energìa

Lessico

sf. [sec. XVI; dal greco enérgeia, tramite il latino tardo energīa].

1) Vigore che si manifesta nell'organismo a livello sia nervoso sia muscolare; per lo più al pl.: dopo la cura era pieno di energia; anche fig.: essere senza energia, mostrarsi moralmente debole, senza forze. Per estensione, capacità di agire; efficacia: agire con energia, con grande forza e determinazione; una cura che opera con energia; dare energia, ispirare slancio, vigore; intensità di sensazioni, di sentimenti: “l'immensa energia dell'amore” (Alvaro).

2) In psicologia, energia istintuale o psichica, impulso motivazionale interno all'organismo che trova la propria scarica con la consumazione della pulsione. Non è in collegamento con la reale energia metabolica. In particolare in psicanalisi, con energia psichica si indica il sostrato energetico che è fattore quantitativo delle operazioni dell'apparato psichico e si utilizza il termine libido per indicare l'energia istintuale specifica delle pulsioni sessuali.

3) In fisica, grandezza che misura la capacità di un sistema fisico di produrre lavoro. L'energia è una grandezza caratteristica dei sistemi isolati che si conserva, cioè resta costante al variare dello stato del sistema. L'unità di misura dell'energia nel Sistema Internazionale (SI) è il joule (simbolo J). Il valore energetico di una fonte di energia è comunemente misurato in Tep, tonnellate equivalenti di petrolio, oppure in Tec, tonnellate equivalenti di carbone. 1 Tep equivale a ca. 1,5 Tec, o ca. 4500 chilowattore, o 16,2·10⁹ joule.

Fisica: energia cinetica

Le grandezze fisiche lavoro ed energia sono state definite rigorosamente tra la fine del sec. XVIII e la metà del sec. XIX, quando, con l'introduzione della macchina a vapore, divenne necessario calcolare il rendimento di tali macchine anche in termini economici. In altre parole, le definizioni quantitative esatte dell'energia e del lavoro rispondevano all'esigenza di calcolare esattamente cosa si otteneva dalle macchine in cambio del combustibile consumato. Ciò che si produce con una macchina, cioè “l'uscita” della macchina, è lavoro che può sempre essere considerato e misurato come prodotto di una forza per uno spostamento ed è ottenuto a spese di un'uguale quantità di energia consumata. Nel linguaggio comune il termine lavoro è associato al senso di fatica e al senso di consumo di energia muscolare che si provano nello spostare un peso da un punto a un altro. La definizione di lavoro, che trova quindi origine in corrispondenza alla forza peso (forza gravitazionale), viene però generalizzata a campi di forze qualsiasi. Indipendentemente dal campo di forza in cui un corpo si trova immerso si parla di energia meccanica del corpo in riferimento alla sua energia cinetica (cioè l'energia che esso possiede per il fatto di essere in moto rispetto a un dato riferimento) e alla sua energia potenziale, cioè l'energia che gli deriva per il fatto di essere sotto l'azione delle forze del campo. L'energia cinetica, T, posseduta da un sistema materiale è definita come la metà del prodotto della sua massa, m, per il quadrato della sua velocità, v: Dalle leggi della dinamica discende allora che il lavoro, L, fatto dalle forze del campo mentre il corpo percorre la distanza s per effetto della loro azione è dato da

È questo il teorema dell'energia cinetica. Nel caso in cui questo lavoro non dipenda dal cammino effettivamente percorso, ma dipenda solo dal punto iniziale, A, e dal punto finale, B (il campo di forze è in tal caso detto conservativo), esso viene espresso dalla variazione di una funzione dei punti del campo chiamata energia potenziale: L=U_B–U_A. In un campo di forze conservativo (è il caso in teoria più comune, ma in realtà quasi ideale a causa della presenza di attriti, che coinvolgono forze non conservative), quando aumenta l'energia cinetica diminuisce in ugual misura l'energia potenziale, E_pot, e viceversa, in modo che la loro somma, l'energia meccanica totale, resta costante (è questo il teorema di conservazione dell'energia meccanica: T+E_pot=costante). Nel caso in cui la velocità del sistema si avvicini alla velocità della luce, nel calcolo dell'energia cinetica bisogna tener conto della variazione relativistica della massa (relatività). Inoltre, in tutti i casi in cui si abbia creazione o annichilazione di particelle, bisogna tener conto del fatto che la massa del corpo è essa stessa una forma di energia, secondo la relazione di EinsteinE=mc². Il teorema di conservazione dell'energia, in tutti i casi in cui bisogna tener conto di variazioni della massa totale del sistema, diventa allora: E_pot+T+mc²=costante. Ciò che si conserva non è quindi l'energia meccanica e la massa prese singolarmente, ma il complesso delle due grandezze. Il fatto che nella quasi totalità dei casi pratici il teorema di conservazione dell'energia meccanica non sembri verificato dipende dalle perdite di energia per effetto di attriti e di resistenze passive: parte dell'energia meccanica si trasforma in calore, cioè in energia termica. Il calore stesso è, tuttavia, energia cinetica disordinata delle molecole (energia di agitazione termica): i principi della termodinamica considerano questa equivalenza tra calore e energia meccanica e definiscono i modi in cui possono avvenire le trasformazioni da una forma di energia all'altra. In natura esistono soltanto tre campi di forze sostanzialmente diversi: i campi gravitazionali, i campi elettromagnetici (comprendenti anche un tipo di forza che entra in gioco nei decadimenti di particelle, cioè la forza debole) e i campi di forza nucleari. In corrispondenza a questi campi di forza si possono definire altrettante forme di energia: energia gravitazionale; energia elettromagnetica; energia nucleare; tutte le numerose forme di energia che si presentano in natura sono riconducibili a una di queste tre. Le diverse forme di energia possono trasformarsi le une nelle altre, o spontaneamente, o per opera dell'uomo, obbedendo però sempre al principio della conservazione dell'energia totale, intesa ora come somma di tutti i tipi possibili di energia.

