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Dalla scoperta del fuoco al calore prodotto per combustione, alla pila di Volta e le lampadine di Edison. Un viaggio tra passato, presente e ... futuro dell'energia.

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Fisica, energia e società - Giovanni Vittorio Pallottino -

L’energia non si usa soltanto per far funzionare un motore, illuminare un ambiente o riscaldare un edificio. Ne occorre anche per fabbricare un’automobile, costruire un’autostrada o realizzare qualsiasi altro manufatto, sicché una frazione del costo di ogni cosa rientra nel «fabbisogno energetico» complessivo. Allora è chiaro che la società in cui viviamo richiede grandi quantità di energia, molto maggiori che nel passato, quando era assai minore il numero e la quantità di beni e servizi a nostra disposizione. Ma è anche necessario mirare a un impiego dell’energia attento, sobrio e razionale perché procurarla e utilizzarla non presenta soltanto costi economici ma anche costi ambientali.

Il fabbisogno energetico della società umana

I primi uomini, cacciatori e raccoglitori, non consumavano altra energia che quella del cibo necessario alla loro sopravvivenza (3000 kcal/giorno × 365 giorni × 4187 JOULE/kcal = 4,58 109 JOULE/anno _ 5 GJ/anno). I consumi di energia subirono poi aumenti lentissimi nel corso dei millenni, a seguito della scoperta del fuoco, dell’introduzione dell’agricoltura e dello sviluppo delle attività artigiane: calore ottenuto bruciando la legna dei boschi, energia meccanica fornita dagli uomini stessi e dagli animali, e più tardi ottenuta anche dai corsi d’acqua e dal vento.

  • Il fuoco, cioè la prima fonte di energia sotto il controllo diretto dell’uomo, diede un enorme contributo allo sviluppo della civiltà, perché rese possibile la produzione e la lavorazione di materiali come i metalli, le ceramiche, il vetro. Si può dire perciò che il fuoco sia stato alla base di tutte le più antiche tecnologie. Ma esso ha avuto un ruolo essenziale anche in tempi assai più vicini a noi, nello sviluppo della Rivoluzione industriale grazie all’invenzione del motore a vapore.

Una crescita ben più vivace si ebbe soltanto dopo l’avvio della Rivoluzione industriale, quando ebbe inizio lo sfruttamento dei combustibili fossili: prima il carbone, in seguito il petrolio e più di recente il GAS NATURALE. Sono queste, infatti, le fonti di energia che maggiormente contribuiscono al consumo complessivo da parte dell’umanità, che oggi ammonta a circa 500 EJ (1 EJ = 1018 J) ed è venti volte maggiore di un secolo fa. Ma questa rapida crescita ha riguardato soprattutto le regioni industrializzate del mondo, assai meno le altre. E infatti il consumo annuo di energia per abitante del pianeta, pari a circa 75 GJ/anno, nasconde in realtà differenze enormi fra i Paesi più ricchi e il resto del mondo, come mostra la Figura 1.

 

Fig. 1. Vi sono fortissime differenze fra i consumi di energia pro capite nei Paesi più ricchi e quelli più poveri, a fronte di una media mondiale di 75 GJ/anno (linea rossa).

Differenze che si riflettono poi nella qualità della vita (Figura 2).
 

 

 

 

Fig. 2. La qualità della vita, rappresentata qui dal tasso di mortalità infantile e dalla longevità, è fortemente correlata con il consumo di energia annuo per, abitante nei diversi Paesi del mondo.

È facile prevedere che nei prossimi decenni l’industrializzazione si estenderà gradualmente, come del resto sta già avvenendo in India e in Cina, conducendo quindi a un forte aumento del fabbisogno complessivo di energia, a cui si dovrà far fronte garantendo nel contempo condizioni di sicurezza e di qualità dell’ambiente.
Come mostra la Figura 3, quasi la totalità dell’energia consumata oggi si ottiene bruciando carbone, petrolio e GAS NATURALE e carbone. Ma questo produce grandi quantità di ANIDRIDE CARBONICA, che oggi molti considerano una causa del riscaldamento globale del nostro pianeta. Risulta quindi evidente la necessità di indirizzarsi verso le fonti di energia che non presentano questo inconveniente, avvalendosi dell’energia solare, delle altre fonti RINNOVABILI e dell’energia nucleare.


Fig. 3. I combustibili fossili (petrolio, GAS NATURALE e carbone) coprono attualmente la quasi totalità (88%) del fabbisogno energetico mondiale (5-1020 J/anno). Ma sono soggetti a esaurimento, sicché sarà inevitabile ricorrere ad altre fonti di energia.

