[RISOLTO] L'idrogeno, l'energia elettrica, le energie rinnovabili.....

[Guest frallog]

Forse e' il caso di dedicare qualche momento a riflettere tutti assieme su come stanno le cose sul mondo dei veicoli ad energia alternativa. Lo faremo passando per le origini del problema e cioe' quantificando le energie.

Poiche' questo discorso vuole essere per tutti inizio con il chiarire alcuni parametri fondamentali, quali quelli dei suffissi.

1 Kilo = 1000 = mille = 10^3

1 Mega = 1 000 000 = un milione = 10^6

1 Giga = 1 000 000 000 = 1 miliardo = 10^9

w = watt = potenza = 1 Joule/sec

wattora = Lavoro di un watt in un ora (3600 secondi) = 3600 Joule

1 Kw = 1 Kilowatt = 1000 watt

1 Mw = 1 Megawatt = 1 000 000 watt

E andiamo a incominciare.

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a) Premessa. Alcuni numeri di base.

L'impianto di un utenza familiare ha un contratto con l'ENEL per un consumo massimo pari a 3Kw (3000watt). Un autoveicolo di media potenza oggi ha un motore termico della potenza media di 60Kw (60000 watt). Considerando che, se tutto va bene, il motore termico ha un'efficienza pari al 25% si ricava una potenza effettiva assorbita dal motore termico pari a 240Kw (240000 watt).

Potenza di rete elettrica.

Ormai siamo esperti dei Kw, passiamo ai Mw (milioni di watt). Il picco di potenza assorbito dall'utenza di rete elettrica si aggira intorno ai 55000 Mw (cioe 55mila milioni di watt = 5.5*10^10w). Questo e' anche quello che la rete elettrica puo' piu' o meno sopportare.

c) Potenza di energia chimica per autotrazione.

Il conto e' presto fatto. In Italia circolano piu' o meno 20 milioni di veicoli con una potenza media alla ruota di 60Kw ma con una potenza media assorbita di 240Kw. Il conto del totale e' presto fatto: 240Kw*20*10^6=4.8*10^12 w = 4800 Gigawatt = 4800 miliardi di watt.

***Conclusione 1): Che rapporto c'e' tra la potenza del mondo di rete elettrica e quella del mondo delle auto? La risposta e' pressocche' immediata: il mondo delle auto ha una potenza installata pari a circa 90 volte quella della potenza di picco assorbita dal mondo dell'energia di rete. Cioe':

Potenza chimica per autotrazione / Potenza elettrica di rete = 90

Questo significa molto semplicemente che se tutti inserissero la spina per caricare la loro nuova e bella auto elettrica, molto semplicemente l'intera rete collasserebbe in un attimo.

***Conclusione 2): Naturalmente qualcuno puo' dire e' sbagliato paragonare direttamente le potenze in quanto la vettura funziona piu' o meno tre ore al giorno. L'energia consumata non e' dunque 240Kw per un giorno ma 240Kw per tre ore. Bene allora consideriamo non la potenza ma l'energia assorbita in 3/24=1/8. Allora il rapporto tra i bilanci energetici e':

Potenza Chimica = 240000w*(3600*3)*20*10^6=5.184*10^16 Joule

Mentre quello della rete elettrica e':

Potenza Elettrica 5.5*(3600*24)*10^10=4.752*10^15 Joule

Il rapporto e':

Energia chimica par autotrazione / Energia elettrica di rete = 11

Cioe' piu' o meno, considerando anche che e' necessario dimensionarsi anche tenendo presenti i rapporti di potenza ub eccedenza si puo' ragionevolmente porre:

Energia chimica per autotrazione / Energia cinetica di rete = 20

Questo significa che anche distribuendo l'energia elettrica assorbita lungo l'arco della giornata, se tutti ancora una volta inserissero la spina per caricare la loro nuova e bella auto elettrica da tenere accesa solo tre ore al giorno, molto semplicemente ancora una volta l'intera rete collasserebbe in un attimo.

