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Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni.

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Presentazione sul tema: "Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni."— Transcript della presentazione:

1 Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni

2 3^ parte Cenni su fonti energetiche alternative o rinnovabili, superconduttori

3 Le fonti di energia Fonti primarie rinnovabili: Solare Eolica Idrica Biomasse Geotermica

4 Normative europee* Sin dal 1997 la commissione europea ha impostato una decisa politica di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia e si è impegnata a portare entro il 2010 la quota di dette fonti al 12% e successivamente di assumere limpegno di portare questa quota al 20% per il Una proposta del 23/1/2008 che deve ancora passare allesame del parlamento europeo prevedrebbe la conferma del 205 per il 2020 e del 50% entro il , attualmente è pari al 8.5%. Un altro obiettivo interessante è quello di incorporare un minimo di 10% di biocarburanti nel settore dei trasporti entro il * da un articolo di Vanja Cencič del Ceta (Centro di Ecologia teorica ed applicata delluniversità di Udine

5 La Conferenza mondiale "Infopoverty" Dal 16 al 18 aprile u.s. si è svolta allONU questa conferenza mondiale per promuovere nuove tecnologie e fonti energetiche rinnovabili per lo sviluppo dei paesi poveri le nuove tecnologie e le fonti energetiche rinnovabili rappresentano una speranza concreta per vincere il sottosviluppo nei Paesi più poveri del mondo. Tecnologie intelligenti e a basso costo per combattere la povertà e salvare il pianeta è il tema prescelto per lottava edizione mondiale Infopovertà che si è svolta al Palazzo di Vetro della Nazioni Unite a New York connesso in videoconferenza con lUNESCO a Parigi e la Commissione Europea a Bruxelles e le due sedi milanesi del Politecnico e dellUniversità Cattolica che ha ospitato la tavola rotonda conclusiva del 18 aprile.

6 Energia da idrogeno

7 ENERGIA DA IDROGENO L'idrogeno, (H) è l'elemento più leggero, più semplice e più diffuso in natura, ma difficilmente si trova allo stato libero in natura. Per ottenerlo allo stato puro deve essere estratto partendo da molecole che lo contengono (H 2 O-acqua, CH 4 - metano) Sintetizzare idrogeno da una delle tante sostanze che lo contengono, richiede l'utilizzo di una certa quantità di energia, necessaria per rompere i legami molecolari e ottenere così il singolo atomo. Per tale motivo la ricerca si sta indirizzando a migliorare le tecniche di estrazione di idrogeno, in modo da rendere conveniente la produzione di questo biocombustibile, che in forma gassosa può essere usato in motori a combustione o turbine a gas. Lestrazione dellidrogeno può avvenire dalla stessa acqua, tramite elettrolisi o fotolisi. Questi processi sono ancora molto costosi dal punto di vista energetico, limitando per ora luso dellidrogeno come fonte energetica alternativa. A cura del Dott. Stefano Grigolato - Dipartimento Te.S.A.F. (Università degli Studi di Padova)

8 A parte l'inquinamento esiste un altro motivo per il quale risulta conveniente la produzione di idrogeno da utilizzare come fonte di energia elettrica ed esso è legato al fatto che l'energia elettrica non può essere immagazzinata ma deve essere consumata subito dopo essere stata prodotta. L'idrogeno serve proprio per conservare e trasportare l'energia. Se poi utilizziamo lidrogeno ottenuto come scarto di lavorazione…

9 dal Corriere della Sera del 9/4/2008

10 La notizia proviene da un quotidiano, perciò è da valutare con una certa prudenza. Se fosse vera appare molto interessante utilizzare lidrogeno di scarto (1.3 t allora) dei cicli di lavorazione delletilene del petrolchimico come combustibile entro una speciale caldaia. Anche il vapore di scarto dellimpianto sarà utilizzato per produrre vapore che a sua volta farà girare la turbina della vicina centrale a carbone. Dalla combustione dellidrogeno si genereranno solo vapore acqueo e ossidi dazoto,che verranno opportunamente filtrati,in modo da avere emissioni prossime a zero.

11 Energia solare

12 Energia irraggiata dal sole annualmente sulla Terra: miliardi TEP Domanda mondiale annua di energia: ~10 miliardi di TEP Domanda italiana annua di energia: ~165 milioni di TEP TEP (tonnellata equiv.petrolio = kWh).

