La Sfida Energetica E Il Ruolo Della Chimica

LA SFIDA ENERGETICA E IL RUOLO DELLA CHIMICA Nicola Armaroli Molecular Photoscience Group Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività Consiglio Nazionale delle Ricerche, Bologna [email protected] http://www.isof.cnr.it/photoscience/Nicola.Armaroli/

Palermo, 23 Febbraio 2009

-PER ORIENTARSIALCUNI NUMERI CHIAVE

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

ANDAMENTO DELLA POPOLAZIONE MONDIALE 1750-2050

9 settembre 1913, sintesi ammoniaca

La popolazione mondiale aumenta di 79 milioni di unità l’anno Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Consumo mondiale energia primaria * 34,4%, petrolio

81%

26%, carbone 20,5%, gas naturale 10%, biomasse, rifiuti 6.2 %, nucleare 2.2%, idroel. 0.6 %, geot., eolico, solare Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

*International Energy Agency (IEA) 2008

Consumi energetici nella storia della civiltà umana

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VITA DA IMPERATORE

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La potenza a ns. disposizione: gli “schiavi energetici”

TV Lavatrice

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Auto 115 CV a 100 Km/h

1600 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Boeing 747-400 al decollo

1.6 MILIONI di schiavi energetici

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La grande cuccagna non è per tutti: 1/4 degli abitanti del pianeta consuma 3/4 dell’energia

Vaclav Smil, Energy at the Crossroads MIT Press, 2003 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

MAPPA POLITICA

MAPPA DEI CONSUMI DI ENERGIA

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http://www.worldmapper.org/ © The University of Sheffield, UK The University of Michigan, USA

LE PERSONE: CONSAPEVOLEZZA, PERCEZIONE, REALTA’

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

L’energia è un’ “entità” onnipresente, ma allo stesso tempo invisibile e misteriosa per la stragrande maggioranza delle persone cos’è l’energia?

come viene prodotta? quanta ne consumo?

quanto inquina?

quanto costa? Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

posso consumarne meno?

Consumatori europei: percezione e realtà NON SO RISCALDAMENTO

ACQUA CALDA

3%

18%

26%

AUTO

PERCEZIONE

14%

LUCE ED ELETTRODOM. 39% ACQUA CALDA 8% AUTO 31%

RISCALDAMENTO

REALTA’

53%

LUCE ED ELETTRODOM. 8% Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Eurobarometer 2007, The European Commission

In Italia il dibattito “energetico” è in realtà un dibattito “elettrico” Ma …

78 %

22 %

ELETTRICITA’ Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

COMBUSTIBILI

A proposito di percezioni discutibili: l’energia è davvero costosa? costo PETROLIO: 40 $/barile

0.195 €/litro

Meno caro di… costo BENZINA ca. 1.05 €/l (65 % tasse!!!)

Molto più economica di …

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-ENERGIA OGGICOMBUSTIBILI FOSSILI

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La “ellisse strategica dell’energia”

16 stati Riserve mondiali di petrolio: 70% Riserve mondiali di gas: 60%

Re petrolio e i suoi fratelli minori Petrolio Cont. energetico

43 Mj/Kg 35000 Mj/m3

Carbone 30 Mj/Kg /

Gas / 35 Mj/m3

Trasportabilità

Ottima

Pessima

Modesta

Riserve accertate (ai cons. attuali!)

40 anni

200 anni

60 anni

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Giacimenti giganti e supergiganti: i forzieri mondiali del petrolio

6% della prod. mondiale

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Andamento nelle scoperte di nuovi giacimenti

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Primi 10 produttori e consumatori di PETROLIO PRODUTTORI

CONSUMATORI

Milioni di barili al giorno

Milioni di barili al giorno

Arabia Saudita

10.4

Stati Uniti

20.7

Russia

10.0

Cina

7.9

Stati Uniti

6.9

Giappone

5.1

Iran

4.4

India

2.7

Cina

3.7

Russia

2.7

Messico

3.5

Germania

2.4

Canada

3.3

Corea del Sud

2.4

Em. Arabi Uniti

2.9

Canada

2.3

Venezuela

2.6

Brasile

2.2

Norvegia

2.6

Arabia Saud.

