Prefazione
III
metodi di produzione ed i reattori nucleari ad alta temperatura. Una seconda parte
(composta anch’essa da quattro capitoli) è relativa all’analisi dello scenario alternativo
proposto, dove sono stati introdotti prima i metodi e gli strumenti utilizzati, poi le ipotesi
adottate ed infine i risultati ottenuti dallo studio del ciclo simbiotico.
Il contenuto dei capitoli può essere riassunto come segue.
Nel primo capitolo si evidenziano i problemi legati alle emissioni di gas serra,
all’aumento demografico atteso nel prossimo decennio, alle riserve di fonti fossili e di
uranio. Si analizzano i consumi energetici attuali a livello mondiale e si effettua una
panoramica sullo stato delle fonti rinnovabili.
Nel secondo capitolo vengono palesati i problemi legati al settore dei trasporti sia dal
punto di vista ambientale che da quello dei consumi. Vengono introdotti differenti scenari
previsionali (sviluppati dalla IEA) fino al 2050, riguardanti i consumi e l’eventuale
evoluzione delle tecnologie.
Nel terzo capitolo, dopo una prima panoramica sullo stato attuale dell’uso dell’idrogeno
a livello mondiale, si individuano i vari metodi di produzione dell’idrogeno, con
particolare attenzione al processo termochimico Iodio-Zolfo con calore proveniente da
fonte nucleare. Dopodiché vengono analizzate, in maniera indicativa, quelle che sono le
problematiche legate alla sicurezza dei sistemi che contengono idrogeno, con particolare
attenzione all’immagazzinamento sui veicoli e agli impianti di produzione termochimica
per mezzo di calore nucleare.
Nel quarto capitolo, dopo una breve descrizione del reattore EPR, si è analizzato lo stato
attuale dei reattori nucleari a gas ad alta temperatura ed in particolare i reattori del tipo
PBMR ed i progetti internazionali per la produzione di idrogeno per via nucleare.
Introdotti tali argomenti, si è evinto quali potessero essere i problemi maggiormente
incidenti e vincolanti in prospettiva futura per quanto riguarda il settore dei trasporti, con il
fine ultimo della sostenibilità energetica ed ambientale.
Nel quinto capitolo sono stati introdotti gli strumenti impiegati per l’analisi di scenario e
alcune ipotesi preliminari. In particolare è stato utilizzato il codice di calcolo NFCSS della
IAEA, nel quale sono stati implementati i reattori ed il ciclo del combustibile nucleare
associato.
L’analisi viene riportata nel sesto capitolo. I calcoli sono stati sviluppati per due
differenti scenari previsionali di consumi energetici (Baseline ed Actmap). Il duplice
scenario viene riportato anche nella simulazione del codice di calcolo e, quindi, nei
conseguenti cicli del combustibile nucleare.
Il settimo capitolo presenta un’analisi dei risultati ottenuti tramite il codice di scenario,
dal punto di vista della parte nucleare, sia per quanto riguarda il front-end del combustibile
nucleare, sia il back-end del ciclo simbiotico.
Infine nell’ultimo capitolo vi sono le conclusioni dello studio con i possibili sviluppi
futuri e con i problemi che restano ancora aperti riguardo la fattibilità dello scenario
proposto.
Questa tesi è stata effettuata presso il Dipartimento di Ingegneria della Produzione,
Termoenergetica e Modelli Matematici (DIPTEM), sezione Termoenergetica e
Condizionamento Ambientale (TEC) dell’Università di Genova, in collaborazione con il
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP)
dell’Università di Pisa ed il Karlsruhe Institute of Technology (KIT).
Introduzione
I-1
INTRODUZIONE
“È comune defetto degli uomini, non fare conto, nella bonaccia, della tempesta.”
(Machiavelli, “Il principe”).