***Conclusione 3) Le auto elettriche di massa sono un mero sogno.

d) Le fonti rinnovabili

Ci si riempe spessissimo la bocca con la terminologia di "fonti rinnovabili", tanto per essere bene aderente alla moda del momento. Ma quali sono queste fonti rinnovabili? "Guaglio'" so tre: L'idroelettrica, la solare e l'eolica. Altre non ce ne sono. E se qualcuno vi viene a parlare anche della biomasse, del bio diesel, del bio metano e compagnia cantando fate semplicemente questo ragionamento: Le piante da dove prendono l'energia che poi restituiscono semplicemente nel motore? La risposta e' semplice: Dal sole. Dunque i bio-attrezzi sono solo un modo molto piu' complicato e meno efficiente di trattare l'energia solare. Perche' state bene attenti che nessuno ve lo dice di quanti migliaia di km quadrati di bio-cosi dovete coltivare intensivamente per ottenere una quantita' sufficiente a muovere diciamo il 10% delle auto italiane. E' qui l'inghippo, che nessuno vi menziona mai.

***Conclusione 4) Le tecniche biologiche per produrre carburante non servono a nulla.

Qualcuno puo' allora parlare dell'idrogeno. Ma il punto e' che l'idrogeno in stato dissociato in natura e' scarsissimo. Dunque l'idrogeno non e' una fonte di energia, in quanto l'idrogeno bisogna produrlo a mezzo diuna fonte d' energia. L'idrogeno e' dunque solo un vettore di trasferimento dell'energia.

***Conclusione 5) Le energie rinnovabili rimangono solo tre: L'idroelettrico, l'eolico ed il solare. Altre non ce ne sono.

L'idroelettrico.

Il discorso e' semplice l'idroelettrico e' una delle fonti piu' a buon mercato. Peccato pero' che normalmente abbia degli impatti ambientali impressionanti (basti pensare alle dighe che hanno fatto prima in Brasile e poi in Cina, dove hanno sconvolto molte centinaia di chilometri quadrati di territorio). Inoltre nei paesi occidentali l'idroelettrico e' stato sfruttato gia' al massimo delle sue possibilita'.

***Conclusione 6) L'idroelettrico e' gia' al limite, inquina in termini di impatto ambientale e certamente non riesce a sopperire una richiesta energetica pari a quella del mondo dell'automobile.

L'eolico.

E' un'energia pulita, ma ad alto impatto ambientale. Inoltre la localizzazione della stessa che tipicamente e' concentrata solo in alcuni punti non ne permette un utilizzo su vasta scala. Infine e' un'energia molto "diluita" cioe' a bassa densita'. Questo significa che difficilmente si riescono a produrre impianti di una benche' minima potenza significativa. L'ordine di grandezza della potenza di un costoso impianto eolico e' pari a circa 2000Kw-30000Kw. Infine e' un'energia molto mutevole nel tempo (le condizioni di ventilazione mutano), un'energia le cui enormi fluttuazioni la rendono praticamente inutilizzabile su larga scala.

***Conclusione 7) L'eolico da' pochissima potenza in relazione all'impatto ambientale ed al costo, ed infine non riesce a sopperire neanche alle carenze energetiche di una rete come quella elettrica. E? dunque inapplicabile per il mondo dell'automobile.

Il fotovoltaico e l'energia solare

Eccoci errivati ad un capitolo importante. Inizieremo ragionando con l'energia di rete per poi passare ai paragoni con quella del mondo dell'auto. Ma iniziamo dall'inizio dell'inizio: L'energia che ci investe. L'energia solare ha una densita' di 2 cal/cm^2*min a 70000 metri. A causa dell'assorbimento di energia dello strato atmosferico, tale energia si riduce a 1.40 cal/cm^2*min a livello del mare. (Questo naturalmente per una superficie che risulti in esposizione perpendicolare alla direzione di irraggiamento). Ora il calore e' uguale al lavoro e precisamente: 1cal=4,1868 Joule. Dunque:

1.4cal/cm^2*min=1.4*4.1868 J/cm^2*min=5.86152 J / (mt^2/10000) * 60s=

= 5.86152 * 10^4 J / mt^2 * 60s = 977 J/s mt^2 = (J/s=watt) = 977 w/m^2

dunque:

Densita' di potenza irragiata dal sole = 977 w/m^2

Faccio notare subito una cosa. 977 w/mt^2 sono meno di 1000w/mt^2 cioe' meno di 1Kw/mt^2. Dunque se avessimo delle celle fotovoltaiche con un rendimento del 100% l'ointera superficie della vettura ricperta da tali celle restituirebbe un'energia pari a 5-7 metri quadri * 1Kw = 5kw-7Kw. Questa potenza e' pari ad un decimo dei 60Kw necessari a buovere un'auto odierna (ma in realta' a causa del rendimento delle celle fotovoltaiche assai inferiore al 100% le cose stanno assai peggio).