I combustibili fossili

I combustibili fossili (carbone, petrolio e GAS NATURALE) provengono dall’accumulo e dalla trasformazione di sostanze organiche durante tempi lunghissimi, nelle ere geologiche. Si ritiene che il carbone provenga da resti vegetali, ammassati in ambienti acquatici con basso contenuto di ossigeno e successivamente compattati da sedimenti minerali; il petrolio, da materia organica rimasta sepolta, che in condizioni di elevata pressione e temperatura si è trasformata in una miscela di idrocarburi. Il GAS NATURALE, costituito da METANO (CH4) e altri idrocarburi leggeri, ha la stessa origine del petrolio, ma proviene anche dalla decomposizione di vegetali in ambienti paludosi, e infatti il METANO fu scoperto da Alessandro Volta come «gas di palude».
I combustibili fossili sono usati per produrre elettricità nelle centrali termoelettriche, per riscaldare gli edifici e per produrre energia termica e meccanica nell’industria; il GAS NATURALE, in particolare, viene distribuito nelle abitazioni per gli usi domestici. Un impiego essenziale dei derivati del petrolio e del GAS NATURALE è quello, per ora insostituibile, di carburanti per alimentare il miliardo di automobili e altri mezzi di trasporto su gomma attualmente in circolazione nel mondo, come pure le navi e gli aerei.

  • Oltre che fonte di energia, il petrolio è una risorsa essenziale per l’industria. Tutte le principali materie plastiche, infatti, sono ottenute da trasformazioni chimiche degli idrocarburi contenuti nel petrolio.

I motivi della grande diffusione dei combustibili fossili per ricavarne energia sono numerosi: la loro elevata «densità energetica», cioè l’alto rapporto fra energia immagazzinata e massa oppure volume, la facilità di trasporto e di immagazzinamento, il costo relativamente basso. Però si tratta di fonti non RINNOVABILI, cioè soggette a esaurimento, perciò sempre più preziose come dimostrano gli aumenti del loro prezzo. Il loro impiego nelle combustioni, inoltre, produce necessariamente ANIDRIDE CARBONICA e anche, a seconda delle modalità della combustione, varie sostanze inquinanti.
Tutte le sostanze combustibili usate comunemente sono infatti costituite da CARBONIO o da idrocarburi, le cui molecole sono a loro volta costituite da atomi di CARBONIO e di idrogeno. Sicché i prodotti delle reazioni di combustione sono costituiti da ANIDRIDE CARBONICA (CO2), dove si ritrova il CARBONIO, e da vapor d’acqua (H2O), dove si ritrova l’idrogeno. Nelle combustioni, in realtà, si sviluppano anche altri gas, alcuni derivanti da impurità eventualmente contenute nel combustibile. Fra queste gli OSSIDI DI ZOLFO (SO2 e SO3) che sono dovuti alla presenza di zolfo, e gli OSSIDI DI AZOTO (NOx), che sono prodotti da reazioni, ad alta temperatura, fra l’azoto e l’ossigeno dell’aria. E si possono sviluppare anche particelle di altre sostanze minerali presenti nel combustibile. Il carbone, per esempio, contiene qualche parte
per milione di elementi radioattivi come l’uranio e il torio.
Da dove proviene l’energia che si sviluppa nelle combustioni? Dall’energia interna delle sostanze che partecipano alle reazioni, cioè dall’energia di legame fra gli atomi che ne costituiscono le molecole, chiamata spesso energia chimica. Più precisamente, chiamando Ur l’energia chimica dei reagenti e Up quella dei prodotti di reazione, l’energia termica Q sviluppata nella combustione è: Q = ΔU = Ur – Up. Le diverse sostanze combustibili sono caratterizzate dal loro POTERE CALORIFICO, cioè dall’energia termica che sviluppa la combustione di una data quantità di tali sostanze.

Fonti di energia e crisi energetiche

Per millenni, le piccole quantità di energia necessarie alle attività dell’uomo furono ottenute da fonti, come la legna o l’energia cinetica dei corsi d’acqua e del vento, che la natura fornisce perennemente, cioè da fonti RINNOVABILI. Fu solo durante il Settecento, in Inghilterra, che queste fonti risultarono insufficienti al fabbisogno, quando il combustibile usato nelle nascenti attività industriali, cioè la legna dei boschi, cominciò a scarseggiare. Per fronteggiare questa prima crisi energetica, fu necessario ricorrere all’impiego del carbon FOSSILE, abbondante nel sottosuolo di quella regione, ma scarsamente utilizzato in precedenza.
Lo sfruttamento su larga scala del carbone come combustibile richiese però la disponibilità dell’energia meccanica necessaria per pompare l’acqua fuori dalle miniere, conducendo così allo sviluppo del motore a vapore.

