Provincia di Ravenna

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1 EDURES ENERGIA IN GIOCO MANUALE PER INSEGNANTI SEZIONE ENERGIA Provincia di Ravenna

2 Indice Che cosa è L energia pag. 1 L energia nella storia pag. 10 Il consumo energetico pag. 16

3 Che cos è l energia Tutti noi viviamo la nostra quotidianità in continuo contatto con l energia. Utilizziamo energia per riscaldare e illuminare la casa, per produrre e trasportare beni; ciascuna delle nostre attività ne prevede l utilizzo. Senza energia niente funziona e niente si muove, ma sappiamo dire esattamente che cosa è l energia? Nella vita quotidiana incontriamo varie forme d energia: la luce solare, il calore del fuoco, il movimento dell acqua e del vento. L energia è però invisibile, non si può vederla, udirla, assaggiarla o toccarla. La visione di un fulmine o di una fiamma, sono solo gli effetti dell energia; l energia vera e propria è nascosta e si rivela solo attraverso questi fenomeni. Dell energia si occupa la scienza della fisica. Il termine energia deriva dal greco en (dentro) ed ergos (lavoro) lavoro dentro ed i Fisici, in effetti, la definisco come la capacità di un sistema di compiere un lavoro, dove il lavoro è il risultato dell applicazione di una forza per uno spostamento. Tale capacità di compiere lavoro viene sfruttata sotto forma di forza motrice, calore o luce. In base all esperienze che quotidianamente viviamo, però, il termine energia può essere semplificato e inteso come la capacità di fonti solide (es. carbone, uranio, Terra-Luna), fluide (es. gas, acqua) e organiche (es. alimenti), di produrre movimento, calore, elettricità. Le diverse forme di energia Figura 1: pensare l'energia... (foto di Davide Gaglio ) L energia presente in natura e di cui l uomo può disporre si distingue in un certo numero di forme eterogenee. In base alle caratteristiche e all attitudine di ciascuna forma, l energia può essere convertita in lavoro utile da destinare ad un particolare uso finale ed è possibile scegliere, di volta in volta, la fonte energetica più 1

4 conveniente in quella specifica circostanza. Le diverse forme in cui l energia si presenta si possono distinguere in: chimica, elettrica, elettromagnetica, meccanica (cinetica e potenziale), nucleare e termica. Energia chimica È la forma insita nelle forze di legame tra molecole o atomi di particolari sostanze. È un energia in potenza, cioè che può esprimersi attraverso opportune reazioni sotto forma di energia termica oppure elettrica. L energia chimica prevalentemente utilizzata è quella posseduta dai combustibili fossili come petrolio, gas e carbone. Energia elettrica Tale forma di energia è caratterizzata dal movimento ordinato di elettroni liberi nei conduttori, soprattutto nei metalli. Più precisamente è scorretto parlare di energia elettrica perché insieme al campo elettrico è sempre presente un campo magnetico e quindi, si dovrebbe parlare più propriamente di energia elettromagnetica. Tuttavia questa distinzione è comoda per definire il tipo di energia che normalmente viene utilizzata solo per le sue caratteristiche elettriche. Poiché l energia elettrica disponibile in natura, come quella che deriva dai fulmini, non è direttamente sfruttabile, è necessario produrre elettricità in modo artificiale, convertendo in energia elettrica altre forme disponibili in natura. Energia elettromagnetica Detta anche energia radiante è legata all interazione tra un campo elettrico ed uno magnetico, ed è l unico tipo di energia che si trasmette senza il supporto di alcun mezzo fisico quindi anche nel vuoto dove è praticamente assente ogni fenomeno di dissipazione. Si manifesta attraverso il moto delle onde elettromagnetiche che riempiono lo spazio tra i corpi materiali e si muovono alla velocità della luce (ad esempio luce visibile, onde radio, raggi X). In natura è presente soprattutto nella radiazione solare. Energia meccanica Quando mettiamo in moto un auto, il motore compie un lavoro meccanico. In natura vi sono due tipi di energia meccanica: potenziale e cinetica. Il primo deriva dal campo di attrazione gravitazionale che agisce sulla terra. Questa energia è posseduta anche da corpi in quiete e dipende dalla posizione, o quota occupata, da ogni corpo nel 2