Fisica: energia gravitazionale

Qualunque corpo materiale immerso nel campo gravitazionale generato da un altro corpo materiale possiede una certa energia potenziale gravitazionale il cui valore dipende dalla posizione dei due corpi. La Terra, che si trova nel campo gravitazionale del Sole, possiede per tale ragione un'energia potenziale che aumenta quando essa si allontana dal Sole percorrendo la sua orbita e diminuisce quando vi si avvicina. Corrispondentemente la sua energia cinetica varia in modo da tener costante l'energia totale, la quale, per l'assenza di attriti, è totalmente meccanica. L'energia gravitazionale dovuta ai campi del Sole e della Luna viene trasferita a grandi masse oceaniche nei fenomeni mareali (energia mareomotrice). Un altro esempio di energia gravitazionale, legato al campo di gravità terrestre, è quello dell'energia posseduta dalle masse d'acqua dei bacini montani. L'energia potenziale gravitazionale dell'acqua può trasformarsi in energia cinetica nella discesa dell'acqua verso valle, per esempio in condotte forzate. Il lavoro che l'acqua può compiere (e quindi l'acquisto di energia cinetica) è misurato dalla differenza tra l'energia potenziale da essa posseduta nel bacino e l'energia potenziale posseduta nel punto più basso che può raggiungere. Si parla in questo caso di energia idrica, o idraulica, energia che può essere trasformata in energia elettrica nelle centrali idroelettriche. È detta energia idraulica anche l'energia cinetica dei corsi d'acqua; anch'essa può essere imbrigliata e trasformata in energia elettrica in apposite centrali. L'energia gravitazionale è, su scala cosmica, la forma di energia più importante: essa mantiene insieme le masse dei pianeti, delle stelle e delle galassie. La teoria della relatività generale prevede che i corpi materiali violentemente accelerati emettano energia gravitazionale sotto forma di onde gravitazionali.

Fisica: energia elettromagnetica

È la forma di energia di gran lunga più utilizzata dall'uomo. Una carica elettrica in moto, ovvero una qualsiasi distribuzione di cariche elettriche in moto, genera un campo elettromagnetico. La descrizione di un tale campo e della distribuzione dell'energia elettromagnetica in esso viene fatta per mezzo delle equazioni di Maxwell che studiano anche la propagazione e l'interazione dell'energia elettromagnetica nei mezzi e nel vuoto. Sono casi particolari di campo elettromagnetico, il campo elettrostatico e il campo magnetostatico ai quali è associata una distribuzione di energia elettrostatica e, rispettivamente, di energia magnetostatica, o energia magnetica. La densità di energia elettromagnetica in una data regione del campo non è costante, ma varia in quanto una parte può venire trasformata in energia cinetica di particelle elettricamente cariche che si muovano in tale regione, oppure può essere trasportata fuori da onde elettromagnetiche sotto forma di energia raggiante, in particolare di energia luminosa, o luce (irraggiamento,radiazione, onda). Nel moto delle cariche elettriche in un campo elettromagnetico si ha trasformazione di energia elettromagnetica in energia cinetica delle cariche: è questa l'energia elettrocinetica che viene parzialmente dissipata in calore per effetto Joule. L'energia della corrente elettrica che si ha quando delle cariche elettriche si muovono in un conduttore è detta energia elettrica e rappresenta una delle forme di energia più utilizzate in pratica. La massima parte delle forme di energia che si incontrano sulla Terra sono riconducibili a energia elettromagnetica poiché le forze che legano gli elettroni negli atomi, gli atomi nelle molecole e gli atomi e le molecole nei diversi stati di aggregazione della materia sono tutte di natura elettromagnetica. Sono quindi forme di energia elettromagnetica le corrispondenti energia di legame, tutte le forme di energia elastica, e quindi anche l'energia sonora, l'energia superficiale che entra in gioco nei fenomeni di capillarità e la stessa energia chimica che entra in gioco nelle reazioni chimiche. Anche un tipo di energia nucleare, quella che entra in gioco nei decadimenti radioattivi, l'energia nucleare debole, è della stessa natura dell'energia elettromagnetica. Per indicare l'insieme delle due si parla talvolta di energia elettrodebole.

Fisica: energia nucleare

Definita anche energia nucleare forte, è l'energia che entra in gioco nelle reazioni nucleari di fissione e di fusione e che tiene legati tra loro i componenti dei nuclei atomici e le particelle di questi componenti.

Astrofisica: l'energia nell'Universo

La principale forma di energia dell'Universo è di tipo gravitazionale e in alcuni casi la quantità che ne viene liberata raggiunge enormi proporzioni. Le stelle nascono quando il campo gravitazionale creato dall'addensarsi di polvere cosmica è tanto intenso da produrre le altissime temperature che innescano reazioni di fusione nucleare. L'energia gravitazionale gioca ancora un ruolo primario quando il combustibile nucleare si consuma: l'energia gravitazionale non più equilibrata dalle reazioni di fusione fa precipitare tutta la massa della stella verso il suo interno. In alcuni casi (nane bianche) questo fenomeno di collasso si arresta quando le forze elettromagnetiche di repulsione tra i diversi atomi ne impediscono un ulteriore avvicinamento. Si raggiungono così enormi addensamenti di materia senza che venga più liberata energia sotto alcuna forma. In altri casi, però, con stelle di grande massa iniziale, la densità della materia collassata è tale da produrre campi gravitazionali così intensi che l'intera stella si riduce a un unico nucleo di un atomo immenso (stella di neutroni); prima del collasso finale la stella esplode liberando enormi quantità di energia sotto forma di energia cinetica di particelle espulse, di energia elettromagnetica di radiazione e di onde gravitazionali; la stella passa così attraverso lo stadio di supernova. Le forze gravitazionali possono essere anche così grandi da vincere l'impenetrabilità reciproca dei neutroni. Il collasso gravitazionale non può essere allora arrestato da nessuna forza e l'intera stella scompare in una singolarità dello spazio-tempo (buco nero). L'energia che viene irradiata da oggetti ancora misteriosi posti al confine dell'Universo (quasar) è tanto grande che non può essere spiegata neanche in termini di trasformazione diretta di intere masse stellari in energia raggiante. Si ritiene, in questo caso, che l'origine dell'energia irradiata sia gravitazionale e che in essa sia coinvolta la presenza di buchi neri. Per la maggior parte della loro esistenza le stelle continuano a produrre energia attraverso il meccanismo della fusione nucleare. La stragrande maggioranza dell'energia nucleare di fusione viene emessa sotto forma di energia elettromagnetica, in particolare di energia luminosa. Quando l'energia irradiata dal Sole sotto forma di onde elettromagnetiche raggiunge la Terra, essa produce effetti diversi, potendosi trasformare in energia termica o in energia chimica attraverso la fotosintesi clorofilliana.