13 Lo sviluppo della moderna tecnologia ha portato allo sfruttamento dell'energia solare attraverso due tipi di applicazioni: il solare elettrico, che consiste nella conversione dell'energia solare in elettricità attraverso un fenomeno fisico-chimico denominato fotovoltaico il solare termico, che consiste nella trasformazione, attraverso un dispositivo dettocollettore solare, dell'energia solare in calore.

14 Pannelli fotovoltaici Cella fotovoltaica La tecnologia fotovoltaica consente la trasformazione diretta della luce solare in energia elettrica utilizzando materiali semiconduttori (in particolare silicio)

15 L'effetto fotovoltaico è stato scoperto nel 1839 dal fisico francese Antoine-César Becquerel. Il principio di funzionamento del generatore fotovoltaico si basa sulla cella fotovoltaica, dispositivo che converte le radiazioni solari in energia elettrica sfruttando l'effetto indotto da un flusso luminoso che incide su un materiale semiconduttore. Il flusso di elettroni e' ordinato e orientato da un campo elettrico creato, all'interno della cella, con la sovrapposizione di due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un altro particolare elemento chimico (operazione di drogaggio), fosforo o boro. Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica I moduli fotovoltaici più diffusi in commercio sono costituiti da semiconduttori in silicio. Le celle possono essere al silicio monocristallino e policristallino, quest'ultimo ha minori costi di produzione, e grazie alle innovazioni tecnologiche, permette di raggiungere prestazioni elettriche paragonabili al silicio monocristallino.

16 Cella solare di silicio monocristallino

17 Cella fotovoltaica Questi dispositivi sono fabbricati a partire da materiali semiconduttori, come il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu 2 S). In una cella fotovoltaica, i fotoni della luce solare incidente spezzano i legami degli elettroni del semiconduttore, consentendo così agli elettroni di muoversi liberamente nel semiconduttore. Le posizioni lasciate libere dagli elettroni agiscono come cariche positive e prendono il nome di lacune. Le celle fotovoltaiche consistono generalmente in due regioni sottili, una sopra all'altra, ognuna dotata di impurità aggiunte appositamente chiamate droganti, in rapporto di un atomo per ogni milione di atomi di silicio. Il risultato è che una regione è di "tipo n", avendo un eccesso di elettroni (negativi), mentre l'altra è di "tipo p", avendo un'eccesso di lacune positive. Questa struttura a 2 regioni, chiamata giunzione p-n, produce un campo elettrico interno. Quando i fotoni creano elettroni liberi e lacune in prossimità della giunzione p-n, il campo elettrico interno li fa muovere in direzioni opposte; gli elettroni si muovono verso il lato n e le lacune si muovono verso il lato p. Viene quindi generata una tensione (forza elettromotrice, f.e.m.) fra le regioni p ed n, con il lato p positivo ed il lato n negativo. Se tramite di fili si collegano il lato p ed il lato n ad un "carico", per esempio una lampadina, vi è una tensione ai capi del carico e una corrente elettrica scorre sul carico.

18 Il fisico Carlo Rubbia, presidente dellEnea ( Ente Nazionale per lo sviluppo dellEnergia nucleare e delle energie Alternative ), ha calcolato che se si coprisse con impianti solari anche solo un quinto dei palazzi del nostro Paese, si produrrebbe lintero fabbisogno nazionale di energia elettrica. I tetti fotovoltaici, come sono chiamati questi piccoli generatori locali di elettricità, avrebbero il vantaggio di non sottrarre superficie al verde e allagricoltura e di versare in rete elettricità vicino al luogo in cui essa verrebbe consumata, limitando in questo modo anche le perdite dovute al trasporto a distanza. Dal momento che l'utilizzo dell'effetto fotoelettrico è limitato dalla presenza del Sole, che però alla sera tramonta, a volte è coperto dalle nuvole, ed inoltre, nella stagione invernale, invia una luce meno intensa che in piena estate, sorge il problema relativo allo sfasamento fra produzione e richiesta. Per ovviare a questa lacuna sono possibili due opzioni di cui la prima è ricorrere a batterie che accumulino l'energia eccedente finché splende il Sole e poi la restituiscano quando necessario, ma ciò aumenterebbe i costi di tutto il sistema; la seconda possibilità sarebbe quella di mandare il surplus in rete e poi la Compagnia per lelettricità lo restituirebbe quando ce ne fosse bisogno.

