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Punti di non ritorno del cambiamento climatico: l’Artico diventerà una sorgente di gas serra?

Il bilancio di emissione e assorbimento di CO2 nella tundra artica sta cambiando a causa di un insieme complesso di fenomeni riconducibili al forte aumento delle temperature e al conseguente scongelamento della parte più superficiale del permafrost

Contenuto realizzato nell’ambito del progetto CNR 4 Elements

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Laghi formati dallo scongelamento del permafrost nella penisola di Yamal Siberia, visti dal satellite Copernicus Sentinel-2 il 27/08/2018. © ESA CC-BY-SA_ IGO 3.0. – Contiene dati Copernicus Sentinel modificati.

di Mariasilvia Giamberini e Antonello Provenzale

Nel corso della storia del nostro pianeta, il clima ha mostrato sia variazioni lente sia cambiamenti rapidi (in senso geologico), questi ultimi spesso innescati dall’instabilità di qualche componente del “sistema Terra” e associati all’attraversamento di un “punto di non ritorno”. In un periodo come questo, in cui osserviamo grandi cambiamenti dovuti al riscaldamento globale e alle altre pressioni antropiche, i climatologi indagano sulle condizioni che possano attivare questi meccanismi di potenziale instabilità. Uno, in particolare, è legato al rapido scongelamento del permafrost, il suolo permanentemente ghiacciato delle latitudini polari.

Nello specifico, il permafrost è “quella parte di suolo che resta congelato per almeno due anni consecutivi”. Oggi, almeno un quarto del suolo dell’emisfero nord è occupato da permafrost. Può sembrare incredibile, ma la stima di quanto carbonio sia intrappolato nelle sostanze organiche che lo compongono indica un valore tra 1460 e 1600 miliardi di tonnellate di carbonio. Una quantità enorme, che si stima essere la metà del carbonio organico contenuto nei suoli delle regioni più calde, e che è circa due volte quella attualmente contenuta nelle molecole di CO2 in atmosfera: se tutto il permafrost si scongelasse e le sostanze organiche intrappolate venissero completamente decomposte, la concentrazione di CO2 in atmosfera triplicherebbe, con conseguenze drammatiche sul clima. Per fortuna questa è solo un’ipotesi estrema, ma il bilancio di emissione e assorbimento di CO2 nella tundra artica sta effettivamente cambiando, a causa di un insieme complesso di fenomeni riconducibili al forte aumento delle temperature e al conseguente scongelamento della parte più superficiale del permafrost, con i successivi effetti sull’ecosistema della tundra. Anche se le incertezze sulla quantificazione di questi fenomeni sono ancora grandi, qualcosa si sta riuscendo a capire. 

Andiamo per gradi: è ormai noto che l’Artico si sta scaldando a una velocità circa doppia rispetto alla media del pianeta, per un fenomeno chiamato “amplificazione artica”, dovuto fra le altre cose alla diminuzione delle superfici coperte da ghiaccio o neve, che genera la diminuzione dell’albedo, cioè della capacità di riflettere la luce solare. L’Artico infatti è più freddo delle zone temperate non solo perché i raggi del sole vi arrivano con una potenza per unità di superficie minore, ma anche perché le superfici bianche del ghiaccio e della neve riflettono la luce invece che assorbirla. Però, con il riscaldamento globale, più i ghiacci si scongelano, e meno giorni all’anno il suolo è coperto da neve, più diminuisce l’albedo e cresce la porzione di suolo e mare non coperti da ghiaccio o neve, che, essendo più scuri, assorbono la radiazione solare invece che rifletterla. Suolo e mare quindi si scaldano, contribuendo ulteriormente all’aumento della temperatura che favorisce ulteriore fusione di ghiaccio e neve. Questo meccanismo di “retroazione positiva” (feedback positivo) ha fatto sì che le temperature medie in Artico siano aumentate di oltre due gradi negli ultimi decenni. 

L’aumento delle temperature comporta, come conseguenza, anche un aumento della profondità a cui il suolo si scongela ogni anno (la profondità del cosiddetto “strato attivo”); lo strato attivo si espone quindi a una maggiore biodegradazione da parte dei microorganismi del suolo, e quindi a una maggiore produzione di CO2 (in condizioni di respirazione aerobica, cioè in presenza di ossigeno) o di metano (in condizioni di respirazione anaerobica, cioè in assenza di ossigeno, come nelle torbiere e lagune). 

