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FONDAMENTI DI SOSTENIBILITA’ 2005/2006 Un lavoro collettivo realizzato dagli studenti.

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Presentazione sul tema: "FONDAMENTI DI SOSTENIBILITA’ 2005/2006 Un lavoro collettivo realizzato dagli studenti."— Transcript della presentazione:

1 FONDAMENTI DI SOSTENIBILITA’ 2005/2006 Un lavoro collettivo realizzato dagli studenti

2 ENERGIA/MATERIA > spreco Jorge Cuvertino Santoni

3 Cos’è l’energia? Uno stadio?, una proprietà della materia?, un qualcosa?, ciò che ci consente il moto o accendere la TV, la macchina? Cosa comporta l’energia? La maggior parte di noi vede l’energia come una cosa…un qualcosa che può essere venduto, comprato, immagazzinato e trasportato. Ma l’energia non è una cosa di per se, piuttosto uno stadio o condizione di una cosa. La condizione di possedere energia comporta sempre il passaggio/transito di essa da un oggetto ad un altro, essa non viene creata ne distrutta. Sotto questa ottica, l’energia è una condizione preziosa.

4 ENERGIA/MATERIA consumi risparmio spreco/ eccessivo consumo fonti fossili + no rinn rinnovabili contro/pro perché?azioni entropia industrializzata sostenibile industria = produzione (40%) trasporto (40%) residenziale/commercio (20%) agricoltura (non nulla), concimi, trasporto,macchinazione energia eolica energia solare energia idroelettrica materia (biomassa,biogas,alcoli) energia geotermica maree industria energetica utilizzo combustibili nuovi materiali e tecnologia macchine poco efficienti trasporto urbano poco efficiente perdite dal precario isolamento pubblicità, lampadine incandescenza crescita demografica carbone gas naturale petrolio nucleare distribuzione puntuale del fossile mercato in mano di pochi guadagno energetico basso inquinamento,conflitti sociali fonti rinnov. richiedono tecnologia >>consumo energetico cmq impatto ambientale disordine ordine attività economica umana basata sul consumo energetico e la sempre crescente demanda distribuzione estesa delle rinnovabili decentralizzazione mercato guadagno energetico maggiore riciclo > efficienza macchine,industria, apparecchi,frighi < consumo pers. coesione sociale 1 MW risparmiato = -700 g CO2 indutria energetica >> 80% inq. aria inizieremmo a catturare parte del flusso energetico al ecosistema >> impossibilità di conoscere conseguenze interferenza cicli naturali.

5 Il concetto scientifico di energia Per passare al concetto di energia bisogna conoscere quello di Lavoro. Esso, dal punto di vista della fisica, è il prodotto tra la forza indotta su un oggetto o sistema e la distanza. Lavoro = Forza x Distanza Supponiamo di muovere un armadio se esso non si sposta non facciamo nessun lavoro nonostante ci stanchiamo, ciò perché non abbiamo esercitato la forza attraverso una distanza (la distanza è 0). L’energia di un oggetto, o di un sistema, quindi, è la quantità di lavoro che il sistema o l’oggetto può esercitare su un altro oggetto o sistema. In altre parole, l’energia misura la possibilità (capability) di un oggetto o sistema di compiere lavoro su un altro oggetto o sistema. Nell’esempio dell’armadio, noi possiamo compiere lavoro (se lo spostiamo), perché il nostro corpo possiede un certo quantitativo di energia chimica ricavata da ciò che mangiamo. Quest’energia chimica viene rilasciata per generare forza attraverso i muscoli, con la quale possiamo spostare l’armadio. I cambiamenti nella energia chimica immagazzinata nel nostro corpo è uguale al lavoro esercitato sull’armadio più ilo calore generato mentre compiamo quel lavoro. Esistono diverse forme di energia, ovvero, esistono diversi modi in cui un oggetto o sistema può possedere energia, ma dobbiamo tener presente che essa corrisponde sempre alla possibilità di compiere lavoro, cioè, di esercitare una forza su un oggetto attraverso una distanza. Estrarre questo lavoro da una fonte energetica può essere difficile e complicato e secondo certe considerazioni pratiche che coinvolgono l’entropia.