Geofisica: l'energia sulla Terra

La massima parte dell'energia disponibile sulla Terra è di origine solare. Fanno eccezione soltanto l'energia ottenibile dai combustibili nucleari (uranio e torio fissili), l'energia delle maree, dovuta soprattutto all'azione gravitazionale della Luna sulle masse d'acqua oceaniche, e l'energia geotermica, dovuta all'aumentare della temperatura della Terra procedendo verso il centro di essa. Il Sole rappresenta pertanto la fonte di energia per eccellenza nel nostro pianeta. In particolare, i combustibili fossili hanno immagazzinato energia chimica di legame che deriva loro dall'azione di fotosintesi che il Sole ha esercitato in tempi antichi su organismi vegetali; si hanno combustibili solidi (carbone), liquidi (petrolio), gassosi (metano). L'energia del Sole è all'origine del ciclo dell'acqua che rende possibile lo sfruttamento dell'energia potenziale e cinetica di grandi masse d'acqua in bacini montani o in corsi d'acqua. L'energia raggiante del Sole fa evaporare grandi quantità d'acqua che condensa sulle nubi e precipitando può essere così raccolta in bacini, detti idroelettrici, o sfruttata come energia cinetica del moto di corsi d'acqua (energia idraulica). È ancora l'energia raggiante del Sole che fa muovere grandi masse di aria nell'atmosfera (energia del vento o energia eolica) e, attraverso il vento, produce il moto ondoso (energia ondosa). Il Sole sostiene ancora il ciclo organico attraverso i processi di fotosintesi clorofilliana dei vegetali rendendo così possibile l'alimentazione degli animali e dell'uomo e consentendo l'assunzione di energia chimica attraverso il cibo, in modo da sostituire regolarmente l'energia muscolare consumata nell'attività umana. Infine, è sempre il Sole che controlla le condizioni climatiche (in particolare la temperatura) che rendono possibile il mantenimento della vita sulla Terra. Il Sole rappresenta una sorgente di energia raggiante praticamente inesauribile per il nostro pianeta; pertanto lo studio di tutti i possibili usi energetici della sua radiazione rappresenta uno dei campi di ricerca di nuove fonti di energia più promettenti a breve, a media e a lunga scadenza.

Industria: le fonti di energia

Indipendentemente dalla loro origine, le fonti di energia si distinguono in fonti primarie e fonti secondarie. Le fonti primarie si dividono a loro volta in fonti rinnovabili e fonti non rinnovabili. Sono fonti primarie rinnovabili: 1) l'energia raggiante del Sole utilizzabile direttamente; 2) l'energia idraulica, o energia idrica; 3) l'energia dei venti, o energia eolica ; 4) l'energia del moto ondoso; 5) l'energia delle maree, o energia mareomotrice; 6) l'energia chimica delle sostanze organiche continuamente prodotte sulla Terra (biomasse); 7) l'energia termica derivante dal gradiente di temperatura della Terra (energia geotermica); 8) l'energia termica derivante dal gradiente di temperatura degli oceani o di altri bacini. Sono fonti primarie non rinnovabili: A) l'energia chimica , immagazzinata nei combustibili fossili; B) l'energia nucleare , immagazzinata nei materiali radioattivi fissili (uranio e torio). Un posto a sé occupa l'energia di fusione nucleare: pur non essendo a rigore rinnovabile, in quanto sfrutta come materia prima l'idrogeno, questo tuttavia può considerarsi inesauribile, come è inesauribile l'acqua dei mari. In alcuni casi l'energia delle fonti primarie può essere utilizzata direttamente, ma generalmente deve essere trasformata in altre forme che costituiscono le cosiddette fonti secondarie di energia. L'utilizzo diretto di energia primaria si ha per esempio nel caso del gas naturale costituito essenzialmente da metano. Le fonti secondarie di energia più utilizzate sono l'energia elettrica (nella quale può essere trasformata l'energia proveniente dalla maggior parte delle fonti primarie), la benzina e l'olio combustibile. L'energia elettrica è la fonte di energia più versatile e più pregiata. Essa può essere trasportata a grandi distanze dal luogo di produzione e può essere distribuita agli utilizzatori mediante reti estremamente capillari. Generalmente la conversione dalle fonti primarie all'energia elettrica richiede la conversione in energia termica e/o in energia meccanica . Nella trasformazione dell'energia primaria in energia secondaria, o nel passaggio diretto dall'energia primaria all'energia per gli usi finali, si hanno perdite di conversione. Tali perdite non sono eliminabili: l'energia tende infatti in maniera irreversibile a degradarsi, cioè a trasformarsi, dopo una serie di processi anche molto lunghi, in calore. L'energia termica è la forma di energia meno pregiata, specialmente se la fonte di energia è a bassa temperatura. Il calore di un sistema a temperatura ambiente non può infatti essere utilizzato proficuamente per produrre lavoro meccanico. Per un sistema di conversione dell'energia è sempre molto importante definire il rendimento η, cioè il rapporto tra l'energia utilizzabile, E_u, e l'energia prodotta E_p: η=E_u/E_p. Esso rappresenta una misura molto significativa dell'efficienza del processo di conversione considerato. Sono di grande interesse, e quindi oggetto di attenti studi, i sistemi di conversione che consentono il passaggio diretto dalle diverse forme di energia primaria all'energia elettrica. La maggior parte di energia elettrica prodotta nel mondo ha però attualmente origine nelle centrali di concezione tradizionale. A seconda della sua origine, e cioè a seconda del tipo di centrale in cui viene prodotta, si ha quindi energia idroelettrica, energia termoelettrica, energia geotermoelettrica, energia elettronucleare, ecc. La prospettiva estremamente realistica di un progressivo impoverimento e di una prevedibile estinzione delle fonti tradizionali di energia (carbone, petrolio, metano) ha portato al formarsi di un vivo interesse nei confronti di una serie di fonti energetiche un tempo completamente trascurate a causa dell'abbondanza di carbone e di petrolio. Tra queste vi sono l'energia raggiante solare, l'energia nucleare e l'energia geotermica.

