scenari energetici futuri
.
Il confinamento magnetico si realizza tramite campi
a struttura toroidale che confinano il plasma.
Il sole in bottiglia
Il premio Nobel De Gennes ha detto: idea
Buona peccato che manchi la bottiglia.
Il JET ci ha fornito una mezza bottiglia.
ITER Dovrebbe fornire la bottiglia intera.
33. Scenari energetici futuri
. fusione richiede temperature elevate di almeno 10 KeV pari a 1.2x108 gradi.
La
Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di Lawson
ρτ>c
dove ρ è la densità e τ il tempo di confinamento.
Confinamento magnetico: densità basse, tempi lunghi (minuti)
Confinamento inerziale : densità alte, tempi corti (nanosecondi)
35. Scenari energetici futuri
La fusione inerziale è una microesplosione simile a quella di una
bomba termonucleare o di una supernova.
La quantità di combustibile è minuscola, pochi mg di DT, e quindi
l’energia rilasciata può essere controllata.
La energia di una bomba di decine di Mtons viene rilasciata in
qualche decennio con una frequenza di 10 Hz.
Esplosione termonucleare Camera di reazione di NIF
36. Scenari energetici futuri
Dal diesel al motore a scoppio trermonucleare
Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per
compressione. La temperatura al centro consente le prime
reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel.
La fusione veloce si basa sul
deposito di energia concentrata Impulso laser
Tramite fascetti di elettroni o ultracorto
protoni prodotti da impulsi Impulsi Laser per
laser ultracorti (decine di fs). la compressione
Elettroni
Questa fasci creano la scintilla che
veloci
accende la reazione di fusione.
37. Scenari energetici futuri
I Dispositivi per la fusione inerziale sono basati su laser Ne-vetro che hanno energie
di 10-15 KJ ma tasso di ripetizione molto basso (1 tiro ogni qualche ora).
NIF ha 192 di questi lasers e deposita 3 MJ sul bersaglio. Nei prossimi 2 anni
Esperimenti di ignizione a piena potenza.
Si stanno sviluppando laser pompati a diodi che hanno frequenza elevata. Operativi
per fusione tra 10-15 anni circa.
Laser Ne per NIF
39. Scenari energetici futuri
Programmi in Europa
LMJ Laser Megajoule esperimento militare francese, come NIF
PETAL Esperimento civile francese per la fast ignition
HIPER Progetto di esperimento UE per fast ignition
PETAL
HIPER
40. Scenari energetici futuri
Italia
Partecipa ad ITER e parteciperà ad HIPER
Fusione magnetica: due macchine toroidali a Frascati e Padova
Studi su fast ignition con il laser FLAME ora istallato aFrascati.
Impegno non confrontabile con Francia, Germania, UK.
La ricerca in Italia non è considerata strategica.
41. Scenari energetici futuri
Il progetto PROMETHEUS
Struttura di ricerca con un laser di potenza nel laboratorioMontecuccolino della
Un. Di Bologna che ospitava un reattore.
Protoni per la terapia oncologica e ricerche sulla ignizione rapida
Laboratorio di Montecuccolino
42. Scenari energetici futuri
AD ASTRA
Energia abbondante e pulita è condizione per la democrazia
evitando il ritorno ad antiche schiavitù. Apre anche le porte
verso altri mondi altra condizione per il progresso dell’umanità