Referendum 17 Aprile – Analisi delle fonti energetiche

Energy

L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma, passando da una forma all’altra.

Questo è ciò che afferma il primo principio della termodinamica, o principio di conservazione dell’energia (che vale per tutte le trasformazioni di materia ed energia ad eccezione delle reazioni nucleari).

Ma come? Si sente spesso parlare di problema energetico mondiale, di carenza di risorse energetiche. Come può ciò essere compatibile con una complessiva conservazione dell’energia? Come può essere carente qualcosa che è quantitativamente costante?

Risponde a questa domanda il secondo principio della termodinamica, che permette di analizzare la spontaneità delle trasformazioni energetiche. Ammettiamo di porre a contatto tra di loro due diversi oggetti, a diversa temperatura. La vita di tutti i giorni ci mostra come l’oggetto freddo tenda a riscaldarsi, mentre l’oggetto caldo tenda a raffreddarsi. Questo è spiegato scientificamente mediante il trasferimento di una forma di energia (il calore) tra i due oggetti, e il secondo principio della termodinamica ci dice che il calore tende a passare spontaneamente dal corpo più caldo al corpo più freddo. In altri termini, è sostanzialmente impossibile vedere un oggetto freddo che spontaneamente si raffredda ulteriormente, a vantaggio di un oggetto caldo (sebbene questa trasformazione non violi il primo principio della termodinamica).

Questa “spontaneità” dei trasferimenti energetici è governata da una grandezza fisica estremamente affascinante e di grandissima importanza: l’entropia. L’entropia ci dice che, se riscaldo dell’acqua mediante una resistenza elettrica, posso convertire tutta l’energia elettrica in gioco in calore. Non posso, però, riprendere tutto il calore generato e riconvertirlo in energia elettrica. In altri termini, la trasformazione energetica non è reversibile.

Il problema energetico moderno, in realtà, non è un problema energetico. Non è questione di quanta energia, ma è questione della “qualità” dell’energia stessa. Posso trasformare in modo pieno energia di “alta qualità” in energia di qualità inferiore, ma non posso effettuare il contrario senza intervenire attivamente sul sistema in gioco.

La questione, in soldoni, è questa. Sarebbe necessario un maggiore formalismo matematico e un linguaggio maggiormente tecnico per sviscerarla e per analizzarla nel dettaglio, ma non è l’obiettivo di questo articolo. L’obiettivo di questo articolo è fornire consapevolezza sulle fonti energetiche che sono utilizzate oggi nel mondo. Dunque, dopo questa necessaria introduzione sulle leggi che governano l’energia, immergiamoci nel mondo delle risorse energetiche.

COMBUSTIBILI FOSSILI CONVENZIONALI (FONTE NON RINNOVABILE)

Innanzitutto, cosa intendiamo per fonte energetica non rinnovabile? Si intende che il tempo necessario alla genesi della fonte energetica è di gran lunga superiore rispetto alle tempistiche con le quali viene attualmente consumata. I combustibili fossili si sono formati nel sottosuolo nell’arco di ere geologiche, e ora li stiamo consumando ad una velocità significativamente maggiore rispetto ai tempi caratteristici della loro genesi. I principali combustibili fossili che vengono oggi utilizzati sono i seguenti:

CARBONE

Il carbone risulta essere il combustibile fossile maggiormente presente nel nostro pianeta. Si è generato, nel corso di ere geologiche, a partire da antiche forme di vita vegetali, grazie a meccanismi di degrado in ambiente anaerobico (ad alta temperatura e pressione). Questi meccanismi di degrado hanno permesso di creare una roccia ad alto tenore di carbonio: appunto, il carbone. Tanto più i processi di formazione del carbonio sono risultati severi, tanto più il carbonio ha incrementato il suo tenore in carbonio, a svantaggio di altre specie atomiche presenti (quali ossigeno, azoto e idrogeno). Esistono dunque varie categorie di carbonio, in base al tenore dei vari elementi che lo caratterizzano: tanto maggiore è il tenore di carbonio, tanto maggiore risulta essere la qualità del carbone stesso. Il carbone viene utilizzato per scopi energetici (vedremo più tardi come) e nell’industria metalmeccanica (ad esempio per fondere il ferro nella produzione di acciaio).

