Corso di Laurea in Ingegneria Energetica. Corso di Impianti Nucleari I

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Corso di Laurea in Ingegneria Energetica

Corso di Impianti Nucleari I

Rif. CAP I + III.6 da “Impianti Nucleari”- Cumo

A cura di Luisa Ferroni

AA 2012/2013

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I-1. Evoluzione storica dei consumi energetici.

 Dalla fine del '700, ovvero da quando, con l'invenzione della macchina, l’uomo ha imparato a

«produrre» energia meccanica in notevole quantità e concentrazione utilizzando combustibili fossili, si è innescata una serie di contro reazioni positive tra molteplici e diverse variabili del sistema mondiale, quali:

- lo sviluppo tecnologico,

- l’aumento di popolazione mondiale, - lo sfruttamento agricolo intensivo,

- in conclusione l’aumento dei fabbisogni energetici ma anche il livello di inquinamento.

 Esiste una indubbia relazione tra consumo energetico/ sviluppo industriale/ crescita economico- industriale di un Paese/ qualità della vita

anche se, mentre il consumo energetico nell'industria agisce come un vero e proprio fattore produttivo, ed è quindi direttamente correlabile al prodotto interno lordo, il consumo energetico nel settore civile, espressione dello « standard » di vita, è a questo meno facilmente correlabile.

la qualità della vita può essere messa in relazione con i consumi energetici. Attraverso parametri quali il tasso di mortalità infantile e la longevità media (aspettativa di vita), che possono esprimersi in termini di consumi

energetici e ad essi sono proporzionali!

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energia totale equivalente pro capite giornaliera, espressa in termini di potere calorifico del carbone (§)

Uomo preistorico 270 g di carbone corrispondente al contenuto energetico associabile al cibo di cui si nutriva

Uso del fuoco e dei primi utensili

700 g di carbone Inizio del Medio Evo

(dal V secolo al XV secolo.

Segue la Caduta dell'Impero romano d'Occidente nel 476)

1,5 kg di carbone giornalieri

forme rudimentali di agricoltura e utilizzazione del lavoro

animale nelle attività agricole

Energia interamente coperta da fonti rinnovabili biologiche (legno, cibo e sterco animale), dal vento e dalla forza motrice dei corsi d'acqua.

Verso la fine del Medio Evo

Incremento NON sostanziale

in Europa l'uso del carbone fossile risale all'inizio del XII sec., ma solo dopo la diffusione della macchina a vapore divenne importante la sua estrazione. La coltivazione

sistematica delle miniere di carbon fossile risale al XVIII sec

dall'invenzione della macchina a vapore (fine del '700)

Incremento sostanziale

il carbone copriva oltre il 25 % dei consumi

il legname poco più del 40%

l'energia muscolare il 15 %, + energia eolica, biomasse,

Sviluppo dell'industria e dei trasporti

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energia dei corsi d'acqua scoperta del petrolio~1850 (Inghilterra, 1875)

9 kg di carbone

In Inghilterra elevatissimo inquinamenmto

Prima guerra mondiale Si ferma l’uso crescente del carbone

Inizia lo sfruttamento intensivo del petrolio (§§§)

(§§)

Inizio anni ‘40 Scoperta dell’energia nucleare

Anni ‘40 Inizia lo sfruttamento del gas

naturale (§)

Verso la fine degli anni '60 Inizia lo sfruttamento pacifico dell’ energia nucleare

Nella seconda metà degli anni '60 fu raggiunta la

competitività con le centrali a combustibile fossile

2000 USA oltre 30 kg di

carbone/giorno

(§) potere calorifico Carbone ~ 7500 kcal/kg; potere calorifico gas naturale circa 8000 kcal/Stm³ (Standard m³ valutato a 0°C e 1 bar) (§§) inizia la forte crescita della popolazione mondiale, rimasta inferiore al miliardo di individui fino al 1850

(§§§) L’affermazione dell’uso del petrolio, così rapida da portare il petrolio al primo posto nella classifica delle fonti di energia in appena cento anni dalla sua scoperta, passa attraverso alcune tappe fondamentali che sono:

-La scoperta dei processi per produrre la paraffina, il cherosene, l'olio lubrificante ed il petrolio da illuminazione utilizzando l'olio naturale

- l'invenzione del motore a scoppio (Otto, 1875) e di quello diesel (Diesel, 1895), - l'invenzione dell'aeroplano (fratelli Wright, 1903).

La preferenza attribuita al petrolio è dovuta alla facilità di estrazione e di trasporto, all'elevato contenuto energetico (~10.000 kcal/kg), ai migliori rendimenti delle macchine a combustione interna e comunque della sua conversione, alla sua competitività economica.

Considerazioni di natura ecologica, che fanno preferire il petrolio al carbone, hanno assunto importanza solo in tempi recenti.

