I gas serra

I gas serra
DEA - Dipartimento di Energia e Ambiente - CISM
Premessa
Per effetto serra si intende la riduzione del flusso termico radiativo emesso dalla Terra verso
lo spazio ad opera di alcuni gas presenti nell’atmosfera. L’anidride carbonica, ad esempio,
presenta una forte banda di assorbimento per le radiazioni infrarosse provenienti dalla Terra
(che hanno lunghezza d’onda elevata), mentre è quasi trasparente alle radiazioni provenienti dal
Sole (che hanno lunghezza d’onda ridotta). Da questo punto di vista, l’anidride carbonica ha
un comportamento simile a quello dei vetri delle serre e, di conseguenza viene definita un “gas
serra”.
D’altra parte anche altri gas, oltre all’anidride carbonica, presentano una forte banda di assorbimento per le radiazioni di lunghezza d’onda elevata e, di conseguenza, l’anidride carbonica
non è l’unico “gas serra”, se per effetto serra si intende la riduzione del flusso termico radiativo
emesso dalla Terra verso lo spazio.
I gas serra considerati nel Protocollo di Kyoto
Il protocollo di Kyoto, che si occupa della riduzione delle emissioni dei gas serra provenienti da
attività umane, prende in considerazione: l’anidride carbonica, il metano, il protossido di azoto
(N2 O) e diversi fluidi alogenati, tra i quali i CFC (clorofluorocarburi), gli HCFC (idroclorofluorocarburi), gli HFC (idrofluorocarburi), i PFC (perfluorocarburi) e l’SF6 (esafluoruro di zolfo).
Il protocollo non si occupa, invece, delle emissioni di vapore acqueo anche se il vapore acqueo
presenta importanti bande di assorbimento per le radiazioni infrarosse, perché la presenza di
vapore acqueo nell’atmosfera è solo in minima parte ascrivibile ad attività umane.
Tra i gas serra considerati dal protocollo, il metano può essere liberato nell’atmosfera durante
il suo ciclo di vita, in seguito alle perdite legate al trasporto ed all’utilizzazione come combustibile, ma può anche generarsi spontaneamente, come biogas, nei processi di fermentazione
anaerobica delle sostanze organiche.
Il protossido di azoto può prodursi durante le combustioni ad alta temperatura, ma la fonte più
importante di N2 O sono i fertilizzanti chimici impiegati in agricoltura.
Alcuni fluidi alogenati, come i CFC (ad esempio, il CFC-11 ed il CFC-12) e gli HCFC (ad
esempio, l’HCFC-22) erano molto utilizzati nell’industria frigorifera. Essi, però, sono stati
tolti dal commercio sulla base del protocollo di Montreal del 1987 riguardante la protezione
dell’ozono stratosferico: i CFC a partire dal 1995, e gli HCFC, meno pericolosi per l’ozono, a
partire dal 2004. Al contrario, gli HFC (come, ad esempio, l’HFC-134a e l’HFC-410, miscela di
HFC-32 ed HFC-125), trovano ancora larga utilizzazione nell’industria frigorifera: l’HFC-134a
in sostituzione del CFC-12, e l’HFC-410 in sostituzione dell’HCFC-22. L’impiego degli HFC,
infatti, non è soggetto ad alcuna limitazione sulla base del protocollo di Montreal, in quanto
questi fluidi non contengono cloro e, quindi, non sono pericolosi per l’ozono stratosferico.
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Tabella 1: Vita media atmosferica e potenziale di riscaldamento globale a 100 anni (GWP-100)
dei principali gas considerati nel protocollo di Kyoto [elaborazione su dati IPCC].
Gas
anidride carbonica
metano
protossido di azoto
CFC-11
CFC-12
HCFC-22
HFC-32
HFC-125
HFC-134a
PFC-14
PFC-116
SF6
Vita media atmosferica
[anni]
1.186
12
114
45
100
12
4,9
29
14
50.000
10.000
3200
GWP-100
1
21
310
3.800
8.100
1.500
650
2.800
1.300
6.500
9.200
23900
Essi presentano, tuttavia, bande di assorbimento nell’infrarosso e, di conseguenza, sono presi
in considerazione dal protocollo di Kyoto insieme con i PFC, utilizzati nella produzione di
semiconduttori, e l’SF6 , utilizzato come mezzo isolante e di estinzione dell’arco elettrico nelle
apparecchiature di alta e media tensione.