PETROLIO

Il petrolio ha avuto un’origine simile al carbone. La differenza è che i meccanismi di degrado anaerobico non hanno agito su antiche forme di vita vegetali, ma su antichi organismi acquatici. Dal loro degrado si è creata questa sostanza liquida, ricca di idrocarburi e di composti chimici di varia natura. Dal momento che il petrolio risulta essere ricco di composti chimici molto differenti tra loro, non viene utilizzato direttamente, ma viene prima sottoposto ad una serie di processi di raffineria, che permettono di separare i vari tagli petroliferi e che effettuano sul petrolio stesso una serie di operazioni atte ad incrementare le sue caratteristiche desiderate. Da operazioni come queste derivano una serie di tagli petroliferi a noi noti (quali benzina, diesel e naphta).

GAS NATURALE

Il gas naturale ha avuto una genesi del tutto comparabile a quella del petrolio, solo che è avvenuta a temperatura maggiore, e ha comportato una maggiore frammentazione delle catene idrocarburiche. Il gas naturale risulta essere particolarmente ricco di metano, anche se la sua composizione risulta variare molto in dipendenza dalla zona geografica dalla quale viene estratto. Dal momento che si trova in uno stato fisica gassoso, il suo trasporto risulta tipicamente più complicato rispetto a quello delle fonti energetiche esaminate in precedenza. È anche vero che, dato il suo stato gassoso, risulta essere più semplice privarlo delle eventuali sostanze indesiderate che possono essere in esso presenti (e che in seguito a processi di combustione potrebbero generare inquinanti atmosferici).

COMBUSTIBILI FOSSILI NON CONVENZIONALI (FONTE NON RINNOVABILE)

Oltre ai combustibili fossili precedentemente analizzati, esistono un’altra serie di combustibili fossili che vengono definiti non convenzionali, dal momento che non vengono utilizzati intensivamente al momento presente (anche se le tecnologie atte al loro utilizzo stanno diventando più efficienti).

TAR SANDS

Sono dei depositi sotterranei di sabbia, permeata da un olio molto viscoso (caratterizzato da lunghe catene idrocarburiche). L’olio ha un elevato tenore in carbonio e viene estratto mediante diverse metodologie (miniere o trivellazione).

SHALE OIL AND GAS

Il petrolio e il gas naturale possono generarsi in zone rocciose caratterizzate da un’elevata porosità. In questo caso si parla di shale oil and gas, ossia di gas naturale e olio “intrappolati” in una roccia avente le caratteristiche precedentemente descritte. A differenza del petrolio e del gas naturale tradizionali, queste combustibili fossili sono presenti in una tipologia di roccia caratterizzata da una bassa permeabilità, e che ne complica di conseguenza l’estrazione.

COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Oltre ai combustibili di origine fossile, è possibile definire una serie di combustibili alternativi.

IDROGENO

L’idrogeno non è propriamente definibile come una risorsa energetica. Risulta essere più proprio definirlo come un vettore energetico. Cosa significa? Significa che non è presente, allo stato naturale, in forma molecolare, e dunque se vogliamo utilizzarlo dobbiamo sintetizzarlo per altre vie. Possiamo sintetizzarlo a partire da combustibili fossili (mediante reazioni di steam reforming o di ossidazione parziale), da prodotti chimici intermedi, da biofuels o biogas, e infine mediante elettrolisi dell’acqua. Allo stato attuale la gran parte dell’idrogeno viene prodotto a partire da fonti fossili, e solo una piccola percentuale viene prodotta mediante elettrolisi dell’acqua (ossia scomponendo molecola d’acqua in idrogeno e ossigeno molecolari, mediante energia elettrica). L’idrogeno risulta essere una delle specie chimiche più sfidanti da contenere e stoccare: date le sue piccole dimensioni, tende a diffondere con elevata facilità. Viene stoccato mediante compressione, liquefazione, microsfere di vetro, composti chimici nanostrutturati o idruri metallici.