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 Come si evince dalla tabella, i consumi mondiali di energia sono oggi elevati e sempre crescenti, il che si scontra con le disponibilità limitate delle fonti energetiche maggiormente in uso e il

temuto “effetto serra”;

la situazione è complicata ulteriormente dalla disuniformità nella distribuzione geografica delle riserve di queste fonti e dai problemi ecologici che sorgono nei vari stadi della loro conversione.

Penetrazione storica delle fonti energetiche

primarie sul mercato mondiale e previsioni sino al 2050 (tratta da uno studio di N. Nakicenovic dello IIASA)

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 Mentre si verificava la trasformazione del mercato interno dell'energia, i consumi globali continuavano la loro rapida crescita caratterizzati da un tasso di incremento esponenziale di qualche decina di per cento per anno, a partire dai primi del novecento

 ALCUNE DEFINIZIONI

con il termine « riserve» ci si riferisce a depositi di fonti di energia accumulate, la cui esistenza è stabilita, e che possono essere sfruttati con l'attuale tecnologia in modo economico.

“FONTI DA CAPITALE” sono le riserve di fonti non rinnovabili.

Sono viceversa « risorse »:

- i depositi di fonti di energia accertati, ma il cui sfruttamento richiede una tecnologia più

Trend dei consumi mondiali nell’ultimo secolo

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avanzata per motivi tecnici o economici,

- ovvero i depositi non ancora accertati, ma la cui presenza ed entità è prevedibile sulla base di considerazioni geologiche, e che sono sfruttabili vuoi con l'attuale tecnologia o

eventualmente con una più avanzata.

 Per far fronte alla crescita del consumo di fonti commerciali di energia occorre:

 attingere alle riserve esistenti in natura di combustibili e di energie idrauliche ancora suscettibili di utilizzazione,

 migliorare l'utilizzazione delle diverse fonti ottimizzandone i consumi ed incrementando, ove possibile, i rendimenti di conversione,

 risparmiare ove possibile, l’energia e fare affidamento sulle fonti prime di energie rinnovabili più promettenti.

Sull'energia nucleare si concentra attualmente un intenso impegno di ricerca e sviluppo. Essa è in grado di fornire i quantitativi aggiuntivi di energia dei quali l'umanità avrà bisogno; peraltro la sua

utilizzazione è ancora pressoché limitata alla produzione di energia elettrica, ma questo potrebbe non essere più vero in un futuro non lontano, con cogenerazione di elettricità e calore per usi industriali e civili, desalinizzazione, produzione di idrogeno, ecc.

Vi è ormai una consolidata competitività economica del nucleare con le altre fonti per quanto riguarda il costo del chilowattora prodotto

Sono allo studio altri reattori, quelli della “quarta generazione”, che moltiplicheranno per cento l’energia estraibile dall’uranio rispetto a quanto è possibile fare con gli attuali reattori, garantendo, con le risorse di minerale già accertate, una disponibilità di elettricità per migliaia di anni.

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Inoltre, con tali reattori, sarà possibile anche distruggere per irraggiamento, dentro gli stessi, i rifiuti nucleari più pericolosi, quelli ad alta radioattività e vita lunghissima,

I - 2. Le risorse mondiali di fonti di energia.

la popolazione mondiale ha raggiunto, a fine 2011, i 7

miliardi di abitanti, 6,5 miliardi solo nel 2005.

Con riferimento al 2005, i consumi di energia primaria si sono ripartiti secondo le fonti e le percentuali riportate in figura (dove le fonti primarie di

elettricità idroelettrica e nucleare sono convertite in calore equivalente

assumendo un rendimento totale del 38% per la

conversione da calore in elettricità).

A = - ( ) ( ) ( ) λ (se  ;  ) )

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Gli indici di impatto ambientale di queste fonti ammontano a circa 30 Gt/anno di CO₂,

Le risorse energetiche sono misurate in TEP (tonnellate di petrolio equivalente, in

inglese TOE, Ton Oil Equivalent)

Il TEP rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla

combustione di una tonnellata di petrolio grezzo:

1 TEP = 10³ kg_petr x 10.000 kcal/kg x 4.186 kJ/Kcal = 41,86 GJ

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Le fonti energetiche PRIMARIE di interesse per l'uomo legate all’energia cosmica sono:

o l'energia raggiante solare;

o l'energia delle maree, dovuta all'interazione gravitazionale sole-terra-luna;

o i combustibili nucleari;

o l'energia geotermica.

Ad esse si aggiungono altre fonti di energia SECONDARIE dell'energia raggiante solare, eventualmente combinata con gli effetti della gravità terrestre, dette “ENERGIE RINNOVABILI”, che sono: :

l'energia eolica,

l'energia estraibile sfruttando i gradienti termici oceanici,

l'energia potenziale dei corsi d'acqua, l'energia del moto ondoso

e tutti i materiali combustibili derivanti da processi biologici: i combustibili fossili (carbone, gas naturale, petrolio, gli idrocarburi presenti negli scisti e sabbie

bituminose), il legno, lo sterco animale, l'energia dei rifiuti.

