ONERI PROPORZIONALI
I- 5. Problemi ecologici connessi alla produzione di energia
Qualsiasi attività umana, agricola o industriale, ha come conseguenza una trasformazione dell'ambiente naturale che in numerosi casi va intesa come una vera alterazione; a volte, poi, l'azione di «disturbo»
assume delle dimensioni tali (vuoi per l'entità degli inquinanti rilasciati, vuoi per la loro concentrazione) che l'ecosistema ne risulta seriamente danneggiato.
Anche la produzione di energia elettrica (come tutte le trasformazioni di energia) non è esente da una azione inquinante, specialmente oggi che le centrali di potenza hanno raggiunto delle taglie imponenti (superando il migliaio di MWe), e si trovano ad operare in ambienti che in genere già possiedono, per altri motivi, un sensibile livello di inquinamento.
Una centrale convenzionale termica può svolgere la sua azione inquinante in due maniere di diversa gravità:
- scaricando nell'atmosfera i residui della combustione (particolati e gas) - eventuali scorie solide (ceneri)
- rilasciando il calore ceduto al condensatore;
una centrale nucleare:
- rilasciando il calore (inquinamento termico)
- (solo in caso di incidente) emettendo effluenti radioattivi
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Inquinamento da combustibili fossili (carbone, olio combustibile, gas naturale)
effluenti solidi e gassosi riferite ad un impianto a carbone e uno ad olio combustibile da 1000 MW di potenza elettrica netta, erogata con un fattore di utilizzazione del 75 %:
Quantità di effluenti immessa nell'ambiente (t/anno) Impianti a carbone Impianti a olio comb.
Anidride carbonica (CO2) 6x 106 4,4x 106
Anidride solforica (SO2) (tenore zolfo) denitrificatore comporta un marcato aumento dei costi (quasi del 50 %); inoltre occorre un'area attrezzata per lo smaltimento dei fanghi che, per un gruppo da 660 MWe possono essere stimati nella misura di 550.000 t/anno su un'area di 150 ettari.
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C'è poi il problema dell'anidride solforosa, dei residui di piombo, dei particolati e di tutte le altre sostanze nocive presenti nei gas della combustione delle fonti fossili.
Per quanto riguarda la CO2, ad inizio 2000 ne veniva liberata nell'atmosfera una quantità di circa 20x109 t/a; alla fine del 2011 se ne stimano circa 34 20x109 t/a !!!!!!!!!!!!! il trend è ancora crescente nonostante il protocollo di Kyoto
Il rapporto annuale del Global Carbon Project indica in 35,6 miliardi di tonnellate il valore totale delle emissioni di biossido di carbonio nel mondo: si tratta del 58% in più rispetto a quanto registrato nel 1990
Basti pensare che le emissioni cinesi sono cresciute del 9,9% nel 2011 e del 10,4% l’anno precedente (oggi il gigante asiatico è responsabile del 28% della CO2 emessa nel mondo, contro il
Per il calcolo dell’emissione giornaliera di zolfo di una centrale termoelettrica da P=1000 MWe, alimentata a petrolio, si può tener conto dei seguenti dati:
CS = consumo specifico netto = 2200 kcal/kWhe (tiene conto di 𝛈 ) Pci = potere calorifero inferiore della nafta = 9500 kcal/kg
X = contenuto di zolfo = 3%
f = fattore di utilizzazione = 0,7
Qn = consumo giornaliero medio di combustibile = (Cs x P x 24) x fu /PCI = 3900 t/g Qmax = consumo giornaliero max di combustibile = (Cs x P x 24) /PCI = 5560 t/g Emissione media di zolfo = 3900 t/g x 0.03 = 117 t/g
Emissione max di zolfo = 5560 t/g x 0.03 = 167 t/g
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16% degli USA). In India, inoltre, l’aumento lo scorso anno è stato del 7,5%, mentre nel 2010 si era toccato il 9,4%. L’Europa ha registrato un +2,8%.
In base alle misurazioni compiute, il quantitativo di CO2 presente nell'atmosfera sta crescendo esponenzialmente al tasso di circa 0,2 % ogni anno, passando da 290 parti per milione (ppm) in volume di un secolo fa, alle 370 ppm ed oltre dei nostri giorni.