6 Forme di energia energia cinetica (la possiede una palla che si muove attraverso l’aria) energia potenziale (la possiede un libro sulla scrivania) energia termica o calorica (una tazzina di caffe) energia chimica (il glucosio né nostro sangue) energia elettrica (indotta dall’eccitazione degli atomi) energia elettrochimica (una batteria) energia elettromagnetica (la luce) energia del suono energia nucleare (il sole)

7 La materia è una forma di energia ! Nel caso della fusione e fissione atomica, parete della materia costituente dei nuclei atomici viene convertita in energia. Ciò avviene perché la materia stessa è una forma di energia. Questo concetto coinvolge la seguente formula E = mc2 Questa formula ci dice che l’energia immagazzinata intrinsecamente in un pezzo di materia in quiete è uguale alla sua massa per la velocità della luce al quadrato. Se inseriamo dei numeri vediamo l’incredibile quantità di energia contenuta in piccolo pezzo di materia come 1 € Cent. Ci costerebbe milioni di euro comprare l’energia contenuta intrinsecamente in esso. Per avere un’idea di quanta energia contenuta in esso ce, consideriamo che le armi nucleari solo rilasciano una piccola frazione dell’energia “intrinseca” dei suoi componenti.

8 Proprietà dell’energia L’energia ha delle proprietà che non possono essere intuite: 1.- l’energia può essere trasmessa da un oggetto o sistema ad un altro attraverso la interazione di forze tra gli oggetti 2.- l’energia esiste in diverse forme (vedi sopra) 3.- l’energia è sempre conservata, cioè, mai distrutta, ne creata. Questa è la prima legge della Termodinamica 4.- in principio, l’energia può essere convertita da una forma all’altra e viceversa, limitati in pratica dalla seconda legge della Termodinamica (l’entropia) Per miliardi di anni, le persone non ebbero un concetto chiaramente definito di energia, e non sapevano, per esempio, che una definizione di energia si riferisce a una quantità che viene sempre conservata. Inoltre, dopo che i concetti di energia cinetica ed energia potenziale furono capiti, le persone ci hanno messo dei secoli per capire che il calore è un’altra forma dell’energia. Le proprietà dell’energia sono in realtà responsabili del costringere molti aspetti del mondo; tutte le cose, dalla struttura ramificata degli alberi al modo in cui i nostri corpi e i pianeti su muovono, sono fortemente limitate dalle proprietà dell’energia.

9 Come misuriamo l’energia elettrica? L’energia elettrica è misurata in un’unità chiamata Joule; ma per capire cos’è un Joule, vediamo prima il significato di 1 Newton che è un’unita di forza. 1 Newton di forza è la forza che può accelerare una massa di 1 k in maniera che essa acquisisce 1 m il secondo di velocità durante ogni secondo in cui la forza viene esercitata. Quindi, dopo un secondo, il chilogrammo di massa va a 1m il secondo, dopo due secondi, va a 2m il secondo e via dicendo. Adesso ricordiamoci che il “lavoro” è definito come la forza per la distanza (vedi prima), anche il lavoro ha la stessa unità di misura dell’energia. Uno Joule è la quantità di energia che spendiamo come lavoro se esercitiamo una forza di 1 Newton di Forza in una distanza di un metro.

10 Quando adoperiamo gli elettrodomestici di casa non ci interessiamo di quanta energia utilizzano per se, bensì della quantità di energia che l’apparecchio tira per unità di tempo, questa quantità è chiamata “potenza”. Potenza = energia/tempo Per la potenza elettrica è espressa con il Watt 1 Watt = 1 Joule/secondo Non confondere potenza con energia. Ricordiamo che potenza è il tasso con cui l’energia vienne liberata (fornita) e non la quantità di energia stessa. Richiamando l’algebra… Energia = Potenza x Tempo Cosi, una lampadina di 100 W è un apparecchio che converte 100 Joule di energia elettrica in 100 Joule di radiazione elettromagnetica (luce) ogni secondo.

11 1 chilowatt ora è l’energia liberata da 1000 Watt di Potenza in un’ora di tempo. Questa è la quantità di energia che è utilizzata da un Phon che funziona per un’ora. Vediamo quanti Joule sono questi Energia = Potenza x Tempo = (1000 Joule/secondo) x 3600 secondi = Joule !! Cioè, 1 KW ora Per avere un’idea di quanta potenza ci fornisce il Sole, consideriamo una giornata soleggiata a mezzogiorno. La luce solare sulla superficie terrestre fornisce 1000 watt (1 KW) per metro quadro; una cellula fotovoltaica può convertire un 15% di essa in elettricità, cioè, circa 150 watt. Ad esempio, a casa di un americano medio si consumano 14 KW ora il giorno e quindi ci vuole un’area di circa 19 metri quadri di panelli solari se consideriamo 5 buone ore di esposizione al sole. Il tetto di una casa tipica americana ha una superficie maggiore a 19 m quadri. Quindi, il sole fornisce una buona fonte di elettricità di uso domestico.

