Energie rinnovabili

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definiamo energie rinnovabili tutte quelle che derivano da fonti che possano essere considerate inesauribili. Il loro sfruttamento non fa diminuire la loro entità in quanto si rinnovano continuamente. Si è soliti suddividere le energie rinnovabili in: energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica, da biomassa, energia marina. Una importante caratteristica delle fonti rinnovabili è che esse presentano impatto ambientale trascurabile, per quanto riguarda il rilascio di inquinanti nell’aria e nell’acqua; inoltre l’impegno di territorio, anche se vasto, è temporaneo e non provoca né effetti irreversibili, né richiede costosi processi di ripristino.
Oggi le fonti rinnovabili rappresentano circa il 20% nelle statistiche delle fonti di energia mondiali, con una netta prevalenza di biomasse (quasi il 14%) e idraulica (il 6%). Nella Comunità Europea le energie rinnovabili contribuiscono per il 5,4% alla copertura dei bisogni di energia primaria; le previsioni per i prossimi anni prevedono il raddoppio di tale contributo, cioè il 9,6% per il 2005, grazie soprattutto alle biomasse, ai biocarburanti, alla valorizzazione dei rifiuti urbani, all’energia eolica e alla minidraulica.
La possibilità di sfruttare diverse fonti rinnovabili è oramai dimostrata. Restano ancora irrisolti problemi di efficienza e soprattutto economici. La produzione di energia da fonti rinnovabili presuppone dei costi che non sono per niente concorrenziali rispetto all’utilizzo dei combustibili tradizionali. Gli impianti occupano in molti casi grandi superfici per ottenere solamente esigue quantità di energia. I costi elevati e la scarsa diffusione delle opportunità esistenti per accedere a fondi comunitari non fanno decollare il settore del rinnovabile in Italia.

 

En. Solare

Definizione:

Per energia solare si intende l’energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando direttamente l’energia irraggiata dal Sole verso la Terra. Ogni istante il Sole trasmette sull’orbita terrestre 1367 watt per m². Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera (e quindi i raggi arrivano spesso angolati) che oltretutto ruota, l’irraggiamento solare sulla superficie terrestre mediato sulle 24 ore e sulle 4 stagioni è, alle latitudini europee di circa 200 watt/m². La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa mille volte superiore a tutta l’energia usata dall’umanità nel suo complesso. l’umanità ha bisogno soprattutto di energia meccanica o elettrica e quindi l’energia solare va trasformata, cosa che si realizza con prodotti della tecnologia che sono tutt’altro che gratis. L’energia solare è quindi poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile (principalmente in elettricità) con efficienze accettabili. Varie tecnologie sono state sviluppate per poterla sfruttare al meglio.

 

Produzione

I pannelli fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Questi pannelli sfruttano l’effetto fotoelettrico e hanno un efficienza di conversione che arriva fino al 32,5% nelle celle da laboratorio. In pratica, una volta ottenuti i moduli dalle celle e i panelli dai moduli e una volta montati in sede, l’efficienza media è di circa il 12%. Questi pannelli non avendo parti mobili o altro necessitano di pochissima manutenzione. La durata operativa stimata dei pannelli fotovoltaici è di circa 30 anni. I difetti principali di questi impianti sono il costo dei pannelli e l’immagazzinamento dell’energia. Il secondo problema di questo genere di impianto è che l’energia viene prodotta istantaneamente e non può essere immagazzinata in modo semplice. Grazie a una legislazione che prevede incentivi economici all’installazione di pannelli solari e la possibilità di vendere l’energia prodotta in eccesso al gestore della rete di trasmissione, la Germania è al primo posto in Europa per la potenza elettrica prodotta da energia solare: tale quantità però soddisfa solamente meno dello 0.1% del fabbisogno nazionale tedesco ed è del tutto insufficiente a sostenere il trend crescente della domanda energetica (in Germania la prima fonte di produzione di energia elettrica è il carbone, con oltre il 50%, e al secondo posto c’è il nucleare con quasi il 30%).

