Appunti di Macchine

Il problema energetico

Nella fisica classica, l'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la misura di questo lavoro è a sua volta la misura dell'energia. Dal punto di vista strettamente termodinamico, l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.

Il concetto di energia nasce, nella meccanica classica, dall'osservazione sperimentale che la capacità di un sistema fisico di sviluppare una forza decade quando il sistema stesso stabilisce un'interazione con uno o più sistemi mediante la stessa forza. In questo senso, l'energia può essere definita come una grandezza fisica posseduta dal sistema che può venire "consumata" per generare una forza. Dal momento che l'energia posseduta da un sistema può essere utilizzata dal sistema stesso per produrre più tipi di forze, si definisce una seconda grandezza, il lavoro appunto, che definisce il consumo di energia in relazione al processo fisico mediante il quale la forza è stata generata.

La parola energia deriva dal tardo latino energīa, a sua volta dal greco (energheia), termine usato da Aristotele nel senso di azione efficace, composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire.

Forme di energia

L'energia esiste in varie forme, ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Le principali forme di energia sono:

• Energia meccanica, definita classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica
• Energia chimica
• Energia biologica
• Energia elettrica
• Energia elettromagnetica
• Energia luminosa o radiante
• Energia termica
• Energia nucleare

Si parla di conversione quando si passa da una forma di energia ad un'altra, mentre si parla di trasformazione quando la forma di energia resta la stessa, ma se ne modificano alcuni parametri caratteristici. Ogni volta che avviene una conversione una parte di energia (più o meno consistente) viene inevitabilmente trasformata in energia termica (cioè si produce calore); si parla in questo caso di "effetti dissipativi".

Il principio di conservazione dell’energia afferma che l'energia non si crea e non si distrugge, bensì si trasforma e si degrada, di conseguenza l'energia, come la massa, può essere definita una grandezza conservativa. La celebre equazione di Einstein E=mc², diretta derivazione della Teoria della relatività ristretta, mostra come in realtà massa ed energia siano due "facce della stessa medaglia" di un sistema fisico. Da questa semplice equazione si evince infatti che la massa può essere trasformata in energia e viceversa; quindi, la massa può essere considerata una forma di "energia condensata".

Quindi, considerando anche il principio di conservazione della massa, i due principi fisici possono essere fusi in un principio unico sotto la denominazione di principio di conservazione della massa/energia.

L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (simbolo: J), chiamata così in onore del fisico inglese James Prescott Joule e dei suoi esperimenti sull'equivalente meccanico del calore. 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il lavoro effettuato) per esercitare la forza di un newton per la distanza di un metro.

Impatto dell'energia sulla Terra

L'energia, oltre a pervadere l'Universo, ha un grosso impatto sulla Terra: in ambito biologico l'energia dà vita al mondo degli essere viventi permettendone le loro molteplici attività, mentre in ambito tecnologico permette, tramite il suo sfruttamento a livello industriale, la trasformazione di materie prime in prodotti o beni finali o direttamente la fornitura di servizi utili all'uomo e alla società.

La società moderna è dunque estremamente dipendente dall'energia (nelle sue forme di energia meccanica, energia elettrica, energia chimica, energia termica) in tutti i suoi processi produttivi e gestionali (es. autotrazione, trasporto marittimo e aereo, riscaldamento, illuminazione, funzionamento apparecchiature elettriche, processi industriali ecc.). Grande interesse e preoccupazione riveste dunque il problema energetico globale riguardo l'esaurimento nel tempo delle fonti fossili, la principale fonte di energia primaria il cui utilizzo intensivo ha permesso il notevole sviluppo economico dalla prima rivoluzione industriale fino ai giorni nostri.

La qualità della vita dell’uomo fin dagli albori è sempre stata legata alla disponibilità di energia. Pertanto, in tutta la sua storia, l’homo sapiens ha concentrato grandi sforzi nella ricerca di fonti energetiche partendo dalla disponibilità della propria forza muscolare, passando attraverso l’addomesticamento di animali, la sopraffazione dei propri simili, l’utilizzazione di fonti naturali quali acqua e vento, fino alla realizzazione di sistemi di conversione dell’energia potenziale chimica contenuta nei combustibili.