12 Cos’è l’entropia ? La parola entropia è a confusa come energia. Nonostante loro siano delle quantità in relazione, loro sono diverse. L’entropia corrisponde alla misura del grado di “disordine” di un sistema. L’energia, ricordiamo, misura la capacità di un sistema (oggetto) di compiere lavoro. La parola disordine si riferisce al numero dei diversi stadi (stati) microscopici che un sistema può assumere, tenendo presente che il sistema abbia fissi la sua composizione, volume, energia, pressione e temperatura. Per “stadi microscopici” si intende gli stadi esatti di tutte le molecole costituenti il sistema. Siccome non possiamo vedere in che stadio microscopico si trova un sistema, tendiamo a dire che l’entropia è una misura quantitativa di quanto incerti o ignoranti siamo sullo stadio microscopico esatto e dettagliato di un sistema. Un altro modo è dire che l’entropia misura il grado di disordine microscopico di un sistema.

13 Entropia = (costante di Boltzmann, k) x logaritmo del numero degli stadi possibili Entropia = k log(N)

14 Un esempio. Supponiamo di mettere un pallone dentro una grande scatola e la si scuote. La palla può trovarsi in qualsiasi posto dentro la scatola. Siccome la scatola è grande, ci sono molti siti possibili in cui la palla può trovarsi e quindi, la palla dentro la scatola possiede un alto livello di entropia. Adesso supponiamo di mettere la palla in una piccola scatola e di scuoterla. Nonostante scuotiamo tantissimo la scatola, sappiamo dove si troverebbe la palla perché la scatola è piccola. In questo caso diciamo che la palla possiede un basso livello di entropia. GLI scienziati dicono che l’entropia è un’altra variabile di stato termodinamica del sistema, come l’energia, la pressione, volume e temperatura. Ricordiamo che l’entropia è una misura del numero di stadi (stati) in cui un sistema può trovarsi. Conoscendo l’entropia di un sistema possiamo conoscere molte cose su cosa può e non può accadere ad esso. L’entropia è la base della seconda legge della termodinamica: l’universo evolve in maniera che la sua entropia totale rimane la stessa oppure si incrementa (la prima legge della termodinamica è sulla conservazione dell’energia) L’idea basica di entropia è facile da capire. Supponiamo di essere nello spazio e di avere con noi un contenitore chiuso con del gas dentro. Quando apriamo il contenitore per un momento, il gas scappa fuori allo spazio e la sua entropia si incrementa enormemente e continua ad incrementarsi via via che il gas si espande (visto che il gas occupa un volume via via più grande rispetto a quello del contenitore).

15 Al contrario dell’energia, l’entropia può essere creata (ma non in genere distrutta). Infatti, il nostro corpo sta creando di essa in questo momento, in quanto genera calore, visto che dobbiamo liberarci dell’entropia in eccesso, altrimenti diventammo disorganizzati ed eventualmente moriremmo. L’energia che il nostro corpo caldo irradia si porta via l’entropia extra e il numero di stadi microscopici che le molecole e atomi costituenti il nostro corpo diminuisce. Un altro esempio di entropia è questo. Supponiamo che vogliamo utilizzare una fonte di calore, diciamo, generare vapore a partire dall’acqua calda per muovere una turbina. Parte dell’energia calorica deve essere rilasciata al mondo esterno per liberarsi dell’entropia che il vapore porta con se verso la turbina e non provocare in essa un disordine microscopico tale che la possa distruggere. Il calore rilasciato non può essere convertito in lavoro. L’energia calorica è quindi, di minore qualità rispetto all’energia meccanica in quanto non può essere completamente convertita ad energia meccanica in una turbina. L’energia elettrica solare che è catturata dalle cellule fotovoltaiche, in particolare, è un’energia di altissima “qualità”. Virtualmente tutta essa può essere convertita in energia meccanica.

16 La fotosintesi Le piante sono un importante raccoglitore dell’energia solare. Le piante convertono l’energia solare in energia chimica tramite la fotosintesi, attraverso l’assorbimento di CO2 il quale si combina con l’acqua e con l’energia del sole per generare ossigeno e zuccheri fatti di carbonio e idrogeno, immagazzinando l’energia nei legami chimici, processo compiuto in pochi secondi. L’efficienza della fotosintesi non è tanto grande, circa il 3%, cioè 3 watt per metro quadro. Ma grazie alla “potenza verde” della fotosintesi si formarono i depositi di combustibili fossili dei quali adesso siamo dipendenti. La vita su questo pianeta dipende della “potenza verde”, dalla clorofilla. La fotosintesi è il processo al cuore della natura.