5 campo terrestre. Quella cinetica è legata al movimento dei corpi solidi, liquidi e aeriformi. Ad esempio, nel caso del vento si parlerà di energia eolica mentre per l acqua dei fiumi di energia idraulica e per il mare di energia del moto ondoso. Energia nucleare Questa energia è chiamata anche atomica, ed è dovuta alle forze di coesione presenti a livello del nucleo degli atomi. In natura viene liberata spontaneamente da elementi generalmente di grande massa atomica, detti radioisotopi, che emettono radiazioni e/o particelle (radioattività naturale). Energia termica Detta anche calore è il movimento caotico delle particelle molecolari che costituiscono qualsiasi corpo materiale. Dal punto di vista microscopico è dovuta all energia (cinetica e potenziale) presente nella materia legata al moto di atomi e molecole. La quantità di energia termica contenuta in un corpo è indicata dalla sua temperatura; maggiore è il movimento molecolare, maggiore è la temperatura del corpo. Come si misura l Energia? L unità di misura dell energia è il Joule (J) che corrisponde all energia necessaria per produrre un lavoro corrispondente alla forza di 1 newton (N) applicato ad un corpo perché si sposti di 1 metro (m). Un J equivale all energia necessaria per alzare di dieci cm un kg d acqua. Il J è un unità di misura molto piccola è più comunemente si utilizzano i suoi multipli: il kilojoule, mille joule (kj, 10 3 J) e il megajoule, un milione di joule (MJ, 10 6 J). Esistono anche altre unità di misura, che sono la caloria (cal), il kilowattora (kwh) e la tonnellata equivalente di petrolio (TEP). La caloria, utilizzata nel Figura 2: Il Joule è l'unità di misurare il contenuto energetico di un corpo, è la misura dell'energia del Sistema Internazionale di riferimento quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 C la temperatura di un grammo di acqua distillata, precisamente da 14,5 a 15,5 C sul livello del mare (pressione di una atmosfera). Una caloria corrisponde a 4,186 J. 3

6 Il kwh si usa spesso quando ci si riferisce al consumo di energia elettrica. Il kwh deriva dal watt (W) che è l unità di misura della potenza e corrisponde ad i J su un secondo (1W = 1J/s). Ne deriva l equivalenza che 1 kilowattora, cioè mille watt in un ora (3.600 secondi), equivale a J o kj. Per misurare la potenza di un motore, viene utilizzato anche il cavallo-vapore (1 CV=736 Watt) in particolar modo nelle aziende produttrici di generatori elettrici e meccanici, e più diffusamente per i mezzi di trasporto. La tonnellata equivalente di petrolio (TEP), viene utilizzata per quantificare enormi quantità di energia, come ad esempio il bilancio energetico di una nazione. La TEP si basa sul potere calorifero dei combustibili, cioè la quantità di calore che si ottiene bruciando una unità (kg, m3) di combustibile. La TEP è quindi la quantità di energia che si ottiene da una tonnellata di petrolio o da una quantità equivalente di un altro combustibile o fonte energetica. Una TEP corrisponde a 4,3 1010J, cioè a MJ. Quali sono le fonti energetiche? Tutta l energia che si trova sulla terra deriva soltanto da tre fonti: il Sole, che c irradia costantemente di energia elettromagnetica (luce e calore); l energia nucleare che tiene unite le particelle costituenti i nuclei degli atomi; l energia termica residua concentrata nel centro della terra. Dall irraggiamento solare derivano inoltre tutte le altre fonti di energia utilizzabili dall uomo, nonché ogni forma di vita e l uomo stesso. A seconda di come vengano utilizzate dall uomo le fonti vengono suddivise in primarie e secondarie. Le fonti primarie sono quelle presenti in natura che possono essere direttamente utilizzate dall uomo senza doverle trasformare (il Sole, il vento, il carbone, il petrolio, l energia nucleare). Quelle secondarie derivano da trasformazioni delle primarie operate dall uomo; ad esempio la benzina è un derivato del petrolio e la corrente elettrica deriva da centrali che la generano sfruttando carbone, petrolio, gas naturale o energia idraulica e geotermica. A seconda del fatto che le fonti siano destinate ad esaurirsi oppure no vengono classificate in rinnovabili e non rinnovabili. Molte fonti energetiche presenti sulla Terra non sono altro che energia solare conservata. Il carbone si è creato nel corso di alcuni milioni di anni dai resti di piante e foreste sommerse. Il petrolio e il gas naturale si sono formati dalla decomposizione di microrganismi degli oceani di una volta. Queste fonti (fossili) sono considerate non rinnovabili, perché si sono generate in ere geologiche e una volta bruciate non sono più disponibili, non si rigenerano e pertanto 4