Dunque:

***Conclusione 8) Le vetture elimentate ad energia solare sono una pia illusione.

Come si vede la densita' di energia fornita dal sole e' interessante, ma si intuisce subito che essa e' difficilmente paragonabile all'enorme energia necessaria per il mondo dell'auto. Andiamo pero' per gradi ed iniziamo ad occuparci del mondo dell'energia di rete. Innanzitutto sfatiamo subito un mito: le celle fotovoltaiche hanni un rendimento che varia dal 15% al 20%. E costano pure molto. Dunque con delle celle fotovoltaiche potremmo ottenere in una buona giornata d'insolazione con il sole a perpendicolo (d'estate, entro i tropici!) 150w/mt^2 - 200w/mt^2. Attestiamoci su questo valore, tanto per fissare le idee. Allora di quanti chilometri quadrati necessito diciamo per produrre la meta' dell'energia di rete con metodi fotovoltaici? Il conto e' semplice, e presto fatto:

n° mt^2 = 55000 Mw / 200 w/mt^2 = 55000000000w/200(w/mt^2) =

= 2.75*10^8 mt^2 = 275 Km^2.

Cioe' ho bisogno di un quadrato di lato pari a 16.6 km oppure una circonferenza di diametro pari a 10.6 Km. Questa, per quanto sia un'opera titanica si potrebbe ragionevolmente affrontare, pur con tutti i se ed i ma del caso.

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Se e ma:

---1) In Italia si dovrebbe realizzare in Sicilia perche' e' la regione meglio esposta al sole (a Milano i 977w/mt^2 divebtano mediamente 660w/mt^2 ad esempio)

---2) per ridurre i costi servono dei concentratori ottici e solo una piccola base di celle solari

--- 3) si puo' realizzare tutto con una spirale di Archimede r=e^teta in modo da controllare il ciclo di vita del tutto).

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b]c) Potenza di energia chimica per autotrazione nel mondo dell'idrogeno.

Per quanto riguarda le potenze del mondo dell'automonile invece abbiamo:

Motori Termici attuali: MTA: rendimento 25%

Motori Termici ad idrogeno: MTI: rendimento 30%-50%

Motori Fuel Cell a idrogeno : MFC: 37%-52%

tanto per semplificare le cose ci attestiamo su di un valore del 45% per i motori dell'idrogeno del futuro siano essi MTI od MFC.

allora per ottenere 60Kw alla ruota abbiamo bisogno di una potenza chimica pari a 135Kw.

Il conto e' presto fatto. In Italia circolano piu' o meno 20 milioni di veicoli con una potenza media alla ruota di 60Kw ma con una potenza media assorbita di 135Kw, nel mondo dell'idrogeno. Il conto del totale e' presto fatto: 135Kw*20*10^6=2.7*10^12 w = 2700 Gigawatt = 2700 miliardi di watt.

Quanti km^2 di celle ad energia solare dovremo allora installare per soddisfare le esigenze di potenza di picco dei motori ad idrogeno?

n° mt^2 = 2.7*10^12 w / 200 w/mt^2 = 1.35*10^10 mt^2 =

= 13500 Km^2.

ovvero:

n° Km^2 necessari per produrre idrogeno per l'italia con energia solare = 13500 Km^2

Faccio notare che l'italia intera misura circa 390000 Km^2 e che dunque 13500Km^2 e' piu' o meno pari a 3/4 della superficie di un'intera regione italiana.