19 Oggi si producono materiali da copertura tetti che sono fotovoltaici ma di aspetto gradevole anche se molto cari: bisogna però tener conto che dal loro costo andrebbe dedotto quello dei materiali convenzionali che sostituiscono. Edifici con tetti fotovoltaici si stanno diffondendo in molti paesi del mondo come Olanda, Germania, Svizzera, Giappone e Australia ma in Italia poco o niente si fa in questo senso. Tale fonte energetica presenta indubbi vantaggi: - l'inesauribilità della fonte di energia (il sole), - la non produzione di scorie, - la scarsa necessità di manutenzione dei componenti - l'alta affidabilità grazie all'assenza di parti in movimento

20 Installazioni di tipo fotovoltaico - In Italia sono installate una dozzina di centrali FV con potenza variabile da 30 kW a 3,3 MW (Serre-SA). - In Europa sono installati solo 20 MW, nonostante gli sforzi di promozione e gli incentivi - In Germania, leader europeo nel FV, sarà installato il più grande e potente impianto del mondo: superficie m 2 e potenza di 5 MW

21 Pannelli solari I pannelli solari si possono suddividere in varie tipologie costruttive: il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 °C e i 90 °C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al sole superfici piane è quello a collettore piano. Un collettore piano è costituito da: Una lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore in esso sono ricavati molti canali dove circola acqua o aria. Il Sole scalda la piastra, che a sua volta scalda l'acqua o l'aria. Isolante termico, che impedisce la dispersione di calore. L'acqua domestica viene messa a contatto con il fluido tramite una serpentina ed essa può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni o per riscaldare gli ambienti. I pannelli solari sono in grado di fornire acqua calda e riscaldamento in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare..

22 Una tipologia in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne è quella dei Pannelli solari sottovuoto. Il collettore solare maggiormente prodotto è costituito da una serie di tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine, saldati all'estremità, al cui interno è provocato il vuoto. L'intercapedine interna è resa selettiva per l'assorbimento della radiazione elettromagnetica solare per mezzo di una verniciatura metallica speciale multistrato. Tale laminato riflettente a bassa iridescenza appositamente è realizzato per riflettere con percentuali superiori al 90% della luce totale. Grazie a queste caratteristiche il campo di applicazioni risulta molto eterogeneo (produzione acqua sanitaria, integrazione agli impianti di riscaldamento, riscaldamento piscine ed altro).

23 I pannelli per generare energia Un secondo utilizzo dei pannelli prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante. Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progettata ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia Questi esperimenti hanno finora dato risultati controversi, per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza elettrica generata.

24 Progetto Archimede Frutto della collaborazione tra Enel ed Enea, il Progetto Archimede consente di applicare, per la prima volta nel mondo, l'integrazione tra un ciclo combinato a gas e un impianto solare termodinamico. Utilizzando una tecnologia innovativa ed esclusiva, elaborata da Enea, Archimede produce energia elettrica dal Sole in maniera costante. Un campo solare composto da 360 specchi (collettori parabolici) concentrerà la luce del Sole su tubazioni percorse da un nuovo fluido a base di sali che ha la proprietà di accumulare il calore. Ciò renderà disponibile calore ad alta temperatura in ogni momento della giornata e in qualsiasi condizione meteorologica. In questo modo sono superati i problemi tipici delle fonti energetiche rinnovabili. L'energia termica così raccolta produce vapore ad alta pressione che, convogliato nelle turbine della centrale, incrementa la produzione di energia elettrica. Questo riduce il consumo di combustibili fossili migliorando, di conseguenza, le prestazioni ambientali.