7 sono consumate e perdute. Le energie rinnovabili invece sono quasi inesauribili, perché il sistema Terra riceve permanentemente nuova energia sotto la forma di radiazione solare. L energia solare genera anche il vento e il movimento delle acque (energia eolica e idrica) e fa crescere le piante (biomassa). Visto che la vita del sole durerà circa altri 5 miliardi di anni, anche queste fonti saranno disponibili ancora a lungo. Non di origine solare sono il calore dell interno della Terra (energia geotermica), l energia nucleare e l energia delle maree. Quali sono le proprietà dell energia? L energia ha tre importanti proprietà: può essere trasformata, trasportata e conservata. Essa inoltre si manifesta sempre in più forme contemporaneamente, in particolare si assiste sempre alla generazione di calore: le onde luminose originate dal Sole generano anche energia termica, così come l energia elettrica che percorre un conduttore genera sempre una certa quantità di calore. Foto: Davide Gaglio La trasformazione L energia può sempre passare da una forma all altra, ma non sempre questo passaggio la rende ugualmente utilizzabile. Le trasformazioni obbediscono alle leggi della termodinamica, la prima delle quali afferma che: l energia non si può né produrre, né consumare, ma solo convertire. Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma. La quantità totale di energia in ogni sistema rimane dunque sempre la stessa. Quando mettiamo in moto un auto, il motore compie un lavoro meccanico. Nel cilindro del motore avviene la combustione di una miscela di benzina e di aria sviluppando un gas. Il gas in espansione esercita una pressione che spinge il pistone 5

8 e questo mette in movimento altri componenti del motore e, infine, l intero veicolo. Si tratta quindi di una trasformazione dell energia chimica, contenuta nei legami chimici delle molecole di benzina, in energia meccanica, detta anche energia cinetica. Parte dell energia in gioco si trasforma in calore a causa dell attrito tra gli elementi in movimento e si disperde nell ambiente assieme ai prodotti di scarico. Il calore prodotto per attrito nel motore e perduto con i prodotti di scarico non può essere utilizzato in modo efficace, quindi non tutta l energia che risulta da una trasformazione è utilizzabile. La seconda legge della termodinamica afferma che: in tutte le trasformazioni e in tutti gli scambi di energia che avvengono in sistema chiuso l energia presente alla fine sarà sempre minore di quella presente all inizio.questa legge è facilmente verificabile nell esperienza quotidiana: un masso che rotola giù da una collina non potrà tornare da solo al punto di partenza; il calore passa sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo. In questi processi l energia in potenza utilizzabile alla fine del processo è sempre minore di quella iniziale. Ciò che chiamiamo consumo di energia è solamente una svalutazione dell energia. Ogni trasformazione e ogni trasporto riduce l utilizzabilità dell energia. Con una caldaia trasformiamo l energia chimica contenuta nel gas metano o nel gasolio in calore e con questo riscaldiamo la casa e l acqua. Quando il calore ha riscaldato la casa, non è più utile, è stato svalutato o, come comunemente diciamo, consumato. L energia direttamente utilizzabile dal consumatore è detta energia finale che può essere il calore derivante dalla combustione di carbone, gas metano, benzina o elettricità. L energia finale è il risultato della trasformazione di energia primaria e secondaria. Le raffinerie trasformano il petrolio, il greggio, in gasolio, benzina e altri derivati e le centrali elettriche trasformano carbone, gasolio e gas naturale in corrente elettrica. Per essere utile al consumatore, l energia primaria deve essere quasi sempre trasformata. Durante la trasformazione e il trasporto dell energia, una parte di quella iniziale va persa. Per esempio, per produrre 1 kwh di corrente elettrica occorrono circa 3 kwh di energia primaria (carbone, gasolio, metano). L energia finale elettrica è cara e di alta qualità, ma anche inquinante se prodotta da fonti fossili. Molta energia elettrica serve per l illuminazione. Le lampade convenzionali trasformano solo il 5% dell energia elettrica in luce. Ciò significa che la luce artificiale usata corrisponde solamente al 2-4% dell energia primaria, il resto è andato perso sotto forma di calore. Nessuna macchina funziona senza perdite d energia; ciò vuol dire che una macchina assorbe più energia di quella utile che fornisce. Una parte delle perdite è inevitabile, 6