Naturalmente questi sono i Km^2 per la potenza di picco. pero' al solito le automobili vengono utilizzate solo circa 3 ore al giorno. Dunque verrebbe da pensare che il valore reale si riduca ad 1/8 del valore di picco. Questo sarebbe vero se le celle fotovoltaiche funzionassero anche di notte e se di giorno fosse sempre bel tempo. Considerando un'esposizione ottimale di circa 3-4 ore al giorno riotteniamo questo valore.

***Conclusione 9) L'energia solare e' inapplicabile sulla scala del mondo dell'automobile

Naturalmente a sua volta questo non vuol dire che il mondo dell'idrogeno non deve venire. Significa altresi' solo che l'idrogeno deve essere ottenuto con altri mezzi (ad esempio il nucleare). Chi vi dice altre cose o ha le idee confuse, o peggio e' in malafede.

Opinioni in merito sono gradite.

Regards,

Francesco

[copco]

Caro Frallog, complimenti. Il tuo approccio di affrontare il problema energetico assicurandosi di avere dei numeri quanto più possibile attendibili in mano è davvero lodevole, perché solo così ci si può rendere conto di ciò di cui si parla.

Nonostante i numeri traccino un quadro impietoso personalmente non sarei però negativo circa le fonti rinnovabili.

[Guest frallog]

Caro copco ti ringrazio per i complimenti. Per quanto riguarda il mondo delle energie rinnovabili io sottolineo che la fotovoltaica e' interessantissima per quanto riguarda l'energia di rete. Pirtroppo per il mondo dell'idrogeno tutte le tipologie di energie rinnovabili non hanno senso perche' i numeri ci dicono che la densita' e troppo bassa.

Best regards,

Francesco

[Guest frallog]

1)

Errata:

Energia chimica per autotrazione / Energia cinetica di rete = 20

Corrige:

Energia chimica per autotrazione / Energia elettrica di rete = 20

2)

Errata:

Allora di quanti chilometri quadrati necessito diciamo per produrre la meta' dell'energia di rete con metodi fotovoltaici? Il conto e' semplice, e presto fatto:

n° mt^2 = 55000 Mw / 200 w/mt^2 = 55000000000w/200(w/mt^2) =

= 2.75*10^8 mt^2 = 275 Km^2.

Cioe' ho bisogno di un quadrato di lato pari a 16.6 km oppure una circonferenza di diametro pari a 10.6 Km. Questa, per quanto sia un'opera titanica si potrebbe ragionevolmente affrontare, pur con tutti i se ed i ma del caso.

Corrige:

Allora di quanti chilometri quadrati necessito diciamo per produrre la meta' dell'energia di rete con metodi fotovoltaici? Il conto e' semplice, e presto fatto:

n° mt^2 = 25000 Mw / 200 w/mt^2 = 25000000000w/200(w/mt^2) =

= 1.25*10^8 mt^2 = 125 Km^2.

Cioe' ho bisogno di un quadrato di lato pari a 11.2 km oppure una circonferenza di diametro pari a 7.1 Km. Questa, per quanto sia un'opera titanica si potrebbe ragionevolmente affrontare, pur con tutti i se ed i ma del caso.

Regards,

Francesco

[vare]

Per quanto riguarda il mondo delle energie rinnovabili io sottolineo che la fotovoltaica e' interessantissima per quanto riguarda l'energia di rete.

[Guest frallog]

L'ho approfondita proprio nella perte finale della nota nonche' nell'errata corrige. Per produrre piu' o meno 25000 Mw cioe' circa la meta' dell'energia di rete basterebbe un quadrato di 11,2Km di lato fatto interamente di celle fotovoltaiche.

In realta' di un'approfondimento c'e' bisogno. Abbiamo detto che l'energia verrebbe prodotta in Sicilia, ma e' chiaro che una quantita' simile di potenza andrebbe distribuita sul tutto il territorio. Come fare viste le cadute delle linee ad alta ed a bassa tensione? Semplice. In sicilia si produrrebbe idrogeno, poi tramite un idrodotto potrebbe essere trasferito senza alcuna perdita fino alla centrale locale di produzione di energia elettrica dove dei generatori a gas farebbero il resto. Il punto fondamentale e' che una volta trasformata l'energia elettrica in chimica (idrogeno) le perdite di trasporto in rete diventano nulle, perche' l'energia e' semplicemente associata al materiale. L'idrogeno appunto.