Industria: l'energia solare

Solo una piccola parte dell'energia prodotta dal Sole raggiunge il nostro pianeta. Il Sole trasforma integralmente una porzione della sua massa in energia raggiante al ritmo di 4 milioni di tonnellate al secondo; l'energia che raggiunge annualmente la Terra è uguale ad “appena” 10¹⁸ chilowattore, ma equivale comunque all'energia che si potrebbe ottenere bruciando tutte le riserve di combustibile fossile attualmente note. L'energia solare presenta il grande vantaggio di essere pulita (non inquinante) e disponibile gratuitamente in quantità praticamente illimitata nel tempo. Inoltre essa è distribuita uniformemente nel territorio e vi arriva in quantità considerevoli anche in valore assoluto. L'energia raggiante che raggiunge annualmente il suolo italiano equivale a 200-250 volte il fabbisogno nazionale. Gli svantaggi principali sono costituiti da un lato dalla bassa densità energetica e dall'altro dalla sua grande variabilità. La quantità di energia raggiante solare che raggiunge l'unità d'area della superficie terrestre dipende dalle condizioni meteorologiche, dalla latitudine, dall'avvicendarsi delle stagioni e del giorno e della notte. Le principali direzioni di ricerca per lo sfruttamento dell'energia raggiante solare sono sostanzialmente quattro: conversione in energia termica mediante processi a bassa temperatura, conversione in energia termica ad alta temperatura, conversione diretta in energia elettrica, produzione e utilizzo di biomasse. § Conversione in energia termica mediante processi a bassa temperatura. , Basati su impianti a pannelli solari, o collettori solari, vengono utilizzati per il riscaldamento e la climatizzazione di abitazioni e per il riscaldamento di acqua (a 50-60 °C) per uso domestico, sanitario o industriale. I pannelli solari possono essere usati anche per impianti di medie e grandi dimensioni, per esempio per il riscaldamento dell'ambiente e dell'acqua di piscine coperte. Il campo di applicazione in cui le prospettive economiche sono notevoli è comunque quello della produzione di acqua calda per uso domestico (lavastoviglie, lavabiancheria ecc.) alla quale in Italia è destinato il 9% dell'energia elettrica consumata. Un pannello solare è sostanzialmente costituito da una piastra, generalmente di rame o di alluminio, in cui una faccia è annerita ed esposta alla radiazione solare. L'altra faccia è isolata posteriormente dall'ambiente mediante uno strato di lana di vetro o di poliuretano espanso. Anteriormente, per evitare che il calore sfugga dalla piastra captante e per sfruttare l'effetto serra, il pannello è ricoperto da una lastra di vetro. Il tutto è racchiuso in una cassa esterna di vetroresina o di acciaio inossidabile. La radiazione solare colpisce la lastra di metallo che si riscalda e il calore prodotto viene assorbito da un fluido, detto termovettore, che circola in una serpentina incorporata nell'intercapedine. Il calore viene poi scambiato dal termovettore con il liquido del circuito utilizzatore, per esempio l'acqua del riscaldamento nel tipo a pannelli radianti. Nella maggior parte degli impianti è previsto un accumulatore di calore (per esempio un contenitore di una grande massa di liquido) che ha la funzione di accumulare energia termica, mediante circolazione naturale o forzata, nei periodi nei quali ne viene prodotta in eccesso rispetto a quella utilizzata. L'energia accumulata viene resa disponibile nei periodi, per esempio di notte, nei quali l'irradiamento solare è scarso o manca del tutto. Secondo studi e ricerche degli enti preposti al controllo delle fonti energetiche degli Stati Uniti, si prevede che nel 2050 il 50% dell'energia consumata al mondo proverrà dal Sole. Una seconda applicazione termica a bassa temperatura dell'energia solare è costituita dall'architettura passiva, cioè da un progetto di edifici tale da rendere massimo l'apporto dell'energia solare alla climatizzazione di questi (vedi bioarchitettura). In Italia abbiamo esempi di impianti simili nella centrale ENEL di Serre, in provincia di Salerno, e nel grande dissalatore realizzato a Lampedusa dall'AGIP, basato appunto su pannelli solari cosiddetti a media concentrazione. I collettori hanno un rendimento del 55% a 100 °C e il serbatoio di accumulo termico ha una temperatura massima di lavoro di 120 °C. L'impianto è in grado di fornire 300 litri all'ora di acqua potabile. § Conversione in energia termica ad alta temperatura. Viene utilizzata nelle cosiddette centrali solari a torre e specchi, o centrali solari di prima generazione, e negli impianti del tipo a collettori distribuiti, in cui la concentrazione del calore viene effettuata con concentratori a forma di cilindro-parabola o di paraboloide. È dei primi anni del sec. XXI l'avvio della costruzione in Sicilia, nell'ambito del progetto Archimede, del prototipo di una simile centrale, progettata da C. Rubbia. § Conversione diretta in energia elettrica. Viene realizzata in impianti solari cosiddetti di seconda generazione. Tali impianti sono basati sulla proprietà di alcuni materiali, come l'arseniuro di gallio e, soprattutto, il silicio, di generare energia elettrica quando vengono colpiti dalla radiazione solare. I generatori sono conosciuti come celle o batterie fotovoltaiche, dal nome dell'effetto che è alla base del loro funzionamento. Le celle fotovoltaiche al silicio sono usate