Così Nicolò Machiavelli interpretava il comportamento umano nel 1513. Questo è
quello che sta accadendo oggi. Si è scelto di partire da questa citazione per introdurre un
problema che, dai giorni nostri fino al prossimo secolo, emergerà e si renderà sempre più
pressante. Il cervello umano ha la funzione di portare il corpo ad effettuare l’azione voluta
con il minor dispendio energetico. Questa è una caratteristica che abbiamo ereditato dal
passato, dalle nostre origini, con il fine della sopravvivenza, propria del regno animale. Ma
l’ingegno umano ha contribuito ulteriormente a questo risparmio energetico personale,
sfruttando ciò che lo circondava. Si è arrivati così alla rivoluzione industriale, l’uomo ha
scoperto le fonti fossili, la sua natura gli ha fatto apprezzare la “comodità” del loro
sfruttamento per i propri scopi. Qui iniziò la bonaccia.
Questa tesi ha lo scopo di sottolineare un problema che, sebbene non sia ancora
estremamente accentuato, presto emergerà in modo sempre più evidente. Con il presente
lavoro si cercherà quindi di proporre una tra le tante e possibili soluzioni per limitarlo.
L’uomo sta sfruttando in maniera esasperata ciò che la natura ha fornito, e sembra che, in
futuro, continuerà a farlo. Al momento la situazione di disagio sociale dei paesi non
industrializzati va in parte a controbilanciare, nell’economia energetica mondiale, la
faraonica condizione dei paesi industrializzati. Ma, anche per una questione di giustizia
sociale, non si può non augurarsi che queste disparità tendano sempre più a scomparire.
Una delle forze trainanti la richiesta energetica mondiale è stata la crescita della
popolazione che si è avuta su scala mondiale negli ultimi cinquanta anni (passando da circa
3 miliardi di abitanti fino agli attuali 6.8 miliardi). La situazione si complica quando si fa
riferimento alle proiezioni attese per il 2050. Si parla in questo caso di cifre molto elevate:
9.2 miliardi se avranno successo le campagne per la riduzione della fertilità, o più di 11
miliardi in caso contrario (dati tratti dal rapporto rilasciato l’11 marzo dalla Population
Division delle Nazioni Unite [I-1]). Il rapporto [I-1] prevede che i paesi in via di sviluppo
passino dagli attuali 5.6 a 7.9 miliardi di abitanti entro il 2050. Ma questo avverrà solo se il
tasso di fertilità scenderà notevolmente. Se quest’ultimo invece rimanesse quello attuale
del periodo 2005-2010, la popolazione dei paesi in via di sviluppo salirebbe a 9.8 miliardi
di abitanti e sommandola a quella dei paesi industrializzati, si supererebbero gli undici
miliardi. In ogni caso un forte aumento della popolazione entro il 2050 “è inevitabile”.
Quanto dureranno le riserve di petrolio? Secondo la ExxonMobil, la maggiore
compagnia petrolifera, i giacimenti petroliferi sono sufficienti, ai ritmi attuali, per la
fornitura di petrolio fino al 2050. Secondo la BP Amoco, la seconda compagnia petrolifera,
i giacimenti accertati sono, sempre ai ritmi di consumo attuali, sufficienti fino al 2044. La
U.S. Geological Survey dopo uno studio durato cinque anni, ha concluso che il mondo ha
riserve sufficienti per circa 80 anni ai ritmi di consumi attuali. Ci sono poi i geologi del
King Hubbert Center della Colorado School of Mines che ritengono che la produzione
dell’oro nero toccherà il suo picco in questo decennio con 85 milioni di barili al giorno per
poi scendere drammaticamente a 35 milioni nel 2020 [I-2].
Introduzione
I-2
Nessuno può dire con certezza quanto petrolio rimane, quasi tutti concordano che metà
sia già esaurito o stia per esserlo. Ma sebbene negli ultimi anni, soprattutto per il timore dei
Paesi industrializzati di dipendere eccessivamente dagli approvvigionamenti petroliferi
provenienti dal mondo arabo, si sia compiuto qualche timido passo sulla via del risparmio
energetico, molto rimane ancora da fare, soprattutto perché ancora enorme è lo squilibrio
tra i consumi di energia del Nord e del Sud del mondo: un quarto della popolazione
mondiale (i Paesi industrializzati) consuma circa i tre quarti dell’energia prodotta sul
pianeta, e l’Italia, da sola, consuma più di tutta l’Africa [I-2].