 Non è facile quantizzare l'entità delle fonti di energia rinnovabili ovvero delle riserve di quelle non rinnovabili, dette “da capitale”. I dati che seguono, pur frutto di studi specializzati, hanno soprattutto lo scopo di fornire degli ordini di grandezza.

 Tra i combustibili fossili la situazione più favorevole è quella del carbone e lignite, una delle fonti più equamente distribuite tra i continenti, le cui riserve ammontano a poco più di 9 x 10¹¹ t (IEA), ed altrettanto come risorse stimate

o Le riserve sono assai concentrate, con 4 Paesi che possiedono circa il 90 % delle

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riserve accertate (Russia, Stati Uniti, Repubblica Popolare Cinese e Australia).

o Esiste, per il carbone, un rapporto di oltre 300/1 tra le risorse ed i consumi mondiali annui, secondo una stima peggiorativa; si tratta di un rapporto assai elevato, che gioca decisamente a favore di questa fonte per il futuro.

o A fronte di tali vantaggi, però:

- il carbone possiede un potere calorifico inferiore rispetto agli altri combustibili fossili, - la sua escavazione e il suo trasporto è assai costoso

 Profondamente diversa è la situazione del petrolio, la fonte energetica attualmente più importante nella copertura del fabbisogno energetico mondiale.

o Secondo alcuni studi recenti (“Oil & gas Journal”, “World Oil” in IEA Outlook 2004), le riserve stimate ammonterebbero a più di 160.000 milioni di tonnellate

Per quanto riguarda invece cui la situazione delle risorse, le crescenti difficoltà

incontrate per il reperimento di nuovi giacimenti inducono a ritenere la situazione non particolarmente rosea.

Il Petrolio può essere estratto anche dai giacimenti di scisti e sabbie

bituminose, la cui coltivazione non è ancora economicamente giustificata, ma è attentamente studiata.

o il petrolio ha delle caratteristiche eccellenti per quanto riguarda la molteplicità degli impieghi e l'elevato potere calorifico, che lo rendono difficilmente sostituibile in numerosi campi di applicazione (trasporti, industria chimica, ecc.).

- Materia base per tanti prodotti industriali, bruciarlo per ottenere energia 1 barile = 0.137 t

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termica non è certo una scelta nella direzione della sostenibilità; una

domanda rapidamente crescente di petrolio quale materia prima da parte di Cina, India, Brasile, Russia ed altri Paesi

o Inconvenienti di questo combustibile sono:

- la profonda disuniformità geografica della sua produzione; oltre la metà delle riserve è concentrata nella ristretta area mediorientale, zona caratterizzata da

notevole instabilità politica e, quindi, con una situazione di mercato sempre incerta

- la notevole distanza tra i centri di produzione e quelli di consumo, cui conseguono pesanti penali economiche dovute al trasporto di combustibile

 Per il gas naturale vale un discorso simile a quello fatto per il petrolio, sia per quanto riguarda le modalità con cui sono condotte le attività di prospezione di nuovi giacimenti, assai intense per il continuo aumento della richiesta e per le favorevoli prospettive economiche offerte dal mercato, sia per le caratteristiche di alto pregio di questo combustibile.

Riguardo alla distribuzione geografica dei giacimenti questi, anche se usualmente associati a quelli del petrolio, sono distribuiti un po’ più uniformemente.

Le riserve di gas accertate ammontano a circa 180x10¹² m³, un valore poche decine di volte superiore agli attuali consumi annui, mentre le risorse sono valutate in oltre 400 x 10¹² m³ (IEA, World Energy Outlook 2004).

Riserve potenziali di gas naturale sono disponibili sotto forma di clatrati idrati di metano, chiamati "carbone bianco" o "ghiaccio che brucia", presenti in grande abbondanza nelle zone di permafrost e, soprattutto, nel fondo di mari e oceani fino a profondità di circa 2 Km. La

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quantità di metano degli idrati sembra ammontare al doppio di tutti i depositi fossili (carbone, petrolio e gas) oggi noti.

Non è prevedibile che in futuro il gas possa avere un prezzo inferiore al petrolio, anzi è probabile che ne avrà uno superiore in relazione al maggior rendimento e al minore inquinamento.

Comunque i due prezzi sono strettamente concatenati.

 L'energia idroelettrica potenzialmente estraibile nel mondo ammonta, secondo Hubbert, a

25.000·10⁹ kWh/anno, mentre oggi, IN TEORIA, è sfruttato solo un ventesimo di questo valore MA in realtà si calcola che appena 4000 miliardi di kWh possano essere ancora economicamente sfruttabili, la maggior parte dei quali in aree remote, troppo lontane dai centri di consumo.