Pannelli:

I moduli in silicio mono o policristallini rappresentano a loro volta la maggior parte del mercato. Entrambe queste tecnologie sono costruttivamente simili, e prevedono che ogni cella fotovoltaica sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre mediante ribbon (nastro) metallici, in modo da formare opportune serie e paralleli elettrici. Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (spesso indicato con la sigla EVA), la matrice di moduli preconnessi mediante i già citati ribbon (nastro), un secondo strato di acetato e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l’EVA in mero collante inerte, le terminazioni elettriche dei ribbon (nastro) vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore, e il “sandwich” ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, che sarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole.

 

Pratico

Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo, e può essere considerato un indice di correlazione tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni. Se nei pannelli ad uso aerospaziale i rendimenti raggiungono anche il 50%, valori tipicamente riscontrabili nei prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:

  • 16% nei moduli in eterogiunzione;
  • 14% nei moduli in silicio monocristallino;
  • 13% nei moduli in silicio policristallino;
  • 10% nei moduli in silicio microsferico;
  • 6% nei moduli in silicio amorfo.

A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, è prassi comune che i produttori coprano con un’opportuna garanzia oltre ai difetti di fabbricazione anche il calo di rendimento del pannello nel tempo.

 

Nucleare Fusione fredda  Il 25 marzo 1989 é la data storica in cui due coraggiosi ricercatori dell’Università di Salt Lake City (Utah – USA),  Martin Fleischmann e Stanley Pons, annunciarono alla stampa laver trovato un modo molto semplice e poco  costoso per produrre energia pulitissima: l’energia derivata dalla fusione di atomi di deuterio (isotopo  dell’idrogeno) a bassa temperatura. In sostanza l’energia del futuro. Nonostante che i due scienziati  disponessero di risultati ben documentati, successivamente riprodotti in più di duecento laboratori sparsi in tutto il  mondo, si innescò una inconcepibile serie di polemiche ed anche qualcosa di più. Una campagna di disprezzo, in  particolare, venne imbastita dai loro colleghi, studiosi della fusione calda , così denominata perché necessita di  milioni di gradi di temperatura ed inoltre di ingenti risorse economiche. Ed anche la stampa e le riviste specializzate rivolsero pesanti critiche al loro operato. Il risultato fu che, dopo il terremoto scatenato dall’entusiasmo per l’annuncio rivoluzionario, seguì un crescente scetticismo, sconfinato in precise minacce per i  due ricercatori. Essi scomparvero per alcuni mesi, fino a quando approdarono a Nizza. Qui stanno ancora  lavorando per il loro progetto in un laboratorio privato finanziato con nove milioni di dollari dalla IMRA Europe  S.A., impresa affiliata alla giapponese Toyota. Nella titanica lotta di interessi di ogni tipo, il movimento scientifico scaturito dalla fusione fredda é ancora vivo e i risultati raggiunti sono da tenere veramente nella più alta  considerazione, nonostante che essi producano energia di tipo calorico, cioé una forma non nobile, ma pur  sempre benedetta. Inoltre i ricercatori si incontrano annualmente per scambiarsi pareri e risultati. A differenza  della tecnica studiata e portata avanti da circa 40 anni per attuare la fusione calda degli atomi di idrogeno, sfruttando enormi macchine capaci di far arrivare la temperatura interna anche a centinaia di milioni di gradi, la  fusione fredda proposta da Fleischmann e Pons si basa sul principio dellelettrolisi e sfrutta unapparecchiatura semplicissima. Facendo passare elettricità tra due elettrodi, uno di palladio e l’altro di platino, immersi in acqua pesante D2 0 (dove D é il simbolo del Deuterio) si può produrre una quantità di energia molto superiore a quella immessa. Secondo quanto sinora accertato, nel reticolo cristallino del Palladio si crea una forma di fusione,
 ancora misteriosa, tra i nuclei di deuterio. Il mistero é questo: come può avvenire una fusione tra due nuclei i quali, essendo dotati di stessa carica positiva, in realtà dovrebbero respingersi in maniera molto potente per effetto della forza coulumbiana?
Negli ultimi anni poi sono state sviluppate nuove tecniche che in verità hanno maggiormente aumentato il mistero, come l’uso di particolari accorgimenti sugli elettrodi soprattutto l’uso di acqua normale. Risultati sorprendenti mostrano rendimenti energetici addirittura del 900%. A qualcuno questo non va assolutamente bene. E allora si creano i problemi: ci sono in ballo ricchissimi brevetti e il Premio Nobel. Le teorie della “scienza” sentono in pratica il profumo dei soldi. non secondario é il problema economico: cosa succederebbe, tra l’altro, se tale reazione nucleare arrecasse del benessere a tutta la popolazione mondiale e nello stesso tempo risolvesse il crescente inquinamento del pianeta? Ci accorgiamo purtroppo che il vero problema é l’uomo. Sicuramente il suo spirito é ammalato. Uno spirito che ha portato la scienza in un vicolo cieco dove la saggezza é tuttora evanescente. Ci si chiede poi: é possibile oggi, ed era possibile nei decenni passati rimettere le cose al loro giusto posto per dare un futuro migliore ai nostri figli? La risposta é inesorabilmente affermativa, ma é la volontà dell’uomo che deve entrare in azione per far emergere concretezza e dignità. Dall’analisi storica di questa vicenda si può capire come le scelte abbiano potuto determinare una simile situazione, dove l’interesse personale o delle lobby, é sempre prevalso su quello della collettività. Di conseguenza il modo di produrre energia col metodo della combustione ha sempre avuto il sopravvento, ma i mezzi per cambiare li potevamo già avere sin dagli anni venti e addirittura anche prima. Per restare nel tema della fusione nucleare fredda, ricordiamo l’esempio del chimico tedesco Friedrich Paneth. Questo ricercatore, ancora sconosciuto, nell’anno 1926 pubblicò sull “Annuario della Società chimica tedesca” il rendiconto dei suoi esperimenti sulla fusione. Recentemente tali studi sono stati ripresi dal prof. Vyaceslav Alekseyev, direttore del Laboratorio sulle Energie Rinnovabili dell’Università di Mosca. Un altro avvenimento, che reputo di fondamentale importanza é lo studio che Enrico Fermi intraprese negli anni ’30, per creare un generatore artificiale di neutroni. La nota, a firma di Amaldi, Rasetti e Fermi, venne pubblicata su “La Ricerca Scientifica” nel 1937 e dove si dimostrava la possibilità di sfruttare la reazione atomica:

                        D 2 + D 2 ——-> He 3 + n 1
                             1        1                  2       0

per produrre neutroni necessari per bombardare gli atomi. Per realizzare tale impianto Fermi ebbe necessità di usare acqua pesante, cioè un bersaglio contenente un’alta percentuale di Deuterio allo stato solido. Visto il notevole sviluppo di calore, si dovette ricorrere all’aria liquida per mantenere a bassissima temperatura il blocco di ghiaccio. Forse tutto ciò non é una reazione di fusione nucleare fredda? Anzi, superfredda. Perché allora non venne mai proposta e applicata ? Andando avanti nel tempo, ci sono stati notevoli esempi di questo tipo di reazione, sfruttabile in vario modo, fino ad arrivare al fatidico 25 marzo 1989. Da quel momento centinaia e centinaia di ricercatori si sono costantemente impegnati, nonostante le notevoli avversità, per portare avanti uno dei migliori sistemi per produrre energia pulita.
Naturalmente anche in Italia ci sono alcune Università che studiato il fenomeno. Tra i ricercatori italiani dobbiamo citare, senza dubbio, il prof. Giuliano Preparata, uno degli uomini ancora capaci di lottare per la fusione a freddo e di denunciarne la pericolosa situazione di insabbiamento ed in particolar modo l”intrappolamento” dell’ingegno di Fleischmann e Pons. In questi ultimi otto anni la ricerca ha raggiunto un accettabile livello nel cercare di creare energia a basso costo senza l’incubo dell’inquinamento o di altre diavolerie simili. Ma quando i risultati potevano avere già applicazione industriale, una mente invisibile é riuscita ancora a fermare i più audaci.