Ah tutto il "trusco" consentirebbe di valorizzare e molto una regione del Sud come la Sicilia, dove verrebbe prodotta l'energia, e piu' in generale valorizzerebbe la geografia di un Paese come il nostro con la testa nel celtro europa ed i piedi nel Nord Africa.

Regards,

Francesco :wink:

[alfaomega]

Un autoveicolo di media potenza oggi ha un motore termico della potenza media di 60Kw (60000 watt). Considerando che, se tutto va bene, il motore termico ha un'efficienza pari al 25% si ricava una potenza effettiva assorbita dal motore termico pari a 240Kw (240000 watt).

Questo è sbagliato.

I 60kw sono riferiti al motore, alla ruota sono molti di meno (e in quel 25% si considera proprio well to wheel), perciò non puoi dire che servirebbero 240KW....

ne servono sempre 60!!! (anzi, forse qualcosa in meno visto che non c'è la perdita per calore, e le perdite della combustione)

Ora leggo il resto e ti dico la mia.

[viva l'italia]

ciao frallog!

che dire... il quadro da te fotografato dimostra chiaramente come certi argomenti (energie rinnovabili) siano nella maggioranza dei casi piu' populistici che scientifici!

Certo, il fotovoltaico andrebbe sfruttato di piu' per ricavare energia di rete. Ormai si producono pannelli raffreddati a liquido che anche fissi (non ad inseguimento solare) raggiungono un rendimento del 20%. Il tentativo di fondare, come tu descrivi, una vera e propria centrale fotovoltaica e' morto sul nascere (vedi Adrano, Sicilia). Pero' se parecchie famiglie, specialmente al sud, installassero sui loro tetti appena 2 mq2 di celle fotovoltaiche creerebbero un impianto che si autososterrebbe. Cmq la tecnica tel fotovoltaico va avanti e non mi sorprenderebbe avere rendimenti del 30% tra una decina d'anni, ed allora si che varrebbe la pena costruire centrali eoliche.

A mio parere oggi una fonte energetica relativamente sicura e a basso impatto ambientale e' il nucleare (reattori a fissione), sollo che viene demonizzato senza sapere... e non mi dilungo... pero' l'accoppiata nugleare/idrogeno e' per ora quella vincente, in attesa che anche i reattori a fusione riescano a produrre piu' energia di quella assorbita dai potenti magneti superconduttivi per contenere il plasma.

[vare]

Certo' date=' il fotovoltaico andrebbe sfruttato di piu' per ricavare energia di rete.[/quote']

Se ogni nuova casa costruita avesse dei pannelli fotovoltaici quanto si risparmierebbe? E se venissero installate su ogni casa?

[Guest frallog]

Per Alfa Omega:

Dissento da quanto scrivi. Se un motore ha un rendimento del 25% e la potenza estratta all'albero e' pari a 60Kw allora la potenza chimica immessa sotto forma di carburante e' pari a 240Kw.

viva l'italia scrive:

A mio parere oggi una fonte energetica relativamente sicura e a basso impatto ambientale e' il nucleare (reattori a fissione), sollo che viene demonizzato senza sapere... e non mi dilungo... pero' l'accoppiata nugleare/idrogeno e' per ora quella vincente, in attesa che anche i reattori a fusione riescano a produrre piu' energia di quella assorbita dai potenti magneti superconduttivi per contenere il plasma.

Infatti oggi il 10%-15% dell'energia di rete e' importata dalla Francia che ce lo produce guarda un po' con il nucleare. Il costo alla produzione e' di 54lire al Kwh ma la Francia ce la vende a 74lire al Kwh con un ricarico del 35%. e con tutto il ricarico a noi conviene comprarla dalla Francia perche a produrcela da noi ad esempio con centrali a metano ci verrebbe 120lire/kwh. Dunque questo popolo di ipocriti (in cui io mi includo) e' pronto ad urlare subito "bando al nucleare" ma poi una volta che ce ne siamo lavati le mani ce lo facciamo fare dagli altri. Come se poi in caso di incidente le radiazioni si fermassero alla dogana.

Regards,

Francesco :cry: :cry: :cry: