Appunti Materie Prime e Risorse Energetiche

Materie prime e risorse energetiche

Con materie prime si intendono tutte le componenti materiali dell’ambiente. Una risorsa è un qualunque bene esistente in natura utilizzabile dall’uomo per soddisfare i propri bisogni. Le riserve sono invece la parte delle risorse sfruttabili con i mezzi e le tecnologie disponibili in quel momento storico. Le risorse non sono equamente distribuite nel pianeta e molte di esse sono esauribili o, anche se rinnovabili, possono deteriorarsi a causa dell’intervento umano.

Le risorse non rinnovabili sono disponibili sul pianeta in quantità limitata e con tempi di ricostituzione molto lunghi. I tempi di utilizzo di queste risorse possono essere prolungati, se l’uso avviene in modo razionale e se si provvede al riciclaggio dei materiali utilizzati. Le risorse rinnovabili risultano invece sempre disponibili in quanto collegate ai cicli della materia, che ne provocano un rapido rinnovamento. La loro utilizzazione può essere compromessa da un uso irrazionale da parte dell’uomo.

Risorse ambientali

Le risorse ambientali possono essere sia rinnovabili, come acqua e vento, che esauribili, come il suolo. L’acqua è una risorsa limitata ma rinnovabile, grazie al suo ciclo incessante. La sua distribuzione nel mondo non è uniforme, ma le moderne tecnologie hanno permesso di portare questa preziosa risorsa anche dove non è presente in modo naturale. Il suolo è un magazzino di elementi nutritivi che l’uomo sfrutta per le attività agricole e, per via della velocità di formazione inferiore a quella di degradazione, risulta una risorsa limitata e non rinnovabile.

La vegetazione è la risorsa rinnovabile per eccellenza perché, tramite l’energia solare e la fotosintesi clorofilliana, produce continuamente nuova biomassa e rigenera l’ossigeno per l’atmosfera. Il paesaggio, inteso come risorsa, è la combinazione delle varie risorse ambientali (elementi fisici, biologici e antropici) che caratterizzano una parte della superficie terrestre.

Risorse minerarie

Le risorse minerarie sono costituite dall’insieme delle sostanze minerali che vengono estratte dai giacimenti, localizzati in modo non omogeneo sul pianeta. Si tratta di risorse finite e perciò esauribili. Affinché inizi lo sfruttamento di un giacimento occorre che questo sia economicamente conveniente. I parametri che ne determinano la convenienza sono l’ampiezza e la posizione del giacimento (non troppo distante dalle vie di comunicazione o dai mercati di destinazione) e il tenore del minerale.

Risorse energetiche

Le risorse energetiche primarie sono: il Sole, la Terra e la Luna. Le fonti da cui l’uomo attinge sono per lo più secondarie e possono essere trasformate in diverse forme di energia:

• Energia chimica, sviluppata dal calore sprigionato dalle combustioni;
• Energia geotermica, ricavata dal riscaldamento di fluidi o gas presenti nel sottosuolo a contatto con masse rocciose incandescenti;
• Energia meccanica, prodotta dal movimento del vento e dell’acqua corrente;
• Energia nucleare, che si libera dalla materia come reazione tra le particelle che la costituiscono, per scissione dei nuclei di elementi pesanti o per fusione dei nuclei di elementi leggeri.

Classificazione delle fonti di energia

Si definiscono fonti primarie di energia quelle presenti in natura prima di aver subito una qualunque trasformazione. Tra le più utilizzate vi sono:

• Energie naturali, come quelle provenienti da acqua, calore terrestre, sole o vento;
• Combustibili fossili, tra i quali i principali sono:
• Carboni fossili, come antracite o litantrace;
• Gas naturale;
• Petrolio grezzo;
• Energia nucleare.

Si definiscono invece fonti secondarie di energia quelle che derivano, in qualunque modo, dalla trasformazione o dal trattamento di quelle primarie.

Energie naturali

Con energie naturali si intendono tutte le risorse energetiche proprie del nostro pianeta che, opportunamente trasformate, possono essere sfruttate dall’uomo. Si tratta altresì di fonti energetiche rinnovabili, in quanto l’uso dell’uomo non ne esaurisce la disponibilità, che si rigenera a un ritmo più veloce di quello del consumo. Costituiscono un’alternativa di recente origine, assieme all’energia nucleare, ai combustibili fossili.