Non c'è, dunque, molto da attendersi dalla fonte idroelettrica per il soddisfacimento dei nuovi fabbisogni di energia, mentre ad essa sarà chiesto in futuro di assolvere alla funzione prevalente della regolazione e del servizio di punta nelle reti elettriche soprattutto per mezzo dei bacini di pompaggio.

La maggiore difficoltà nel considerare gli idrati come riserve effettive di idrocarburi è di tipo tecnologico, poiché l'idrato può essere talmente disperso da rendere il suo sfruttamento NON economicamente vantaggioso. La stimolazione termica mediante immissione di acqua calda o vapore e/o la depressurizzazione (perforazione della zona di stabilità dell'idrato nel caso che al di sotto si trovi una sufficiente quantità (deposito) di metano gassoso; in tal caso l'estrazione del gas provoca la depressurizzazione degli idrati che rilasciano gradualmente metano all'interno del deposito sottostante) possono costituire due metodi di estrazione potenzialmente sviluppabili.

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 I combustibili nucleari (uranio e torio) sono diffusi su tutta la superficie terrestre, ma rari sono i giacimenti contenenti i due elementi in densità apprezzabili e sfruttabili economicamente.

Oltre la metà delle riserve a minor costo di estrazione si trova nell' America settentrionale. Per importanza, seguono l'Africa e l'Oceania. Anche le riserve dell'Europa sono degne di rilievo.

Va tenuto presente che, per l'uranio, campagne di prospezione di un certo rilievo hanno avuto inizio solamente negli anni ‘60 e limitatamente ad alcuni Paesi del mondo e che vi sono tuttora ampie zone del globo che non sono state oggetto di prospezione alcuna.

E’ prevedibile che, con l'intensificarsi delle attività di ricerca di nuovi giacimenti di uranio, le riserve di questo metallo siano destinate ad aumentare in misura considerevole e che la loro ripartizione tra le varie aree del mondo possa in futuro risultare anche notevolmente diversa da quella attuale.

Facendo riferimento alle riserve di combustibile con un prezzo di estrazione conveniente, il

rapporto tra riserve e consumi di ossido di uranio nei paesi ad economia di mercato è dell'ordine di 100:1.

Anche per l'uranio, dunque, il problema delle risorse si manifesta problematico, per lo meno fino a quando:

Non va comunque dimenticato che la localizzazione delle riserve di uranio ha una importanza molto minore dal punto di vista economico di quella delle riserve di combustibili fossili, in quanto le spese di trasporto del

combustibile nucleare incidono in misura quasi trascurabile sul costo della caloria resa, dato l'elevatissimo contenuto energetico dell'uranio.

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- per l'affinamento della tecnologia e l'aumento generalizzato dei prezzi, potranno acquistare interesse giacimenti caratterizzati da costi di estrazione superiori (

le riserve sono stimate in un rapporto 3:1 rispetto alle risorse).

- non sarà sviluppata la filiera veloce, autofertilizzante, capace di utilizzare 60/70 volte di più il contenuto energetico dell'uranio (i reattori « provati» ne utilizzano oggi circa l'uno per cento, sfruttando soprattutto l'isotopo fissile ²³⁵U)

Con l'avvento dei reattori veloci si avrà quindi un decisivo incremento (da 100 ad alcune migliaia di volte il rapporto riserve/consumi non solo per il migliore sfruttamento del

combustibile (corrispondente ad un suo minor consumo per unità di energia prodotta), ma anche perché diventerà economico lo sfruttamento di giacimenti caratterizzati da un costo di estrazione dell'uranio molto più elevato.

C’è poi da aggiungere il torio, le cui risorse ad un prezzo di estrazione comparabile a quello commerciale dell'uranio, sono valutate tre volte più abbondanti di quelle dell’Uranio.

Per completare il panorama, esaminiamo le disponibilità di fonti energetiche tuttora non commerciali, rinnovabili e non, destinate a svolgere un ruolo primario nella copertura dei fabbisogni del futuro.

 fusione termonucleare (fonte non rinnovabile); elementi di interesse per la fusione sono il deuterio ed il litio.

Per quel che concerne il deuterio, si tratta di un isotopo dell'idrogeno, presente in natura in concentrazioni di un nucleo di D ogni 6500 nuclei di H. Ammettendo che solo l'1 ‰ del deuterio esistente sia realmente estraibile, le risorse mondiali ammonterebbero a oltre 50·10⁹ t.

Le maggiori risorse di litio si trovano negli Stati Uniti, Canada ed Africa; inoltre le risorse possono

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essere incrementata estraendo litio dall'acqua di mare nelle località in cui la sua concentrazione è di almeno 0,1 parti per milione, oppure estraendolo dalle rocce in cui è presente nella misura di

almeno 20 ppm.

