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L'Illusione dell'Energia dal Sole - Franco Battaglia -

Trattiamo qui di una delle più popolari illusioni di cui siamo vittime: quella secondo cui l’energia dal sole sarebbe l’energia del futuro. Alla fine, avremo imparato non solo che l’energia dal sole non può essere l’energia del futuro, ma anche che essa potrà apportare un contributo solo poco più che insignificante ai bisogni energetici del mondo. Per capirlo, dobbiamo capire cos’è l’energia, come l’uomo la usa e quale può essere il contributo della fonte solare ai bisogni dell’uomo: alla fine avremo capito che quella dell’energia dal sole è una grande, colossale illusione.
 Cerchiamo di chiarire bene questo punto: con quanto detto, non intendiamo sostenere che l’energia dal sole non risolverà i nostri problemi energetici. No, intendiamo sostenere che l’energia dal sole non solo non risolverà, ma neanche affronterà i nostri problemi energetici; intendiamo cioè sostenere che il contributo del sole ai nostri bisogni energetici è destinato ad essere marginale, irrilevante, insignificante. E che nessuna politica energetica che si rispetti può inserire il contributo solare in agenda, mentre è invece obbligata a inserire – piaccia o no – il contributo nucleare: la nostra civiltà ha bisogno di energia, e senza energia è destinata a scomparire; la fonte nucleare è l’unica che può fornircela in modo sicuro, abbondante, economico e rispettoso dell’ambiente; l’umanità ha così la sua alternativa: servirsi dell’energia nucleare o seppellire questa nostra civiltà.

Avvertenza: In questo capitolo

IL PREFISSO k SI LEGGE CHILO E STA PER MIGLIAIA DI

IL PREFISSO M SI LEGGE MEGA E STA PER MILIONI DI

IL PREFISSO G SI LEGGE GIGA E STA PER MILIARDI DI

per cui, ad esempio, 1 kW (si legge chilowatt) significa 1000 watt, 10 M$ (si legge megadollari) significa dieci milioni di dollari, e 100 G€ (si legge gigaeuro) significa 100 miliardi di euro.