Il punto di forza di queste risorse energetiche è la loro sostenibilità ambientale: sono considerate energie “pulite” poiché non immettono nell’atmosfera sostanze inquinanti o dannose per il clima. Le principali energie naturali sfruttate dall’uomo sono:

• Le biomasse;
• Le maree o le correnti marine;
• Il calore terrestre;
• I dislivelli dei corsi d’acqua (idroelettrica);
• Il sole e il suo irraggiamento;
• Il vento.

Biomasse

Con il termine biomasse si intende un insieme di organismi animali e vegetali presenti in una certa quantità in un dato ambiente. Sono molto importanti in quanto rappresentano una fonte energetica rinnovabile di origine biotica. La biomassa è costituita principalmente da organismi vivi o morti, e da una grande varietà di altri composti. Dal punto di vista energetico, le sostanze più importanti presenti all’interno del composto sono:

• Carboidrati, che rappresentano la maggior parte della biomassa e che sono costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno;
• Grassi;
• Proteine.

Le biomasse e i combustibili da esse derivanti emettono nell’atmosfera, durante la combustione, una quantità di anidride carbonica paragonabile a quella precedentemente assorbita dai vegetali durante il processo di crescita. Ciò significa che l’impiego di questa risorsa energetica non immette nell’aria nuova anidride carbonica, principale responsabile dell’effetto serra. Inoltre, data l’elevata biodegradabilità, costituisce una fonte energetica “pulita”.

Per contro, le biomasse possiedono alcuni problemi come risorse energetiche, ovvero:

• La forte dipendenza dalle condizioni atmosferiche, in particolare dalla presenza del sole e dal calore da esso emanato;
• L’esigenza di utilizzare fertilizzanti per arricchire il composto di sostanze chimiche;
• La necessità economica di aumentare la quantità di rifiuti prodotti, che va a opporsi alle politiche diffuse di riduzioni degli stessi;
• La variabilità nelle quantità delle produzioni annue di rifiuti;
• Il bisogno di enormi spazi a causa della bassa densità energetica.

Sottoponendo i rifiuti vegetali e i liquami di origine animale a fermentazione anaerobica è possibile ricavare biogas, fonte energetica rinnovabile dai molteplici usi. Le biomasse rappresentano circa il 15% della produzione mondiale di energia ed è in crescita il loro uso come biocarburanti.

Energia marina

Con energia marina (o pelagica) si intende l’energia racchiusa, in varie forme, nei mari e negli oceani. Si tratta di una fonte energetica rinnovabile che può essere ricavata con diverse tecnologie:

• Fluidodinamiche, che derivano dalle correnti, dalle maree e dalle onde;
• Di gradiente, che derivano dalla differenza di:
• Temperatura delle acque;
• Tasso salino delle acque, detta anche “energia osmotica”.

Lo sfruttamento dell’energia delle correnti marine rappresenta una forma di produzione di energia rinnovabile dall’utilizzo molto marginale, in quanto non può rispondere a grandi domande energetiche. Si identifica come migliore alternativa in particolari contesti decentrati, come alcune regioni della Cina, dell’Indonesia e delle Filippine.

L’energia mareomotrice sfrutta l’innalzamento e l’abbassamento del livello delle acque in senso verticale (maree), soprattutto in zone del pianeta dove questo fenomeno raggiunge variazioni di oltre 20 metri. Esistono diversi modi di sfruttare tale energia, come il sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità, compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazioni di turbine in seguito alla sua espansione, movimento di ruote a pale o riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine. Tutte queste tecniche risentono però della ciclicità e della discontinuità con cui si susseguono le maree che non consente di soddisfare la continua domanda di energia.

L’energia del moto ondoso è la fonte energetica rinnovabile di recente sperimentazione, soprattutto in Europa. Tra le tecniche di sfruttamento di questa energia, quella delle turbine di Pelamis è la più nota. Essa consiste in strutture tubolari galleggianti ancorate al fondale marino, al cui interno si trovano delle turbine che si azionano con il ritmo del moto ondoso, generando così energia costantemente. Un’altra tecnica consiste invece nell’utilizzo di turbine simili a quelle eoliche messe in moto dalle correnti marine.