È riconosciuto da quasi tutti che negli ultimi 50 o 100 anni c’è stato un cambiamento
climatico caratterizzato da un aumento della temperatura media [I-3] [I-4] [I-5]. D’altra
parte, nello stesso tempo, la quantità di biossido di carbonio presente nell’atmosfera è
anch'essa cresciuta (figura I-1). Questa crescita è principalmente dovuta all’uso di
combustibili fossili, cioè è causata dalle attività umane. Una diversità di opinione circa la
relazione fra il cambiamento climatico e l’anidride carbonica permane all’interno della
comunità scientifica, sebbene la maggioranza degli addetti ai lavori concordi che il
principio che li accomuni sia quello di causa/effetto.
Figura I-1: Concentrazione della CO2 in atmosfera e andamento temperatura negli ultimi
400.000 anni (carotaggi presso il ghiacciaio Vostok) [I-6]
Nel cambiamento climatico che stiamo affrontando oggi non c’è soltanto il
riscaldamento, ma anche un aumento del verificarsi di eventi naturali “estremi” amplificati
Introduzione
I-3
in dimensioni ed in frequenza (cicloni, uragani, alluvioni,etc.). Anche a questo aumento la
comunità scientifica sta cercando di dare una motivazione. Secondo l’IPCC
(Intergovernmental Panel on Climate Change) la probabilità che le attività umane possano
avere una responsabilità è “more likely than not”, cioè fra il 50% e il 66% [I-3].
L’incremento della popolazione mondiale, l’effetto serra, lo sfruttamento intensivo delle
risorse fossili e il loro prevedibile esaurimento, sono fra i motivi principali per cui lo
sviluppo dell’attività umana risulterà drammaticamente non sostenibile nel futuro se non
verranno adottate delle contromisure. Alcune già esistono ed altre sono ancora in fase di
studio, ma il loro sviluppo sicuramente non potrà non essere accompagnato da linee
politiche idonee e da incentivi governativi.
Un esempio tipico è il passaggio ad un’economia dell’idrogeno. Ad oggi, sarebbe
impensabile e controproducente “deviare” su questa nuova strada con le tecniche di
produzione attualmente diffuse. Un’automobile ad idrogeno (con idrogeno prodotto da gas
naturale tramite lo steam reforming, SMR) emette (ovviamente in maniera indiretta) circa
95 gCO2/km1, contro i 90÷120 gCO2/km di un’automobile di nuova generazione a benzina
o gasolio2. Già da questi dati emerge che l’uso dell’idrogeno se prodotto per via
convenzionale non è una soluzione razionale per un futuro davvero sostenibile. Seguire la
strada dell’economia dell’idrogeno è possibile, ma non può e non deve basarsi sulle fonti
fossili, altrimenti risulterebbe soltanto un dispendioso vicolo cieco.
Il presente lavoro è stato focalizzato principalmente sulla proposta di uno scenario
energeticamente sostenibile per il settore dei trasporti terrestri per i Paesi OECD (figura I-
2). In tale scenario si adotterà l’idrogeno come vettore energetico per uno sviluppo futuro.
Si è però ipotizzato che tale idrogeno venga prodotto per via nucleare. Questa fonte,
associata ad un metodo di produzione esente da consumi di combustibili fossili ed
emissioni di anidride carbonica (processo termochimico I-S), ad oggi, sembra risultare
l’unica via sostenibile ed applicabile su scala industriale.
Figura I-2: Paesi membri OECD
1
Facendo un bilancio di massa sulla reazione e ipotizzando un consumo per i veicoli a PEMFC di 1.7
kgH2/100 km.
2
Va però evidenziato che una recente inchiesta pubblicata da Auto Motor und Sport il 22 febbraio 2010, ed
effettuata da Autobild e Quattroruote, denunci come i dati relativi alle emissioni di CO2 forniti dalle case
automobilistiche risultino falsati, con valori sottostimati dal 17% al 47%.