17 Società moderna. Economia Industriale. Energia La seconda legge della termodinamica vede l’attività economica come un processo dissipativo. Da questa prospettiva, la produzione di beni e servizi invariabilmente richiede il consumo di energia e materia disponibili. Per crescere e svilupparsi, l’economia necessariamente “si ciba” dalle fonti di alta qualità di energia/materia prima prodotte dalla natura. Ciò promuove al disordine e alla omogeneizzazione dell’ecosfera. Un economia sostenibile interpreta il rapporto medioambiente-economia nei termini della seconda legge della termodinamica, essa integra in un unico approccio gli aspetti ecologici a quelli economici cercando di riflettere la realtà.

18 L’energia è utilizzata in quattro settori: industria trasporto residenziale/commerciale Agricoltura L’attività agricola utilizza solo un 2-5 % dell’energia prodotta, ma non sembra che non venga preso in considerazione il trasporto legato all’attività e i consumi legati all’industria dei concimi e ai processi di refrigerazione.

19 Flusso energetico solare catturato da: acque correnti, vento, onde e biomassa, le cui densità di potenza si trovano maggiormente sotto i 10 W/m2, e molte sono al di sotto di 1 W/m2. La estrazione delle fonti non rinnovabili (carbone, petrolio) che hanno definito la attuale civiltà producono energie commerciali con densità di potenza tra 1 e 10 KW/m2. Densità di potenza richieste da: Aree urbane, case, palazzi W/m2 Supermercati e uffici, W/m2. Attività industriali, W/m2. Grattaceli 3KW/m2.

20 Nei paesi industrializzati il consumo energetico è piuttosto pari nei 3 primi settori, mentre nei paesi in via di sviluppo il consumo si concentra nell’attività industriale. A livello globale, un 40% dell’energia è utilizzata dall’industria, un altro 40% è di uso residenziale e commerciale e un 20% nel trasporto. Metà dell’energia utilizzata dal item trasporto è “consumata” dalle vetture private, mentre metà dell’energia utilizzata dal item residenziale/commercio è consumata nelle case di proprietà.

21 Consumi pro capite tabelle

22 Le fonti “alternative” di energia vento sole acqua fonti geotermiche biomassa Maree gas naturale nucleare elio 3 rinnovabili non rinnovabili

23 Il gas (fonte non rinnovabile) Nell’ultima metà dello scorso secolo l’utilizzo del gas naturale è incrementato di 12 volte, infatti nel ’99 si pone come la seconda fonte energetica dopo il petrolio. È una fonte “pulita” che ha spinto ai governi ad utilizzarla per ridurre l’inquinamento dell’aria. O perché costa meno estrarla e in vista della scarsità del petrolio e dei conflitti che genera? Il gas naturale >> metà del C per unità di energia rispetto il carbone e il petrolio. No sintesi di NOx ne di SO2.

24 Il vento In espansione 1 megawatt di potere generato dal vento rifornisce 350 famiglie. La Danimarca 15% stato di Schleswig-Holstein in Germania raggiunge il 19% Navarra in Spagna il 22% Germania si pone come il leader mondiale in termini di capacità generativa assoluta rumore, mortalità uccelli, estetica, interferenze elettromagnetiche.

25 Il sole seconda fonte di energia crescente Le tecniche attualmente esistenti consentono di convertire la energia solare in elettricità con densità di potenza di W/m2. non ce un'altra fonte energetica rinnovabile con tale resa. La conversione diretta dell’energia solare è la più grande fonte rinnovabile di energia, ma i costi di operazione e l’efficienza sono un ostacolo al suo sviluppo.

