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STMicroelectronics
Coherence 2011
Roma, 14 dicembre 2011
U. Mastromatteo
STMicroelectronics – Health & Energy - Fellow
Apr 11, 2023 2
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
Apr 11, 2023 3
Energia: capacità di un sistema di compiere lavoro.
Non si consuma energia per produrre lavoro: Si trasforma energia da una forma ad un’altra e/o si trasferisce energia da un sistema ad un altro.
Lab = Integrale da “a” a “b” di (F × dl) dimensioni: [L] = [E] = [F] [l] = [massa] [lunghezza]2[tempo]-2
unità: 1J = 1N 1m (MKSA); 1erg = 10-7J; 1kcal = 4.18 103J; 1kWh = 3.6 106J; 1tep = 4.3 × 1010J = 11.6 MWh Lavoro necessario per sollevare 10 Kg di 1 m: m g h = 98.2 J Scaldabagno da 80 l da 20°C a 80°C: mCT = 4.8 103 kcal = 5.6 kWh Contenuto energetico di un litro di benzina: 3.4 107J @ 10 kWh
Apr 11, 2023 4
UNITÀ DI MISURA - SISTEMA INTERNAZIONALE (SI)
SISTEMI TECNICI, Energia•kcal e multipli 1 kcal = 4,186 kJ = 3,968 BTU
•kWh e multipli 1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal
•tep (tonn. equiv. petrolio) e multipli 1 tep = 107 kcal = 39,68 MBTU1 tep = 11,63 MWh(t ) = 4,65 Mwh(e)
•BTU (British Thermal Unit) e multipli 1BTU = 1,055 kJ = 0,252 kcal
•barili al giorno (bl/d) e multipli 1 Mbl/d ≈ 50 Mtep per anno
Apr 11, 2023 5
Coefficienti di conversionePETROLIO
1 barile = 159,0 litri ≈ 1/7,3 tep1 Mbl/d ≈ 50 Mtep/annopeso specifico petrolio 0.86 Kg/litro circa
GAS NATURALE1 mc ≈ 9,10 Mcal (Potere Calorifico Superiore)1 mc ≈ 10,6 kWh 1 MBTU ≈ 27,7 mc
CARBONE1 t = 1 tec ≈ 0,67 tep
ENERGIA ELETTRICA
all'uso finale: 1 kWh = 860 kcalalla produzione: 1 kWh = 2.200-2.300 kcal
Apr 11, 2023 6
Contenuto energetico dei carburanti per autotrazione
MJ / kg MJ / m3
Benzina 43,96
Gasolio 42,50
GPL 45,55
Gas naturale 34,12
Biodiesel 37,70
Metanolo 19,80
Etanolo 27,00
MTBE 35,28
ETBE 36,00
Apr 11, 2023 7
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
Apr 11, 2023 8
1010 tep = 4.211020J = 1020 cal = 1.171014 kWh = 4.66 Tc2
Potenza: (1 a = 3.15107 s); 1010 tep/ 3.15107 s = 317 tep/s = 13.31012 W = 148 mgc2/s
Popolazione mondiale: 6109 persone Potenza individuale: 2200 W/persona = 0.78 mgc2/a/persona
Una centrale nucleare tipica produce 1 GWe
Lavoro compiuto in media da un uomo in un giorno: 1.7 MJ 400 kcal. Potenza media “erogata”: 20 W = 0.9% energia “consumata”
Energia consumata nel mondo (anno 2000)
Apr 11, 2023 9
Elettricità Svizzera Italiana A. Romer / Bellinzona, primavera 2003
Carbone 23,5%
Petrolio34,8% Gas naturale
21,1%
Rinnovabili13,8%
Nuclea
re 6,
8%
Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)
LE QUOTE DI ENERGIA PRIMARIA NEL 2000LE QUOTE DI ENERGIA PRIMARIA NEL 2000
Altri 0,5%
Forza idrica2,3%
- Biomassa - Prodotti animali- Derivati di biomassa- Rifiuti
11,0%
Vento 0,026%
Geotermia 0,442%
Marea0,004%
Sole 0,039%
Apr 11, 2023 10
Elettricità Svizzera Italiana A. Romer / Bellinzona, primavera 2003
Carbone 39%
Petrolio 8%
Gas naturale 17%
Nucleare 17%
Rinnovabili 19%
Forza idrica 17%
Altri 1%
Combustibilirinnovabili e rifiuti 1%
Fonte: Agenzia internazionale dell‘energia (IEA)
LE FONTI CHELE FONTI CHECONTRIBUISCONOCONTRIBUISCONO
ALLA GENERAZIONEALLA GENERAZIONEDI ELETTRICITÀDI ELETTRICITÀ
Energia in Italia - storico
Apr 11, 2023 11
Italia 2009
Apr 11, 2023 12
CONSUMO D' ENERGIA 2009 = 180,4 Mtep
Carbone7,3%
Gas Naturale35,4%
Petrolio40,6%
Elettricità importata5,5%
Fonti rinnovabili11,2%
Italia rinnovabili 2009
Apr 11, 2023 13
Fonti rinnovabili 2009 = 20,2 Mtep
Idroelettrico53,5%
Biomasse termiche13,0%
Eolico7,1%
Geotermoelettrico5,8%
Fotovoltaico0,7%
Biomasse elettriche19,8%
Italia – crescita rinnovabili
Apr 11, 2023 14
0
5
10
15
20
25
30
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
ANNO
PR
OD
UZ
ION
E E
LE
TT
RIC
A (
TW
h)
Fotovoltaico
Eolico
Biomasse
Geotermoelettrico
Crescita - Eolico e fotovoltaico
Apr 11, 2023 15SPAIS - Ubaldo Mastromatteo - 16, 20 luglio 2007
16 16 17 18 18 19 20 22 26 31 38 50 99
432
1142
7000
19 34 97 164 232363
664780 874
1131
16391908
2714
3538
4898
5850
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
ANNO
PO
TE
NZ
A C
UM
UL
AT
A (
MW
)
FOTOVOLTAICO
EOLICO
Apr 11, 2023 16
IL FABBISOGNO MONDIALE DI ENERGIA PRIMARIA
Dati elaborati nel 2003
2000 2050 2100
10.078 Gtep
20 Gtep
35 Gtep
17
Destinazioni:Bilancio elettrico nazionale
Anno 2005 – dalla produzione al consumo
Fonte GSE
Apr 11, 2023 18
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
Apr 11, 2023 19
100 anni di carbone e petrolio
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1900 1999
Carbone
Petrolio
Gas Naturali
Crescita nei consumi di combustibili fossili tra il 1900 ed il 1999 (in Mtep=milioni di tonnellate equivalenti di petrolio).