Introduzione
I-4
Partendo da due possibili scenari previsionali forniti dalla comunità scientifica (dati fino
al 2050), sono stati valutati i consumi di combustibili fossili per il settore dei trasporti
terrestri fino a quella data.
Nell’analisi di scenario è stata valutata la possibilità di una sostituzione dei combustibili
contenenti carbonio con l’utilizzo di idrogeno prodotto tramite il processo chimico Iodio-
Zolfo (processo I-S) alimentato dal calore proveniente da un reattore ad alta temperatura di
tipo Pebble Bed Modular Reactor (PBMR).
Nello studio portato avanti, si è optato per la scelta di un ciclo simbiotico composto da
due tipologie di reattori in cascata: European Pressurized Reactor (EPR) e PBMR. Questa
strategia permette di sfruttare le caratteristiche di entrambi in modo più efficiente. Il
combustibile esausto dei reattori pressurizzati (EPR), dopo vari processi intermedi, può
essere utilizzato come combustibile in ingresso dei reattori a pebble ad alta temperatura. In
questo modo lo sfruttamento del combustibile stesso viene incrementato, ed inoltre si
ottiene come prodotto, oltre alla potenza termica per la produzione di idrogeno (necessaria
per il ciclo termochimico I-S), la potenza elettrica generata dai reattori pressurizzati EPR
utile a far fronte agli incrementi di fabbisogno elettrico previsti per il 2050.
Questo scenario, così creato, è stato analizzato (per quello che concerne la parte
nucleare ed in particolare il ciclo del combustibile) tramite il codice NFCSS (Nuclear Fuel
Cycle Simulation System) un codice di calcolo fornito dall’International Atomic Energy
Agency (IAEA). Questo codice permette di simulare il ciclo del combustibile nucleare, a
partire dall’estrazione del minerale di uranio dalla miniera, fino allo stoccaggio del
combustibile esausto. Il flusso di materiali (Material Flow Results) e la composizione
isotopica del combustibile (Isotopic Composition Results) nelle varie fasi del ciclo sono
calcolati dal codice per ogni singolo anno e per ogni singolo reattore, oltre ad essere fornite
per il ciclo simbiotico complessivo [I-7].
Non é vero che abbiamo poco tempo: la verità é che ne perdiamo molto. (Seneca, De
brevitate vitae, I, 1.3)
Parte Prima
PARTE
PRIMA
Capitolo 1 – Panorama Energetico Mondiale
1-1
Capitolo 1 - PANORAMA ENERGETICO MONDIALE
1.1 ASPETTI GENERALI
L‟uso intensivo delle fonti fossili quali petrolio, gas naturale e carbone per coprire le varie
richieste energetiche (trasporti, elettricità, industria, usi domestici, etc.), ha favorito negli
anni il passaggio da una società rurale ad una industrializzata, permettendo di migliorare
notevolmente le condizioni di vita degli abitanti degli attuali Paesi industrializzati.
Tuttavia, un tale sviluppo risulta ad oggi non più sostenibile, sia da un punto di vista
ambientale che sociale. Permane ancora una grande disparità, in termini di consumi
energetici, fra i Paesi industrializzati e quelli in via di sviluppo, che, se coperta dal solo uso
di fonti fossili, andrà a ripercuotersi negativamente sulle condizioni ambientali (es.
aumento dell‟effetto serra, etc.). La sfida aperta è quella di mettere in atto nuove strategie
energetiche in grado di tenere conto sia dei fattori ambientali che di quelli sociali.
Il punto di partenza è l‟analisi dell‟attuale situazione energetica mondiale, dove i
combustibili fossili coprono l‟83% dei fabbisogni energetici totali e corrispondono al 66%
della produzione di energia elettrica [1-1].
Nel 2007 è stato stimato che l‟energia primaria consumata per il settore della produzione
elettrica rappresenta solo il 39.93% dell‟ energia totale consumata (rappresentata nel
grafico a torta di figura 1-1), e la restante frazione si suddivide in [1-2][1-3]:
ξ 6.54% nell‟utilizzo residenziale;
ξ 3.86% per utilizzo commerciale;
ξ 21.13% per utilizzo industriale;
ξ 28.54% per i trasporti.
