Fonti energetiche e sviluppo sostenibile - Descrizione

Problema energetico

L’energia è indispensabile per la vita e importante per lo sviluppo economico e sociale dell’umanità. Ma la produzione e il consumo non ci devono mettere in pericolo. Il modello di sviluppo industriale odierno ha portato ad un abuso di risorse energetiche fossili. Per anni si è creduto che l’unico modello possibile fosse legato alla continua produzione energetica. Ma è insufficiente per:
• La limitatezza delle risorse energetiche;
• L’inquinamento ambientale legato alla produzione e al consumo energetico.
Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
Documento scritto dai Capi di Stato che definisce gli impegni sullo sviluppo sostenibile da compiere entro il 2030, diviso in 17 obbiettivi. Per sviluppo sostenibile si intende lo sviluppo che può soddisfare i bisogni delle generazioni odierne non compromettendo quelle future.

Sostenibilità ambientale e energetica

Nel 2050 la Terra ospiterà circa 9 miliardi persone, la maggior parte povere. La Terra è un ecosistema chiuso: le sue risorse sono limitate. Consumiamo petrolio più di quanto riusciamo a estrarre, inquinando di più l’ambiente. Occorre una strategia globale sostenibile che assicuri risorse ed energia a tutti i popoli rispettando i limiti dell’ecosistema.
Una strategia globale per lo sviluppo sostenibile
I paesi poveri chiederanno quantità maggiori per una vita dignitosa. I paesi sviluppati dovranno ridurre i consumi, modificare gli stili di vita, applicare le conoscenze e le tecnologie per trovare nuove soluzioni.

Le fonti di energia

Le fonti di energia sono risorse che la natura mette a disposizione per produrre energia adatta a svolgere un lavoro. Sono divise in:
• Primarie: si trovano in natura.
• Rinnovabili: poco sfruttate, con impatto ambientale minimo, maggiore sostenibilità, risparmio energetico. Sono:
• Sole;
• Vento;
• Acqua;
• Geotermia;
• Biomassa.
• Non rinnovabili: molto sfruttate, con grande impatto ambientale, rischio di esaurimento. Sono:
• Petrolio;
• Carbone;
• Metano;
• Uranio.
• Secondarie: derivano dalle primarie, attraverso trasformazioni.

Rinnovabili

Scorrimento delle acque: energie idrica. Venti: energia eolica. Biomasse: energia da biomasse. Irraggiamento solare: energia solare diretta.

Non rinnovabili

Carbone, petrolio, gas naturale (metano): energia termica. Minerai di uranio: energia nucleare.
Fonti non rinnovabili = esauribili

Combustibili fossili

• Bruciano in presenza d’ossigeno comburente, producendo calore;
• Contengono energia stabilizzata nella propria massa;
• Risalgono ad antichi periodi geologici.
Sono fonti esauribili visto che i processi per la loro formazione sono troppo lunghi per aspettare la produzione di nuove sorgenti. Comunque sono la fonte più sfruttata al mondo anche se si cerca di sostituirli con fonti rinnovabili.
Le energie fossili si sono formate per l’accumulo e decomposizione di materia organica vegetale e animale. In profondità, in particolari condizioni di temperature e pressione nel corso degli anni, la materia organica genera sostanze solide (carbone), liquide (petrolio) e gassose (metano), che bruciano e producono grandi quantità di energia. Sono usati direttamente e trasformati. Carbone, metano e petrolio, sono energia del sole immagazzinata nella Terra sotto forma di legami chimici. Dopo un’azione di innesco bruciano, reagiscono. I legami chimici si spezzano formando: ossigeno (elemento comburente) e altri legami chimici. Nella trasformazione il combustibile genera anidride carbonica e acqua liberando grandi quantità di energia: l’energia chimica diventa energia termica. Il loro consumo compromette la sostenibilità del modello sostenibile.

Petrolio

Il petrolio è la fonte di energia più sfruttata al mondo. Costituita da idrocarburi, è un liquido denso scuro che è nato da masse di plancton rimaste sommerse e da rocce sedimentarie. Per la pressione, si sono trasformate in idrocarburi. È usato dividendolo nei suoi componenti (benzina). I prodotti petroliferi sono la fonte principale di inquinamento. La combustione di benzina emette il monossido di carbonio, idrocarburi non bruciati e composti dell’azoto. La combustione del gasolio emette particelle tossiche e composti dello zolfo, che causano le piogge acide.
• Vantaggi: resa energetica alta.
• Svantaggi: non distribuito equamente, inquinante, limitato.