 Un'altra sorgente non rinnovabile è l'energia geotermica, anche se per campi termici

particolarmente estesi essa può essere, sulla scala umana dei tempi, considerata rinnovabile.

Le principali sorgenti di calore sono:

- i depositi di acque termali

- il calore immagazzinato nelle rocce, la fonte più importante, con energie anche di 7,5 kWa/m², immagazzinate a profondità di chilometri.

Il flusso termico estraibile da queste sorgenti, con opportuni accorgimenti, può essere considerevole (frazioni di kW/m²); esistono oggi dei progetti per la utilizzazione del calore terrestre laddove la temperatura cresce rapidamente con la profondità, che prevedono la realizzazione di fori di dimensioni opportune per l'iniezione, nelle rocce calde, di acqua che riemergerà ad elevata temperatura o sotto forma di vapore.

Già esistono, in Italia ed all'estero, degli impianti geotermoelettrici che sfruttano l'energia di campi idrotermici sotterranei i quali, spontaneamente, inviano in superficie acqua calda o vapore (soffioni, geysers):

- i centri magnetici,

I campi elettromagnetici sono prodotti dall'attrito tra nucleo e mantello e vengono attratti da luoghi precisi dove il materiale crostale è composto da minerali ferrosi buoni conduttori.

I centri di emissione di tale energia irradiano quindi onde elettromagnetiche che interagiscono tra loro determinando vibrazioni che scuotono il pianeta e fanno scivolare sull'astenosfera viscosa le zolle tettoniche che compongono la crosta terrestre.

Conoscere tali centri di emissione elettromagnetica terrestre, monitorando la quantità di elettromagnetismo prodotta da quei centri magnetici, permetterebbe di attuare programmi risanatori del pianeta, ed in particolare:

 di poter prevedere il momento del verificarsi dei terremoti, soprattutto prevenire quelli di maggiore magnitudo, attesi su quei luoghi che, opponendo a lungo resistenza a quell'energia, rilasciano poi onde sismiche di maggiore intensità.

 captando l’elettromagnetismo emesso da quei centri magnetici si potrebbe, al limite, ottenere energia pulita compatibile con l’ecosistema.

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 Tra le fonti di energia rinnovabili, di gran lunga la più importante è l'energia solare.

Il nostro pianeta intercetta una densità di potenza di 1,36 kW/m². Di essa, una parte è riflessa, un'altra parte è assorbita dall'atmosfera; solo circa 150 W/m² raggiungono, in media la terra, per un totale che è pari ad alcune migliaia di volte i consumi energetici annui attuali.

A fronte di una così elevata disponibilità energetica la ragione che ha impedito finora all'energia solare di essere competitiva è la bassa densità con cui tale energia si rende disponibile e che impone superfici di captazione troppo estese, con conseguenze rilevanti di natura economica, vuoi per le dimensioni e la quantità dei materiali necessari alla realizzazione degli impianti, vuoi per l'estensione della zona sottratta ad altre attività.

Comunque l’energia solare costituisce una componente fondamentale nel “mix” delle fonti energetiche fossili, nucleari e rinnovabili che sono oggi necessarie per sostenere i fabbisogni di una umanità crescente.

Ad esempio, una centrale elettrica da 1000 MWe ad energia solare

richiederebbe una superficie di captazione da 25 a 40 km², a seconda che il processo impiegato sia la conversione termica o quella fotovoltaica.

L'effetto sull'ambiente di aree coperte così vaste non è facilmente

quantificabile, ma è senz’altro tale da indurre alterazioni meteorologiche locali.

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Fig. I-2.3 Richiesta mondiale di energia primaria secondo l’IEA Richiesta mondiale di

energia primaria secondo l’IEA

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 altra fonte è l'energia delle maree (energia rinnovabile), combinazione di energia cinetica e potenziale dovuta ai movimenti relativi tra la terra, la luna ed il sole.

Sulla base di dati astronomici Munk e Mac Donald hanno valutato che l'energia delle maree viene dissipata sulla terra al ritmo di 3,2·10⁶ MW.

Una frazione considerevole della dissipazione non è, però, utilizzabile, perché avviene negli oceani, a mare aperto, dove le maree hanno escursioni inferiori al metro. In baie ed estuari, invece, le

escursioni possono essere nettamente maggiori e superare alcuni metri: in questo caso si prestano alla utilizzazione per la produzione di energia elettrica.

 L'energia dei venti, pur con tutti i limiti che derivano dalla sua irregolarità, variabilità, diciamo anche casualità, è una notevole fonte di rendita cui l'uomo ha attinto nel passato per lo più per scopi irrigui e di trasporto (marittimo)

in futuro sono previste installazioni di un certo rilievo per la produzione elettrica. La Organizzazione Meteorologica Mondiale ha stimato che potrebbero essere generati dal vento almeno 2·10⁷ MW di potenza elettrica. Notevoli le realizzazioni "off-shore" con potenza di picco anche di qualche MW per macchina e, sulla terraferma, le cosiddette fattorie del vento, costituite da molte macchine ciascuna con la sua zona d’influenza.