La CO2 agisce come un isolante termico sulla dispersione di calore dalla terra (effetto serra), con conseguente possibile aumento della temperatura in atmosfera.
Alcuni modelli fisici prevedono che un raddoppio della concentrazione di CO2 nell'atmosfera potrebbe portare ad un aumento della temperatura terrestre da 1,5 a 3°C, con conseguenze preoccupanti sugli equilibri ecologici (parziale scioglimento dei ghiacciai polari e relativo innalzamento del livello degli oceani) e sugli organismi sia in superficie che nei mari.
Allo scopo di ridurre le emissioni di CO2 in atmosfera, nel dicembre 1997 è stato sottoscritto da parte di più di 160 nazioni un accordo internazionale (il cosiddetto “Protocollo di Kyoto”) che impone ai Paesi aderenti una serie di misure tecnologiche, commerciali e politiche, tra le quali i meccanismi di scambio delle quote di emissione (carbon tax), volte a contrastare l’effetto serra e il conseguente riscaldamento globale
VENTI CENTIMETRI GUADAGNATI NEL VENTESIMO SECOLO sul livello delle acque marine .
Ed altri 20, ma in alcune parti del globo anche 60, saranno i centimetri di innalzamento del livello marino terrestre entro la fine di questo secolo secondo l'ultimo rapporto dell'IPCC, il gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico.
Secondo alcuni scienziati italiani queste cifre sono ottimiste. Loro stimano infatti un incremento minimo compreso tra 80 e 95 centimetri e, ripetono, l'unica opzione ora è una grossa frenata del consumo dei
combustibili fossili a largo spettro; ciononostante, ormai l’aumento del livello dei mari aumenterà per alcune centinaia di anni
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Solo la metà circa della CO2 proveniente dai combustibili fossili è dispersa nell'atmosfera, ed assorbita principalmente dagli alberi, l'altra metà è assorbita soprattutto dalla superficie degli oceani.
E’ pur vero che le centrali di produzione di energia elettrica NON sono, tra gli utilizzatori dei combustibili fossili, i sistemi più inquinanti:
l'efficienza di combustione dei sistemi di trasporto, ad esempio, è molto minore rispetto a quella delle grandi centrali; inoltre i combustibili destinati al trasporto, al fine di migliorare le prestazioni dei motori, contengono additivi, tra i quali il benzene (che appartiene al I gruppo (cancerogeni certi) della classificazione IARC) e altri composti di sostanze velenose (soprattutto composti di zolfo e piombo) che hanno “l'inconveniente” di liberare nell'atmosfera tonnellate di tossici
Molte analisi condotte sulle emissioni nell'atmosfera dei 5 maggiori inquinanti generati dai processi di combustione (SOx, NOx, particelle sospese, CO, composti organici volatili) hanno messo in evidenza il ruolo esercitato, nel peggioramento della qualità dell'aria, dall'impiego di carburanti e combustibili nelle diverse categorie di sorgenti, sia mobili che fisse, sia diffuse (autoveicoli, edifici, ecc.) che localizzate (centrali termoelettriche, raffinerie, stabilimenti siderurgici, ecc.).
Il vero problema delle grandi centrali è la loro potenza da cui consegue una emissione concentrata di
Per assorbire la CO2 prodotta dalla combustione di 1Mtep/a è necessaria una superficie boschiva di 5-10 mila km2. L' Italia, che ha una superficie complessiva di circa 300 mila Km2, anche supponendo che tutta la superficie sia coperta di boschi, e che questi assorbano 1Mtep/a ogni 5000 km2,potrebbe assorbire un massimo di 60 Mtep/a; in realtà in Italia si consumano oltre 170 Mtep di combustibili fossili all'anno.
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sostanze pericolose
Le centrali elettronucleari sono esenti da questo tipo di inquinamento.
la produzione di energia comporta un altro, sia pure ben minore, effetto negativo sull'ambiente: causa un inquinamento termico dal quale non sono esenti neanche gli impianti nucleari, anzi per essi il problema è un po' più accentuato, dato il minor rendimento termodinamico che in genere li
caratterizza, in rapporto alle più avanzate centrali convenzionali.