Potenziale di riscaldamento globale
Per quantificare l’effetto di assorbimento delle radiazioni infrarosse terrestri da parte di un gas
serra, si è definito il potenziale di riscaldamento globale GWP (Global Warming Potential). Il
GWP è dato dal rapporto, in un prefissato orizzonte di tempo, tra l’effetto serra dovuto all’emissione dell’unità di massa del gas considerato e l’effetto, nello stesso tempo, dovuto all’emissione di un’unità di massa di CO2 . In Tabella 1 sono riportati i valori della vita media atmosferica
e del GWP-100, ovvero valutato su 100 anni, per i principali gas considerati nel protocollo di
Kyoto. Dalla tabella si possono trarre indicazioni importanti: ad esempio, si può vedere come
l’emissione di 1 kg di CFC-12 provochi lo stesso effetto serra dell’emissione di 8.100 kg di
CO2 , mentre l’emissione di 1 kg di HFC-134a provochi lo stesso effetto serra dell’emissione
di 1.300 kg di CO2 . Le emissioni di HFC-134a, quindi, sono meno dannose di quelle di CFC12, anche in virtù della minore vita atmosferica dell’HFC-134a (14 anni) rispetto a quella del
CFC-12 (100 anni).
Una volta che si disponga dei valori del potenziale di riscaldamento e delle portate di emissione dei singoli gas, è possibile determinare l’emissione complessiva di gas serra contraddistinta,
per brevità, con il solo acronimo GHG (GreenHouse Gases). Si ha, infatti
X
GHG =
(GWP-100)i ṁi
(1)
i
dove le portate ṁi sono misurate in milioni di tonnellate all’anno [Mt/anno] e, di conseguenza,
GHG è valutato in termini di milioni di tonnellate all’anno di anidride carbonica equivalente.
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600
575
GHG [Mt/anno]
550
525
500
Totale
Energia
475
450
425
400
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008
Figura 1: Emissioni italiane di andride carbonica equivalente (GHG), totali ed attribuibili al solo
sistema energetico, espresse in milioni di tonnellate all’anno [Elaborazione su dati UNFCCC].
Tabella 2: Emissioni italiane dei principali gas considerati nel protocollo di Kyoto, espresse in
milioni di tonnellate equivalenti di anidride carbonica all’anno ed in percentuale [Elaborazione
su dati UNFCC].
Anno
anidride carbonica
metano
protossido di azoto
gas alogenati
totale
1990
[Mt/anno]
434,7
41,7
37,4
2,5
516,3
[%]
84,2
8,1
7,2
0,5
100
2007
[Mt/anno]
475,3
38,2
31,8
7,4
552,8
[%]
86,0
6,9
5,8
1,3
100
Emissioni italiane di gas serra
Le emissioni italiane di anidride carbonica equivalente (GHG) hanno avuto gli andamenti illustrati in Fig. 1, dove si mostrano le emissioni complessive e le emissioni attribuibili al solo
sistema energetico. Come si vede, le emissioni attribuibili al sistema energetico rappresentano
circa l’80% delle emissioni complessive. Per dare poi un’idea dell’importanza relativa delle
emissioni dei gas serra considerati nel protocollo di Kyoto, in Tabella 2 sono riportati i valori
delle emissioni italiane suddivise per gas. Come si vede, le emissioni di anidride carbonica sono
decisamente preponderanti, mentre quelle dei gas alogenati hanno un’incidenza relativamente
bassa. D’altra parte è interessante notare come le emissioni di gas alogenati siano cresciute dal
1990 al 2007: ciò è, indubbiamente, dovuto all’espansione della refrigerazione commerciale
che, fino al 2004, ha potuto impiegare HCFC-22 come fluido frigorigeno.
Bibliografia
G. Comini, G. Croce e S. Savino, Energetica Generale, SGEditoriali ([email protected]),
Padova, 2011.