L’energia

Per i nostri scopi, per definire l’energia è sufficiente procedere così: andiamo dall’elettricista e acquistiamo una lampadina con su scritto 100 W (per il momento, non ci interessa cosa “100 W” significa), definiamo “energia” quella cosa che ci consente di mantenere accesa la lampadina, e se la lampadina rimane accesa per 1 ora allora diciamo che è stata necessaria l’energia di 100 wattora.
Noi crediamo che una delle maggiori cause di confusione ogni volta che si comunica informazione sulle questioni energetiche, sia l’uso contemporaneo delle più svariate unità di misura, alcune delle quali non sono neanche ben definite o, comunque, hanno l’aria di essere molto vaghe, come “il BARILE di petrolio”. A volte, poi, si leggono sulla stampa o si ascoltano alla Tv affermazioni che sono proprio curiose, frasi del tipo: è stato installato un parco eolico sufficiente a soddisfare i bisogni energetici di “1000 case” o di “3000 famiglie”. E così la “casa” o la “famiglia” diventano tanto nuove quanto fantasiose e arbitrarie unità di misura d’energia. In questo  capitolo, salvo quando diversamente specificato, cercheremo di usare una sola unità di misura. Per il momento, serviamoci del chilowattora (kWh) e i suoi multipli decimali, megawattora (MWh) e gigawattora (GWh).
Chiariamo ora cosa intendiamo per conservazione dell’energia. Se abbiamo potuto tenere accesa la nostra lampadina da 100 W, ad esempio, per 10 ore è perché ci siamo serviti di 1 kWh di energia elettrica prodotta da un generatore collegato ad una turbina fatta girare, ad esempio, dall’acqua in caduta libera da un bacino idroelettrico: l’energia che ci permette di tenere accesa la lampadina non è nata dal nulla, ma è stata ottenuta trasformando in energia elettrica l’energia cinetica dell’acqua, e questa, a sua volta, è l’energia che acquista l’acqua in caduta libera da un bacino. E quando l’acqua è, lassù in alto, nel bacino? Lassù in alto, l’acqua del bacino possiede energia POTENZIALE (che è tanto maggiore quanto più in alto è l’acqua e che si trasforma in energia cinetica quando l’acqua, cadendo, acquista velocità). Naturalmente, anche l’energia POTENZIALE dell’acqua è stata ottenuta fornendo all’acqua l’energia necessaria per portarla lassù in alto. È il sole che ha fornito l’energia necessaria: il sole riscalda le acque, le fa evaporare, si formano le nuvole, piove, e l’acqua piovana viene raccolta nel bacino idroelettrico. Potremmo continuare e considerare da dove proviene l’energia del sole, imbattendoci così nei processi di FUSIONE NUCLEARE che avvengono nel sole; ma ci fermiamo qui e ci limitiamo a considerare il sole come una fonte d’energia. Anzi, diciamolo da subito, il sole è l’unica fonte d’energia che ha permesso la vita sulla Terra.
 Orbene, l’esempio appena considerato (energia solare  energia POTENZIALE  energia cinetica  energia elettrica  energia raggiante dalla lampadina accesa) ci permette di capire meglio cosa significa dire che l’energia si conserva. Significa questo: se facessimo cadere una certa massa, M, di acqua da una certa altezza in modo da trasformare l’energia POTENZIALE in energia cinetica, prima, e in energia elettrica, poi, e se poi utilizzassimo l’energia elettrica così prodotta per azionare un motore che pompi acqua su in alto, non riusciremmo a portare una massa d’acqua uguale a M ad un’altezza maggiore di quella iniziale. È, questo, il principio di conservazione dell’energia, o primo principio della termodinamica: l’energia si conserva, né si crea né si distrugge. Per i nostri scopi, questa proprietà significa semplicemente che ogni volta che trasformiamo l’energia da una forma A ad un’altra forma B, non possiamo ottenere energia della forma B più di quanta non ne avevamo della forma A.
 Orbene, v’è un’altra caratteristica del mondo che ci assicura che ogni volta che trasformiamo l’energia da una forma A ad una forma B, per quanti sforzi possiamo fare per cercare di trasformare tutta l’energia della forma A, di energia nella forma B se ne ottiene meno del massimo consentito dal principio di conservazione: la differenza tra quella usata nella forma A e quella ottenuta nella forma B sarà ritrovata nella forma di energia termica, cioè calore. Non che il calore non sia una forma interessante d’energia: semplicemente, se la trasformazione è realizzata allo scopo di ottenere energia di una forma B diversa dal calore a partire da energia della forma A, sappiamo per certo che la trasformazione non sarà totale. È, questo, il secondo principio della termodinamica. I due principi della termodinamica possono capirsi col seguente suggestivo e semplice esperimento. Immaginate di salire su una torre e di lasciare cadere liberamente a terra una palla elastica: il primo principio vi assicura che la palla, rimbalzando, non arriverà più in alto del punto da dove l’avete lasciata cadere, il secondo principio vi avverte che, in realtà, la palla non riuscirà a rimbalzare all’altezza di partenza, qualunque sia il materiale con cui è stata fabbricata.
Quanto detto può tradursi in termini quantitativi nel concetto di EFFICIENZA, così definita: l’efficienza di un processo di trasformazione di energia da una forma A ad un’altra forma B è dato dal rapporto tra l’energia della forma B ottenuta dopo la trasformazione e quella della forma A usata prima della trasformazione. Ebbene, per il secondo principio della termodinamica, l’efficienza di ogni processo di trasformazione di energia è una quantità inferiore a 1; moltiplicando questo valore per 100 si ottiene l’efficienza espressa in percentuale: l’efficienza di un processo di trasformazione di energia è sempre inferiore al 100%. Ad esempio, nella pratica, l’efficienza della trasformazione di calore in energia meccanica non va oltre il 60%, mentre la tipica EFFICIENZA di trasformazione del calore in energia elettrica è pari a circa 1/3.