Una centrale nucleare richiede, rispetto ad una centrale termica convenzionale di uguale potenza, una portata di acqua di raffreddamento da 1,5 a 1,8 volte maggiore (le centrali
termoelettriche convenzionali hanno rendimento generalmente maggiore e, inoltre, disperdono parte del calore anche dai fumi).
Con riferimento ad un impianto termoel. a condensazione da 1000 MW di potenza elettrica netta erogata con un fattore di utilizzazione del 75 % , i valori approssimati dei rilasci termici sono i seguenti:
Rilascio calore in miliardi di kcal/a acqua raffreddamento atmosfera
Carbone 6.500 2.000
Olio combustibile 6.500 2.000
Nucleare 10.000 800
Geotermico 10.000 500
Solare termoelettrico 8.500 3.500
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A livello locale, l'inquinamento termico può danneggiare in maniera significativa l'habitat delle diverse specie viventi;
è il caso di certe città intorno alle quali si formano le cosiddette isole di calore urbano, in cui sono riscontrate numerose e talora sconcertanti anomalie meteorologiche. Quando l'energia dissipata divenisse, in una zona alquanto estesa, una frazione apprezzabile di quella che la terra assorbe normalmente dal sole, questi effetti climatici potrebbero assumere proporzioni preoccupanti.
- inquinamento dei corsi d'acqua in cui può verificarsi uno sconvolgimento degli equilibri ecologici,
si abbia una centrale da 1000 MWe, con un rendimento del 40 %, funzionante a pieno carico.
La potenza termica di alimentazione deve essere 1000/0,4 = 2500 MWth Essa rigetta nel condensatore 2500 x 0.60=1500 MWt,
cioè 1.5·109kJoule/s, equivalenti a 3,6·105 kcal/s si supponga di voler raffreddare il condensatore con l'acqua di un fiume di medie dimensioni, ad esempio il Tevere. La portata media del fiume nella zona di Ripetta, a Roma, è di 239 m3/s, mentre quella minima, in agosto, è di 128 m3/s;
si ammetta di utilizzare, per il raffreddamento della centrale, un terzo della portata minima del fiume nelle condizioni di secca, ovvero 40 m3/s.
Assumendo unitario il calore specifico dell'acqua, i 40.000 kg/s del Tevere aumenterebbero la loro temperatura, attraversando il condensatore, di ben 9°C, incrementando la
temperatura media dell'intero fiume di circa 3°C.
Poiché la temperatura ottimale per la vita di molte specie acquatiche è solo di 3÷5°C al di sotto della temperatura letale, si comprende come già un fiume quale il Tevere –almeno nelle
condizioni di magra- sia al limite di sopportazione per un impianto di tale potenza.
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L’energia termica riversata nell’acqua ritorna poi in atmosfera per effetto dei diversi processi di scambio termico, essenzialmente evaporazione econvezione, oltrechè per i normali fenomeni di scambio di calore per irraggiamento e riflessione; poiché il coefficiente di trasmissione complessivo, pur variando in intervalli ampi, ha valori modesti, dell'ordine di 50 kcal/m2h°C, si può valutare che per trasferire all'atmosfera il calore ceduto all'acqua occorrono superfici molto estese.
Nel caso di un fiume possono occorrere decine di chilometri per annullare completamente l'alterazione termica introdotta da una grande centrale di potenza.
Esiste una giurisdizione che impone limiti precisi ai massimi incrementi di temperatura dei corpi idrici;
- per i fiumi, per esempio, la normativa italiana impone che la variazione massima tra le temperature medie di qualsiasi sezione del corso d'acqua a monte e a valle del punto di immissione dello scarico non debba superare i 3°C. Su almeno metà di qualsiasi sezione a valle tale variazione non deve superare 1°C. Inoltre, qualora la presenza di una centrale determini un incremento di temperatura prossimo al massimo accettabile, entro un raggio considerevole non possono essere installati altri impianti.