25 Installazioni a collettore in funzione Alla fine dello scorso anno lallora Ministro per l'Ambiente, ha istituito una task force, guidata dal premio Nobel Carlo Rubbia, per avviare il solare termodinamico in Italia,o meglio, indicare la strada da percorrere per cercare di imitare altri Paesi europei, come la Spagna, la Germania, o alcuni stati degli Usa, come la California Da circa 20 anni sono in esercizio nove grandi impianti di questo tipo in California per una potenza elettrica complessiva di oltre 350 megawatt. In Europa la Spagna ha avviato dal 2004 un programma industriale per la realizzazione di una trentina di centrali per una potenza di megawatt/ora. Ogni collettore parabolico di questi impianti è costituito da un riflettore di forma parabolica, ovvero uno specchio di vetro, in grado di concentrare i raggi solari su un tubo ricevitore nel fuoco della parabola. Questi impianti sono capaci di accumulare energia e di funzionare anche in condizioni meteo sfavorevoli. Tra l'altro, sottolinea Rubbia, per la costruzione di questi impianti non servirebbe necessariamente un impegno economico da parte del governo: lo sviluppo di questa tecnologia può essere basata su un sistema di autofinanziamento da parte delle industrie.

26 Energia eolica

27 Eolico Sfruttamento dei venti. Tipologie di turbine A elica Multipala Cretese Darrieus

28 Vantaggi: Assolutamente pulita Rinnovabile Materia prima a costo zero Svantaggi: Irregolarità dei venti (velocità >4 m/s per almeno 100 giorni) La tecnologia attuale non consente di ricavare grandi quantità di energia

29 Il difetto maggiore di queste apparecchiature rimane comunque il rumore. Le turbine eoliche inoltre sono produttive solo se i venti cui sono esposte sono forti e regolari: questa caratteristica, tipica dei luoghi che si affacciano sullOceano, nel nostro Paese è presente parzialmente solo in alcune zone alpine ed appenniniche nonché sulle coste, specialmente quelle delle regioni meridionali, e nelle isole. Fino ad oggi le cosiddette centrali o fattorie eoliche si sono sviluppate sulla terraferma lontano dai centri abitati, ma negli ultimi tempi è iniziato anche lo sfruttamento in mare. Al largo di Copenhagen, ad esempio, da alcuni anni è in funzione un grande parco eolico formato da venti mulini ciascuno da 2mW Le strutture che sorreggono i mulini piazzati al largo delle coste su bassi fondali sono studiate in modo da resistere non solo alle sollecitazioni del vento, ma anche alle forze esercitate dal mare.

30 Recentemente in Germania, seguendo lesempio della Danimarca, è stato dato il via alla costruzione in mare della più grande centrale eolica al mondo la quale prevede la posa di 200 macchine aerogeneratrici che produrranno complessivamente 1000 mW, sufficienti per soddisfare le richieste di energia elettrica degli abitanti di una regione grande quanto il Friuli-Venezia Giulia. Comunque anche la Germania e la Danimarca, che vengono indicate come esempio di successo nell'impiego dellenergia eolica, con le turbine installate in Germania contribuiscono per meno del 5% al fabbisogno elettrico di quel Paese. Inoltre, quando il vento non soffia o è troppo debole, devono essere pronti ad entrare in funzione gli impianti convenzionali se si vogliono evitare i black out.

31 Con leolico non si aggiunge capacità al sistema, ma si risparmia solo carburante convenzionale. Per quanto riguarda la Danimarca, essa è sì il primo Paese al mondo che si serve delleolico ma, non bastandole questo e avendo rinunciato al nucleare, fa intenso uso di carbone con la conseguenza di essere uno dei Paesi più inquinati del mondo e per rispettare il Protocollo di Kyoto dovrebbe ridurre le proprie immissioni di anidride carbonica del 12% contro una riduzione media globale del 5,5%. Lultima frontiera dellenergia eolica è una giostra di vele. Di recente, un gruppo di ricercatori piemontesi, sponsorizzati dal Politecnico di Torino, ha progettato un nuovo tipo di mulino a vento che costa poco e dovrebbe produrre una notevole quantità di energia elettrica. Si tratta di una specie di giostra nella quale al posto dei seggiolini sono legate delle vele che salgono fino allaltezza di metri dove il vento è più forte e costante. Le vele sono delle specie di paracadute (realizzate con materiale leggerissimo e ultraresistente) simili a quelli che a volte si vedono collegati alle tavole da surf. Queste, gonfiandosi sotto la spinta del vento, fanno girare la giostra allinterno della quale è sistemato lapparecchio convertitore dellenergia meccanica in energia elettrica. Di questo particolare mulino a vento è stato realizzato solo un prototipo ma sarà difficile che vengano investite ingenti somme per produrlo in serie.