Fusione calda

E’ una via pulita per produrre energia, senza rischio di esplosioni devastanti o irraggiamento da scorie radioattive ma semplicemente utilizzando il medesimo processo delle stelle e del Sole. Ogni attività umana produce inquinamento, tuttavia la fusione nucleare potrebbe consentire l’abbattimento di tutti i problemi emersi dall’esperienza della fissione nucleare (ovvero l’attuale processo mediante il quale si produce energia dal nucleare dal 1950).

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER):
E’ il progetto per realizzare la fusione promosso da Canada, UE, Giappone, Russia, Cina, Corea del Sud e USA. La costruzione durerà almeno dieci anni e produrrà energia a partire dal 2035. E’ comunque prevedibile un certo ritardo, la fusione nucleare potrebbe diventare una realtà solo dalla metà di questo secolo. L’Iter è l’ultimo passo di una lunga serie di sperimentazioni scientifiche iniziata nei primi anni ’90.

Vantaggi dei reattori a fusione:

  • il 90% delle scorie hanno una bassa radioattività che si esaurisce in soli cento anni. Si elimina quindi anche il problema sociale e politico dello stoccaggio.
  • producono un gas di scarico non radioattivo (l’elio)
  • non producono gas ad effetto serra che influiscono sul riscaldamento globale
  • non producono plutonio
  • il combustibile della fusione è estratto dall’acqua, una risorsa presente in qualsiasi paese del mondo.
  • si riducono le conseguenze di eventuali incidenti. In caso di perdita di controllo, il reattore a fusione tenderà a raffreddarsi arrestando spontaneamente il processo di fusione.

Come funziona la fusione nucleare?
Il combustibile dei reattori a fusione è dato dal deuterio e dal litio, entrambi estratti dall’acqua e dal terreno. Es. 200 kg di litio e 100 kg di deuterio possono produrre 1000 MWh di potenza elettrica. Gli isotopi dell’idrogeno (deuterio, trizio, ecc.) sono posti sotto vuoto e riscaldati ad alte temperature fino a formare il “plasma” (nuclei separati dagli elettroni). Quest’ultimo viene poi riscaldato a sua volta da corrente elettrica per far sì che gli atomi di idrogeno si fondano rilasciando energia e atomi di elio. Nella fusione nucleare due nuclei leggeri si fondono per ottenere nuclei pesanti, generando energia per difetto di massa (dopo la fusione la massa è sempre minore alla somma dei due nuclei, la parte di materia mancante si è trasformata in energia).

Perché la fusione nucleare richiede altissime temperature per compiersi?
Due nuclei posti ad una distanza minima (millimiliardesimo di millimetro) tendono a fondersi sotto spinta della forza di gravità nucleare rilasciando energia. Il processo di fusione è però ostacolato da un’altra forza, quella elettrostatica. Questa forza è provocata dalla carica positiva dei protoni che li porta a respingersi. Per superare la barriera elettrostatica i nuclei devono essere portati ad uno stato di eccitazione raggiungibile solo ad altissime temperature (100 milioni di gradi), tali da spingere al movimento i nuclei e quindi a scontrarsi (ovvero a fondersi).

Il problema delle temperature elevate
Le alte temperature richieste dalla fusione pongono un problema concreto: nessun materiale può resistere a centinaia di milioni di gradi. Negli ultimi anni si è cercato di risolvere il problema creando dei campi magnetici tali da distanziare il plasma dalle pareti metalliche.

Il problema dell’energia per avviare la fusione
L’energia necessaria per provocare la fusione nucleare è pertanto elevata. Nei primi esperimenti l’energia prodotta non ha compensato quella necessaria per produrla. Un problema di non poco conto che gli scienziati devono cercare di superare per consentire una concreta applicazione industriale della fusione nucleare.

