Come si trasforma il petrolio in elettricità
L'elettricità è essenziale per la vita moderna, eppure quasi un miliardo di persone vive senza avervi accesso. Sfide come il cambiamento climatico, l'inquinamento e la distruzione dell'ambiente richiedono di cambiare il modo in cui generiamo elettricità.
Nel corso dell'ultimo secolo, le principali fonti di energia utilizzate per la produzione di elettricità sono state i combustibili fossili, l'energia idroelettrica e, dagli anni '50, l'energia nucleare. Nonostante la forte crescita delle energie rinnovabili negli ultimi decenni, i combustibili fossili rimangono dominanti in tutto il mondo. Il loro utilizzo per la produzione di energia elettrica continua ad aumentare sia in termini assoluti che relativi: nel 2017 i combustibili fossili hanno generato il 64,5% dell'elettricità mondiale, rispetto al 61,9% del 1990.
L'accesso a un'elettricità affidabile è fondamentale per il benessere umano. Attualmente una persona su sette nel mondo non ha accesso all'elettricità. Di conseguenza, la domanda di energia elettrica continuano a salire. Allo stesso tempo, le emissioni di gas serra devono diminuire drasticamente se vogliamo mitigare il cambiamento climatico e dobbiamo passare a fonti di energia più pulite per ridurre l'inquinamento atmosferico. Ciò richiederà probabilmente un forte aumento di tutte le fonti energetiche a basse emissioni di carbonio, di cui il nucleare è una parte importante.
Per realizzare un mondo sostenibile, tutti i settori dell'economia dovranno essere decarbonizzati, compresi i trasporti, il calore e l'industria. L'elettricità fornisce i mezzi per utilizzare fonti energetiche a basse emissioni di carbonio, e quindi l'elettrificazione diffusa è vista come uno strumento chiave per la decarbonizzazione dei settori tradizionalmente alimentati da combustibili fossili. Con l'aumento degli usi finali dell'elettricità e con l'estensione dei benefici dell'elettricità a tutte le persone, la domanda crescerà in modo significativo.
Carbone, gas e petrolio
Le centrali elettriche a combustibili fossili bruciano carbone o petrolio per creare calore che viene a sua volta utilizzato per generare vapore per azionare le turbine che generano energia elettrica. Negli impianti a gas i gas caldi azionano una turbina per generare elettricità, mentre un impianto a turbina a gas a ciclo combinato (CCGT) utilizza anche un generatore di vapore per aumentare la quantità di elettricità prodotta. Nel 2017, i combustibili fossili hanno generato il 64,5% dell'elettricità in tutto il mondo.
Questi impianti generano elettricità in modo affidabile per lunghi periodi di tempo e sono generalmente economici da costruire. Tuttavia, la combustione di combustibili a base di carbonio produce grandi quantità di anidride carbonica, che guida il cambiamento climatico. Questi impianti producono anche altri inquinanti, come gli ossidi di zolfo e azoto, che causano le piogge acide.
La centrale elettrica di Cottam nel Regno Unito, che utilizza sia carbone che gas per la produzione di elettricità (Immagine: EDF Energy)
La combustione di combustibili fossili per l'energia causa un numero considerevole di morti a causa dell'inquinamento atmosferico. Ad esempio, si stima che nella sola Cina 670.000 persone muoiano prematuramente ogni anno a causa dell'uso del carbone.
Gli impianti a combustibili fossili richiedono grandi quantità di carbone, petrolio o gas. In molti casi questi combustibili devono essere trasportati su lunghe distanze, il che può comportare potenziali problemi di approvvigionamento. Il prezzo dei combustibili è stato storicamente volatile e può aumentare bruscamente in periodi di carenza o instabilità geopolitica, il che può comportare costi di generazione instabili e prezzi al consumo più elevati.
La
maggior parte delle grandi centrali idroelettriche genera elettricità immagazzinando l'acqua in vasti serbatoi dietro le dighe. L'acqua dei bacini idrici scorre attraverso le turbine per generare elettricità. Le dighe idroelettriche possono generare grandi quantità di elettricità a basse emissioni di carbonio, ma il numero di siti adatti per nuove dighe su larga scala è limitato. L'energia idroelettrica può essere prodotta anche da impianti ad acqua fluente, ma la maggior parte dei fiumi adatti a questo scopo sono già stati sviluppati.
La diga delle Tre Gole in Cina è la più grande diga idroelettrica del mondo e la più grande centrale elettrica del mondo (Immagine: Le Grand Portage, CC BY-SA 2.0)
Nel 2017, l'energia idroelettrica rappresentava il 16% della produzione mondiale di elettricità.
Anche l'allagamento dei bacini idrici dietro le dighe e il rallentamento del flusso del sistema fluviale sottostante la diga possono avere un grave impatto sull'ambiente e sulle popolazioni locali. Ad esempio, durante la costruzione della più grande diga idroelettrica del mondo, la diga delle Tre Gole in Cina, circa 1,3 milioni di persone sono state sfollate.
In termini di numero di morti per incidenti, l'energia idroelettrica è la fonte di energia più letale. L'incidente con il più alto numero di vittime è stato il crollo nel 1975 della diga di Banqiao nella provincia cinese di Henan, che ha provocato 171.000 vittime dirette e indirette secondo le stime ufficiali.
potenza nucleare
I reattori nucleari utilizzano il calore prodotto dalla scissione degli atomi per generare vapore per azionare una turbina. Nel processo di fissione non vengono prodotti gas serra e vengono prodotte solo quantità molto piccole durante l'intero ciclo di vita nucleare. L'energia nucleare è una forma di produzione di elettricità rispettosa dell'ambiente e non contribuisce all'inquinamento atmosferico. Nel 2018, l'energia nucleare ha generato il 10,5% dell'elettricità mondiale.