La potenza

L’altro concetto importante per parlare consapevolmente di energia nel contesto delle attività umane è il concetto di potenza. Confondere energia e potenza sarebbe pressoché impossibile, tanto diversi sono i due concetti: sarebbe come confondere il luogo ove vi trovate con la velocità alla quale vi state muovendo, una confusione che certamente non faremmo. Invece, per qualche misteriosa ragione, la confusione fra energia e potenza non è rara. Anzi, tra le tante cause che generano l’illusione dell’energia solare come possibile energia del futuro, la confusione tra energia e potenza è, forse, la più popolare di tutte.
La potenza è la rapidità con cui l’energia viene trasferita; o, quantitativamente, è il rapporto tra la quantità d’energia trasferita e il tempo di trasferimento (e, di conseguenza, l’energia trasferita è pari al prodotto della potenza per la durata del tempo di trasferimento).
Come accade per l’energia e per ogni altra grandezza, anche la potenza può misurarsi servendosi delle più disparate unità. Noi ci serviremo esclusivamente del WATT (W) e dei suoi multipli decimali, il chilowatt (kW), il megawatt (MW) e il gigawatt (GW): se si sta trasferendo energia alla velocità di un wattora all’ora, si dice che si sta trasferendo energia alla potenza di 1 watt. A volte si dice, più brevemente, che si sta erogando/assorbendo la potenza di 1 watt: con ciò si intende dire che si sta trasferendo energia alla velocità di un wattora all’ora.
Comprendiamo ora il significato della dicitura “100 W” sulla lampadina che nella sezione precedente suggerivamo di acquistare dall’elettricista: se mantenuta accesa per 1 ora, quella lampadina avrà assorbito l’energia di 100 Wh; se mantenuta accesa per 10 ore, avrà assorbito l’energia di 100 W x 10 h = 1000 Wh = 1 kWh. Ora, la luminosità di una lampadina dipende dalla potenza assorbita, e affinché la nostra lampadina da 100 W raggiunga lo scopo per cui è stata fabbricata e acquistata è necessario trasferirle energia con la detta potenza: se trasferiamo energia alla lampadina con la potenza di 100 W per 10 ore avremo consumato 1 kWh d’energia e illuminato una camera per 10 ore; se, invece, trasferiamo energia alla lampadina con la potenza di 1 W per 1000 ore avremo consumato lo stesso 1 kWh d’energia ma saremo rimasti al buio. Insomma: per soddisfare le nostre esigenze energetiche è essenziale poter disporre di adeguata potenza. La tabella 1 riporta la potenza tipica assorbita da alcuni apparecchi.

Tabella 1: Potenza assorbita da alcuni apparecchi

Un commento sulle unità scelte finora. Il kWh è l’unità a noi più familiare nel contesto dei nostri consumi energetici: il contatore che misura l’energia elettrica che consumiamo è calibrato in kWh, e in kWh sono riportati i nostri consumi d’energia elettrica nella relativa fattura; bisogna naturalmente tener ben presente che nulla di intrinsecamente elettrico vi è in queste quantità: qualunque forma di energia può essere misurata in kWh. Ora, mentre nel contesto dell’uso dell’energia che ciascuno di noi fa quotidianamente, una comoda unità di misura è il kW per la potenza e il kWh per l’energia (ove, ricordiamo, 1 kWh è l’energia trasferita in un’ora alla potenza costante di 1 kW), nel contesto dell’uso dell’energia che l’umanità fa annualmente conviene usare, per la potenza e l’energia, unità ben più grandi. Per la potenza, conviene usare il gigawatt (GW), pari a 1 miliardo di watt, che abbiamo già definito. Per determinare l’unità di energia dovremmo solo moltiplicare la nostra unità di potenza per l’unità di tempo. Se scegliessimo l’ora, avremmo il gigawattora (GWh); ma, nel contesto delle attività dell’umanità, la più adatta unità di tempo non è l’ora ma l’anno.  Definiamo perciò il gigawatt-anno (GW-anno) la quantità di energia che viene erogata in un anno alla potenza di 1 GW, e lo scegliamo come nostra unità di misura. In definitiva, in questo capitolo, salvo avviso contrario, manterremo che:

L’UNITÀ DI POTENZA È IL GIGAWATT: GW

L’UNITÀ DI ENERGIA È IL GIGAWATT-ANNO: GW-ANNO

E, siccome in un anno vi sono 365x24=8760 ore, per esprimere in GWh i numeri di GW-anno, bisogna moltiplicare questi per 8760: 1 GW-anno=8760 GWh.