26 Sistemi di raccolta con efficienza energetica dal 10% al 28%. Il fotovoltaico lavora silenziosamente, a temperatura e pressioni ambientali e con un impatto ambientale minore. Ma teniamo presente le tecnologie e materiali impiegati per. I tre più grandi produttori di cellule fotovoltaiche : Giappone, gli USA e l’UE Distribuzione del flusso solare

27 La fonte idroelettrica La più importante fonte commerciale di energia non-fossile Il 20 % dell’elettricità che viene prodotta al mondo è di fonte idraulica e ha una importanza notevole per una dozzina di paesi tropicali soprattutto. Dighe seriali (multiple dams) hanno provocato la frammentazione del 75% dei fiumi più grandi al mondo. Intervento cicli nutrienti,< biodiversità acquitica, < nutrienti a valle, > arretramento coste e deltas Conflitti sociali

28 La fonte geotermica I campi geotermici gestiti adeguatamente si mantengono produttivi indefinitamente. Distribuzione non uniforme nel mondo, ci sono regioni più ricche di altre. Riscaldamento domiciliare. 85% in Islanda. Solo l’1% però dell’elettricità prodotta e per via geotermica, mentre altri paesi come le Filippine e il Nicaragua raggiungono il 26 e il 28% rispettivamente.

29 Verso il risparmio e l’efficienza energetica Ciclo dei materiali > Rifiuto di uno, sostegno di un altro. Sfida: imitare ciò nella progettazione dell’economia. La produzione energetica = 80% dell’inquinamento dell’aria e del 88% dell’emissioni di gas serra. Se i soldi spesi in petrolio durante l’anno ($756 bilioni) fossero investiti in turbine a vento, l’elettricità generata sarebbe sufficiente per raggiungere 1/5 del consumo mondiale (fornendo di energia in perpetuità). 1 KW di elettricità risparmiata = 700 grami di CO2 non immessa in atmosfera. Se abbassiamo di un grado l’impostazione dei termostati in inverno, possiamo risparmiare un 3% i costi del riscaldamento domiciliare…mettiamo quindi una maglia in più.

30 Azioni… Diminuzione dei consumi a > efficienza energetica Sostituzione lampadine incandescenza per fluorescenti >> rientri dell’investimento del 30% annuo. Agire sull’efficienza energetica tramite un buon isolamento ci fa risparmiare anche soldi, fare le nostre case più confortevoli e diminuire l’inquinamento. Macchine più efficienti (sedans, compatte, camion leggeri…) consentono di economizzare fino a un 12% di combustibile. Elettrodomestici spenti ma collegati > 5% del consumo totale di energia domestica = 18 milioni di tonnellate di CO2.

31 Infine La necessità di profondi cambiamenti, ristrutturazioni per la conversione e distribuzione dell’energia prodotta da fonti rinnovabili può risultare in profondi impatti socioeconomici e medio-ambientali, come anche conflitti con l’agricoltura ed uso del territorio. Troviamo vantaggi e svantaggi nelle nuove proposte energetiche,che prevedono comunque di soddisfare una crescente demanda energetica. Le politiche di riduzione del consumo non sono molto evidenti

32 GLOSSARIO Rinnovabilità E' un concetto applicato alle risorse prodotte dai servizi naturali; la rinnovabilità consiste nella possibilità dei sistemi naturali di rigenerare un servizio, un composto o una sostanza rendendoli quindi nuovamente disponibili. Il rinnovamento delle risorse avviene grazie ai cicli degli elementi e delle sostanze e può avvenire in tempi molto diversi; parliamo di risorse rinnovabili quando il ciclo di riutilizzo naturale si misura in tempi confrontabili con quelli in cui avviene l'utilizzo. Il petrolio non è una fonte rinnovabile perché la sua rigenerazione avviene in tempi incompatibili con la velocità con cui viene consumato; il legno di una foresta può essere una fonte rinnovabile a patto che le modalità di taglio (quanti alberi e ogni quanto tempo) permettano il mantenimento di un numero costante di esemplari.servizi naturalicicli degli elementitempi molto diversi

33 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICHE ED ELETTRONICHE Brown, Lester Eco-Economy; Building an Economy for the Earth. Earth Policy Institute. Earthscan publications, London.333 pp. Smil, Vaclav Energy at the Crossroads; global perspectives and uncertainties. MIT press. 427 pp. Norde W The Environmentalist. Energy and entropy: a thermodynamic approach to sustainability, Volume 17, Number 1, pp (6).The Environmentalist Rees W.E Economic Development And Environmental Protection: An Ecological Economics Perspective. Environmental Monitoring and Assessment, Volume 86, Numbers 1-2, pp (17).Environmental Monitoring and Assessment New Mexico Solar Energy Association. (december 2005)http://www.nmsea.org/Curriculum/Listing.htm Energy Story. California Energy Commision. (december 2005) Jefferson, M Fiddling while the world burned. Renewable Energy 31:583–592. (electronic version, (december 2005).www.elsevier.com/locate/renene


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