2.2

Italia

0.1

Italia

1.8

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BP Statistical Reviews 2008

LA CRESCENTE IMPORTANZA DEL GAS

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Prime 10 nazioni per riserve di GAS Trilioni m3

%

Russia

44,65

25,2

Iran

27,80

15,7

Qatar

25,60

14,4

Arabia Saudita

7,17

4,0

U.A.E.

6,90

3,4

USA

5,98

3,4

Nigeria

5,30

3,0

Venezuela

5,15

2,9

Algeria

4,52

2,5

Iraq

3,17

1,8

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

55%

BP Statistical Reviews 2008

ATTENZIONE … NON SOLO ENERGIA

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Petrolio e gas sono materie prime per la petrolchimica (e quindi per una marea di oggetti usati da tutti …)

CRACKING CATALITICO

SYNGAS

Olefine

CO + H2

(etilene, propilene, butadiene)

Polietilene (PE), Polipropilene (PP), Polivinilcloruro (PVC), …

Aromatici

CH3OH

(benzene, toluene, xilene)

Polistirene (PS), Poliesteri Poliuretani, …

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Praticamente tutto…

IL LATO NASCOSTO DELLA CUCCAGNA (ancora la chimica)

Riscaldamento climatico Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Inquinamento

Il ciclo del carbonio: un complesso sistema chimico in equilibrio. Lo scambio di carbonio avviene tra 4 grandi serbatoi: atmosfera, foreste/suolo, mari, litosfera (sottosuolo)

8.0

Forcing antropogenico: 8 Gt/anno di C passano dalla litosfera all’atmosfera, bruciando combustibili fossili. Solo metà vengono “digerite” dalla fotosintesi

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Mappa mondiale dell’inquinamento da ossidi di azoto

Importanza degli abbattitori catalitici su mezzi di trasp. e centrali elettriche (ANCORA CHIMICA …)

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NOX

OZONO troposferico (estate)

Particolato PM2.5 e inferiore (inverno)

SMOG FOTOCHIMICO Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Altro campo importante di RICERCA CHIMICA

SPRECHI

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Un esempio quotidiano: i sistemi di illuminazione

95%

40%

2.5%

Efficienza complessiva ca. 1% Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Verso nuovi sistemi di illuminazione “freddi”: LED e OLED

OPZIONI

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5 forme di energia primaria 1) Fossili

(energia solare immagazzinata)

2) Solare diretta e indiretta

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3) Energia nucleare (fissione e fusione)

4) Energia geotermica

5) Energia gravitazionale (interazione Terra/Luna)

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RUOLO DELLA CHIMICA -combustibili fossiliESEMPIO: Centrali elettriche a corbone per il sequestro della CO2

MEA = monoethanolamine Science 2007, 317, 184

RUOLO DELLA CHIMICA -combustibili fossili• Materiali costruttivi più leggeri • Nuovi combustibili e lubrificanti • Batterie per auto ibride • …

NUCLEARE www.energiaperilfuturo.it

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RINNOVABILI

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NE ABBIAMO ABBASTANZA? Rad. solare sui continenti

Vento Biom.

Geo

Ocean Idro

CUBI PICCOLI: Frazione di ogni fonte che è tecnicamente, economicamente ed ecologicamente sfruttabile R. Wengenmay , T. Bührke (Eds.), Renewable Energy, Wiley-VCH, 2008 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

ENERGIA SOLARE

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Il vantaggio n. 1 del sole: l’abbondanza Richiesta media di potenza energetica mondiale, 2008: 14 TW Flusso di energia solare sulla superficie terrestre: 170000 TW

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Science, 2005, 309, 548

Il vero problema del sole: la diluizione Valori di densità di potenza di alcune tecnologie energetiche