9 ma la maggior parte è causata da effetti indesiderati quali attrito e resistenza elettrica dai quali risulta calore. L obiettivo della ricerca energetica è pertanto quello di sviluppare tecnologie che forniscono, come risultato, lo stesso servizio con un minore impiego di energia. L efficienza della trasformazione energetica viene indicata dal rendimento che descrive il rapporto tra energia utile ed energia impiegata. Il rendimento è sempre inferiore a 1. Un motore elettrico trasforma la corrente elettrica non solo in energia meccanica utile, ma una piccola parte anche in calore, a causa degli attriti interni che scaldano il motore. Energia, entropia ed exergia Nei processi di trasformazione energetica oltre alla svalutazione di una parte dell energia iniziale, un altro fattore entra in gioco: l entropia, la quale fornisce la misura del disordine di un sistema. Ogni sistema chiuso tende a passare da uno stato ordinato a uno disordinato e, in esso, l entropia può solo aumentare.il termine centrale di questa tendenza è l entropia che, in un sistema chiuso, può solo aumentare. Il principio dell entropia vale anche per la trasformazione dell energia. L energia ben ordinata (meccanica) può essere totalmente trasformata in energia meno ordinata (calore), ma la trasformazione nella direzione opposta funziona solo parzialmente. Il calore (forma disordinata) è solo in parte trasformabile in energia elettrica (forma ordinata) e pertanto l energia contenuta nel carbone non può essere mai completamente trasformata in corrente elettrica. Il secondo enunciato della termodinamica descrive quindi il fatto che le direzioni della trasformazione energetica non hanno la stessa valenza. La porzione dell energia che può essere trasformata in una forma energetica più ordinata è detta exergia. L entropia è una misura del disordine. Due sfere in ciascuna delle quali si trova un gas sono collegate da un tubo. Aprendo la valvola i due gas si mischiano. Il processo è irreversibile perché non può avvenire che i due gas si separino spontaneamente. (Fonte La possibilità di viaggiare nel tempo ha sempre affascinato l uomo e molti romanzi fantascientifici si sono occupati di questo argomento. Per molto tempo la fisica non è stata in grado di dimostrare l impossibilità di questi viaggi, perché nella teoria della meccanica classica, ideata da Isaak Newton, il tempo non aveva nessuna direzione e quindi tutti i processi erano reversibili e viaggiare nel tempo poteva essere possibile. 7

10 Il secondo enunciato della termodinamica, riconducibile a Rudolf Clausius, ha posto fine a questo sogno e ha dato ai processi della natura una direzione. L enunciato dice che il trasferimento di calore avviene sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo, e mai nella direzione opposta. Non è possibile estrarre calore da un corpo più freddo e conferirlo ad uno più caldo. Quindi viene esclusa categoricamente la possibilità di costruire un perpetuum mobile, una macchina che lavora senza fornire sempre nuova energia. Accumulo e trasporto dell energia L energia può essere immagazzinata e anche trasportata. Il trasporto diretto dell energia dal luogo di produzione a quello di consumo avviene sfruttando l energia elettrica, attraverso l utilizzo di reti elettriche (come per esempio la rete elettrica nazionale). La corrente elettrica prodotta nelle centrali elettriche viaggia lungo i tralicci che comunemente vediamo nei nostri campi per distribuire energia nelle nostre case. Trasportatori di energia sono anche le materie in grado di accumularla. L immagazzinamento rende l energia trasportabile e disponibile. Per esempio, l energia elettrica può essere immagazzinata in batterie o accumulatori (energia chimica). L accumulo dell energia consente il suo uso in telefoni cellulari, PC portatili ecc. L energia elettrica può essere anche immagazzinata in un altro modo. Molte centrali idroelettriche possiedono due bacini d acqua, uno posto in alto e uno in basso. Nei periodi di poca richiesta, l energia elettrica viene utilizzata per pompare l acqua dal bacino inferiore a quello superiore e così l acqua può essere utilizzata un altra volta per produrre corrente elettrica Il calore si deve invece immagazzinarlo in altra maniera, per esempio in acqua o in materiali pesanti (pietre) che sono ottimi accumulatori. Il calore ottenuto da un collettore solare viene normalmente immagazzinato nell acqua, così si ha acqua calda anche quando non c è sole. Il calore contenuto in un accumulatore si disperde rapidamente nell ambiente circostante e per questo motivo gli accumulatori di calore vengono rivestiti con un isolamento termico che impedisce il loro rapido raffreddamento. Gli accumulatori di questo genere sono detti sensibili perché l accumulo di calore si fa sentire tramite l aumento della temperatura, ciò che non avviene negli accumulatori latenti che sfruttano il fenomeno della transizione di fase di certi materiali. Uno di questi materiali è la paraffina. Un accumulatore latente che raggiunta una certa temperatura, comincia fondersi e, anche aggiungendo altro calore, non aumenta più la sua temperatura fino alla totale fusione del materiale. Il 8