Il sole

Sarà, quella solare, l’energia del futuro? Cominciamo col metterci subito d’accordo su cosa è l’energia solare. Per energia solare s’intende non l’energia proveniente dal sole e capitalizzata, nei tempi geologici di milioni di anni, nei combustibili fossili, ma l’energia solare corrente, quella, cioè, che il sole invia annualmente sulla Terra. Ed è questa l’energia solare di cui ci stiamo qui occupando. La prima cosa che dobbiamo sapere è quanta energia il sole ci manda ogni anno. L’insolazione è la potenza per metro quadro con cui viene trasferita l’energia dal sole. Sulla superficie della Terra, alle nostre latitudini, a mezzogiorno e col cielo limpido l’insolazione è circa 1000 W/m2. Ma non sempre è mezzogiorno, c’è anche la mezzanotte, e non sempre il cielo è limpido: l’insolazione massima concepibile, mediata sulle 24 ore e sulle quattro stagioni, è, in Sicilia, di 200 W/m2 e diminuisce andando verso nord, fin quasi a dimezzarsi in Trentino. A questo proposito, va subito sconfessato il luogo comune secondo cui, essendo il nostro il Paese-del-Sole, saremmo noi titolati più d’ogni altro a servirci dell’energia solare. La ragione per cui siamo il Paese-del-Sole è principalmente, diciamo così, l’acqua, cioè il bacino Mediterraneo: l’insolazione su Napoli non è diversa da quella su New York, visto che sono alla stessa latitudine. Noi manterremo che l’insolazione sull’Italia mediata sulle 24 ore e sulle quattro stagioni è di 200 W/m2.
Con questo dato possiamo facilmente calcolare quanta energia manda il sole sull’Italia in un anno: moltiplicando la superficie della nostra penisola (300.000 km2) per la potenza specifica media dal sole (200 W/m2), si ottiene 60.000 GW-anno. Questo valore è oltre 1000 volte superiore al nostro consumo annuo d’energia elettrica (oggi circa 40 GW-anno), ed è da quest’ultima osservazione che è sorto il secondo luogo comune, anch’esso facile da sconfessare, secondo cui, grazie a questa sovrabbondanza d’energia che ci viene dal sole, è sul sole che possiamo fare affidamento per soddisfare i nostri bisogni energetici. Chi si gongola in questa illusione  non comprende come noi usiamo l’energia: gli consiglieremmo, per iniziare, di confrontare il valore di 0.2 kW/m2 (o, se gli piace cullarsi nelle illusioni, 1 kW/m2, ma solo a mezzogiorno e col cielo limpido) coi valori riportati in tabella 1. Un confronto che è, però, solo un inizio: infatti, quella dal sole non è né energia elettrica né energia meccanica, e per poterla utilizzare dobbiamo trasformarla; ma, come detto, l’efficienza di un processo di trasformazione di energia è sempre inferiore al 100%.