(1 barile USA=159 litri=0.18 Tep)
Finora consumati circa 1000 Miliardi di barili di riserve accertate
Fonte en. 1900 1999
Carbone 501 2122
Petrolio 18 2940
Gas naturali
9 2173
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Conseguenze uso dei combustibili fossili
Apr 11, 2023 21
Numeri da ricordare
1 barile USA=159 litri=0.18 Tep (cp=0.9 g/cc)
Consumo giornaliero=70Mbarili
i.e.
25 Gb=4500 MTep (consumo annuo)
Riserve provate= 1000 Gb
Riserve non provate 500 Gb
Totale greggio sul pianeta, incluso quello già estratto e riserve non provate 2500 Gb
1Btu=1055 Joule
Apr 11, 2023 22
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Clima.
Apr 11, 2023 23
Energia solare
Apr 11, 2023 24
Energia e mondo biologico
Il regno animale non potrebbe esistere se gli animali si nutrissero gli uni degli altri in quanto necessitano di energia per compiere lavoro meccanico, questo apporto di energia deve provenire da un sistema esterno al loro “regno”: il regno vegetale.
Apr 11, 2023 25
Osservazioni
Se tutti gli animali fossero carnivori, l’intero regno animale scomparirebbe nel giro di pochissime generazioni e in effetti non sarebbe mai nato.
La sintesi degli aminoacidi e degli acidi nucleici avviene quasi esclusivamente nelle piante.
Solo una minoranza di animali (e probabilmente anche di uomini !) può permettersi il lusso di essere carnivora.
Apr 11, 2023 26
E le piante ?
Anche le piante non sarebbero in una situazione migliore se non si rifornissero da una fonte di energia esterna.
E’ l’energia solare che sostiene quindi tutte le forme viventi (ad eccezione di alcuni batteri).
Apr 11, 2023 27
L’ENERGIA DAL SOLE
In Italia, il valor medio sulle 24 ore e sulle 4
stagioni la potenza specifica dal sole è:
200 W/m2
Tuttavia: l’energia solare non è né energia elettrica né energia meccanica!
Apr 11, 2023 28
argomenti
Generalita' sull'energia;
Fonti di energia primaria e ripartizione;
Combustibili fossili;
Energia solare, Biomassa e fotosintesi;
Fonti a confronto;
Clima.
Apr 11, 2023 29
Potenza emessa dal Sole: 3.881026 W = 3.881014 TJ/s = 4.3109 Kgc2/s
Distanza Sole-Terra: 150 Mkm: 3.881014 TW/{41.5 1011 m]2} = 1372 W/m2 ;
RT= 6400 km ; 1372 W/m2[6.4106 m]2 = 1.77105 TW = 5.581012 TJ/a = 1.33108 Mtep/a = 13300 volte il “consumo” energetico annuo mondiale
In media su un m2 di “superficie” terrestre:
P= 1372 W/m2 (1-0.34) RT2/4 RT
2 = 226 W/m2
Albedo sezione terrestre superficie terrestre
Energia dal sole
Apr 11, 2023 30
Assumiamo: Sole: corpo nero Terra: corpo nero La terra riflette il 34% della rad. La terra non ha atmosfera
rs = 7 x 108 m
Dt-s=1.5 x 1011 m
5800 K
Legge di Stefan-Boltzmann : M(T)= T4
Tt 1 a 1/ 4 rs2dt-s
1/2
TsTt
252..5K 20oC
Quale sarebbe Tt in queste ipotesi?
Flusso solare totale
Frazione che laterra riceve
Albedo terrestre
Flusso totale terrestre
Equil ibr io :rt
2
4dt-s2 1 a Tt
44 rt2s
44rs2
Energia radiante
Apr 11, 2023 31
terra
Luce solare visibile e ultravioletta
Termico-infrarosso
H2O,CO2,CH4,N2O.FCFatmosferici
Le basi del nostro clima
1353 W/m2
situazione reale presente: T media = + 15 °C
32
Conclusioni
In genere le attivita’ umane nella gestione e trasformazione delle risorse materiali sono molto inefficienti, di piu’ delle trasformazioni dell’energia da una forma ad un’altra.
Grandi quantita’ di energia sono utilizzate per lo spostamento di cose e persone da un posto ad un altro;
Le sorgenti di energia piu’ abbondanti e rinnovabili hanno bassa “densita” (W/m2) e un utilizzo “locale” risulta vantaggioso;
Quesito: sara’ possibile in un futuro con l’aiuto dell’alta tecnologia un utilizzo distribuito di sorgenti di energia pulite e ad alta densita’ ?