11 vantaggio degli accumulatori latenti consiste nel fatto che, nello stesso volume, può essere accumulato il doppio di energia rispetto agli accumulatori sensibili. A questo proposito si parla di densità energetica. La capacità di accumulare calore può essere illustrata con l esempio dell acqua. Per trasformare ghiaccio di 0 C in acqua della stessa t emperatura bisogna fornire la stessa quantità di calore che occorre per riscaldare l acqua da 0 C a 80 C. Ancora più energia richiede la transizione di fase da acqua a vapore. In questo caso occorre una quantità di energia 5,4 volte maggiore di quella che occorre per riscaldare acqua da 0 C a 100 C. L acqua è un ottimo accumulatore: non è tossica, è chimicamente stabile e possiede un elevata capacità termica. Il serbatoio d acqua calda deve avere un efficace isolamento termico. Come si produce e trasporta l energia elettrica? La corrente elettrica distribuita nelle nostre case viene prodotta nelle centrali elettriche da giganteschi generatori, gli alternatori. La parte mobile dell alternatore (il rotore) viene messo in moto da una turbina a cui è collegato. La rotazione della turbina viene a sua volta prodotta in maniera diversa a seconda del tipo di centrale (termoelettrica, idroelettrica, nucleare, ecc.). In ogni caso in tutte le centrali elettriche, si verificano una serie di trasformazioni energetiche, che provocano il movimento della turbina e quindi produzione di energia meccanica; nell alternatore si verifica la trasformazione dell energia meccanica in energia elettrica. L energia elettrica prodotta viene dunque trasportata attraverso la linea di trasmissione, costituta da cavi elettrici sorretti da tralicci e stazioni di trasformazione. Per ridurre le perdite di energia lungo la linea elettrica, sotto forma di calore, si può aumentare la sezione dei fili oppure aumentare la tensione della corrente elettrica. La tensione della corrente prodotta nelle centrali viene innalzata da a volt. Prima di essere utilizzata la corrente elettrica subisce un abbassamento di tensione, che la porta prima a volt e infine, prima di entrare nelle nostre case, a 220 volt. 9

12 L energia nella storia La storia dello sfruttamento delle fonti di energia da parte dell uomo, coincide in larga misura con la storia della tecnologia. Ogni innovazione introdotta nel corso dei millenni ha sempre comportato un diverso e, spesso maggiore, ricorso all energia. In numerose occasioni l Uomo è stato stimolato nello studio e nella ricerca, a seguito di un evento spontaneo naturale. I fulmini, la scoperta casuale del fuoco, la capacità di alcune pietre di attrarre metalli, le proprietà termiche e meccaniche dei minerali ferrosi, hanno sempre mandato input alla materia grigia umana, generando domande, ma soprattutto un senso inarrestabile di colmare le proprie curiosità, la voglia di conoscere, alleviare dolori, alleggerire fatiche. Fin dai tempi antichi, infatti, le manifestazioni e le fonti energetiche sono state studiate da illustri filosofi, scienziati, ingegneri, architetti con l obiettivo di facilitare le attività umane. Grazie al fuoco, agli animali, a leve e ruote, barche a vela e mulini a vento, gli uomini hanno alleggerito e potenziato le capacità di costruire opere civili, di svolgere attività agricole e artigianali, di trasportare merci e persone, facendo progredire sul globo terrestre maestose e fiorenti Civiltà. Dalla preistoria alle antiche civiltà Le prime fonti di energia che l uomo ha utilizzato erano la forza muscolare, propria e degli animali (che derivava dall energia chimica contenuta negli alimenti) e dal fuoco. Le tracce più antiche dell'uso del fuoco, probabilmente utilizzato soltanto per riscaldarsi, per cuocere i cibi, per illuminare e per difendersi dagli animali, risalgono al paleolitico. Il fabbisogno energetico dell'uomo primitivo era dunque circoscritto alla necessità di sopravvivere. VM Con l'avvento del mesolitico e poi del neolitico, l'uomo apprese gradualmente a coltivare la terra ed allevare gli animali. Molte popolazioni, che fino ad allora erano essenzialmente nomadi, iniziarono ad occupare stabilmente quelle aree dove più efficacemente si poteva produrre il cibo necessario alloro sostentamento. Nacquero i primi villaggi (5000 a.c.), nei quali si iniziò a lavorare il legno e a costruire i primi utensili per la coltivazione, i primi aratri con il vomere di pietra. In quella fase, la fonte 10