Allo stesso tempo, il numero maggiore di giorni in cui la tundra è libera dalla neve allunga il periodo in cui la vegetazione è in grado di attivare la fotosintesi e quindi assorbire anidride carbonica. La maggior concentrazione di CO2 in atmosfera ha anche un effetto fertilizzante, e causa un maggiore sviluppo della biomassa vegetale e quindi della capacità della vegetazione di assorbire CO2. Inoltre, temperature più miti permetteranno a specie con maggiore biomassa di spingersi più a nord. 

Purtroppo però, ad oggi non ci sono segnali che indichino che i cambiamenti nella vegetazione possano compensare l’aumento della respirazione e quindi delle emissioni di CO2. Non si tratta più quindi di capire se le emissioni di CO2 dalla tundra aumenteranno a causa del riscaldamento globale, ma di valutare quanto e in quali tempi, e le conseguenze di questo feedback positivo sia sul clima e sugli ecosistemi artici che sul cambiamento climatico globale.

L’autrice misura la profondità dello strato attivo nella tundra a Ny Ålesund, Svalbard, luglio 2021. © Ilaria Baneschi, IGG-CNR

Per fare questo calcolo ci viene incontro la modellistica, sia diagnostica (cioè che spiega i dati attuali e passati) che predittiva, cioè che cerca di capire cosa succederà in futuro. La modellistica diagnostica, “empirica” (cioè che tenta di spiegare i dati sperimentali, senza entrare nel merito dei processi che generano i fenomeni osservati) o “deterministica” (cioè che invece cerca di spiegare i processi alla base dei fenomeni osservati) è fondamentale per capire quali sono le variabili che più influenzano un fenomeno, e quantificarne il contributo. Quanto la respirazione batterica dipende dalla temperatura? Quanto dal contenuto di umidità del suolo? Quanto dal tipo di colonie di micro organismi? 

I calcoli e le misure sulle emissioni di CO2 dal suolo artico sono però spesso riferiti alla stagione estiva, quando lo “strato attivo” è scongelato, la notte scompare ed è più semplice raggiungere l’Artico, condurre misure in campo e installare strumentazione. Valutazioni recenti hanno portato a concludere che anche nei restanti otto-nove mesi, grazie allo “scudo protettivo” del manto nevoso, il metabolismo dei micro organismi non cessa di funzionare e che quindi le emissioni di CO2, sebbene di minore intensità, continuano e costituiscono una parte rilevante del bilancio annuale. Il bilancio delle emissioni di CO2 va quindi purtroppo rivisto al rialzo. L’installazione recente di nuovi strumenti in diverse stazioni di misura in Artico, come la nuova torre di Eddy Covariance installata dall’Istituto di Geoscienze e Georisorse presso la base di ricerca CNR a Ny Ålesund alle Isole Svalbard, porteranno a una migliore quantificazione dei flussi di CO2 sia estivi che invernali.

Inoltre, un’altra grande incognita dello scongelamento del permafrost è dovuta alla formazione e, conseguentemente, all’emissione di metano (o di gas naturale), che è un gas climalterante venti volte più potente della CO2. In parte, il rilascio di metano è dovuto alla liberazione delle sacche di gas formate in passato dalla biodegradazione della sostanza organica in condizioni anaerobiche (cioè in mancanza di ossigeno) e che sono accumulate in “lenti” all’interno del permafrost, pronte a fuoriuscire in atmosfera a seguito di fratture o all’apertura di pori nel suolo scongelato.  Ma anche il fenomeno del “termocarsismo”, cioè il collasso del suolo dovuto allo scongelamento e ruscellamento dell’acqua, genera metano: la fusione del ghiaccio nel suolo lascia dei vuoti su cui il suolo soprastante collassa. Nelle depressioni così formate nascono nuove zone umide in cui prevalgono batteri anaerobi che producono metano. Questo tipo di emissione è intensa e localizzata, difficile da prevedere, da quantificare e da intercettare. 

Formazioni di rilievi ghiacciati e suoli poligonali si stanno fondendo a Tuktoyaktuk, Territori del Nord Ovest, Canada. Autrice: Emma Pinke.

Nonostante le incertezze che accompagnano misure e stime in una zona del mondo vasta e difficilmente accessibile, e quelle delle previsioni modellistiche, il recente rapporto IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sull’oceano e la criosfera (2019) ci permette di comprendere cosa aspettarci in futuro rispetto ai vari scenari di emissioni antropiche di CO2, attraverso una accurata sintesi dei risultati delle pubblicazioni scientifiche del settore.

Lo scongelamento del permafrost continuerà per tutto questo secolo e anche oltre, come effetto del “feedback positivo” spiegato all’inizio di questo articolo. Nello scenario di emissioni antropiche più restrittivo si prevede comunque per il 2100 una diminuzione della superficie terrestre occupata da permafrost variabile tra il 10 e il 40%, che si estende al 50-90% nel caso peggiore, con una stima di emissioni totali che possono arrivare alla metà di quelle antropiche nel caso dello scenario emissivo peggiore considerato nei modelli. In questo scenario drammatico la notizia positiva è che politiche efficaci di abbattimento delle emissioni antropiche, limitando il riscaldamento globale, possono frenare significativamente anche la velocità di scongelamento del permafrost e mitigare le conseguenti emissioni di CO2. Sta quindi a noi darci da fare per evitare quelle instabilità climatiche di cui abbiamo parlato all’inizio.

di Mariasilvia Giamberini e Antonello ProvenzaleIstituto di Geoscienze e Georisorse – CNR

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About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Simulare i fenomeni termomeccanici

Simulare i fenomeni termomeccanici [Webinar]

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Martedì 18 giugno COMSOL terrà un seminario gratuito dedicato alla simulazione multifisica delle interazioni termomeccaniche

fenomeni termomeccanici

Come prevedere la tendenza di un materiale a cambiare di volume in risposta ad un cambiamento di temperatura all’interno di un sistema meccanico? Come valutare l’effetto sulle prestazioni di fenomeni termomeccanici come il riscaldamento Joule? Come modellare le possibili deformazioni indotte dal calore e studiarne le conseguenze sul comportamento meccanico di strutture solide?

Per tutte queste domande esiste una risposta “semplice”: la simulazione multifisica. Questo strumento d’analisi permette, a partire da un sistema complesso, di simulare i singoli aspetti (elettrici, meccanici, termici o chimici) e gli effetti della loro interazione. Nel dettaglio la simulazione multifisica permette di creare un modello matematico e analizzarlo minuziosamente con l’obiettivo di prevedere o convalidare il risultato del mondo reale. Evidenziando eventuali criticità e ottimizzando i progetti ancor prima della prototipazione. 

Nel settore delle energie rinnovabili (ma non solo) l’approccio risulta particolarmente valido per il comportamento meccanico di strutture solide dove la complessità dei fenomeni termomeccanici richiede necessariamente un’attenzione e una cura più elevate durante la fase progettuale. 

A spiegarne vantaggi e potenzialità è il nuovo webinar gratuito di COMSOL, una delle aziende leader nello sviluppo software di modellazione matematica. L’evento, in programma per il 18 giugno alle ore 14.30 permetterà ai partecipanti di comprendere come sia possibile analizzare le strutture meccaniche combinando tutti gli effetti fisici e le interazioni rilevanti. 

 Lo strumento principe è COMSOL Multiphysics®, uno dei software di modellazione più avanzati del settore, in grado simulare progetti, dispositivi e processi in ogni ambito tecnologico. Grazie al modulo dedicato alla Meccanica Strutturale, la piattaforma permette di analizzare la meccanica dei solidi, simulando il comportamento dei materiali, delle dinamiche, delle vibrazioni, dell’attrito ecc. all’interno di un unico modello e di un unico ambiente di modellazione.

Il modulo offre accoppiamenti multifisici integrati che includono anche gli aspetti termici, a partire dalle semplici condizioni operative di un dispositivo, per arrivare a fenomeni più complessi come l’effetto Joule. La piattaforma rende possibile, infatti, modellare la conduzione della corrente elettrica in una struttura, il successivo riscaldamento elettrico causato dalle perdite ohmiche e le sollecitazioni termiche indotte dal campo di temperatura.