ampiamente nei satelliti artificiali dove sono note come batterie solari. Per uso terrestre, le batterie solari trovano già oggi applicazione nell'alimentazione di ponti radio, di rifugi alpini, di boe marine. Le centrali elettriche a batterie solari hanno il grande vantaggio rispetto alle centrali elettriche convenzionali di poter essere distribuite su grandi territori in centrali di piccola e media potenza senza essere concentrate in centrali di grande potenza. Questo fatto è molto importante dal punto di vista del risparmio energetico, in quanto il trasporto dell'energia a grande distanza implica grandi sprechi energetici per effetto di dissipazione termica. Per migliorare il rendimento delle celle solari, sono stati studiati sistemi che ricalcano il processo di produzione di energia delle piante. Ispirandosi alla fotosintesi, il chimico svizzero M. Graetzel ha posto sulla superficie di un semiconduttore uno strato di molecole organiche trattate, in grado di assorbire la luce. Le celle di Graetzel potrebbero superare in breve tempo in efficienza e convenienza le celle fotovoltaiche in silicio. Altri studi riguardano la costruzione di centrali a batterie solari in orbita stazionaria attorno alla Terra (centrali di terza generazione). § Produzione e utilizzo di biomasse. È una tecnica che per produrre energia sfrutta i prodotti animali o vegetali. La biomassa utilizzata a tal fine è costituita da tutti quei materiali combustibili residui delle coltivazioni destinate all'alimentazione umana o animale o piante espressamente coltivate per scopi energetici. L'utilizzo delle biomasse per fini energetici non contribuisce all'effetto serra, poiché la quantità di anidride carbonica rilasciata durante la combustione è equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa. I processi di conversione possono essere biochimici o termochimici: per i primi si utilizzano foglie e steli di barbabietola, ortive, patata ecc. e la biomassa proveniente dalle discariche controllate; per i secondi legna, segatura, trucioli, lolla, pula, gusci, noccioli e altri derivati del legno. La digestione anaerobica è un processo di conversione di tipo biochimico, che avviene in assenza di ossigeno, consistente nella demolizione, a opera di microrganismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale: essa produce un gas (biogas) costituito per il 50-70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO₂. Il biogas così prodotto viene raccolto, essiccato, compresso e immagazzinato per essere poi utilizzato come combustibile per veicoli a gas e caldaie per produrre calore e/o energia elettrica. Al termine del processo di fermentazione la materia rimasta è ancora un ottimo fertilizzante. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari e frazione organica dei rifiuti solidi urbani. La fermentazione alcolica è un processo, di tipo microaerofilo, di trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in etanolo. L'etanolo risulta un prodotto utilizzabile anche nei motori a combustione interna. La carbonizzazione è un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosi in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l'eliminazione dell'acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle carbonaie, all'aperto, o in storte, che offrono una maggior resa in carbone. La gassificazione consiste nell'ossidazione incompleta di una sostanza in ambiente a elevata temperatura (900/1000°C) per la produzione di un gas combustibile (detto gas di gassogeno). I problemi connessi a questa tecnologia, in fase di sperimentazione, si incontrano a valle del processo di gassificazione e sono legati principalmente al suo basso potere calorifico e alle impurità presenti nel gas (polveri, catrami e metalli pesanti). Il gas di gassogeno può essere trasformato in alcol metilico (CH₃OH), che può essere agevolmente utilizzato per l'azionamento di motori. La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l'applicazione di calore, a temperature comprese tra i 400 e 800 °C, in completa assenza di agente ossidante, oppure con una ridottissima quantità di ossigeno. I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodotti della pirolisi è la loro quantità, inadeguata alle applicazioni, sia con turbine a gas sia con motori diesel. Tramite la fotolisi si inducono microrganismi e alghe a operare la scissione dell'acqua sotto l'azione della radiazione solare. La combustione diretta viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione e i fluidi del processo (acqua, olio diatermico ecc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di cellulosa e lignina e con contenuti di acqua inferiori al 35%. I prodotti utilizzabili a tale scopo sono: legname, paglie di cereali, residui di raccolta di legumi secchi, di piante oleaginose (ricino, catramo ecc.) e di piante di fibra tessile (cotone, canapa ecc.); residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali; residui delle industrie agrarie e simili. Dalle piante oleaginose si estraggono oli e biodiesel che possono essere utilizzati come combustibili nello stato in cui vengono estratti oppure dopo esterificazione. In teoria, da un ettaro coltivato ad alghe si può ricavare annualmente, per fotolisi dell'acqua, idrogeno per 108 Tep; da un'uguale estensione coltivata con batteri che metabolizzino rifiuti organici si possono ricavare ca. 11 Tep.