- Per i laghi la temperatura allo scarico non deve superare i 30°C e l'incremento di
temperatura del corpo recipiente non deve in nessun caso superare i 3 °C oltre i 50 m di distanza dal punto di immissione .
- Per il mare la temperatura dello scarico non deve superare i 35°C e l'incremento di
temperatura del corpo recipiente non deve in nessun caso superare i 3°C oltre i 1000 m di distanza dal punto di immissione.
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Nelle località costiere è possibile, evidentemente, fare ricorso al raffreddamento con acqua marina, con il vantaggio di utilizzare un «pozzo» di calore di immensa capacità termica.
In questo caso non esiste più il pericolo di incrementi medi di temperatura proibitivi per la flora e la fauna del posto, ma si vengono a creare degli sbarramenti termici, lunghi anche decine di
chilometri, che possono danneggiare l'ecosistema interrompendo i percorsi migratori di numerose specie, e creando i presupposti per uno spopolamento della fauna locale.
Un altro problema legato all'uso di corsi d'acqua per l'asportazione del calore delle centrali è
connesso con l'impoverimento del loro contenuto in ossigeno; anche questo ha delle ripercussioni decisamente negative sull'equilibrio ecologico.
In alternativa all’uso diretto dell’acqua, un altro mezzo per smaltire il calore dalle centrali termiche consiste NELL'ADOZIONE DI TORRI DI RAFFREDDAMENTO, nelle quali il calore è ceduto direttamente all'atmosfera. In ambedue i tipi l'aria circola, dal basso all'alto, per tiraggio naturale o forzato.
Nelle «torri umide », più compatte, si determina la evaporazione di ingenti masse d'acqua che
La richiesta biochimica di ossigeno, nota anche come BOD, acronimo dell'inglese
Biochemical Oxygen Demand, rappresenta una misura indiretta del contenuto di materia organica biodegradabile presente in un campione d'acqua in quanto misura la quantità di consumo dell'ossigeno da parte di microrganismi a una temperatura fissata e in un periodo di tempo determinato
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sono investite da un flusso di aria ascendente;
Le torri umide hanno il grosso svantaggio di consumare ingenti quantitativi d'acqua,
dell'ordine di alcune centinaia di kg/s per potenze di 1000 MWe, con conseguenze economiche talora rilevanti e possibile formazione di nebbie o precipitazioni
(per limitare tali fenomeni gli efflussi dalle torri umide sono oggetto di attento studio ed analisi, ed esistono dei codici di calcolo per determinarne il comportamento, onde valutare le
conseguenze meteorologiche relative a soluzioni geometriche o impiantistiche diverse) Spesso questi impianti vengono utilizzati in ausilio ad un comune sistema di raffreddamento con acqua di fiume, specialmente nei periodi di secca
nelle « torri a secco », più voluminose, si ha un semplice scambio termico acqua intubi-aria.
Le torri a secco, dalla caratteristica forma iperbolica, sono caratterizzate da dimensioni assai maggiori rispetto alle torri umide (diametro ed altezza di oltre 100 m per le centrali da 1000 MWe, vedi fig. 1-5.3), dovendo essere compensato da una elevata superficie il basso coefficiente di scambio acqua in tubi-aria.
Presentano, quindi, un costo di impianto superiore; il costo di esercizio, però, è minore, per la mancanza del reintegro d'acqua.
Le torri di raffreddamento ad aria secca non hanno ancora conosciuto un mercato
particolarmente favorevole, ma non è esclusa una loro diffusione in tempi in cui il prezzo dell'acqua dovesse salire. Ad oggi,torri a secco per impianti di potenza maggiore di 300 MWe sono economicamente non convenienti.
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Profilo di una centrale elettronucleare con torre di raffreddamento a secco, dimostrativo delle sue proporzioni rispetto alla centrale.
Una soluzione al problema dell'inquinamento termico potrebbe venire dalle centrali nucleari
galleggianti, impianti di produzione di energia installati su piattaforme galleggianti ormeggiate in bacini artificiali costruiti al largo della costa
E’ interessante notare, però, che in zone normalmente oppresse da cortine di nebbia o di « smog » le torri a secco potrebbero recare un beneficio ecologico: infatti l'enorme portata di aria calda che sale dalla bocca della torre di raffreddamento di una centrale di elevata potenza è tale da forare lo « strato di inversione », impedendo il ristagno dell'aria e fugando talora una oppressiva atmosfera fumogena.