32 Costi di energia elettrica da eolico: In Europa: 0.05 Euro/kwh (pari al costo dellelettricità prodotta con centrali convenzionali a combustibili fossili) In USA: Euro/kwh, grazie alla Federal Production Tax Credit di Euro/kwh In Italia: Euro/kwh.

33 Energia da biomasse

34 Biomasse Tipologie più importanti: residui forestali, scarti dellindustria del legno, scarti delle aziende zootecniche, alghe e colture acquatiche, rifiuti solidi urbani. La conversione di biomasse in combustibili di vario tipo avviene attraverso due tipi di processi: biochimici: processi di fermentazione con il contributo di enzimi, funghi e micro-organismi che danno origine a biogas (miscela di metano e anidride carbonica) termochimici: il calore prodotto può essere convertito in energia elettrica: il rapporto Carbonio /Azoto deve essere superiore a 30

35 Processo biochimico Con il 2007 gli agricoltori Italiani si sono resi conto che la produzione di elettricità attraverso le fonti rinnovabili rappresenta un clamoroso affare da non lasciarsi sfuggire. Le attuali realizzazioni di Germania e Austria sono per il nostro paese un primo traguardo ancora lontano ma non irraggiungibile se verranno superate le pastoie burocratiche che rallentano le autorizzazioni per la costruzione degli impianti. A partire dal 2005 ma specialmente nel 2006 anche in Italia sono state inaugurate diverse centrali biogas, ma decine di richieste di autorizzazione sono state presentate alle diverse amministrazioni e sono in attesa di risposta.

36 La digestione anaerobica è un processo di conversione di tipo biochimico che avviene in assenza di ossigeno e consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, che produce biogas costituito abitualmente per il 50÷70% circa da metano e per la restante parte da CO 2 ed altri componenti. ll potere calorifico del gas ottenuto varia a seconda del contenuto di metano. Il biogas così prodotto viene trattato, accumulato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas accoppiate a turbine per la produzione di energia elettrica o in centrali a ciclo combinato o motori a combustione interna. I sottoprodotti di tale processo biochimico sono ottimi fertilizzanti poiché parte dell'azoto che avrebbe potuto andare perduto sotto forma di ammoniaca è ora in una forma fissata e quindi direttamente utilizzabile dalle piante. Al termine del processo di fermentazione si conservano integri i principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella materia prima, favorendo così la mineralizzazione dellazoto organico risultando in tal modo un ottimo fertilizzante

37 Processo termochimico Sarà opportuno a questo punto chiarire meglio la differenza tra inceneritore e termovalorizzatore, perché anche in documenti ufficiali risulta una certa confusione. il termine non viene inoltre mai utilizzato nelle normative europea e italiana di riferimento, nelle quali si parla solo di "inceneritori Gli inceneritori sono impianti essenzialmente utilizzati per lo smaltimento dei rifiuti mediante un processo di combustione ad alta temperatura che dà come prodotti finali un effluente gassoso, ceneri e polveri.

38 Nei termovalorizzatori il calore sviluppato durante la combustione dei rifiuti viene recuperato e utilizzato per produrre vapore, poi utilizzato per la produzione di energia elettrica o come vettore di calore (ad esempio per il teleriscaldamento). Le categorie principali e quantitativamente predominanti di rifiuti inceneribili sono: Rifiuti Solidi Urbani (RSU) e rifiuti speciali, i rifiuti medici o dell'industria chimica. Prima di procedere all'incenerimento i rifiuti possono essere trattati tramite processi volti a eliminare i materiali non combustibili (vetro,metalli,inerti) e la frazione umida (la materia organica come gli scarti alimentari, agricoli, ecc...). I rifiuti trattati in questo modo sono definiti CDR (ovvero combustibile derivato dai rifiuti) o più comunemente ecoballe Il rendimento di tali impianti è certamente molto minore di quello di una normale centrale elettrica, poiché i rifiuti non sono un buon combustibile per via del loro basso potere calorifico, e le temperature raggiunte in camera di combustione sono inferiori rispetto alle centrali tradizionali L'efficienza energetica di un termovalorizzatore è variabile tra il 19 e il 27% se si recupera solo l'energia elettrica ma aumenta molto col recupero del calore. Ad esempio, nel caso dell'inceneritore di Brescia si ha un rendimento del 26% in produzione elettrica e del 58% in calore per teleriscaldamento, con un indice di sfruttamento del combustibile dell'84%