13 di energia prevalente, oltre al fuoco, era costituita dall'energia muscolare, soprattutto degli animali dedicati alla trazione e al movimento di macine e mole. A partire dal terzo millennio, muta radicalmente l'uso del fuoco: da semplice strumento di riscaldamento, illuminazione e cottura, esso diviene la forma di energia utile anche per produrre i primi manufatti metallici. La legna, fonte energetica primaria dell'uomo primitivo, viene utilizzata in misura sempre crescente. Ciò durerà per molti secoli, fino all'alba della rivoluzione industriale. Ma almeno altre due fonti di energia, annoverabili tra quelle rinnovabili, apparvero e divennero di primaria importanza in quelle epoche: il vento e il moto dei corsi d'acqua. Le prime imbarcazioni a vela risalgono infatti al a.c., mentre nella stessa epoca gli egizi presero a sfruttare il moto delle acque per muovere le prime macine. Fino al basso medio evo, comunque, il ricorso al moto delle acque e al vento era circoscritto a specifiche funzioni, mentre l'energia muscolare, spesso offerta da una moltitudine di schiavi, costituiva la gran pane dell'energia disponibile ed utilizzata. Oltre, naturalmente, al fuoco utilizzato per cuocere le ceramiche e fondere i metalli. Le prime innovazioni di carattere tecnologico, che permisero all'uomo di poter sfruttare meno l'energia muscolare, risalgono al decimo secolo dopo Cristo, con l'introduzione di nuovi sistemi di bardatura degli animali da tiro e la costruzione dei primi mulini a vento in Europa (in Persia noti da 500 anni prima). Nel primo caso, si tratta di un'innovazione capace di migliorare l'efficienza di una fonte di energia (quella muscolare degli animali); nel secondo, di un innovazione capace di sfruttare anche sulla terra ferma una fonte di energia altrimenti riservata soltanto al trasporto via mare. La nascita dei primi mulini a vento permise, unitamente ad un sempre più efficace sfruttamento del moto delle acque dei fiumi, di introdurre ulteriori nuove tecniche: grazie alle pale sospinte dall'energia eolica o dai corsi d'acqua fu possibile costruire i primi magli meccanici per la lavorazione dei metalli, muovere le prime macchine per il taglio del legname, muovere i primi rudimentali macchinari di tessitura, dare fiato ai mantici necessari per ottimizzare la combustione della legna; utilizzata per riscaldare i forni per fondere i metalli e quelli per cuocere le ceramiche. Dal medioevo alla rivoluzione industriale A partire dal Cinquecento in Europa, ma da quasi venti secoli prima in Cina, prese ad essere utilizzato anche un nuovo combustibile, capace di sostituire, almeno in parte, la legna: il carbone. All inizio il suo uso fu molto limitato dalla sua relativa scarsa disponibilità, fino a quando in Inghilterra non furono messe a punto nuove e più efficaci tecniche di ricerca dei giacimenti. Il grande impulso che, dal Seicento in poi, ebbe la produzione 11

14 di manufatti metallici, si deve in gran parte alla sempre crescente disponibilità di questo combustibile, particolarmente adatto per il riscaldamento dei forni di fusione dei metalli. Si giunse così alla cosiddetta rivoluzione industriale, che vide la nascita delle prime vere industrie in Inghilterra, verso la fine del Seicento e successivamente, anche se in maniera molto disomogenea in tutta Europa. VM Le macchine utilizzate in quell'epoca erano assai rudimentali e la produzione di manufatti esigeva ancora l'apporto di molta mano d'opera. Il salto tecnologico successivo e determinante fu costituito dall'invenzione, nel 1769, da parte di James Watt (l'unità di misura della potenza porta il suo nome) della macchina a vapore. Una parte sempre crescente del lavoro manuale fu sostituita dal lavoro delle macchine: ciò determinò una sempre più rapida crescita dell'attività industriale e della quantità di manufatti prodotti. La rivoluzione industriale ha così segnato un cambio di velocità, un accelerazione improvvisa nella storia e nella vita dell uomo. Dalla fine del 700 ad oggi le successive tappe dello sviluppo tecnologico e dell utilizzo di nuove fonti di energia da parte dell uomo, si sono evolute ad un ritmo sempre maggiore e con esse è aumentata a dismisura la quantità di energia utilizzata. Cronologia dell utilizzo dell energia da parte dell uomo Per centinaia di migliaia di anni gli uomini preistorici, antenati dell attuale homo sapiens sapiens, non conoscevano altre forme di energia al di fuori dei propri muscoli, vivevano di caccia e raccolta e non cucinavano gli alimenti anni fa circa l homo erectus per caso scopre e domina il fuoco, poi impara a mantenerlo vivo e ad utilizzarlo per scaldarsi fare luce e cucinare. La legna diviene la prima fonte di energia oltre al Sole nella storia dell umanità a.c. inizio dell età Neolitica; con la nascita dell agricoltura l uomo comincia ad addomesticare alcuni animali e a utilizzare la loro forza. Gli animali divengono una fonte di energia per trainare l aratro e trasportare materiali a.c. circa con la nascita delle prime città aumenta il bisogno di energia che è all origine della schiavitù. Gli schiavi vengono utilizzati per la costruzione di grandi 12