Figura 1-1: Energia totale consumata
Un altro aspetto da prendere in considerazione per lo sviluppo di una strategia energetica
più sostenibile e durevole è lo studio della distribuzione geologica delle fonti energetiche.
Per quanto riguarda la fonti fossili, è noto che sono distribuite in pochi paesi (figure 1-2, 1-
3, 1-4 e tabella 1-1 dove emerge come ai soli Paesi del Medio Oriente appartenga circa il
Capitolo 1 – Panorama Energetico Mondiale
1-2
60% del totale delle riserve di petrolio stimate e il 41% di quelle di gas naturale), i quali,
nella maggior parte dei casi, sono caratterizzati da una situazione politica instabile.
Figura 1-2: Riserve stimate di petrolio a fine 2008 [1-3].
Capitolo 1 – Panorama Energetico Mondiale
1-3
Figura 1-3: Riserve stimate di gas naturale a fine 2008 [1-3].
Capitolo 1 – Panorama Energetico Mondiale
1-4
Figura 1-4: Riserve stimate di carbone a fine 2008 [1-3].
Capitolo 1 – Panorama Energetico Mondiale
1-5
Tabella 1-1: Schema delle riserve di fonti fossili per tipologia e regione fine 2008 [1-3].
La necessità di garantire l‟approvvigionamento di combustibili fossili, a prezzi competitivi,
per soddisfare i bisogni dei singoli stati, ha portato, nei decenni passati, a tensioni
politiche, che tenderanno ad accentuarsi se la strategia attuale (uso estensivo di
combustibili fossili) verrà mantenuta. In particolare, con le forti domande che Stati come
India e Cina porteranno sul mercato, non è detto che il fabbisogno futuro di combustibili
fossili di tutti i Paesi industrializzati possa essere garantito a priori (considerando sia la
disponibilità che il loro prezzo).
Situazione diversa si ha per l‟Uranio, esso presenta una distribuzione geologica più
omogenea e, principalmente, in paesi con situazioni politicamente più stabili, seppure
anche in questo caso, le strategie a lungo termine influenzeranno molto le tensioni di
mercato.
Un altro aspetto che mina la sostenibilità a lungo termine di una strategia basata sulle sole
fonti fossili è l‟impatto che esse hanno sull‟incremento delle emissioni di gas serra (CO2,
NOx, CO, CH4) con un probabile effetto di innalzamento della temperatura media terrestre
rispetto al periodo pre-industriale.
Il problema del cambiamento climatico (a seguito dell‟effetto serra) ha motivato numerose
attività di ricerca a differenti livelli. L‟Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC-
gruppo di lavoro dell‟ONU), una delle più influenti organizzazioni di questo settore, ha
affermato che l‟unico modo per arrestare questo fenomeno di riscaldamento terrestre è di
ridurre tangibilmente le emissioni di CO2 entro il 2050. Un valore auspicabile di riduzione
delle emissioni, così come indicato dall‟IPCC è tra l‟85% ed il 50% dell‟attuale livello di
emissioni (385 ppm) [1-4].
A livello istituzionale, con il summit G8 di Heiligendamm (2007) è stato fissato un valore
del 50% della riduzione entro il 2050 da perseguire attraverso il cambiamento delle
modalità di produzione di energia elettrica, settore responsabile, insieme al settore dei
trasporti, per la maggior parte delle emissioni di CO2.
Riserve di fonte
fossile /
Regione
Petrolio ( Gbarili di
petrolio)
Gas naturale
(Tmcubi)
Carbone
(Gton)
Sud & Centro
America
123.2 7.31 15
Nord America 70.9 8.87 246.1
Africa 125.6 14.65 32
Asia Pacifico 42 15.39 259.3
Europa & Eurasia 142.2 62.89 272.2
Medio Oriente 754.1 75.91 1.4
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