Fissione

  • Il principale svantaggio del nucleare sono le drammatiche conseguenze in caso di incidente. L’epilogo di Chernobyl ha causato conseguenze globali e, ancora oggi, non si conosce il reale impatto sulla salute. Se da un lato le nuove centrali di ultima generazione garantiscono un livello di sicurezza elevato, dall’altro non si può fare a meno di pensare che anche la centrale di Chernobyl era stata considerata sicura a suo tempo.
  • Le scorie radioattive devono essere stoccate per migliaia di anni. Nessun paese al mondo è giunto a una soluzione definitiva di stoccaggio. In Italia, nel 2003 si fermò in protesta un’intera regione italiana per impedire la realizzazione di un deposito geologico di scorie.
  • La produzione di armi nucleari resta l’ultimo grande handicap. Non si può negare un legame tecnologico tra la produzione civile di energia nucleare e l’industria bellica. Nel 2004 gli USA e altri paesi occidentali fecero grande pressione sull’Iran per impedire la costruzione di una centrale nucleare civile proprio per il timore che questi impianti fossero utilizzati anche per finalità belliche. Pertanto il legame tra le due attività esiste.
  • Il costo reale del nucleare. Da circa 15 anni nessun paese occidentale, salvo la Finlandia, ha messo in cantiere nuove centrali nucleari. Il nucleare comporta costi elevati fin dalla realizzazione degli impianti. Vanno poi ad aggiungersi i costi militari per garantire la sicurezza dagli attentati terroristici e i costi per smantellare la centrale nucleare al termine della sua attività. Tutti questi costi non sono sostenibili da un’industria privata. Lo Stato deve necessariamente intervenire a copertura delle spese aumentando tasse e imposte ai contribuenti. In breve, il basso costo dell’energia in bolletta potrebbe essere più che compensato dall’aggravio fiscale in termini di imposte.
  • La localizzazione degli impianti nucleari. Le comunità locali sono restie ad accettare un deposito di scorie o una centrale nucleare vicino casa.

A) I reattori tradizionali sono basati sul principio della generazione di calore dal nocciolo, il luogo dove avviene la reazione di fissione nucleare. Il calore a sua volta produce forza-vapore in grado di muovere turbine per generare elettricità. Il combustibile per ottenere la fissione dell’atomo è l’uranio arricchito. Le temperature medie di funzionamento oscillano intorno ai 330° C. Questa tecnologia produce scorie nucleari, la cui radioattività può durare migliaia di anni (anche 100.000).

B) I reattori di nuova generazione
I nuovi reattori nucleari a fissione prendono spunto dall’esperienza passata. Sono molto più sicuri dei reattori tradizionali, in caso di incidente le conseguenze sono minimizzate da doppi apparati di sicurezza basati sia su sistemi automatizzati e su principi fisici. Citiamo due reattori utilizzati nelle centrali nucleari di nuova generazione.

  • Nel reattore “a spettro veloce” il nocciolo è immerso nel sodio liquido, capace di scongiurare la dispersione di calore in caso di incidente. Il combustibile è il medesimo (uranio liquido) delle centrali tradizionali. Il problema delle scorie radioattive non viene risolto. La temperatura media è superiore ai reattori tradizionali e raggiunge circa 500°.
  • Nel reattore “a letto di sfere” il nocciolo è composto anche da grafite per garantire la resistenza fino a 1600°. Questo reattore, pur non eliminando il problema delle scorie, ha il pregio di non produrre plutonio. Il reattore utilizza come combustibile l’ossido di uranio con elementi di grafite.

Chi produce l’energia nucleare? Sono circa 438 i reattori nucleari attivi nel mondo. I paesi con maggiore presenza di reattori nucleari sono i seguenti:

  • 104 negli USA
  • 59 in Francia
  • 53 in Giappone

Complessivamente, le centrali nucleari nel mondo producono 352 gigawatt, pari al 16% della fornitura globale d’energia. L’incidente di Chernobyl negli anni ’80 frenò l’ottimismo verso l’energia nucleare per la consapevolezza delle gravi conseguenze in caso di incidente. I paesi che soddisfano il proprio fabbisogno energetico interno tramite l’energia nucleare sono i seguenti:

  • Francia: 76% fabbisogno energetico interno
  • Paesi dell’Europa dell’Est: 40-50%
  • USA: 20%
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