SYNFUELS

Dei combustibili alternativi a quelli fossili, ma con caratteristiche simili (se non migliori), possono essere ottenuti a partire da un intermedio della chimica industriale molto versatile: il syngas (composto da monossido di carbonio e idrogeno). A partire da questa miscela intermedia si può ottenere idrogeno puro (descritto in precedenza), si possono sintetizzare molecole come metanolo o di-metil-etere, oppure si possono sintetizzare combustibili simil-diesel (e con performance migliori) mediante la sintesi di Fisher-Tropsch. Il syngas può essere prodotto a partire da combustibili fossili (principalmente).

BIOMASSE (Fonte rinnovabile)

Nel caso del carbone, abbiamo visto che processi di degradazione anaerobica applicati ad antiche specie vegetali hanno condotto alla formazione di una roccia caratterizzata da un elevato tenore di carbonio. Le specie vegetali, anche senza subire il processo di degradazione anaerobica, possono essere utilizzate per una varietà di operazioni. Ad esempio, a partire da piante oleaginose, può essere ottenuto del biodiesel mediante una reazione di trans-esterificazione. Le piante caratterizzate da una matrice prevalentemente ligno-cellulosica possono essere utilizzate come biocombustibili, ed essere quindi sottoposte a processi di combustione, pirolisi e gassificazione. Le piante zuccherino-cellulosiche possono subire un processo di fermentazione anaerobica, per originare in questo modo del biogas. Le piante zuccherino-amidacee possono subire una fermentazione aerobica, per ottenere in questo modo del bioetanolo. Al momento attuale la questione delle biomasse risulta essere delicata, dal momento che è in atto un confronto del tipo feed vs. food vs. fuel. In altri termini, le specie vegetali possono essere utilizzate come fonte di nutrimento animale, come fonte di nutrimento umano e come materia prima dalla quale generare biocombustibili o energia. Risulta essere proprio mettere in atto un piano energetico e alimentare che tenga conto propriamente di tutte e tre queste variabili.

RSU (Rifiuto Solido Urbano – fonte rinnovabile)

A partire da tutti gli scarti che caratterizzano le moderne società urbanizzate, è possibile (mediante una serie di pre-trattamenti) ottenere un CDR (ossia un Combustibile Derivato da Rifiuti). A partire da questo, possiamo effettuare processi di termovalorizzazione o di co-generazione energetica (insieme ad altre fonti precedentemente analizzate).

COME VENGONO UTILIZZATE LE FONTI ENERGETICHE ORA ANALIZZATE?

Nelle nostre case, siamo abituati ad attaccare le spine alle prese della corrente e ad usufruire in questo modo di energia elettrica. A parte nel caso degli spostamenti via mezzi (che funzionano principalmente per reazioni di combustione che avvengono all’interno di appositi motori), siamo abituati ad utilizzare principalmente energia elettrica. La domanda, dunque, è: come trasformiamo l’energia contenuta all’interno dei combustibili precedentemente descritti in energia elettrica? La risposta a questa domanda risiede nelle centrali di potenza, che funzionano mediante cicli termodinamici. Mediante appositi cicli termodinamici (cicli Rankine, cicli combinati) siamo in grado di trasformare l’energia chimica contenuta all’interno dei combustibili in calore e poi in energia meccanica, che viene poi trasformata in energia elettrica mediante alternatori e trasformatori. Tutto questo processo non ha efficienza unitaria: in altri termini, non riusciamo a convertire tutta l’energia chimica contenuta nei combustibili in energia elettrica, dal momento che dobbiamo tener debitamente conto dei vari rendimenti che caratterizzano le operazioni effettuate. Le trasformazioni energetiche che avvengono in queste centrali di potenza risultano essere molto più efficienti delle trasformazioni che avvengono nei motori a combustione interna, dove molta energia viene ceduta all’ambiente sottoforma di calore.