Simulare i fenomeni termomeccanici

Per avere una panoramica completa delle possibilità durante il seminario i tecnici Comsol esamineranno i diversi meccanismi importanti da considerare in un modello termomeccanico. Come ad esempio il creep termico, ossia la deformazione anelastica che si verifica nel tempo quando un materiale è sottoposto a stress a una temperatura pari o superiore al 40% del punto di fusione. O ancora lo smorzamento termoelastico, che si verifica quando si sottopone un materiale a stress ciclico di compressione e di espansione. La deformazione ciclica crea variazioni locali di temperatura in grado a loro volta di produrre perdite meccaniche.

Il webinar passerà in rassegna vari casi di studio ed esempi di modelli, mostrando il software in azione e rispondendo in tempo reale a tutte le domande dei partecipanti.

Partecipa al seminario gratuito dedicato alla simulazione dei fenomeni termomeccanici registrandoti all’indirizzo  https://www.comsol.it/c/fvmd 

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Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Decreto FER X

Decreto FER X, aste entro la fine dell’anno

Lo ha dichiarato il sottosegretario al MASE, Claudio Barbaro, ma l'iter del Decreto Fer X appare ancora indietro con i tempi

Decreto FER X
Foto di Ed White da Pixabay

Incentivi alle rinnovabili, la normativa in attesa

Il Decreto FER X è in dirittura d’arrivo e le prime procedure competitive del provvedimento potrebbero essere lanciate entro la fine del 2024. Questa perlomeno è la previsione avanzata dal sottosegretario al Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, Claudio Barbaro, durante un’interrogazione alla Camera. Rispondendo in X Commissione ad un quesito dell’onorevole Peluffo sui tempi di adozione del DM FER-X, Barbaro ha fatto chiarezza sui prossimi passi del provvedimento.

Lo schema, ha ricordato il sottosegretario, è stato trasmesso all’ARERA nel mese di aprile ai fini dell’acquisizione del parere. L’Authority dovrebbe far sapere la propria posizione in questi giorni per poi “passare la palla” alla Conferenza Unificata. A valle dell’acquisizione di quest’ultimo parere “sarà possibile procedere con la notifica formale del provvedimento in Commissione europea per la verifica dei profili di compatibilità con la disciplina in materia di Aiuti di Stato”.

Decreto FER X, quando arriva?

Il percorso, dunque, si prospetta ancora lungo ma il Sottosegretario rassicura gli animi spiegando che il MASE sta cercando di velocizzare i passaggi rimanenti. “Per accelerare […] il Ministero ha già avviato i colloqui con la Commissione con l’obiettivo di illustrare le principali novità introdotte dal meccanismo. Tra le innovazioni, rispetto al disegno attuale, il nuovo schema prevede infatti che il Sistema si faccia carico del rischio dovuto alle dinamiche inflattive, particolarmente accentuate nell’ultimo anno, in modo tale da rendere i corrispettivi riconosciuti più adeguati alla struttura di costo e alla sua evoluzione, riducendo così i rischi degli operatori“.

Il Decreto, ricordiamo, nasce per sostenere la produzione di energia elettrica da impianti rinnovabili “con costi vicino alla competitività di mercato”. Ossia fotovoltaici, eolici, idroelettrici e di trattamento dei gas residuati dai processi di purificazione. L’ultima bozza del decreto FER X riporta due modalità di accesso agli incentivi: quella diretta, riservata ai sistemi rinnovabili di taglia uguale o inferiore ad 1 MW per un massimo di 5 GW sviluppabili in Italia; quella tramite aste, nel caso di impianti di potenza superiore a 1 MW (e con contingenti differenziati per tecnologia che vanno da un 45 GW per il fotovoltaico allo 0,02 GW per i gas residuati).

Barbaro ha anche anticipato che per mitigare le problematiche relative all’operatività dei contratti alle differenze convenzionali, il Ministero ha provveduto a “ridisegnare la struttura dei pagamenti del contratto al fine di disincentivare l’offerta della capacità contrattualizzata a prezzi inferiori ai propri costi marginali”. Un intervento che permetterebbe al tempo stesso di “ridurre il rischio volume sostenuto dai titolari della medesima capacità“. Le prime aste? “Potranno essere bandite entro la fine dell’anno“, ha concluso il sottosegretario.