 Un'altra fonte rinnovabile, in quanto continuamente alimentata dall'energia solare, è l'energia termica accumulata negli oceani.

Perché possa essere tecnicamente utilizzabile, devono essere disponibili masse d'acqua in verticale con salti termici almeno di 15÷20°C.

Esistono numerose località in cui si verificano queste condizioni: ad es. ai tropici sono frequenti salti

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termici superiori ai 20°C (27°C in superficie e 4 °C in profondità) in America Centrale, Arabia, Africa Occidentale, Filippine, Australia del Nord. Anche le regioni polari possono essere utilizzate allo scopo (0 °C in profondità e - 20°C in superficie).

Per esempio, l'energia elettrica producibile sfruttando i gradienti del Golfo della Florida è stimata in 26·10¹² kWh/a, mentre il potenziale mondiale viene valutato dieci volte tanto.

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1-6. Previsione a medio e lungo termine dei fabbisogni energetici.

 L'espansione dei consumi sarà dovuta soprattutto:

- all'incremento demografico che difficilmente potrà essere arrestato prima della metà del XXI secolo,

- alla progressiva industrializzazione delle attività agricole,

- ai progressi sociali che sono auspicabili nelle aree più depresse

 Ma, se si estrapolano ad un prossimo futuro delle tendenze che già oggi iniziano a manifestarsi, si può ritenere che i consumi energetici mondiali continueranno a crescere MA a tassi progressivamente decrescenti.

Ciò sarà conseguenza della penuria delle materie prime e quindi del loro prezzo crescente, a causa del quale andrà diffondendosi una mentalità tendente all'economizzazione delle fonti di energia ed alla razionalizzazione del loro impiego.

 In un futuro molto prossimo il mercato delle fonti di energia resterà comunque qualitativamente inalterato, non essendo pensabile una rapida trasformazione del complesso sistema socio-economico mondiale; i consumi, dunque, si impernieranno su petrolio, carbone, gas naturale, energia

idroelettrica e nucleare.

 Sul medio termine si prevede che nessuna fonte possa, in pratica, costituire da sola

un'alternativa valida, ma si perpetuerà il ricorso alle stesse fonti di oggi dove, però, si può presume

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un incremento delle rinnovabili.

 Dunque, per le fonti già attualmente affermate A BREVE-MEDIO TERMINE si prevede:

- per gli impieghi elettrici la fonte rinnovabile più vicina alla competitività economica è quella eolica, seguita dalla solare termica e, a più distanza, quella fotoelettrica.

Il contributo delle biomasse è interessante, anche se limitato;

la fonte idraulica NON ha margini di incremento, specialmente nei paesi industrializzati.

- Per il petrolio, è stato già evidenziato il drammatico rapporto esistente tra il suo consumo attuale e le riserve.

è auspicabile che la crescita dei consumi venga al più presto arginata perché più graduale sarà la fase di esaurimento delle risorse.

- Per il gas, la situazione è analoga a quella del petrolio a meno del possibile utilizzo delle riserve potenziali di CLATRATI )

CLATRATI (idrati di metano), chiamati "carbone bianco" o "ghiaccio che brucia", presenti in grande abbondanza nelle zone di permafrost e, soprattutto, nel fondo di mari e oceani fino a profondità di circa 2 Km. LA QUANTITÀ DI METANO DEGLI IDRATI SEMBRA AMMONTARE AL DOPPIO DI TUTTI I DEPOSITI FOSSILI (CARBONE, PETROLIO E GAS) OGGI NOTI.

La maggiore difficoltà nel considerare gli idrati come riserve effettive di

idrocarburi è di tipo tecnologico, poiché l'idrato può essere talmente disperso da rendere il suo sfruttamento NON economicamente vantaggioso.

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- Per il carbone è prevedibile, nei prossimi decenni, un incremento dei suoi consumi, grazie al rapporto favorevole tra risorse e consumi (~300/1).

Anche se alcuni esperti reputano molto meno ottimistica la situazione (in particolare per motivi ecologici e di cambiamenti climatici, sempre più preoccupanti, e per problemi di manodopera e costi di estrazione)

in una prospettiva di medio-lungo termine, anche grazie ai progressi tecnologici che saranno sicuramente conseguiti, si può presumere che il carbone potrà rappresentare una fonte di primaria importanza.

In generale, quindi, si può affermare che di fronte all'incremento previsto dei fabbisogni energetici, le tre fonti fossili versano in una situazione NON favorevole, vuoi per motivi di riserve (petrolio, gas), vuoi per motivi connessi con l'inquinamento o con problematiche di natura tecnico-economica (carbone).