39 .A titolo di confronto una moderna centrale termoelettrica, il cui scopo primario è ovviamente quello di produrre elettricità, ha una resa del 57% per la produzione elettrica, e se abbinata al teleriscaldamento raggiunge l'87%. L'incenerimento dei rifiuti produce scorie solide pari circa al 10-12% in volume e 15-20% in peso dei rifiuti introdotti, e in più ceneri per il 5%. Gran parte della massa immessa nei forni viene infatti combusta ottenendo dei fumi che verranno opportunamente pretrattati prima di essere emessi dal camino. Le ceneri volanti e le polveri intercettate dall'impianto di depurazione dei fumi sono rifiuti speciali altamente tossici (in quanto concentrano molti degli inquinanti più nocivi), che come tali sono soggetti alle apposite disposizioni di legge e sono poi conferiti in discariche speciali. Le scorie pesanti, formate dal rifiuto incombusto – acciaio, alluminio, vetro e altri materiali ferrosi, inerti o altro –, sono raccolte sotto le griglie di combustione e possono poi essere divise a seconda delle dimensioni e quindi riciclate se non troppo contaminate. Le scorie sono generalmente smaltite in discarica e costituiscono una grossa voce di spesa. Tuttavia, possono rivelarsi produttive: per esempio divenendo materiale destinato alla produzione di calcestruzzo, anche se, alcuni studi hanno dimostrato la tossicità di alcuni calcestruzzi contenenti scorie

40 termovalorizzatore Per confrontare i pareri pro-contro vedi.

41 LOCALIZZAZIONE e POTENZIALE Paesi in via di sviluppo: ricavano circa il 38% della propria energia dalle biomasse (con punte del 90%) Paesi industrializzati: ~3% Europa: ~3,5% con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria Italia: ~2,5% (nonostante lelevato potenziale di cui dispone)

42 Oggi una centrale elettrica basata su biomasse raggiunge una potenza di 80 MW. Gli analisti prevedono che entro il 2050 il 40% del fabbisogno energetico mondiale sarà soddisfatto dallo sfruttamento delle biomasse ( Conf. Mondiale sulle Biomasse, 2004).

43 Consumo energetico mondiale Annualmente vengono consumati nel mondo circa 10 miliardi di TEP (tonnellata equiv.petrolio = kWh). Percento delle diverse fonti Riserve (anni) Petrolio 36% 40 Carbone 26% 250 Gas naturale 24% 50 Idroelettrico 6% Nucleare 6% 400 Rinnovabili 2%

44 Il problema italiano LItalia importa l80% dellenergia che consuma LItalia è il maggior produttore di energia elettrica da gas naturale e petrolio (fonti costose e inquinanti) Lenergia elettrica importata nella sua totalità proviene dal nucleare.

45 superconduttori

46 il futuro dell'energia? Sulla necessità di concentrare gli sforzi scientifici internazionali per ottenere energia illimitata e pulita, non si può non esser tutti d'accordo. Energia significa salute (del pianeta e quindi nostra), pace, sicurezza, sviluppo. O meglio, sviluppo sostenibile, espressione politically correct che dice oggi quello che un secolo fa così esprimeva Gandhi: La Terra ha abbastanza risorse per le necessità dell'uomo, non per la sua avidità. L'accordo però finisce qui : i guai nascono subito dopo, quando si scende sul terreno delle cose da fare, del dove farle e dei relativi investimenti. ma forse ….

47 superconduttori La superconduzione consiste nella totale perdita di resistenza offerta dal conduttore al passaggio di una corrente elettrica. Un superconduttore può trasportare grandi quantità di corrente elettrica senza dissipare energia sotto forma di calore e una corrente elettrica immessa in un anello superconduttore può circolare per molti anni senza alcuna misurabile dissipazione