  • La vicenda dello sviluppo del motore a vapore pone in evidenza lo stretto intreccio fra energia, tecnologia e società.

Il risultato di questa importantissima innovazione, cioè in concreto la disponibilità di energia meccanica a basso costo, agì allora come catalizzatore dello sviluppo dell’industrializzazione, che si diffuse gradualmente dalla Gran Bretagna agli altri Paesi europei.

  • Perché la Rivoluzione industriale ebbe inizio in Gran Bretagna e non altrove? Le ragioni sono molteplici: la disponibilità di ingenti capitali accumulati grazie ai grandi commerci marittimi intercontinentali (una prima forma di «GLOBALIZZAZIONE»); la presenza in Inghilterra di grandi RISERVE di energia (carbon FOSSILE) e materie prime (ferro, per l’industria siderurgica); l’abbondanza di corsi d’acqua; lo sviluppo delle scienze (la Royal Society venne fondata nel 1667) e delle tecnologie. Sicché la Gran Bretagna rimase a lungo, fino all’inizio del Novecento, alla testa dell’industria mondiale.

Un’altra crisi energetica ebbe luogo due secoli dopo, fra il 1970 e il 1980, quando il petrolio, grazie al suo costo bassissimo, era arrivato a coprire la metà del fabbisogno energetico mondiale. Fu allora che i maggiori produttori di petrolio, in particolare i Paesi arabi, si resero conto dello straordinario valore di questa risorsa e ne aumentarono il prezzo di quasi venti volte nel giro di pochi anni. Ciò creò gravi difficoltà economiche ai paesi importatori, in particolare all’Italia che nel suo territorio possiede solo scarse risorse energetiche, provocando addirittura una contrazione dei consumi mondiali di energia.
La crisi fu affrontata orientandosi verso altre fonti di energia. Cioè estendendo l’impiego del GAS NATURALE, tornando a un maggior impiego del carbone, sfruttando l’energia nucleare, promuovendo l’impiego delle nuove fonti RINNOVABILI (solare, eolico e biomasse) e avvalendosi del RISPARMIO ENERGETICO come di una vera e propria fonte alternativa. Alla riduzione dei consumi mondiali di petrolio seguì poi una riduzione del suo prezzo, con nuove impennate tuttavia negli anni più recenti, ricreando così una situazione di crisi energetica mondiale e conseguentemente una nuova attenzione verso le altre fonti di energia.
Il contributo al fabbisogno mondiale delle fonti RINNOVABILI, a parte l’energia idroelettrica che è sfruttata da tempo, è ancora modestissimo, complessivamente di circa 1%, richiedendo perciò ancora forti investimenti di ricerca e sviluppo, a fronte della loro disponibilità praticamente dovunque nel mondo e del basso livello del loro impatto ambientale.
Il ricorso alle fonti non RINNOVABILI non potrà durare per sempre, dato che le RISERVE disponibili, per quanto siano estese e per quante se ne possano trovare di nuove, sono destinate prima o poi a esaurirsi. L’effettiva entità delle RISERVE dei combustibili fossili è molto incerta. Perché alle RISERVE sicure e ben provate, vanno aggiunte sia quelle sfruttabili grazie ai progressi delle tecnologie di estrazione sia quelle ancora da scoprire. Fra queste rientrano i cosiddetti «idrati di METANO», che sono presenti in grandi quantità nei fondali oceanici, ma con tecnologie di sfruttamento appena solo agli inizi. Ma il COMBUSTIBILE FOSSILE che desta oggi le maggiori preoccupazioni è il petrolio, la cui produzione dovrebbe nei prossimi anni raggiungere un picco per poi declinare gradualmente verso l’esaurimento.

  • La moderna industria di estrazione del petrolio ha origine nel 1859, quando Edwin Drake iniziò a estrarre in quantità il prezioso oro nero nei pressi di Titusville, Pennsylvania, Usa. Più volte, da allora, sono sorti timori per l’esaurimento di questa risorsa. Attorno al 1970, per esempio, si riteneva che le RISERVE di petrolio non sarebbero durate più di trent’anni. E ancora prima, nel 1887, su un’autorevole rivista inglese, si poteva leggere: «… si è attinto così largamente alle RISERVE di petrolio e di gas che fra non molti anni ne resterà ben poco. … È praticamente impossibile che si trovino nuovi campi petroliferi confrontabili con quelli noti oggi».

Tratto da Nuova Secondaria, n. 5 2010, anno XXVII