A tutt’oggi, le fonti energetiche più largamente usate per la produzione di energia elettrica e meccanica sono le fonti fossili (carbone, petrolio e gas naturale) anche se una quota di energia elettrica viene prodotta mediante l’uso di combustibile nucleare e da fonti rinnovabili. Negli ultimi anni, la consapevolezza dell’esauribilità delle fonti e la valutazione attenta dei danni ambientali che la produzione di energia sta causando, hanno indotto i governi dei paesi più industrializzati ad un approccio più responsabile al problema energetico.

Infatti, le politiche per l’energia stanno assumendo un ruolo sempre più rilevante, non solo nei Paesi maggiormente industrializzati, ma anche in quelli di più recente industrializzazione che presentano le maggiori crescite del PIL, quali ad esempio la Cina. L’impennata dei prezzi del petrolio è stata certamente uno degli elementi che hanno contribuito a sensibilizzare l’attenzione dei governi sul problema energetico, ma la necessità di garantire la sicurezza degli approvvigionamenti in una situazione geopolitica sempre più turbolenta, nei Paesi con le principali riserve energetiche, ha certamente giocato un notevole ruolo.

Fabbisogno di energia

La domanda di energia nel 2050 triplicherà rispetto ai valori attuali. I motivi principali di questo aumento saranno:

• Il generale aumento della popolazione terrestre
• L’aumento della popolazione che vivrà nei centri urbani
• L’aumento generale del benessere (oggi circa 2 miliardi di persone non hanno accesso a rifornimenti commerciali di energia)
• La crescita “esplosiva” della richiesta di energia da parte dei paesi in via di sviluppo (attualmente, ad esempio il consumo pro capite di Cina ed India è circa un decimo di quello degli USA)

Attualmente circa 2 miliardi di persone non dispongono di accesso ai moderni servizi energetici, sono generalmente povere, vivono in aree rurali e fanno affidamento alla combustione della legna e delle biomasse per cucinare, scaldare, ed illuminare le proprie abitazioni.

Il trend della domanda di energia

Negli ultimi decenni, il trend della domanda di energia ha subito un’impennata legata alla crescente richiesta dei paesi in via di sviluppo come, ad esempio, la Cina che tra il 2003-2008 ha incrementato il suo consumo energetico di circa il 63%. In figura 1 è riportato l’andamento dei consumi energetici mondiali tra il 1965 e il 2008.

Consumi energetici mondiali

Figura 1. Consumi energetici mondiali anni 1965-2008 (fonte www.bp.com)

Le figure 2 e 3 mostrano rispettivamente la ripartizione dei consumi di energia primaria per area geografica al 2008 ed il loro incremento nel quinquennio 2003-08. Dalla figura 2 si può notare come i consumi dei Paesi in via di sviluppo abbiano ormai raggiunto quelli dei paesi più industrializzati, dati confermati dall’analisi degli incrementi dei consumi riportati in figura 3.

Consumi di energia primaria per area geografica

Figura 2. Consumi di energia primaria per area al 2008 (fonte www.bp.com)

Figura 3. Incrementi dei consumi di energia primaria 2003-2008 (fonte www.bp.com)

In figura 4 è riportata la domanda di energia mondiale in funzione delle fonti disponibili per gli anni 2006 e 2008 e la proiezione al 2020.

Domanda di energia nel mondo per fonte e proiezione al 2020

Figura 4. Domanda di energia nel mondo per fonte e proiezione al 2020 (dati IEA-2008)

Il petrolio rappresenta il 38% della domanda energetica mondiale, il carbone il 26% e il gas naturale il 22%. Il restante 14% è costituito da energia elettrica primaria da nucleare e idroelettrico (9%), biomassa e rifiuti (4%) e altre rinnovabili (1%).

Tabella 1. Consumi finali di energia (MTep)

In figura 5 è indicata la ripartizione percentuale dei consumi finali mondiali di energia per fonte e per area geografica.

Ripartizione dei consumi finali di energia per fonte al 2006 e per area geografica

Figura 5. Ripartizione dei consumi finali di energia per fonte al 2006 e per area geografica (fonte ENEA)

Le fonti energetiche

Quantificare quale sia la reale disponibilità di una fonte energetica è funzione sia dei costi ritenuti “accettabili” per il suo approvvigionamento, sia dei costi (non soltanto economici) ritenuti accettabili per ciò che concerne l’impatto ambientale dovuto al suo ottenimento.