L’energia talassotermica sfrutta la differenza di temperatura tra la superficie e il fondale marino, dunque le condizioni ottimali per sfruttare tale fonte si hanno in acque molto profonde e calde. L’energia a gradiente salino è quella che si ottiene dalla differenza di concentrazione salina tra l’acqua di mare e l’acqua dolce. Da questo procedimento è possibile ottenere una notevole quantità di energia, seguendo due tecniche diverse: per dialisi elettro-inversa o per Pressure Retarded Osmosis (PRO). Entrambe si basano sull’osmosi mediante membrane a ioni specifici, il cui prodotto di scarto è l’acqua salmastra.

Diverse ricerche dichiarano che l’energia marina potrebbe provvedere alla produzione di una quota rilevante dell’energia rinnovabile a livello globale. Si stima infatti che sfruttando lo 0,1% dell’energia marina sarebbe possibile sostenere il fabbisogno mondiale di circa 15 miliardi di persone.

Energia geotermica

L’energia geotermica è quell’energia che viene sprigionata per mezzo di fonti geologiche di calore. Si tratta di una fonte energetica rinnovabile che si basa sullo sfruttamento del calore naturale della Terra dovuto all’energia termica rilasciata dai processi di decadimento nucleare degli elementi radioattivi contenuti naturalmente all’interno della crosta terrestre.

Questa forma energetica venne utilizzata per la prima volta per produrre elettricità, all’inizio del secolo, in Italia. Esistono diversi metodi per produrre energia geotermica (idrotermia, geopressurizzazione e petrotermia), ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo sistemi idrotermali, costituiti da formazioni rocciose permeabili in cui filtra acqua piovana o fluviale che viene scaldata da pietre incandescenti. L’energia viene ottenuta facendo convogliare i gas così prodotti in apposite turbine mentre il vapore acqueo eccedente è utilizzato per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra e il termalismo. Per aumentare la produzione di vapore si ricorre spesso all’immissione di acqua fredda in profondità, in modo da alimentare continuamente le sorgenti.

L’uso razionale di questa energia comporta vantaggi quali l’inesauribilità nel breve tempo e un basso impatto ambientale, anche se comunque possono essere rilasciate nell’ambiente sostanze tossiche presenti nei flussi geotermali. Il maggior produttore mondiale di energia elettrica proveniente da centrali geotermiche sono gli Stati Uniti (29%), seguito da Filippine (18%) e Indonesia (11%). A oggi, l’energia geotermica costituisce meno del 1% della produzione mondiale di energia. Secondo alcuni studi però, con le tecnologie attualmente disponibili, l’uomo potrebbe produrre energia sufficiente per oltre 4000 anni, mantenendo gli attuali consumi medi annui. La Terra offre infatti un quantitativo energetico potenzialmente sfruttabile superiore al fabbisogno mondiale attuale di oltre 25 milioni di volte.

Energia idroelettrica

L’energia idroelettrica è una fonte energetica rinnovabile che sfrutta la trasformazione dell’energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d’acqua a una certa quota altimetrica, in energia cinetica, tramite il superamento di un certo dislivello a opera del fluido. L’energia così prodotta viene poi trasformata in elettricità grazie all’uso di un alternatore abbinato a una turbina.

I primi usi di questa forma energetica risalgono all’epoca degli antichi greci e romani, che la impiegavano per azionare i mulini per la macina del grano. Successivamente, le popolazioni arabe implementarono l’utilizzo dell’energia idroelettrica per l’irrigazione dei campi. Solo agli ultimi due secoli sono però risalenti le applicazioni in campo prettamente energetico, grazie all’invenzione della ruota idraulica in turbina e della turbina idroelettrica.

L’energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e laghi grazie alla creazione di dighe e condotte forzate. Le prime servono a raccogliere grandi quantitativi d’acqua, mentre le seconde a convogliarle, aumentandone la pressione e quindi l’energia cinetica, verso i distributori e le turbine. L’energia meccanica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell’induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Esistono due diversi tipi di centrale idroelettrica:

• A salto, dove si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane;
• Ad acqua fluente, dove si utilizzano grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli.