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La profondità dell'acqua di mare intorno al bacino consentirebbe un rapido smaltimento del calore di scarico, impedendo il formarsi di sbarramenti termici costieri che risultano i più dannosi dal punto di vista dell'ecosistema acquatico.
Altri fattori favorevoli:
la realizzazione del bacino frangiflutti, di dimensioni notevoli per proteggere la centrale,
consentirebbe un luogo di riparo per numerose specie di pesci che eleggerebbero il sito della centrale a propria dimora;
la possibile standardizzazione delle centrali, che verrebbero costruite in una opportuna darsena e poi rimorchiate nel sito prescelto, potrebbe portare alla riduzione del costo di progettazione e costruzione e al dimezzamento del tempo di costruzione;
Alcuni svantaggi:
svantaggi di tipo ecologico connessi con l'intorbidamento delle acque per lo scarico di ingenti quantitativi di materiali inerti durante la fase di costruzione,
Una idea della superficie di terreno occupata da impianti di vario tipo per generare 6,5 miliardi kWh/a può essere ricavata dalla tabella seguente:
Combustibile
fossile
Nucleare Geotermico Solare (termoelettr/
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aggravio economico legato soprattutto all'elevato costo del bacino.
Il terzo tipo di inquinamento è quello radioattivo, seppur già esistente ancor prima che facessero il loro avvento i reattori nucleari, INFATTI tracce di scorie radioattive sono sempre presenti nel carbone ed idrocarburi
Le scorie radioattive dalle centrali nucleari in parte vengono liberate nell'atmosfera, in parte sono rilasciate nelle acque di scarico, in parte possono essere invece definitivamente immagazzinate e conservate
L'effetto degli scarichi radioattivi aereifirmi sull'ambiente circostante la centrale nel corso del normale esercizio è certamente trascurabile: i criteri costruttivi adottati, i filtri (in particolare filtri a carboni attivi) disposti nei camini, l'insieme delle salvaguardie impiantistiche studiate per garantire la sicurezza
dell'impianto, rendono la radioattività fuori della centrale talmente bassa che una persona immaginaria che sostasse per 200 anni a ridosso dei recinti della centrale nucleare riceverebbe una dose di
radiazioni paragonabile alla dose assorbita da chi si sottopone ad una sola radiografia di tutto il corpo.
Evidentemente, oltre all'inquinamento radioattivo associato al normale esercizio, del tutto irrilevante, vi sono altre due possibili vie di inquinamento « nucleare »:
il rilascio di prodotti di fissione a seguito di un ipotetico incidente nucleare
l'accumulo dei rifiuti radioattivi (rifiuti solidi, sostanze la cui immissione nell'ambiente può
recare conseguenze dannose, ecc.). Anche in questo caso le tecniche di smaltimento dei rifiuti sono in continua evoluzione
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ALCUNI DATI DI INTERESSE.
Il quantitativo di combustibile da movimentare annualmente, necessario per alimentare una centrale da 1000 MW di potenza elettrica netta erogata e con un fattore di utilizzazione del 75 %, risulta nella seguente tabella:
Tipo di impianto Quantità (t/anno)
Numero carri
Carbone 2.020.000 57.000
Olio combustibile 1.450.000 48.000
Nucleare (ad acqua leggera) 30 1
Il prospetto di seguito riportato sintetizza i risultati di uno degli studi più completi [1-18] sui rischi derivanti dal normale esercizio di centrali di vario tipo supposte in funzionamento continuato in accordo con le
regolamentazioni vigenti.
Tipo di impianto Rischio individuale di decesso
Rischio individuale di invalidità
Carbone 10-200 x10-7 300-500 x10-7
Olio combustibile 3-150 x10-7 150-300 x10-7
Gas naturale 0-2 x10-7 20 x10-7
Nucleare 1-3 x10-7 8-20 x10-7
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