Carbone

Il carbone è una roccia sedimentaria formata da:
• Carbonio, materiale organico che brucia e fornisce calore e anidride carbonica;
• Il restante materiale inorganico, costituito da sali argillosi che, con la combustione, diventano sostanze volatili inquinanti e ceneri.
Il carbone è il più inquinante, emette nell’aria anidride solforosa, ossidi di azoto, polveri sottili, anidride carbonica e monossido di carbonio. Oggi è in disuso tranne che nei paesi in via di industrializzazione o nelle centrali idroelettriche.
• Vantaggi: disponibilità in diversi aree del pianeta, costo basso, facilmente trasportabile, le centrali elettriche a carbone possono essere costruite ovunque;
• Svantaggi: pericoloso per la salute, molto inquinante.

Metano - gas naturale

Il metano è incolore e inodore e pesa circa la metà dell’aria a parità di volume. È formato in prevalenza da metano e da altri idrocarburi gassosi. Il passaggio allo stato liquido avviene diminuendo la temperatura o aumentando la pressione. Nasce insieme al petrolio (deriva dalla fossilizzazione di organismi animali in ambiente lagunare anaerobico) ma ha un minore potere calorifico. Si trova negli stessi pozzi del petrolio, o del carbone o da solo in giacimenti di gas. Il metano viene estratto con trivellazioni e trasportato all’utenza finale mediante enormi tubature (metanodotti), rappresentano pericolo a causa di fughe di gas e esplosioni. È usato in ambito domestico, essendo meno inquinante. Il metano non contiene zolfo e con la combustione non produce anidride solforosa, ma produce anidride carbonica che, unita alle perdite di gas, contribuisce all’effetto serra. Rispetto alle attività dell’uomo, il metano è prodotto dagli allevamenti intensivi, dalle discariche , dai fiumi delle centrali e, naturalmente, dalla decomposizione di sostanze organiche in zone paludose, incendi e eruzioni vulcaniche.
• Vantaggi: meno dannoso;
• Svantaggi: difficoltà di trasporto.
Fonte non rinnovabile “alternativa”: l’uranio
L’uranio è un metallo bianco-argenteo, tossico e radioattivo ad elevato peso specifico che si estrae da rocce granitiche, giacimenti in profondità dei fondi oceanici. Si ricava dall’uranite. Isotopo dell’uranio (nuclei con stesso numero di protoni e diverso di neutroni): • uranio 238: non fissile; • uranio 235: fissile. Radioattivo e si presta maggiormente al fenomeno della fissione nucleare per la produzione dell’energia.
L’uranio viene usato nel settore civile, come combustibile nei reattori delle centrali elettronucleari, e militare, per costruire armi nucleari. Le centrali nucleari non emettono anidride carbonica ma ci sono altri rischi:
• Incidente al reattore con fuga di materiale radioattivo che si disperde nell’aria, per poi ricadere inquinando il terreno e l’esposizione alle radiazioni provoca leucemia e tumori;
• Smaltimento delle scorie radioattive che potrebbero inquinare il terreno dove sono sepolte, problema solo definito con siti provvisori.

Energia nucleare

L’energia nucleare che si ottiene dall’atomo è l’energia che si libera nelle reazioni che coinvolgono le particelle del nucleo.
Per ricavare energia dal nucleo esistono due procedimenti:
• La fissione (divisione) di un nucleo pesante, come l’uranio. “Reazione nucleare a catena controllata” un neutrone è “sparato” contro un nucleo di Uranio 235 che si spacca in due nuclei più leggeri e libera altri neutroni. Una piccola parte di materia sparisce e si trasforma in energia. Se accanto al primo atomo di uranio 235 ce ne sono altri e si può ottenere una reazione a catena.
• La fusione (unione) consiste nell’unire due nuclei leggeri come l’idrogeno per formarne uno pesante. Il processo è analogo a quello che avviene nel sole e nelle stelle. Comporta la formazione di una grandissima quantità d’energia.
Le conseguenze dei cambiamenti climatici
I combustibili sono stati la principale fonte di produzione di elettricità, ma i processi di combustione producono gas tossici, portando ad alterare l’equilibrio atmosferico, e diossido di carbonio che contribuisce all’effetto serra. La CO2 è un composto naturale ed è parte di cicli naturali: una volta generata contribuisce all’effetto serra naturale (fenomeno di termoregolazione naturale della Terra) che permette condizioni termiche idonee alla nascita e al mantenimento della vita, mantenendo la temperatura più omogenea e costante sulla crosta terrestre. Dalla metà del 1800 le attività hanno fatto si che questo gas si accumulasse in atmosfera, accentuando l’effetto serra e causando un riscaldamento del clima, che porta squilibri nel comparto atmosferico, idrico e biologico, con conseguenze rilevanti sull’uomo e sull’economia.
Sostenibilità energetica
L’inquinamento è aumentato.