Per permettere di immagazzinare l’energia prodotta e averla a disposizione quando lo si desidera, sono state create centrali idroelettriche di generazione e centrali idroelettriche di pompaggio. Nel caso di queste ultime, l’acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l’energia prodotta e non richiesta, cosicché all’occorrenza si disporrà di ulteriori masse d’acqua di cui disporre per produrre energia. Nonostante si tratti di un’energia “pulita”, la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali apporta pericolosi impatti ambientali che nei casi più gravi possono sconvolgere l’intero ecosistema.

Energia solare

L’energia solare è l’energia associata alla radiazione del Sole, che rappresenta la fonte energetica primaria della Terra. Grazie a essa è possibile la vita sul nostro pianeta, sia degli organismi autotrofi (vegetali), che ne ricavano energia e nutrimento per mezzo della fotosintesi, sia degli altri organismi eterotrofi che invece traggono l’energia chimica dai vegetali o dagli altri esseri (che, direttamente o non, si sono nutriti di vegetali) di cui si cibano. Da questa energia derivano, più o meno direttamente, quasi tutte le altre fonti energetiche, a eccezione di quella nucleare, quella geotermica e quella marina. Si tratta altresì di una fonte energetica rinnovabile e “pulita”, che può essere utilizzata per generare elettricità o calore.

Esistono infatti tre principali tecnologie per sfruttare l’energia solare:

• Il pannello solare termico, che sfrutta i raggi solari per riscaldare un liquido con speciali caratteristiche, il quale cede calore all’acqua contenuta in un serbatoio di accumulo grazie a uno specifico scambiatore;
• Il pannello fotovoltaico, che sfrutta le proprietà di particolari elementi semiconduttori per produrre energia elettrica quando questi vengono sollecitati dalla luce del sole;
• Il pannello solare a concentrazione, che sfrutta una serie di specchi parabolici a struttura lineare per convogliare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui scorre un fluido termo-vettore che si surriscalda o che sfrutta una serie di specchi lineari che concentrano i raggi all’estremità di una torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che si fondono con il calore.

Attualmente i pannelli solari vengono utilizzati per fornire acqua calda e riscaldamento ad abitazioni e piccoli complessi edilizi. Gli impianti fotovoltaici vengono invece utilizzati in fabbricati distanti dalle reti elettriche con fabbisogni tanto ridotti da rendere antieconomico l’allacciamento alle stesse. Questi dispositivi devono però essere dotati di accumulatori in grado di conservare l’energia elettrica prodotta in eccesso per permetterne lo sfruttamento durante le ore notturne o nelle giornate nuvolose. Le principali problematiche dello sfruttamento dell’energia solare sono legate ai costi, all’efficienza e alla bassa costanza e programmabilità di tale fonte. Inoltre, la produzione dei pannelli richiede una grande quantità di energia e l’utilizzo di fonti spesso non rinnovabili. D’altro canto, lo sviluppo tecnologico e lo sfruttamento delle economie di scala dovrebbero permettere un ridimensionamento dei costi e un aumento dell’efficienza. In ottica futura sono in fase di sviluppo nuovi pannelli che utilizzano celle con maggior rendimento o con minor dispendio economico, oltre che nuovi sistemi capaci di permettere la produzione simultanea di calore ed elettricità.

Energia eolica

L’energia eolica è una fonte di energia ottenuta tramite lo sfruttamento dell’energia cinetica del vento che viene convertita in energia elettrica ed energia meccanica tramite la tecnologia eolica. Si tratta di una fonte energetica rinnovabile e “pulita”, tra le più importanti e meno inquinanti al mondo. Fin dall’antichità, l’uomo ha saputo sfruttare l’energia fornita dal vento in diversi modi: le vele hanno costituito, assieme ai remi, l’unico mezzo di spostamento delle navi fino all’avvento del motore nel secolo XIX; le pale dei mulini a vento, assieme ai buoi, hanno permesso per secoli il movimento di gran...