FOSSILI: 1000-10000 W/m2

FOTOV. 20-60 W/m2

IDRO 10-50 W/m2

EOLICO 10-50 W/m2 BIOMASSE 0.1-1.2 W/m2

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Cosa possiamo fare con l’energia solare Elettricità

(Sistemi fotovoltaici, Solare termodinamico)

Combustibili (biomasse, …)

Calore

(Pannelli solari)

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ENERGIA SOLARE (COMBUSTIBILI)

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

BIOCOMBUSTIBILI, OGGI BIOETANOLO per motori a benzina (da granoturco, canna da zucchero, barbabietola, sorgo) BIODIESEL per motori diesel (da olii vegetali: colza, girasole, soia, palma, ecc.) BIOGAS per ottenere metano (da discariche RSU, reflui zootecnici, scarti ind. agroalimentare) Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

ATTENZIONE-1 Per sostituire il 5% dei consumi attuali di benzina e gasolio con le tecnologie attuali di produzione.*

20%

21% Terreni coltivabili

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*Fonte: IEA

ATTENZIONE-2: Abbiamo un guadagno energetico?

INGRESSO

BILANCIO Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Fertilizzanti, Irrigazione, Pesticidi, Raccolta, Trasporto Lavorazione, Distribuzione …

Biocombustibile USCITA

La produzione di biocombustibili è connessa strettamente alla gestione di due importantissime risorse:

acqua

suolo

Source: US Geological Survey

Nature, March 20, 2008 Special issue on water University of California Press Berkeley, 2007 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

COMBUSTIBILI dal sole: prospettive A) Migliorare la strategia attuale CARBOIDRATI

LUCE SOLARE •

COMBUSTIBILI (H2, CH3OH, …)

PRODURRE COMBUSTIBILI CON LA PARTE NON EDIBILE DELLE PIANTE: MATERIALI LIGNOCELLULOSICI

B) Cambiare strategia LUCE SOLARE

CARBOIDRATI

COMBUSTIBILI (H2, CH3OH, …)

“COLTIVAZIONE” DI ORGANISMI CHE PRODUCONO COMBUSTIBILI: PRODUZIONE DI H2 E FISSAZIONE DI CO2 MEDIANTE ALGHE, BATTERI, ECC. Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

MA soprattutto … il Santo Graal della ricerca chimica LA FOTOSINTESI ARTIFICIALE IDROGENO, METANO, ETANOLO

H20, CO2 Complessi sistemi chimici

SONO NECESSARI GRANDI INVESTIMENTI NELLA RICERCA SCIENTIFICA Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Fotosintesi artificiale: 5 componenti fondamentali

Courtesy : V. Balzani, M. Venturi, A. Credi •

Antenna Molecolare (ass. luce solare)

•

Unità di separazione di carica (el. transfer)

•

Catalizzatore di riduzione per H2

•

Catalizzatore di ossidazione per O2

•

Membrana per separare i due processi

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Chimica Supramolecolare

ELETTRICITÀ dal sole: prospettive • Miglioramento nelle rese di conversione (arrivando a > 20 %) delle tecnologie attuali (al silicio) con abbattimento dei costi • Consolidamento di altre tecnologie fotovoltaiche, film sottile (10-12%), DSSC (11%), plastiche (4%) • Nuovi approcci: tandem cells, celle a concentrazione

SONO NECESSARI GRANDI INVESTIMENTI NELLA RICERCA SCIENTIFICA Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Un progetto ambizioso: la “super-rete” europa-africa-medioriente rinnovabile

http://www.desertec.org/

Nature 2007, 450, 595 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

“Come tutti quelli che vogliono esaurire un argomento non riuscì che ad esaurire gli ascoltatori” Oscar Wilde

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

La transizione energetica è la più grande sfida

SCIENTIFICA TECNOLOGICA ETICA

CULTURALE

che l’umanità dovrà affrontare nel ventunesimo secolo

PROVIAMO A GUARDARE IL MONDO CON OCCHI DIVERSI … La Terra fotografata a 6 miliardi di Km di distanza Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

La vita degli esseri umani che popolano la biosfera non è piacevole allo stesso modo: La mappa della mondo come ricchezza (PIL)

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

http://www.worldmapper.org/ © The University of Sheffield, UK The University of Michigan, USA

PIU’ CONSUMI ENERGIA PIÙ SEI FELICE?