I cicli termodinamici non sono l’unica via per convertire l’energia chimica in energia elettrica. Un’altra promettente via, che sta prendendo sempre maggiormente piede, sono le fuel cell, che permettono di convertire idrogeno o semplici specie idrocarburiche nei rispettivi prodotti di combustione (con produzione di energia elettrica), mediante un meccanismo di natura elettrochimica. Dal momento che i meccanismi di trasformazione sono diversi, queste apparecchiature non devono tener conto dei limiti termodinamici ai rendimenti, e possono quindi operare con rendimenti più elevati.

Ora che abbiamo visto i combustibili fossili e i combustibili alternativi, e il modo in cui vengono utilizzati per produrre energia elettrica, immergiamoci nei mondi dell’energia nucleare e delle fonti rinnovabili.

ENERGIA NUCLEARE

Nell’analisi dei combustibili abbiamo visto come essi stessi vengano utilizzati per generare calore all’interno di appositi cicli termodinamici, mediante delle reazioni di combustione. Questo calore viene poi utilizzato per generare lavoro e per trasformare tale lavoro in energia elettrica. La domanda che ora ci poniamo è: come possiamo fare a generare calore nei cicli termodinamici, usando reazioni diverse da quelle di combustione? Una possibile risposta a questa domanda risiede nello sviluppo di calore mediante reazioni di natura nucleare. Mentre nel caso delle reazioni chimiche di combustione le specie atomiche si combinando in nuove molecole (mantenendo inalterata la struttura delle singole specie atomiche), nelle reazione nucleari si ha una modifica degli atomi in gioco, che tendono a scomporsi in atomi di diversa natura. Se gli atomi si combinano tra di loro per formare atomi più pesanti di parla di fusione nucleare (è la tipologia di reazione che permette alle stelle, come il Sole, di esistere, e che dunque permette anche la nostra esistenza). Se un atomo si separa e forma due atomi più leggeri si parla di fissione nucleare (è la reazione utilizzata nelle centrali nucleari presenti sul nostro pianeta). In entrambi i casi analizzati, si ha che la massa dei prodotti ottenuti è lievemente inferiore della massa dei reagenti. La massa “scomparsa” si è trasformata in una quantità spropositata di energia, che può essere utilizzata come calore all’interno dei cicli termodinamici precedentemente descritti. I reattori a fissione nucleare funzionano proprio così: mediante la scomposizione dell’uranio in atomi più piccoli, e mediante al relativa trasformazione di massa in energia, permettono di trasformare energia nucleare in calore, e di dar così luogo a cicli termodinamici analoghi a quelli precedentemente descritti. I reattori nucleari risultano essere molto vantaggiosi dal momento che a partire da esigue quantità di materia generano molta energia. Le problematiche associate a questa tipologia di reattori sono legate alla gestione dei rifiuti nucleari, una parte dei quali va stoccata in appositi spazi e lasciata lì per quantità di tempo molto lunghe. Questa breve analisi non vuole essere esaustiva sull’analisi dell’energia nucleare: serve solo ad introdurne il funzionamento e le potenzialità.

Dopo questa breve analisi sul mondo dell’energia nucleare, analizziamo le altre tipologie di fonti energetiche rinnovabili che vengono oggi utilizzate.

FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI

SOLARE

Una delle fonti energetiche rinnovabili più promettenti risulta essere l’energia solare, della quale possiamo usufruire in diversi modi. La prima via con la quale possiamo usufruire dell’energia solare corrisponde ai pannelli fotovoltaici. Mediante appositi materiali, i pannelli fotovoltaici sono in grado di trasformare l’energia solare direttamente in energia elettrica (con un rendimento attualmente non molto elevato). Una seconda via corrisponde al solare termico, ossia all’utilizzo dell’energia solare non per creare energia elettrica, ma per scopi di riscaldamento (ad esempio per scaldare l’acqua per necessità domestiche). Una terza via di utilizzo dell’energia solare corrisponde al solare termodinamico. In questa via, l’energia solare viene concentrata (mediante opportuni specchi) e utilizzata come fonte di calore all’interno di cicli termodinamici tradizionali (al posto della combustione di combustibili).

IDROELETTRICO

L’idroelettrico sfrutta la naturale tendenza dei corsi d’acqua a fluire verso il basso, per opera della forza di gravita. Il moto ordinato delle molecole del fluido può essere convogliato in apposite turbine, che sfruttano questo moto (e l’energia cinetica generata dall’associata differenza di energia potenziale gravitazionale) per generare lavoro, poi trasformato in energia elettrica mediante alternatore e trasformatore. In questo modo si sfrutta una tendenza naturale e costante per generare energia elettrica.

EOLICO

L’eolico funziona con principi simili a quelli analizzati nel caso dell’idroelettrico, solo che invece che avvalersi di moti ordinati di corsi d’acqua si avvale di correnti d’aria (in altri termini, del vento). I moti ordinati di aria, che si generano per naturali gradienti termici e di pressione, permettono di far girare delle apposite pale eoliche, che trasformano quindi l’energia cinetica del vento in lavoro meccanico, e dunque in energia elettrica mediante alternatore e trasformatore.

GEOTERMICO

Il geotermico sfrutta il calore endogeno sviluppato dal centro della Terra come fonte termica per opportuni cicli termodinamici. Vi sono varie alternative possibili per sfruttare queste fonti di calore: in generale vengono fatti convogliare dei gas caldi (naturalmente presenti o iniettati in prossimità di rocce calde) all’interno di una turbina, che genera dunque energia meccanica e poi energia elettrica mediante i processi di trasformazione analizzati in precedenza.

ENERGIA DEL MARE

Il mare è in grado di fornire molta energia, sulla base di diversi fenomeni:

  • Energia delle correnti: mediante delle turbine sottomarine ad asse verticale od orizzontale, si può imbrigliare l’energia cinetica associata alle correnti marine naturalmente presenti, e trasformarla in questo modo in energia meccanica e poi energia elettrica.
  • Energia delle onde: una grande quantità di energia può essere ricavata dalle onde marine, mediante frangiflutti o mediante sistemi pneumatici (si veda ad esempio il progetto Pelamis o Wave Dragon).
  • Energia delle maree: le maree, causate dall’interazione gravitazionale tra Terra e Luna, causano variazioni del livello marino, che possono essere utilizzate per l’immagazzinamento di acqua in appositi contenitori. Tale acqua viene poi fatta fluire spontaneamente per generare energia meccanica ed elettrica, mediante apposite turbine.
  • Energia associata a gradiente termico: gradienti termici naturalmente presenti in ambienti marini possono essere utilizzati per dare luogo a cicli termodinamici.
  • Energia associata a gradienti di concentrazione salina: alle foci dei fiumi, la differenti salinità associata all’incontro tra acqua dolce e acqua marina può essere utilizzata per produrre energia elettrica, mediante delle tecniche associate ad osmosi o elettrodialisi inverse.

L’obiettivo di questo articolo è aiutarti a sviluppare una maggiore consapevolezza sulle risorse energetiche che vengono attualmente utilizzate a livello globale. Nei successivi articoli, analizzeremo la situazione globale e italiana a livello quantitativo, per vedere come queste energie contribuiscono all’attuale mix energetico. A partire da queste considerazioni, analizzeremo le implicazioni sul referendum del 17 Aprile, per effettuare scelte basate su una profonda consapevolezza.

A presto!

Mattia

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2 pensieri riguardo “Referendum 17 Aprile – Analisi delle fonti energetiche

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