Soluzione

Intensificare e finanziare lo studio e l’utilizzo di energia alternativa. La disponibilità energetica, il costo e l’impatto ambientale influenzano lo sviluppo della comunità. Le scelte energetiche, per essere sostenibile, devono mirare ad un uso razionale dell’energia, all’impiego di fonti rinnovabili che creino il minor danno ambientale e al risparmio energetico.

Fonti energetiche rinnovabili

Con energie rinnovabili si intende forme di energia:
• Prodotte da fonti che si rigenerano con quasi la stessa velocità con cui le consumiamo;
• Non esauribili nei tempi umani, il cui uso non pregiudichi la disponibilità di risorse naturali per le generazioni future (sfruttamento di processi fisici naturali).
Sono fonti di energia alternative ai fossili. Molte sono anche pulite.

Energia solare

L’energia solare è l’energia prodotta sfruttando l’energia irraggiata dal Sole. L’energia che arriva è circa 10.000 volte maggiore dell’energia che produciamo, ma essendo poco concentrata si riesce a ricavarne una quantità significativa solo se le aree dove costruiscono centrali sono molto grandi ed è complicato da convertire, è molto costoso, rendendola poco conveniente. Le radiazioni solari sono sfruttate con:
• Pannelli solari termici per produrre acqua calda;
• Pannelli solari fotovoltaici per produrre energia elettrica.
• Vantaggi; abbondante, rinnovabile, pulita;
• Svantaggi; discontinua, bassa concentrazione, costo elevato.

Energia eolica

L’energia eolica è l’energia ricavata dalla conversione della forza cinetica del vento in energia meccanica e elettrica. È disponibile direttamente sotto forma di energia meccanica trasformabile in energia elettrica tramite la centrale eolica. In passato l’energia del vento è veniva usata come energia motrice per applicazioni industriali e pre-industriali (mulini a vento). È stata la prima fonte rinnovabile scoperta dall’uomo.
• Vantaggi: rinnovabile, pulita, non verifica variabilità dei costi;
• Svantaggi: inquinamento acustico, non è costante, impatto paesaggistico, occupa grandi spazi e mette in pericolo flora e fauna.

Energia geotermica

L’energia geotermica è l’energia contenuta all’interno della Terra sotto forma di calore che si propaga in superficie. Nasce dai processi di decadimento nucleare, e dalla conseguente liberazione di energia, di isotopo radioattivi (uranio, torio, potassio). La sua propagazione verso la superficie è detto “flusso geotermico”, è costante e inesauribile. Verso il nucleo della Terra la temperatura aumenta secondo il gradiente geotermico (circa 3° ogni 100m), questo incremento della temperatura può variare sensibilmente a seconda della situazione geologica (dove le forze geologiche spostano in superficie le masse magmatiche con vulcani, geyser, fumarole, ecc.) e dallo spessore della litosfera. Quando il gradiente è più elevato siamo in presenza di aree di anomalia termica dove si accumula l’energia, che può essere sfruttato come sistema geotermico. Il vapore viene recuperato in speciali vapordotti che lo portano dai luoghi di produzione a quelli di utilizzo (centrali). Dall’inizio del 900 l’Italia sfrutta il calore della Terra per produrre energia elettrica. La produzione di energia elettrica dalla geotermia è concentrata in Toscana. Nel 1904 a Lardello è stato installato il primo impianto geotermico al mondo.
• Vantaggi: rinnovabile, pulita;
• Svantaggi: aree specifiche, le centrali emanano cattivo odore e sono antiestetiche.

Energia idroelettrica

L’energia idroelettrica sfrutta la trasformazione dell’energia potenziale gravitazionale. Oggi usufruiamo del suo movimento, per un lavoro o per ricavarne energia elettrica da utilizzare o trasportare. L’energia idroelettrica è ricavata dal corso dei fiumi e dei laghi grazie alla creazione di dighe e condotte forzate.
• Vantaggi: rinnovabile, non comporta emissioni, bassi costi di produzione, veloce attivazione e disattivazione delle centrali, con l’uso di saracinesche idrauliche.
• Svantaggi: impatto ambientale, danni all’habitat naturale di flore e fauna, rischio disastri ambientai, progresso interramento dei bacini di accumulo.