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Rinnovabili • pcb ricarica

PCB per la ricarica dei veicoli elettrici (EVC)

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Il ruolo e l'importanza dei circuiti stampati nel mondo della ricarica dei veicoli elettrici

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Il mondo dell’EV charging promette di cambiare il nostro modo di spostarci e di viaggiare e molte sono le tecnologie in gioco per raggiungere questo ambizioso obiettivo. L’elettronica svolge di certo un ruolo chiave, ma è necessario sviluppare prodotti ad hoc per questo segmento di mercato, che siano in grado di gestire picchi energetici, alte temperature, funzionalità molteplici e dimensioni ridotte. Molte di queste necessità devono essere soddisfatte nella progettazione di un circuito stampato (anche detto PCB) che permetterà di garantire funzionalità, affidabilità ed efficienza di una colonnina di ricarica. I PCB (Printed Circuit Boards) sono infatti fondamentali per consentire una ricarica affidabile e ad alta potenza e si sono evoluti parallelamente allo sviluppo di colonnine di ricarica sempre più performanti, di dimensioni più compatte e più leggere.

Diminuendo le dimensioni delle colonnine di ricarica, anche lo spazio dedicato ai PCB si è ridotto, portando i progettisti di circuiti stampati a studiare nuovi design che permettessero di ottenere le stesse prestazioni in dimensioni più contenute. In alcuni casi può essere sufficiente usare elementi più compatti, in altri lavorare sulla densità del circuito, oppure optare per un maggior numero di strati che possano ospitare tutte le funzionalità richieste, o ancora prestare particolare attenzione alla larghezza delle piste e alla distanza di isolamento.

I circuiti stampati dedicati al mondo dell’ev charging devono inoltre poter gestire correnti e tensioni elevate, che richiedono l’uso di materiali specifici e spesso di una grande quantità di rame che permetta di condurre considerevoli flussi di corrente e dissipare il calore in eccesso.

I circuiti stampati di un EV charger non sono solo sviluppati per garantire il fine ultimo della colonnina, la ricarica in sè, ma anche un’esperienza di acquisto adeguata. Se, da un lato, la crescente richiesta di tempi di ricarica più rapidi richiede una tecnologia dei PCB in grado di supportare operazioni di ricarica efficienti e ad alta potenza, dall’altro devono essere considerate anche tutte le interfacce che includono funzioni come touchscreen, applicazioni mobili, lettori di schede RFID e controlli intuitivi, tutti progettati con lo scopo di migliorare l’esperienza dell’utilizzatore di una colonnina di ricarica.

Attenzione alla sostenibilità nella progettazione di un PCB

Un’attenta progettazione di circuiti stampati può inoltre contribuire alla sostenibilità del prodotto finale, perché permette di ottimizzare spazio e materiali, riducendo gli sprechi. Studiare con attenzione il design del PCB permette di sfruttare il pannello in modo da ridurre la quantità di materie prime necessarie per produrre il circuito stampato ma anche delle risorse richieste per lavorarlo, come acqua, calore ed elettricità. La dimensione inferiore di un circuito stampato si tramuta anche in meno materiali di scarto nel caso in cui la scheda finale abbia dei difetti e debba quindi essere rottamata, e anche un imballaggio con dimensioni minori, peso minore con conseguente riduzione del costo di spedizione. I vantaggi sono quindi al contempo ambientali ed economici.

NCAB ha sviluppato delle linee guida che permettono di identificare i fattori che determinano il costo di un PCB  e supporta i propri clienti sin dalle prime fasi della progettazione per raggiungere obiettivi di sostenibilità comuni. 

I webinar sul circuito stampato di NCAB Group

Per questo motivo il Gruppo svedese mette a disposizione il know how dei propri tecnici attraverso un fitto programma di webinar gratuiti dedicati al circuito stampato. 

Giovedì 13 giugno 2024, in particolare, Jonathan Milione, FAE di NCAB Group Italy, terrà un webinar dal titolo “PCB affidabili per l’EVC​ – Opportunità, sfide e applicazioni in ambito ricarica EV“ a cui è possibile iscriversi da questo link https://attendee.gotowebinar.com/register/3189250463637126235

Parleremo di:

  • Evoluzione e sfide del settore dei veicoli elettrici
  • Metodi di ricarica e sviluppi tecnologici delle colonnine di ricarica
  • Soluzioni di design per PCB: sistemi di ricarica ad alta potenza

leggi anche Circuiti stampati più sostenibili, l’approccio virtuoso di NCAB Group

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