15 opere. In Mesopotamia (3500 a.c. circa) viene inventata la ruota, facilitando così il trasporto con animali a.c. le antiche civiltà dell Asia minore e del Nord Africa inventano la vela, viene così facilitato il trasporto via mare e via fiume con imbarcazioni; per molto tempo la propulsione delle navi sarà affidata alle correnti, ai venti ed alle braccia dei vogatori a.c. gli egizi presero a sfruttare il moto delle acque per muovere le prime macine; comincia ad essere sfruttata l energia cinetica contenuta nell acqua; a.c. costruzione della Piramide di Cheope; la forza motrice di questa grande opera sono uomini e animali; a.c. in Asia Centrale i mongoli addomesticano il cavallo; per svariati secoli sarà il più efficiente mezzo di trasporto terrestre; 287 a.c. nasce il matematico ed ingegnere Archimede, approfondirà conoscenze su leve, carrucole e vite senza fine ; storica la battaglia di Siracusa (240 a.c.): Archimede distrugge la flotta romana utilizzando la luce solare concentrata con specchi ustori parabolici; 100 a.c. vengono perfezionati dai romani i mulini idraulici greco - turchi; d.c. In Cina prima e in Persia successivamente, vengono costruiti i primi mulini a vento, in Europa appariranno nel 1105 d.c.; X secolo introduzione nelle campagne europee di nuovi sistemi di bardatura degli animali da tiro, che permettono di sfruttarne al meglio la forza; Medioevo la produzione di energia continua ad essere correlata ancora all utilizzo della legna, della forza muscolare degli animali e degli uomini, al vento, e all acqua corrente. Bisogna attendere la fine del Rinascimento e la sostituzione della legna con il carbone nei processi di combustione, perché le idee si evolvano e vengano scoperte nuove invenzioni; XVII secolo gli inglesi cominciano ad utilizzare sistematicamente come combustibile il carbone, che permette di accelerare i processi industriali; 1629 l italiano Giovanni Branca sperimenta la prima turbina a vapore; 1682 il francese Danis Papin inventa la pentola a pressione; primo manufatto in cui l uomo sfrutta e controlla la potenza del vapore; 1712 Thomas Newcomen realizza il primo motore a vapore (macchina atmosferica) con cilindro e stantuffo, capace di trasformare il calore in energia meccanica; 1763 migliorie al motore di Newcomen, da parte di James Watt; definizione dell unità di misura dell Energia; 13

16 1769 invenzione della macchina a vapore da parte di James Watt; costruzione del primo veicolo con caldaia e motore a vapore; 1783 i fratelli Montgolfier, si librano in aria con il loro pallone aerostatico; 1799 invenzione della pila da parte di Alessandro Volta; inizia l era dell energia elettrica; 1806 realizzazione del primo impianto di illuminazione a gas in un cotonificio inglese, il Phillis and Lee; 1810 primi battelli a pale con motore a vapore solcano il Mare d Irlanda 1814 invenzione della locomotiva da parte di George Stephenson; 1827 invenzione della turbina idraulica (Benoit Fourneyron); 1831 Michael Faraday scopre che il magnetismo può indurre elettricità; 1831 Joseph Henry brevetta il motore elettrico ed il generatore di corrente elettrica continua; 1853 Matteucci e Barsanti inventano e costruiscono il primo motore a scoppio; 1866 invenzione della dinamo da parte del tedesco Werner von Siemens; 1877 invenzione del motore a scoppio (Nikolaus Otto); 1878 Thomas Edison inventa la prima lampadina a incandescenza, che rivoluziona il sistema di illuminazione fino ad allora basato su lampade alimentate ad olio o a gas e candele; 1879 costruzione della prima ferrovia elettrica al mondo da parte di Werner von Siemens; 1882 negli USA ad Applenton, Wisconsin viene inaugurata la prima centrale idroelettrica a corrente continua; 1888 il fisico piemontese Galileo Ferrarsi realizza il primo motore elettrico a corrente alternata; 1891 Nikola Tesla inaugura alle cascate del Niagara la prima centrale idroelettrica basata sul principio della corrente alternata; 1893 invenzione del motore Diesel (Rudolf Diesel); 1903 a Larderello (Toscana) costruzione del primo impianto sperimentale per la trasformazione dell energia geotermica in energia elettrica: il vapore generato nella crosta terrestre dal calore delle Terra, viene sfruttato per azionare le turbine degli impianti; 14