Industria: lo sviluppo dell'energia solare

Alla metà degli anni Novanta risultavano installati nel mondo impianti fotovoltaici, con immissione di energia nella rete elettrica, per una potenza complessiva inferiore a 100 MW (un decimo di quella prodotta da una sola centrale nucleare di taglia media). Gli USA contribuiscono per il 40% della potenza mondiale installata, l'Europa per il 24%, il Giappone per il 21%. Si tratta comunque di cifre ancora basse. Infatti, dopo il grande impulso alla ricerca su tali sistemi avuto negli anni Settanta e i primi anni Ottanta a causa delle crisi petrolifere, fino alla metà degli anni Novanta il settore ha risentito di una stasi nei finanziamenti in seguito al ribasso del prezzo del petrolio. Tuttavia, il progressivo abbandono dell'energia nucleare da parte di molte nazioni ha riportato all'attenzione le energie alternative e quella fotovoltaica in particolare, anche se il costo del kW fotovoltaico resta comunque ancora scarsamente competitivo rispetto alle altre fonti energetiche. I benefici ambientali dell'energia fotovoltaica sono però evidenti specie nei centri urbani; così molti Paesi industrializzati hanno avviato programmi di incentivazione e di diffusione di tale fonte. In Europa, la quota dell'energia fotovoltaica soddisfa soltanto lo 0,004% dei consumi di elettricità. Il programma comunitario Reset (Renewable energy strategy for european towns; Strategia per l'energia rinnovabile nelle città europee) ha avviato l'introduzione di impianti fotovoltaici sugli edifici di alcune città europee (Torino, Lione, Barcellona, Glasgow e San Pietroburgo). Obiettivo del progetto è di sostituire con l'energia fotovoltaica, entro il 2010, il 15% del fabbisogno elettrico di queste città. I pannelli fotovoltaici permetteranno di evitare ogni anno, complessivamente, l'immissione nell'atmosfera di 600 mila t di anidride carbonica, 3000 t in meno di ossidi di azoto, 350 t di ossidi di zolfo. Alcune nazioni europee hanno avviato poi singolarmente programmi simili. In Italia l'energia elettrica prodotta nel 2001 da fotovoltaico è stata pari a 5 GWh su 318.618 GWh complessivamente distribuiti, pari quindi ad appena l'1,5 per mille. Non si deve tuttavia dimenticare che l'Italia sfrutta intensamente l'energia idroelettrica che, sempre nel 2001, ha fornito 46.810 GWh, cui si aggiungono i 1179 GWh prodotti dagli impianti eolici. In questo modo la produzione da energia solare diretta e indiretta raggiunge il 15,1% del fabbisogno nazionale. Un piano del ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e destinato agli enti pubblici, denominato "Programma Tetti fotovoltaici", prevede 3 milioni di metri quadrati di collettori solari installati sugli edifici pubblici entro il 2010. Si trova in California il più grande impianto fotovoltaico del mondo, con oltre 6,5 MW di picco; segue la Germania con un impianto da 6,3 MWp e due da 5 MWp. Il più grande impianto italiano, quello di Serre, da 3,3 MWp, ci pone all'undicesimo posto. In Francia, dove nel 1880 fu realizzata la prima cella fotovoltaica, non ci sono grandi centrali, ma si utilizzano diffusamente i pannelli fotovoltaici come sorgente di energia per piccole utenze quali lampioni stradali, segnaletica pubblica e persino barche fluviali. Anche in Austria, pur mancando grandi impianti, si è registrato un incremento del fotovoltaico fino al 52% l'anno. Secondo l'Associazione nazionale per le energie rinnovabili, è proprio l'Austria il Paese con il maggior numero di pannelli solari per scaldare l'acqua in relazione al numero di abitanti. Gli inglesi, dal canto loro, hanno in progetto di ricavare il 10% di energia da fonti rinnovabili entro il 2010, per passare al 20% entro il 2020.

Industria: l'energia nucleare

Nei reattori nucleari si ha la trasformazione in energia termica nel processo di fissione del combustibile (uranio, torio, plutonio); nelle centrali elettronucleari, di cui il reattore costituisce la parte essenziale, tale energia viene trasformata in energia elettrica e immessa nella rete di distribuzione. Ai fini del computo delle risorse energetiche mondiali, è di fondamentale importanza distinguere tra centrali a reattori provati e centrali a reattori avanzati: infatti questi ultimi producono più combustibile nucleare di quanto ne consumino a partire da un isotopo dell'uranio non fissile. Se si ipotizza lo sfruttamento dell'uranio nei reattori veloci, le risorse di uranio vanno quindi riferite anche a questo isotopo. In futuro, tuttavia, l'energia nucleare sfruttabile sarà quella della fusione nucleare controllata, la cui utilizzazione commerciale è prevedibile – allo stato attuale delle conoscenze tecniche – entro alcuni decenni. Dopo il fallimento della cosiddetta fusione fredda, annunciata con grande clamore nel 1989, la sperimentazione e la ricerca si sono concentrate su quella calda. La fusione nucleare rappresenterebbe, infatti, la soluzione di tutti i problemi energetici del pianeta. Le centrali a fusione, inoltre, non producendo scorie radioattive a lunga vita, permetterebbero di superare il problema oggi assillante dello smaltimento di tali scorie.

Industria: l'energia geotermica

È l'energia derivante dal calore terrestre e in particolare dal gradiente geotermico; è sfruttata attualmente soprattutto nelle centrali geotermiche in corrispondenza dei campi geotermici. L'energia geotermica è particolarmente importante per l'Italia, che nel 1913 realizzò, a Larderello, la prima centrale geotermica del mondo. Nel 2003 la potenza geotermoelettrica installata nel mondo, in 20 Paesi, è stata di 8000 MW, con una produzione di ca. 50.000 GWh; primi gli Stati Uniti (2077 MW), seguiti da Filippine (1893 MW), Messico (870 MW) e Indonesia (807 MW). Nel 2003, in Italia, sono stati prodotti da energia geotermica 5 miliardi di kWh, equivalenti ai consumi di due milioni di famiglie. Le principali ricerche per lo sfruttamento dell'energia geotermica, supportate da una prima carta nazionale della distribuzione delle temperature sotterranee, riguardano: la valutazione delle risorse sul territorio nazionale; l'estrazione di calore da rocce calde e secche (i campi geotermici privi di fluido si possono infatti sfruttare dopo aver creato artificialmente delle fratture in queste rocce e avervi iniettato dell'acqua); l'utilizzo delle acque calde a media e bassa temperatura , tra 70 e 140 °C, per il riscaldamento di serre e abitazioni, per la dissalazione dell'acqua e per alimentare motori a ciclo Rankine.