Trasformazione dell’energia solare

I collettori termici, i moduli fotovoltaici, gli impianti solari termoelettrici e le turbine eoliche non sono generatori d’energia, ma trasformatori d’energia. Queste tecnologie non producono energia, ma solo trasformano quella che ci arriva dal sole. Insomma, è  nel sole che deve cercarsi il limite ultimo all’utilizzabilità di qualunque tecnologia “solare”. E siccome l’efficienza di un processo di trasformazione di energia è sempre inferiore al 100%, dobbiamo attenderci che quei 200 W/m2 di potenza specifica che mediamente riceviamo dal sole possano significativamente diminuire quando l’energia erogata è il risultato di una trasformazione del flusso solare.
Soffermiamoci, per ora, solo su una trasformazione dell’energia solare che avviene in Natura: la fotosintesi  clorofilliana. È, questa, una reazione chimica che può così rappresentarsi

CO2 + H2O + energia → -CHOH- + O2,    (1)

e che consiste nella sintesi delle catene molecolari di carboidrati di cui è costituito il tessuto vegetale (l’unità base di queste catene è stata indicata con -CHOH-) a partire da ANIDRIDE CARBONICA e acqua (la reazione libera ossigeno, O2). La reazione, per procedere, richiede l’apporto di energia dall’esterno: l’energia è fornita dal sole in forma di energia radiante.
Qui non c’interessa la biochimica della reazione, ma solo osservare che l’energia di combustione di un vegetale (la legna da ardere, ad esempio) altro non è che energia radiante solare immagazzinata in forma di energia chimica nel vegetale in seguito al processo di fotosintesi. Anche gli animali (e noi stessi), per crescere, hanno bisogno di energia, ma, essendo privi della possibilità di trasformare direttamente l’energia solare, la ottengono nutrendosi delle piante che quell’energia hanno invece immagazzinato. In definitiva, è l’energia dal sole che consente la sintesi di una molecola, ad esempio, di zucchero; ed è dagli zuccheri che gli animali ottengono l’energia necessaria per crescere, per mantenersi caldi (trasformando l’energia chimica contenuta nelle molecole di zuccheri in calore) o per compiere lavoro (trasformando l’energia chimica contenuta negli zuccheri in energia meccanica). Insomma, l’energia dal sole è di importanza fondamentale perché abbiano luogo i processi vitali e senza energia solare non ci sarebbe vita.
Tuttavia, quando si tratta di energia nel contesto delle attività umane ci si riferisce all’energia di cui l’uomo ha bisogno per  svolgere tutte le attività che lo impegnano per costruire edifici, strade, ponti, abiti, libri, prodotti alimentari, medicine; e per poter muovere automobili, tram, treni, navi, aerei; e per riscaldarsi d’inverno e illuminare i locali anche di notte; e, insomma, per qualunque altra cosa vi viene in mente e che vada oltre il mero mantenimento di quei processi appena sufficienti per tenerlo in vita.
La prima fonte di energia per soddisfare le nostre esigenze nel senso detto è stata l’energia muscolare degli uomini e degli animali e, dopo che fu domato il fuoco, la legna da ardere. Ora, come sappiamo, dalla notte dei tempi preistorici, per decine di millenni, e sino a circa tre secoli fa, l’energia sviluppata dal lavoro muscolare di uomini (liberi e schiavi) e animali e la legna da ardere sono state l’unica fonte d’energia dell’umanità. In entrambi i casi (energia muscolare e calore da legna da ardere) l’energia si ottiene dai processi che inducono la reazione di combustione, che altro non è che la reazione chimica inversa della reazione (1). Insomma, l’energia muscolare da uomini e animali e l’energia ottenibile dalla combustione della legna da ardere (o di qualunque altra BIOMASSA) altro non sono che trasformazioni diverse dell’ energia solare. Possiamo allora concludere che per migliaia di anni l’umanità è stata alimentata, al 100%, dall’energia solare.
Più recentemente, l’uomo ha introdotto svariate tecnologie per sfruttare l’energia solare. La più antica è lo sfruttamento dell’energia eolica. È, questa, un’altra forma d’energia solare in quanto è il sole che riscalda l’atmosfera e crea quei gradienti di temperatura e pressione necessari per lo sviluppo dei venti. Energia elettrica si ottiene anche dalle celle fotovoltaiche, che la producono per diretta trasformazione dell’energia radiante solare; o dagli impianti solari termoelettrici, che consistono di specchi che concentrano la radiazione solare in un opportuno fluido che è così portato ad alte temperature, con conseguente trasformazione dell’energia termica così immagazzinata nel fluido in energia meccanica di una turbina, prima, ed in energia elettrica, poi. Altra tecnologia di sfruttamento dell’energia solare è quella dei collettori termici: essi, semplicemente sfruttando una sorta di EFFETTO SERRA, trasformano l’energia solare in calore, che viene immagazzinato in un fluido (tipicamente acqua) che scorre entro tubi interni al collettore, e che può essere utilizzata per alimentare o superfici radianti per riscaldare i locali o gli impianti di acqua calda sanitaria di cui sono dotati gli edifici. Infine, si può pensare di utilizzare la fotosintesi, con agricoltura specificamente dedicata alla produzione di BIOMASSA; la BIOMASSA può essere utilizzata o come combustibile per alimentare impianti termici o elettrici (biocombustibili) o per produrre, con specifici processi industriali, carburanti per l’autotrazione (i BIOCARBURANTI, tipicamente BIOETANOLO e BIODIESEL).
Con tutte queste tecniche moderne, in aggiunta a quelle tradizionali, di sfruttamento dell’energia solare, tutto ci si potrebbe attendere fuorché una diminuzione nell’uso del sole quale fonte energetica per alimentare il mondo. E invece, vedremo nella sezione seguente, la realtà tradisce ogni attesa.