Inoltrevi sono dei settori, come quello dei trasporti o quello domestico, in continua espansione anche in virtù dell'incremento demografico, nei quali - al momento attuale - le fonti fossili sono insostituibili.

E questo senza anche tener conto delle necessità dell'industria chimica!

 Per quanto riguarda le riserve di Uranio con un prezzo di estrazione conveniente, il rapporto tra riserve e consumi di ossido di uranio nei paesi ad economia di mercato è dell'ordine di 100:1.

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Anche per l'uranio, dunque, il problema delle risorse si manifesta problematico, per lo meno fino a quando:

- per l'affinamento della tecnologia e l'aumento generalizzato dei prezzi, potranno acquistare interesse giacimenti caratterizzati da costi di estrazione superiori (

le riserve sono stimate in un rapporto 3:1 rispetto alle risorse).

C’è poi da aggiungere il TORIO, le cui risorse ad un prezzo di estrazione comparabile a quello commerciale dell'uranio, sono valutate tre volte più abbondanti di quelle dell’Uranio.

 PER IL PIU’ LUNGO PERIODO, SI PUO’ PREVEDERE:

Utilizzo dei giacimenti di scisti e sabbie bituminose: un loro sfruttamento è prevedibile in una prospettiva a medio-lungo termine MA può semplicemente ritardare - non risolvere - il problema della penuria e della crisi di combustibili liquidi.

Più interessanti prospettive si aprono per l'ottenimento di gas naturale dalle diffuse formazioni di CLATRATI .

Il ricorso al gas naturale si andrà sicuramente espandendo sia per il minore effetto serra associato al suo impiego, sia per gli elevatissimi rendimenti termodinamici delle moderne centrali elettriche con turbogas e cicli combinati.

All'energia nucleare potrebbe venire richiesto, nei prossimi anni, di sostenere un maggiore carico nel previsto aumento generale dei consumi, sia nel settore elettrico che in settori nuovi quali

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produzione di vapore, di calore industriale, di idrogeno, di acqua potabile, ecc..

Aspettative per il breve-medio termine

- lo sviluppo della filiera veloce, autofertilizzante, capace di utilizzare 60/70 volte di più il contenuto energetico dell'uranio

Con l'avvento dei reattori veloci si avrà quindi un decisivo incremento (da 100 ad alcune migliaia di volte il rapporto riserve/consumi non solo per il migliore sfruttamento del

combustibile (corrispondente ad un suo minor consumo per unità di energia prodotta), ma anche perché diventerà economico lo sfruttamento di giacimenti caratterizzati da un costo di estrazione dell'uranio molto più elevato.

è anche vero che lo sviluppo di tale filiera non deve tardare più di qualche decenni, in caso contrario anche la fonte nucleare conoscerà una fase di declino.

La soluzione finale ai problemi energetici sembra comunque essere, entro i prossimi 30-50 anni

l’avvento della FUSIONE NUCLEARE su scala industriale che sola può garantire orizzonti temporali di approvvigionamento praticamente infiniti

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1-3 - Valutazione dei costi di produzione dell'energia elettrica.

 La percentuale di energia elettrica nei consumi globali di energia (penetrazione elettrica) ammonta oggi al 16% e si prevede che raggiungerà il 20% nel 2030 (IEA, World Energy Outlook 2006).

 A definire il costo dell'energia elettrica prodotta da un impianto termoelettrico, nucleare e non, concorrono varie voci:

- alcuni oneri indipendenti dall'energia prodotta e dalle ore in produzione (oneri fissi),

- altri ad essa proporzionali (oneri proporzionali).

ONERI FISSI

o Il costo di impianto comprende:

- voci di costo diretto (come le spese di acquisto del sito, le opere di progetto, le spese per la costruzione dell'impianto),

- e voci di costo indiretto (come le spese generali, le tasse, gli interessi passivi maturati durante la costruzione) .

o Il costo di esercizio rappresenta un onere annuo generalmente fisso, cioè indipendente dal numero di ore di funzionamento dell'impianto, e comprende ad esempio:

- gli stipendi ai dipendenti, - le spese di manutenzione, - di assicurazione,

- di illuminazione.

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ONERI PROPORZIONALI

o Il costo associato al combustibile è, chiaramente, un dato che dipende dal prezzo unitario del combustibile adottato e dal fattore di utilizzazione.

COSTI DI IMPIANTO - Esistono formule di matematica finanziaria che consentono di attualizzare ad una data fissata, o di ripartire in un certo numero di intervalli, una spesa o un guadagno

effettuati ad una data diversa, ovvero la sommatoria di spese e guadagni effettuati in più date diverse.

Supponiamo di voler attualizzare alla data della entrata in funzione dell'impianto (t₀) tutte le spese fino ad allora effettuate. Se c_i indica la spesa i-ma effettuata al tempo t_i (minore di t₀), il costo dell'impianto attualizzato a t₀ viene ad essere:

C ci (1 r)

i

t  t

  

essendo: r, tasso di interesse da pagare (ad esempio r = 3,5 % annuo).