48 La scoperta della superconduttività è dovuta a H. K. Onnes (1911), il quale osservò la perdita totale di resistenza elettrica nel mercurio raffreddato alla bassissima temperatura di 4.2 K. Il fisico olandese vinse il premio Nobel per la Fisica nel lo sviluppo della superconduttività è stato dato dalla scoperta della possibilità di innalzare la temperatura critica dei superconduttori. Nel 1986 J. G. Bednorz e K. A. Muller trovarono superconduttività a 35 K in una ceramica di lantanio, bario, rame e ossigeno. Il prof. P. Chu è considerato uno dei massimi esperti della superconduttività: le sue ricerche, insieme a quelle di Berdnorz e Muller, hanno portato alla scoperta dei cosiddetti Hts, superconduttori ad alta temperatura, capaci di superare il maggior handicap di questi materiali, che funzionano solo a temperature molto basse. Una grande svolta, anzi una vera rivoluzione: con gli Hts, infatti, non è necessario raggiungere il freddo estremo dell'elio liquido (269 gradi centigradi sotto zero), ma basta il freddo ben più abbordabile dell'azoto (-196 gradi).

49 Da quel momento divenne possibile usare come refrigerante l'azoto liquido (punto di liquefazione a 77 K), invece del più costoso elio. Un materiale ceramico a base di mercurio attualmente detiene il record di più alta temperatura critica pari a 133 K. La facilità di raffreddare i nuovi superconduttori ha reso accessibili le varie applicazioni elettriche e magnetiche ed elettroniche. L'applicazione che più attira le industrie è la possibilità di trasportare tramite cavi superconduttori energia elettrica ad altissima intensità di corrente (sino a 10 mila Ampere, 100 milioni di Watt di potenza). Dato il necessario raffreddamento con azoto liquido, i cavi superconduttori hanno un costo molto più elevato dei convenzionali cavi di rame; in compenso non si ha dissipazione di energia elettrica sotto forma di calore. Tale applicazione potrà avere in futuro un positivo impatto sul problema del risparmio energetico.

50 Un'altra applicazione é l'immagazzinamento di energia elettrica in anelli superconduttori. La superconduttività implica infatti che, una volta indotta una corrente elettrica in un circuito superconduttore questa non si fermerà, ma continuerà a circolare per sempre: in questo modo un superconduttore può fungere da accumulatore di energia elettrica. In un esperimento condotto nel 1956 da Collins non si è osservata alcuna riduzione della corrente su un arco di due anni. E' allo studio la possibilità di immagazzinare l'energia elettrica prodotta in eccesso dalle centrali di notte per far fronte ai picchi diurni di assorbimento. Ci stiamo insomma avvicinando a superconduttori che è non solo possibile, ma conveniente industrializzare: domani, infatti, potremo disporre di nuovi elettrodotti, fatti di cavi superconduttori lunghi e robusti, con cui otterremo una distribuzione ideale dell'energia, eviteremo problemi di black out (o brown out, cioè abbassamenti di tensione) e raggiungeremo risparmi equivalenti alla produzione di intere centrali

51 Ormai da tempo gli avvolgimenti superconduttori sono utilizzati per la realizzazione di magneti ad altissimo campo (20 Tesla).. Genova è il polo italiano della superconduttività, dove da poco si è avviata la produzione del superconduttore industriale più versatile ed economico del momento, l'Mgb2. Questo materiale ha permesso di realizzare su scala industriale un cavo dotato di notevoli proprietà in un tempo brevissimo Ma la competizione è aperta in tutto il mondo, perché la posta in gioco è molto grossa: soprattutto considerando che la tecnologia superconduttiva si presta a supportare ogni forma di energia, tradizionale e alternativa

52 Teoria BCS Ma come si spiega la superconduttività? L'idea venne a J. Bardeen, L. Cooper e J. Schrieffer, che nel 1972 vinsero il premio Nobel per la Fisica. In pratica in un superconduttore gli elettroni si condensano in uno stato quantistico di energia minima e viaggiano collettivamente e coerentemente Nei Superconduttori in determinate condizioni di temperatura la corrente non è condotta da elettroni come nei metalli, ma da coppie di elettroni (coppie di Cooper), che possono condensare in uno stesso stato, comportandosi come un tuttuno e interagendo tra di loro mediante il reticolo, che si comporta come mezzo di attrazione tra gli elettroni invece che come ostacolo al loro moto. Il risultato fondamentale, tipico della Quantistica, è che gli elettroni così accoppiati si trovano sistemati in livelli energetici da non poter trasferire alcuna energia agli ioni del reticolo : non si ha alcuna dissipazione di energia per effetto Joule e il trasporto di carica attraverso il metallo avviene con resistività nulla.