Quella dal sole è l’energia del passato

Consideriamo ora il contributo delle varie fonti energetiche all’energia consumata nel mondo. Si usa distinguere le varie fonti d’energia in RINNOVABILI e non-RINNOVABILI. Sarebbero RINNOVABILI le fonti che non sono destinate ad esaurirsi prima dell’estinzione dell’umanità: in questo senso, solo la fonte solare è rinnovabile, ma è d’uso includere tra le RINNOVABILI anche la geotermia e i RIFIUTI SOLIDI URBANI (RSU). La tabella 2 riporta il contributo delle varie fonti energetiche alla produzione mondiale di energia primaria, e la tabella 3 riporta i consumi italiani d’energia primaria.
La tabella 4 mostra il contributo delle varie fonti alla produzione della sola energia elettrica nel mondo, solo in Europa, e solo in Usa, e la tabella 5 illustra i contributi relativi alla produzione e al consumo italiano d’energia elettrica. Tutte le tabelle ci portano alle stesse conclusioni: (1) il contributo del sole all’energia mondiale è drasticamente diminuito; (2) a fare la parte del leone del contributo solare è, nel mondo, in Europa e in Italia, la legna da ardere e la tecnologia idroelettrica.

Tabella 2: Produzione mondiale d’energia primaria e contributo percentuale dalle varie fonti (2004)

Insomma, l’energia solare indubbiamente non è l’energia del presente. Che speranza ha di tornare ai fasti del passato? La sconfortante risposta è che non solo essa non ha alcuna speranza di diventare l’energia del futuro, ma non ha alcuna speranza di dare, in futuro, alcun contributo che non sia insignificante (o, comunque, marginale) ai bisogni d’energia dell’umanità.

Tabella 3: Consumo italiano d’energia primaria e contributo percentuale dalle varie fonti (anno 2004)

Tabella 4: Produzione d’energia elettrica e contributo percentuale delle varie fonti (anno 2004)

Tabella 5: Energia elettrica in Italia (anno 2004)

¹ Tra costoro i nostri Verdi, anche agli alti livelli della dirigenza, uno dei quali, più volte ministro di governo, una volta dichiarò (l’ho ascoltato con le mie orecchie) che «bisogna affidarsi   all’energia che il sole ci manda gratis e in grande abbondanza».
² Il consumo di energia primaria comprende, a livello mondiale, il consumo di petrolio, carbone, GAS NATURALE, BIOMASSA, energia geotermica e da RIFIUTI SOLIDI URBANI ed energia elettrica da fonte nucleare, idroelettrica, eolica, solare termoelettrica e solare fotovoltaica e, a livello nazionale, comprende, oltre l’elenco detto, anche le importazioni nette d’energia elettrica.