Energia mareomotrice

È l’energia prodotta sfruttando le maree. L’idea di sfruttare quest’energia nacque nell’antichità, con lo sfruttamento di “mulini a marea”. Durante l’alta marea l’acqua veniva raccolta in un bacino che veniva poi chiuso; con la bassa marea l’acqua è fatta defluire attraverso un canale, alimentando la ruota a pale che metteva in movimento una macina per la molitura dei cereali.

Energia del moto ondoso

Sono state sperimentate varie tecniche per ottenere energia elettrica sfruttando il movimento delle onde. Oggi i generatori a flusso di marea, cioè pale eoliche subacquee che catturano le onde indirizzandole verso una turbine. Vengono posizionati in punti strategici, dove l’acqua raggiunge velocità considerevoli e in cui le onde non compiono tragitti in una direzione, ma un ciclo di andata e ritorno, permettendo un duplice sfruttamento.
• Vantaggi: rinnovabili, emissioni zero, affidabile e prevedibile;
• Svantaggi: impatto ambientale, elevato costo per le istallazioni, limitata, difficoltà di manutenzione.

Energia delle biomasse

Biomassa: sostanza organica prodotta dalla fotosintesi clorofilliana. La maggior parte sono di origine vegetale. Le più importanti sono: residui forestali, scarti dell’industria di trasformazione del legno, di aziende zootecniche, di industrie agroalimentari, mercantili e rifiuti solidi urbani. La biomassa utilizzabile ai fini energetici non contribuisce all’effetto serra, perché l’anidride carbonica rilasciata durante la combustione è la stessa che è stata assorbita durante la crescita della biomassa stessa (queste emissioni fanno parte del ciclo carbonico). L’uso della biomassa è vantaggioso perché permette di usare come materia prima i rifiuti di altri processi di trasformazione per produrre un gas combustibile (biogas). Può essere usato come combustibile per il riscaldamento degli edifici, o per produrre energia elettrica: i rifiuti possono essere usati come fertilizzanti. Le biomasse sono ampiamente disponibili, e sono risorse primarie pulite e rinnovabili, purché vengano impiegate a un ritmo minore alla capacità di rinnovamento biologico.
• Vantaggi: energia rinnovabile, riduce dipendenza combustibili fossili, risorsa ecosostenibile, riforestazione, continuità nell’erogazione;
• Svantaggi:può non essere completamente pulita quando viene bruciata, carenza di spazi per la coltivazione, deforestazione, costo del processo.

Energie per il futuro

Le fonti fossili si stanno esaurendo, hanno costi maggiori e impatto ambientale sempre più grave. Le fonti di energia future dovranno mitigare gli effetti del cambiamento climatico, senza produrre sostanze nocive, contribuendo alla riduzione della dipendenza da fonti estere.

L’idrogeno per lo sviluppo di un sistema energetico sostenibile

L’idrogeno non è una fonte primaria di energia, ma un vettore (non si trova in natura allo stato puro, ma si ottiene attraverso processi fisico-chimici). Si può produrre dai combustibili fossili attraverso un processo termochimico, o può essere prodotto per elettrolisi dell’acqua (scissione di idrogeno e ossigeno). Produce un inquinamento quasi nullo. Se si utilizzano i combustibili fossili, i vantaggi si quasi azzerano; se lo otteniamo per elettrolisi dell’acqua, impiegando fonti di energia rinnovabili, rappresenta un’opportunità per diminuire l’inquinamento. È usato dal 1996 come carburante per auto o altri veicoli. Potrebbe sostituire le fonti fossili per produrre energia elettrica nelle centrali termoelettriche. Ma l’idrogeno è infiammabile, esplode facilmente, poi dovrebbe essere immagazzinato, trasformato e utilizzato in forma liquida, ma per liquefarlo servono temperature molto basse, quindi consumare molta energia. La ricerca tecnologia sta studiando come produrlo, immagazzinarlo e distribuirlo in modo efficace.

I reattori a fusione, uno sguardo al futuro

L’evoluzione della ricerca fa sperare alla produzione energetica sfruttando la fusione nucleare. Essa avviene in tutte le stelle e consiste nell’unione di nuclei di atomo di idrogeno per formare atomi di elio. In quella “terrestre” si pensa di sfruttare la fusione tra due isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio). Una parte della massa iniziale si trasforma in energia. Il rendimento della fusione è circa 8 volte quello della fissione, ma la essa può avvenire solo portando il combustibile oltre i 100 milioni di gradi, e non ci sono contenitori in grado di sopportarle, poi bisogna controllare modalità ed effetti della reazione. Comunque avrebbe grandi vantaggi, come la disponibilità di combustibile e la quantità limitata si scorie radioattive.