La centrale nucleare di Paluel, nel nord della Francia, una delle più grandi centrali nucleari del mondo (Immagine: Areva)
Le centrali nucleari, come le centrali a combustibili fossili, sono molto affidabili e possono funzionare per molti mesi senza interruzioni, fornendo grandi quantità di elettricità pulita, indipendentemente dall'ora del giorno, dal tempo o dalla stagione. La maggior parte delle centrali nucleari può funzionare per almeno 60 anni e questo contribuisce a rendere l'elettricità nucleare il più possibile conveniente rispetto ad altri generatori di elettricità.
Il combustibile nucleare può essere utilizzato in un reattore per diversi anni, grazie all'immensa quantità di energia contenuta nell'uranio. La potenza di un chilogrammo di uranio è circa la stessa di 1 tonnellata di carbone.
Di conseguenza, viene generata una quantità di scorie corrispondentemente piccola. In media, un reattore che fornisce il fabbisogno di elettricità di una persona per un anno crea circa 500 grammi di rifiuti, che entrerebbero in una lattina di soda. Di questa quantità, solo 5 grammi vengono utilizzati come combustibile nucleare, l'equivalente di un foglio di carta. Sono disponibili diverse strategie di gestione del combustibile usato, come lo smaltimento diretto o il riciclaggio nei reattori per generare più elettricità a basse emissioni di carbonio.
Eolico e solare
Le energie rinnovabili, come l'eolico, il solare e l'idroelettrico su piccola scala, producono elettricità con basse emissioni di gas serra durante l'intero ciclo di vita. Nel 2017, l'eolico e il solare hanno generato rispettivamente il 4,4% e l'1,3% dell'elettricità mondiale. Non producono elettricità in modo prevedibile o costante a causa della loro intrinseca dipendenza dalle condizioni atmosferiche. La produzione di elettricità dalle turbine eoliche varia con la velocità del vento e se il vento è troppo debole o troppo forte non viene prodotta alcuna elettricità. La produzione di pannelli solari dipende dalla forza del sole, che dipende da una serie di fattori diversi, come l'ora del giorno e la quantità di copertura nuvolosa (così come la quantità di polvere sui pannelli).
Un altro problema è che potrebbe non esserci abbastanza spazio o la volontà del pubblico di ospitare il vasto numero di turbine o pannelli necessari per produrre abbastanza elettricità. Ciò è dovuto al fatto che l'energia del vento o del sole è diffusa, il che significa che sono necessarie quantità molto significative di terra per generare una quantità significativa di elettricità.
Poiché l'elettricità non può essere facilmente immagazzinata, le energie rinnovabili devono essere supportate da altre forme di generazione di elettricità. Le batterie più grandi non possono funzionare per giorni, per non parlare delle settimane che sarebbero necessarie per il backup delle energie rinnovabili al fine di garantire la fornitura di elettricità 24 ore su 24. Al fine di garantire una fornitura costante di energia elettrica, gli impianti a gas forniscono sempre più servizi di backup all'energia elettrica rinnovabile. Gli impianti a gas naturale emettono grandi quantità di anidride carbonica durante il funzionamento e spesso vengono rilasciate quantità significative di metano durante l'estrazione e il trasporto del gas, entrambi fattori che contribuiscono al cambiamento climatico.
Biomassa
Un impianto a biomassa funziona in modo molto simile alle centrali elettriche a gas e a carbone. Invece di bruciare gas o carbone, L'impianto è alimentato da diverse forme di biomassa (come alberi coltivati appositamente, trucioli di legno, rifiuti domestici o "biogas"). In Nel 2017, la biomassa ha generato il 2,3% dell'elettricità mondiale.
La centrale elettrica di Drax nel Regno Unito ha parzialmente sostituito il carbone con biomassa importata come combustibile per la produzione di elettricità (Immagine: Andrew Whale, CC BY-SA 2.0)
La produzione di biomassa può richiedere molta energia, sia in termini di produzione di biomassa stessa che in termini di trasporto. Per questo motivo, l'energia richiesta può essere maggiore del valore energetico del combustibile finale e le emissioni di gas serra possono essere altrettanto elevate, o addirittura maggiori, di quelle dei combustibili fossili equivalenti. Inoltre, possono essere necessari più di 100 anni prima che l'anidride carbonica emessa venga assorbita, il che porta a un aumento delle emissioni a breve termine.
Altri impatti ambientali legati all'uso del suolo e alla sostenibilità ecologica possono essere considerevoli. Inoltre, come per il carbone, l'uso della biomassa può contribuire all'inquinamento atmosferico e quindi ha un impatto negativo sulla salute
Cosa alimenterà il nostro futuro elettrico?
L'elettricità sta diventando sempre più importante. Se vogliamo affrontare il cambiamento climatico e ridurre l'inquinamento atmosferico, dovremo aumentare l'uso di tutte le fonti di energia a basse emissioni di carbonio, di cui il nucleare è una parte importante.
Per soddisfare la crescente domanda di energia sostenibile, la World Nuclear Association ha introdotto il programma Harmony, che fissa l'obiettivo per l'energia nucleare di fornire almeno il 25% di elettricità entro il 2050. Ciò significherebbe che la produzione nucleare dovrebbe triplicare a livello globale entro quella data. Al fine di ridurre drasticamente i livelli di combustibili fossili, il nucleare e le energie rinnovabili devono lavorare insieme per garantire un futuro approvvigionamento energetico affidabile, economico e pulito.
Il libro bianco Silent Giant della World Nuclear Association fornisce ulteriori informazioni sulla necessità del nucleare in un sistema energetico pulito.