Industria: la ricerca di nuove fonti

A breve termine, le uniche alternative realistiche al petrolio sono il carbone, l'energia nucleare e, per i Paesi in cui questa fonte è ancora disponibile, l'energia idrica. Per i medi e lunghi periodi è invece necessaria la ricerca di fonti alternative (come l'utilizzazione energetica dei rifiuti e del metanolo), accanto al risparmio energetico. § Utilizzazione dei rifiuti. La ricerca riguarda la produzione di rifiuti urbani solidi e di rifiuti industriali, sia come quantità, sia come composizione merceologica, sia come caratteristiche chimico-fisiche, riguardanti in particolare il potere calorifico. A questo fine è stato ricavato dai rifiuti un combustibile idoneo a impieghi di carattere industriale. Si valuta che il contenuto energetico dei rifiuti solidi urbani sia dell'ordine del 2% del fabbisogno energetico nazionale. Per la produzione di energia utilizzabile a partire da questa fonte risulta rilevante la combustione combinata di rifiuti pretrattati con un altro combustibile tradizionale. Il settore di utilizzazione prevalente dovrebbe diventare quello della combustione dei rifiuti pretrattati in grandi generatori di vapore per la produzione di energia termoelettrica. Un altro campo di utilizzo si ha in agricoltura, con la fermentazione anaerobica e l'estrazione di biodiesel. Nei rifiuti solidi urbani è presente una notevole quantità di scarto organico (ca. il 50% senza contare la carta); i risultati ottenuti mostrano effetti positivi paragonabili a quelli del letame. Il risparmio energetico per la produzione di fertilizzanti può quindi divenire rilevante e i comuni garantiscono a chi vi ricorre uno sconto delle tariffe sullo smaltimento dei rifiuti. Un ulteriore campo di utilizzo si ha nella digestione anaerobica di rifiuti pretrattati e di liquami per la produzione di biogas. Nell'ambito di queste ricerche è stato realizzato un sistema di captazione, estrazione e convogliamento di biogas verso impianti di utilizzo aziendale per la produzione di energia termica ed elettrica. Risultati positivi si sono avuti nell'alimentazione di motori e automezzi. § Utilizzo del metanolo (alcol metilico). Le uniche grandi risorse italiane di carbone (lignite particolare detta “carbone Sulcis”) sono costituite da quelle del bacino del Sulcis in Sardegna; queste sono valutate in ca. un miliardo di t, equivalenti a 300 milioni di t di petrolio greggio. Il carbone Sulcis, tuttavia, per l'alto tenore di zolfo, è altamente inquinante. Il suo utilizzo per combustione diretta nelle centrali termoelettriche è legato alla realizzazione di sistemi per la desolforazione dei fumi, problema non ancora completamente risolto. Un utilizzo più interessante è invece previsto attraverso la sua liquefazione, diretta o indiretta. § Sfruttamento dell'effetto osmotico. Una fonte energetica ecologica e produttiva nasce anche dalla possibilità di utilizzare l'effetto osmotico che si viene a creare tra l'acqua dolce e l'acqua salata. Il prototipo messo a punto da un'équipe di ricercatori norvegesi di Bergen consiste nel convogliare l'acqua di un fiume in una centrale elettrica in cui viene contemporaneamente pompata acqua marina: la sovrapressione prodotta per effetto osmotico nel contenitore dell'acqua salata aziona le turbine. Il sistema, finanziato dalla Statkraft (produttore statale di elettricità) e dal Consiglio Norvegese delle Ricerche, potrebbe diventare commerciabile tra il 2010 e il 2015. § Risparmio energetico. Con la crisi petrolifera degli anni Settanta del sec. XX, ha assunto grande importanza il risparmio energetico che è venuto a costituire esso stesso una fonte di energia. In alcuni settori (domestico, industria e trasporti) questo risparmio può assumere una particolare rilevanza.