53 Un Superconduttore è un sistema macroscopico che segue le leggi della meccanica quantistica. Quando un elettrone passa nelle vicinanze di ioni positivi, questi ultimi vengono attratti e si spostano leggermente dalle loro posizioni di equilibrio andando verso di esso. Non appena l'elettrone è passato oltre, gli ioni tornano indietro, velocemente ed elasticamente, verso le proprie posizioni originarie. In alcuni materiali, quando raffreddati al di sotto della loro Tc, gli ioni positivi non tornano immediatamente nelle loro posizioni originarie dopo il passaggio di un elettrone. Secondo la teoria BCS, questo fa sì che localmente si abbia un addensamento di carica ionica positiva che è in grado di attrarre un secondo elettrone posto nelle immediate vicinanze. Una volta catturato, questo elettrone seguirà la deformazione reticolare indotta dal primo, e i due elettroni si comporteranno di fatto come una coppia legata con spin totale nullo (coppia di Cooper) in moto nel cristallo, ignorando la reciproca repulsione coulombiana.

54 Il meccanismo di formazione delle coppie può essere assimilato a quello per cui due sfere di piombo, poste su un materasso, tendono a convergere nello stesso punto, sfruttando la deformazione del materasso sottostante. Le coppie di Cooper sono molto instabili e si formano e disfano continuamente all'interno del cristallo. Di fatto non urtano contro gli ioni del reticolo perché è il reticolo stesso che, deformandosi a livello microscopico, crea spazio per il moto dei due elettroni legati: il cristallo presenta, quindi, resistenza nulla.

55 Effetto Meissner Un materiale superconduttore, opportunamente raffreddato al di sotto di una data temperatura, detta temperatura critica, è caratterizzato da due fondamentali e stupefacenti proprietà, la superconduzione e l'effetto Meissner. L'effetto Meissner consiste nella capacità di un superconduttore di espellere dal suo volume un campo magnetico esterno. Tale effetto fu scoperto nel 1933 da K. W. Meissner e R. Ochsenfeld.

56 Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del campo al suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un superconduttore raffreddato sotto Tc entro un campo magnetico, esso si comporta proprio da diamagnetico. Infatti, in un sottile strato interno, ma prossimo alla superficie, si generano "supercorrenti" che schermano il campo magnetico e gli impediscono di penetrare. il comportamento di un diamagnetico (a sinistra), e un superconduttore alla transizione di Tc (a destra).

57 Effetto Meissner si realizza in quanto le correnti superficiali inducono, all'interno del superconduttore, un campo magnetico uguale e contrario a quello applicato. Questa capacità si mantiene fino a un certo campo magnetico critico Bc, oltre il quale il superconduttore perde in ogni caso le sue due proprietà fondamentali: resistenza nulla e diamagnetismo "perfetto". Per tutti i superconduttori esiste una regione di temperature critiche e campi magnetici critici all'interno della quale superconducono

58 altre applicazioni la risonanza magnetica per la ricerca e la diagnostica medica, magneti per curvare i fasci di particelle cariche nei grandi acceleratori di particelle, levitazione magnetica per i treni MAGLEV che possono raggiungere i 500 Km/h. dispositivi per la microelettronica,a d esempio gli SQUID (dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica) sono in grado di misurare campi magnetici debolissimi, sino a milionesimi del campo magnetico terrestre. Vengono quindi utilizzati per realizzare magnetometri ultra precisi per la medicina usati per la mappatura dei campi magnetici generati dai debolissimi segnali prodotti dal cervello.

59 A Shangai è per ora in funzione lunico treno a maglev. Essendo il treno sospeso in aria non ha un reale contatto con la rotaia e quindi l'unica forza che si oppone al moto del treno è quella dovuta all'attrito con l'aria. La linea collega la città con laeroporto, è lunga 30 Km e viene percorsa dal treno in 7 minuti e 20 secondi con una velocità massima di 431 km/h e una velocità media di 250 km/h.

60 Riusciranno i superconduttori ad entrare e rivoluzionare la nostra vita quotidiana?!...

61 Bibliografia Manuzio-Passatore Verso la fisica Ed. Principato meissner.phphttp://www.risorsehitech.it/elettronica/guide/superconduttori/effetto_ meissner.php


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