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

La nostra ”obesità” energetica non serve a migliorare la vita …

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Energia e qualità della vita-1

Mortalità infantile

Credit: Prof. Vaclav Smil, Univ. of Manitoba, CA Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Energia e qualità della vita-2: i trasporti SHINKANSEN

VITTIME DELLA STRADA EU 25, 2005

41.300 Consumo energetico: 0.4 MJ/Km pass. 400 Km/h, ritardo medio: 5 sec Passeggeri trasportati l’anno: 6 miliardi Vittime per incidente: ZERO

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Feriti > 2.000.000

E’ ORA DI RICONSIDERARE L’ IDEA DI LIMITE Le risorse della Terra sono limitate e le leggi della fisica e della chimica NON SONO SOVVERTIBILI QUINDI lo sviluppo economico e la crescita dei consumi energetici NON POSSONO CRESCERE ALL’INFINITO

“Chiunque creda che la crescita esponenziale possa continuare per sempre in un mondo finito o è un pazzo o è un economista”. Kenneth E. Boulding, economista, 1980

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Un esempio eloquente: la crisi mondiale delle risorse ittiche

Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Riassumendo ‰ Il 21° secolo si apre con una sfida formidabile:trovare il modo di fornire energia sostenibile a 9-10 miliardi di persone entro pochi decenni ‰ E’ necessario un incisivo lavoro di informazione a tutti i livelli per aumentare la consapevolezza generale ‰ Al momento, non esiste una soluzione a portata di mano per sostituire i combustibili fossili ‰ Tuttavia, una fonte di energia pulita, sicura e inesauribile è sicuramente disponibile: il SOLE ‰ Oggi non abbiamo ancora la tecnologia per sfruttarla su larga scala e produrre tutti i combustibili e l’elettricità di cui abbiamo bisogno Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

‰ La chimica è la scienza chiave per capire e superare i problemi della transizione energetica: cambiamenti climatici, inquinamento, efficienza, nuovi materiali, processi innovativi, gestione delle risorse idriche e del suolo, sfruttamento dell’energia solare, ecc. ‰ La transizione deve essere accelerata OGGI, finchè possiamo contare su combustibili fossili a basso costo ‰ Per affrontare questo scenario abbiamo un disperato bisogno di LEADERSHIP POLITICA … ‰ … capace di riconoscere che un mondo in cui il 25% degli abitanti consuma il 75% dell’energia è destinato ad essere sempre più destabilizzato

POSSIAMO ANCHE CONTINUARE COSI’, PERO’ NON PARE UNA STRATEGIA MOLTO BRILLANTE …

Baghdad, Ministero del Petrolio, Aprile 2003 Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

ATTENZIONE … la transizione energetica investe anche ciascuno di noi e i nostri stili di vita ‰ Nessuna forma di energia rinnovabile potrà mai vincere l’ignoranza, lo spreco e il disprezzo dei limiti fisici della capsula dell’astronave Terra, la biosfera ‰ Oggi quando si parla di economia, di consumi e di rifiuti, sembra che certe parole, come “troppo” e “abbastanza” vengano censurate, o addirittura abolite. Abbiamo smarrito il senso del limite ‰ Il lungo e faticoso cammino della transizione energetica non è solo un’affascinante prova sul piano scientifico e tecnologico ma è, forse ancor più, una sfida culturale e morale verso la sobrietà e la responsabilità individuale Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna

Agisci come se quello che fai facesse la differenza. La fa William James Nicola Armaroli CNR-ISOF, Bologna