D’altro canto, è impossibile stimare quale sia il reale costo di una fonte energetica senza considerare la sua disponibilità (soprattutto in funzione di quella delle altre possibili fonti) e le eventuali spese che è necessario sostenere per contenere entro limiti accettabili il suo impatto ambientale.

Affinché una fonte di energia primaria sia sfruttabile deve essere:

• Accumulabile
• Trasportabile
• Frazionabile
• Continua e regolabile

Una fonte di energia è tanto più pregiata quanto migliori sono le caratteristiche sopra indicate. Le fonti che attualmente soddisfano tali requisiti sono quella fossile e quella nucleare, mentre sono evidenti le difficoltà in tal senso di quelle rinnovabili come il solare, l’eolico, e le biomasse. La fonte idraulica, pur essendo rinnovabile, parzialmente possiede le caratteristiche precedentemente menzionate.

In figura 6 sono elencate le fonti energetiche disponibili ed il loro possibile impiego nella conversione dell’energia. Si può notare come l’idrogeno sia un combustibile derivato e quindi non classificabile come fonte primaria ma come “vettore energetico”. In figura, inoltre, è tracciato il percorso relativo all’uso delle fonti primarie finalizzato alla conversione del loro contenuto energetico attraverso i diversi sistemi.

Fonti energetiche disponibili e relative conversioni

Figura 6. Fonti energetiche disponibili e relative conversioni

Ad esempio, la produzione di energia elettrica dai combustibili fossili passa attraverso la generazione di energia termica ottenuta mediante un processo di combustione fonte di impatto ambientale atmosferico, mentre la stessa produzione di energia elettrica da energia rinnovabile (solare, geotermica, eolica, idraulica) è possibile attraverso sistemi di conversione a basso impatto ambientale.

La figura 7 mostra la distribuzione della produzione mondiale di energia per fonte.

Produzione di Energia per fonte al 2006, MTep

Figura 7. Produzione di Energia per fonte al 2006, MTep (dati ENEA)

Le fonti energetiche primarie esauribili

Come già sottolineato, le fonti energetiche più diffusamente impiegate nei sistemi di produzione dell’energia sono le fonti fossili.

Il Petrolio

Il petrolio è ancora la fonte energetica più largamente utilizzata, poiché il settore di impiego principale, il trasporto, è estremamente energivoro, con rendimenti medi di conversione più bassi rispetto ai rendimenti medi di conversione dei sistemi dedicati alla produzione di energia elettrica.

In figura 7 è riportata la ripartizione delle riserve accertate, da cui risulta che i Paesi mediorientali detengono il 59.1 % delle riserve mondiali. Agli attuali consumi, come indicato in tabella 1, la vita media delle riserve mondiali è stimata in 42 anni.

Tabella 2. Vita stimata delle riserve (2008)

Dal grafico dell’andamento del prezzo del barile, riportato in figura 8, si può facilmente dedurre come la problematica energetica non sia legata solo all’eventuale difficoltà di approvvigionamento del combustibile ma anche al suo costo sul mercato.

Figura 8. Andamento annuo medio del prezzo del barile di petrolio tipo Brent

Figura 8. Andamento annuo medio del prezzo del barile di petrolio tipo Brent, (fonte Platts)

Il Gas Naturale

Il Gas Naturale, rispetto agli altri combustibili fossili, è una fonte a basso impatto ambientale per quanto riguarda le emissioni di CO₂, in quanto la sua molecola contiene un atomo di carbonio per quattro atomi di idrogeno. Questa caratteristica ne ha favorito negli ultimi anni un diffuso impiego, trascurando, a volte, un uso più razionale delle fonti disponibili. Pertanto il trend dei consumi relativo al gas naturale ha seguito velocemente quello dei prodotti petroliferi.

Tabella 3. Vita stimata delle riserve (2008)

La figura 9 riporta le riserve di gas naturale accertate sulla base degli attuali consumi. Agli attuali consumi, come indicato in tabella 2, la vita media delle riserve mondiali è stimata in circa 60 anni.

Figura 9. Riserve di Gas naturale per area geografica al 2008

Figura 9. Riserve di Gas naturale per area geografica al 2008 (fonte www.bp.com)

In figura 10 è illustrato l’andamento medio annuo del prezzo del gas naturale nell’Unione Europea. Come per le altre fonti fossili, anche il prezzo del gas naturale presenta, negli ultimi anni, un trend crescente.

Figura 10. Andamento medio annuo del prezzo del gas naturale