Volendo ripartire detto costo su un numero n di anni di esercizio (ad esempio n = 20), la RATA ANNUALE da pagare è pari a i x C, essendo i, TASSO DI AMMORTAMENTO :

r) (1

1 n

i r



 

 nella fattispecie, con r= 3.5%, i = 0,070

29

 Complessivamente, ogni anno deve essere pagata una somma pari a

iC ε

P h C a      c

essendo:



cc costo del combustibile, espresso come costo del combustibile per unità di energia prodotta,

P la potenza dell'impianto in kW

h il numero annuo delle ore di funzionamento

che, ripartita sul kWh prodotti nell'anno, fornisce anche il costo del kWh prodotto:

c

iC ε cc P h iC ε

C kWh c

P h Ph

    

  



Tale formula è anche detta formula binomia, perché consta di due termini, uno indipendente

dall'energia prodotta, l'altro decrescente con il numero delle ore di funzionamento dell'impianto (più in generale con l'energia prodotta).

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[ore di utilizzazione/anno]

C

[€/kWh]

Fig. 1-3.1

Diminuzione del costo del kWh al crescere delle ore di utilizzazione annue.

Nel caso delle centrali

nucleari, risultando elevato il costo di impianto C e basso il costo associato al combustibile, C_c, conviene aumentare il numero h delle ore di funzionamento annuo il più possibile, cioè questi impianti risultano particolarmente adatti per un servizio “di base”.

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 L’energia nucleare è una fonte energetica ad alti costi fissi e bassi costi variabili

L’energia nucleare è infatti una tecnologia “capital intensive” nel senso che sul costo unitario del kWh

 - l’uranio, inteso come materia prima, incide solo per il 5%

 - il costo di costruzione della centrale incide per i 2/3 Dettagli sul termine cc:

- nel caso di centrali convenzionali, nota l’energia elettrica prodotta P·h , il costo del combustibile per kWh è semplicemente pari al rapporto tra il costo unitario del combustibile ed il prodotto tra il suo potere calorifico ed il rendimento dell'impianto

Cc = (P·h) C / (PCi · (kWh/a · €/kg) / kWh/kg 

- nel caso di impianti nucleari, invece, , il COSTO DEL COMBUSTIBILE è una funzione complessa di vari parametri tra i quali:

o il valore del combustibile caricato nel nocciolo dipendente dai costi di fabbricazione degli elementi combustibile

o il tempo di immobilizzo del combustibile fino all'avvio del reattore, o il tempo di immobilizzo nel nocciolo

o il tempo di permanenza in piscina di decadimento, o Il costo unitario di ritrattamento,

o costi della massa di combustibile fresco immagazzinata per la prossima ricarica

 Si distinguono:

- una vita «economica» di una centrale elettronucleare che ricopre il periodo di ammortamento, , di circa 20 anni,

- una vita effettiva, oggi di circa 60 anni.

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Al contrario, nelle centrali convenzionali:

- il carbone , inteso come materia prima, incide per circa il 50% sul costo unitario del kWh;

- il metano , inteso come materia prima, incide per circa l’80% sul costo unitario del kWh;

 Al di là della produzione di energia elettrica, le applicazioni degli impianti nucleari possono prevedere le seguenti , ulteriori finalità:

o associazione di impianti nucleari ad alta temperature con impianti per la produzione del vettore energetico idrogeno

o possibilità di realizzare REATTORI MULTISCOPO, ad es. per la produzione di acqua dissalata, per la produzione di vapore da utilizzare per scopi industriali, per esempio per il teleriscaldamento (esistono in Russia impianti dedicati solo al teleriscaldamento)

Dal confronto sul costo del combustibile, emerge che in un cash flow esteso ad un periodo di alcune decine di anni, per una nazione povera di materie prime sarebbe più interessante puntare sulla filiera nucleare essendo praticamente impossibile fare previsioni di medio-lungo termine sul costo dei

combustibili fossili

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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)

31.600 (1,2%)

21.000 (0,8%)

80.000 (3,5%) (olio comb

ATZ)

Ossido di carbonio (CO) 2.500 2.200

Ossidi di azoto (NOx) 18.300 8.000

Polveri

(efficienza captatori)

2.400 (98%)

130 (70%)

Per gli impianti a carbone l'introduzione del desolforatore e del 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

Q_n = consumo giornaliero medio di combustibile = (C_s x P x 24) x fu /P_CI = 3900 t/g Q_max = consumo giornaliero max di combustibile = (C_s x P x 24) /P_CI = 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 (SO_x, NO_x, 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/

fotovoltaico)

Eolico Biomasse rigenerate

Superficie (km²)

2 5 10 80 100 6000

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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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