Industria: utilizzi e consumi dell'energia

La prima forma di energia utilizzata dall'uomo fu, ovviamente, quella muscolare, propria degli animali, per le rudimentali esigenze di costruzione e di trasporto che caratterizzarono l'epoca preistorica . Tale energia venne progressivamente sostituita dalle nuove tecniche, pur elementari, che si rendevano disponibili per le attività umane: energia eolica per la navigazione a vela o la molitura dei cereali, energia idrica per operazioni meccaniche come la ridistribuzione di acque per l'irrigazione o il movimento dei mantici nelle ferriere. In ogni caso, ancora agli inizi del sec. XX, un Paese in via di industrializzazione come gli Stati Uniti otteneva dal lavoro umano e animale, secondo stime attendibili, ca. 1/5 dell'energia complessivamente consumata. Il momento cruciale nello sviluppo della produzione energetica, dal punto di vista sia tecnologico sia quantitativo, fu rappresentato – come per tutti gli altri settori dell'economia mondiale – dalla “rivoluzione industriale”, quando l'invenzione della macchina a vapore (sec. XVIII) richiese l'impiego massiccio di fonti (accanto alla legna, essenzialmente il carbone) atte a trasformare l'energia chimica, per combustione, in energia termica. Il carbone, in particolare, per la sua caratteristica di materia prima fortemente perdente peso, doveva costituire, per oltre un secolo, il vincolo fondamentale nelle scelte di localizzazione dell'industria, dando vita ad agglomerazioni urbane sui giacimenti carboniferi europei (Gran Bretagna, Francia di NE, Belgio-Lussemburgo, Ruhr, Slesia, Ucraina, ecc.) e americani (regione appalachiana), ma anche indiani, sudafricani, australiani. A cavallo fra i sec. XIX e XX l'avvento dell'energia idroelettrica segnò una prima attenuazione della dipendenza geografica tra sviluppo economico e ubicazione delle fonti di energia, soprattutto da quando, mediante le centrali di trasformazione, fu possibile trasmetterla su distanze relativamente lunghe e, così, trasferirla dalle zone montane, dove si trovano le maggiori cadute naturali di acqua, alle città situate in pianura o sulle coste, dove più agevole risulta l'approvvigionamento di materie prime per le trasformazioni industriali. Ma una fase ancora più decisiva per l'utilizzazione dell'energia in forme rinnovate, fu rappresentata dalla cosiddetta “seconda rivoluzione industriale”: a partire dai primi decenni del sec. XX, al classico binomio carbone-macchina a vapore si veniva a sostituire il binomio petrolio-motore a scoppio, che portava all'avvento prorompente dell'automobilismo e, quindi, a una radicale modificazione delle strutture insediative, con la formazione di vaste aree urbanizzate e la localizzazione maggiormente diffusa delle industrie. Il petrolio, come fonte primaria, presentava due vantaggi fondamentali: la modesta perdita di peso (inferiore al 10%) nel passaggio dal greggio a una sempre più ampia gamma di derivati ottenuti attraverso i processi di raffinazione e la facilità maggiore di estrazione, con limitato impiego di manodopera e costi sociali, di conseguenza, abbattuti in misura nettissima. Ciò consentiva lo sfruttamento di giacimenti ubicati anche a grandissima distanza dalle aree urbano-industriali, mediante tecniche di trasporto in condotta o su vettori marittimi (petroliere) dalle dimensioni crescenti e tali da consentire formidabili risparmi sui costi unitari. Gli effetti risaltano vistosamente da un semplice confronto: mentre lo sfruttamento delle fonti primarie di energia aumentava globalmente, fra il 1920 e il 1950, dell'80% ca. (con una triplicata incidenza del petrolio: dal 9,5 al 28,5% del totale), il corrispondente incremento della produzione di elettricità risultava pari a quasi sette volte (da 123 a 958 milioni di kWh). Il secondo dopoguerra vedeva un'ulteriore accelerazione, con ritmi esponenziali, dell'estrazione petrolifera: da 537 milioni di t nel 1950 a 2,9 miliardi di t nel 1973 (con una variazione relativa del 435%, contro l'80% fatto registrare dal carbone), quando la crisi determinata da una brusca sterzata – verso il rialzo dei prezzi e la limitazione dei quantitativi – nella politica economica dell'OPEC (l'Organizzazione dei Paesi produttori) evidenziava drammaticamente l'eccessivo squilibrio venutosi a creare, nei Paesi industrializzati, fra consumo e produzione di energia. Tornava così ad accrescersi l'interesse per il carbone, ma soprattutto per il nucleare e le fonti rinnovabili, mentre la domanda di petrolio tendeva a diminuire, provocando, nella stessa OPEC, divergenze circa le strategie più opportune da adottare, anche per contrastare la imprevista concorrenza del greggio estratto dal Regno Unito nel Mare del Nord. Le ripercussioni sulla struttura dei consumi mondiali di energia non hanno tardato a farsi avvertire. Dopo una pur lieve flessione complessiva della produzione nel 1975 (5691 megatep=milioni di t di petrolio equivalente; –0,7% nei confronti dell'anno precedente), il totale ha ripreso a salire fino a 6600 megatep nel 1979 e, superata una nuova crisi nel 1980-81, a quasi 9000 megatep all'inizio degli anni Novanta e a oltre 10.000 megatep dell'inizio del sec. XXI. L'incidenza del petrolio, tuttavia, è scesa dal 48% del 1973 al 33%, diminuzione compensata dal gas naturale (dal 10 al 19%) e dall'energia nucleare (dall'1,5 al 16%), mentre il carbone (56% nel 1950) ha oscillato, nel periodo, fra il 27 e il 21%; le risorse rinnovabili tradizionali, infine, si attestano intorno all'11%, con un sostanziale ristagno dell'energia idroelettrica e geotermoelettrica, cui fa riscontro il notevole ritorno della legna da ardere specie nei Paesi sottosviluppati, a costo peraltro di massicci disboscamenti. In questo contesto una particolare attenzione viene rivolta alle risorse rinnovabili. La direttiva europea 96/92 EC, recepita anche nella legislazione italiana (decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79) al fine di ridurre i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera in ottemperanza alle indicazioni del protocollo di Kyōto (1997), definisce come fonti rinnovabili quelle solari, geotermiche, eoliche e quelle ottenute dalla trasformazione dei prodotti vegetali, organici e inorganici e convertite in energia elettrica. Il decreto, aggiornato nel 2004, fa obbligo agli operatori che immettono in rete più di 100 GWh all'anno di energia elettrica che almeno il 2% di essa provenga da fonti rinnovabili; la percentuale deve aumentare dello 0,35% ogni anno. Agli operatori che producono o importano energia ottenuta da fonti rinnovabili vengono rilasciati dal Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale (GRTN) i cosiddetti certificati verdi. Quanto al nucleare, l'effetto socio-psicologico di incidenti conclamati (per esempio, quello di Černobyl) o sospettati ha fatto sì che alcuni Paesi, fra cui l'Italia, ne abbiano almeno temporaneamente revocato l'opzione, mentre altri (per esempio la Francia, con il 70% della produzione di energia elettrica da centrali nucleari) affidano a questa fonte il riequilibrio della propria bilancia energetica. Nuovi scenari potrebbero aprirsi, comunque, a seguito dei progressi compiuti dalla ricerca scientifica nel campo dell'energia, combinati con i modelli di decentramento residenziale e di riconversione industriale sperimentati, per tendenze generalmente spontanee, dai Paesi a economia matura e favorevoli all'impiego di fonti e tecnologie energetiche di portata tipicamente locale (gas naturale, aerogeneratori, pannelli solari). Per quanto, invece, riguarda le previsioni di sviluppo della domanda mondiale, si deve tenere conto del fatto che le aree più depresse del mondo fanno registrare consumi limitati di energia (Africa sub sahariana, sud dell'Asia), mentre in prospettiva la crescita del livello di vita, l'urbanizzazione e l'industrializzazione porteranno la domanda energetica di tali Paesi a livelli vicini a quelli dei principali consumatori. In particolare, si stima che il consumo mondiale di energia raddoppierà (o addirittura triplicherà) entro il 2050. Lo sviluppo di fonti di energia rinnovabile è quindi auspicabile soprattutto nei Paesi in via di sviluppo, in quanto non comporta costi di trasporto, è favorito dalle condizioni atmosferiche di sole e vento tipiche delle zone geografiche interessate.

Bibliografia

Per la fisica

S. S. L. Chang, Conversion de l'énergie, Parigi, 1966; A. Einstein, L. Infeld, L'evoluzione della fisica, Torino, 1967; F. Selleri, Che cos'è l'energia, Roma, 1988.

Per le fonti e le utilizzazioni

W. W. Behrens III, The Dynamics of Natural Resource Utilization, Denver (Colorado), 1971; G. Righini, G. Nebbia, L'energia solare, Milano, 1971; F. Accinni, G. Cavalleri, Energia per il futuro, Milano, 1972; F. Ippolito, Energia. Ieri, oggi e domani, Roma, 1989.