17 1905 nelle praterie degli Stati Uniti vengono installati i primi aerogeneratori, i quali consentivano di ottenere energia elettrica a partire dal vento: l energia eolica viene utilizzata, sfruttando il principio dei mulini a vento, per azionare delle grosse pale collegate a generatori di corrente; 1933 l italiano Enrico Fermi, geniale professore di fisica all Università di Roma, scopre l energia nucleare di fissione; debutta una nuova era nel settore dell energia; 1942 nella base segreta di Los Alamos negli USA, Enrico Fermi riesce per la prima volta a controllare la reazione a catena di fissione nucleare e sfruttare l energia liberata dai legami atomici, purtroppo per fini militari; 1945 per accelerare la fine della seconda guerra mondiale gli USA sganciano due bombe atomiche sulle città di Hiroshima e Nagasaki (6 e 9 agosto), causando centinaia di migliaia di morti; 1951 costruzione della prima centrale termonucleare, finalmente l energia nucleare viene posta a servizio dell umanità per la produzione di energia elettrica; 1953 il fisico Gerald Pearson realizza la prima cella fotovoltaica in silicio (sfruttando l effetto fotovoltaico noto dal 1839), la quale permette di convertire l energia solare direttamente in corrente elettrica continua; 1979 primo impianto fotovoltaico costruito in Italia al passo dei Mandrioli della potenza di 1kW; 1986 in Ucraina (allora facente parte dell URSS Unione delle Repubbliche Socialiste Sovietiche) nella città di Cernobyl esplode la centrale termonucleare; la nube tossica sprigionata investirà mezza Europa facendo sentire i propri effetti anche in Italia; 1987 in Italia, in seguito alla tragedia di Cernobyl, con un referendum il popolo dice no alla produzione di energia elettrica dalla fissione nucleare; 1991 nel Centro europeo per la fusione nucleare di Culham in Gran Bretagna, viene azionato con successo il JET, una macchina per sperimentare la reazione di fusione nucleare (la stessa reazione fisica che da 4 miliardi di anni tiene acceso il sole); nascita delle speranze per l utilizzo di una energia nucleare pulita ; 15

18 Il consumo energetico Treni, aerei, navi, automobili, industrie, grandi opere, vita quotidiana: dal treno ad alta velocità al tostapane noi consumiamo molta energia, principalmente sottoforma di energia elettrica e carburante. Ogni oggetto, ogni apparecchio che usiamo ha richiesto energia per la sua fabbricazione e ne richiede anche per funzionare, allo stesso modo ci vuole molta energia per estrarre e trasformare le materie prime come il cemento, l alluminio o l acciaio che consumiamo in grande quantità. I consumi nel tempo aumentano in maniera esponenziale, soprattutto nei paesi maggiormente sviluppati; è stato calcolato che un abitante di un paese come il nostro, consuma oggi 15 volte più energia che duecento anni fa e tre volte più che nel L energia non è ripartita in maniera equa tra tutti gli abitanti del pianeta Terra; alcuni paesi possiedono importanti giacimenti di petrolio, gas o carbone, mentre altri non ne hanno. Tale disparità di ricchezze genera nel mondo gelosie e numerosi conflitti, in certi paesi la mancanza è talmente elevata da impedire lo sviluppo. Molti abitanti di regioni povere ancora oggi utilizzano la legna come unica fonte di energia per cucinare, riscaldarsi e illuminare le abitazioni, comportamento che produce un serio problema di deforestazione quando la foresta non viene curata e rimboschita. Ciò avviene in numerosi villaggi dell Africa, dell America latina e dell Asia centrale. L accesso all energia è un passaggio obbligatorio per lo sviluppo di una società, affinché ciascuno acquisisca un giusto livello di vita, un desiderio idealistico che purtroppo ancora tarda a realizzarsi. Disporre di energia e proteggere l ambiente sono due esigenze egualmente importanti per la società del futuro e metterle d accordo è una delle sfide che essa deve affrontare. Dipende dai progressi che faranno le tecnologie, dalle scoperte scientifiche oggi imprevedibili e da equilibri politici ed economici complicati. Ma dipende anche dagli atteggiamenti personali di tutti noi. Ci sono alcune cose che dovremmo ricordarci ogni volta che accendiamo la luce, il gas o il motore della nostra automobile, come ad esempio: - il 20% della popolazione mondiale consuma il 70% dell'energia; - dal 1850 a oggi i consumi sono raddoppiati in media ogni 30 anni; - oggi nel mondo si consumano più di 11 miliardi di TEP (tonnellate equivalenti petrolio) all'anno, cioè TEP al minuto, 350 TEP al secondo; - l'italia nel 2004 ha bruciato quasi 200 milioni di TEP: circa un cinquantesimo dei consumi mondiali, i 4/5 di questa energia vengono importati; 16

19 - un cittadino del Niger dispone mediamente di circa 60 kwh all anno, un americano di kwh/anno, un italiano di kwh/anno. Il bilancio energetico mondiale Nel mondo il consumo totale di energia nel 2004 è stato di ,0 MTEP e tale valore, ormai da 2 secoli, cresce enormemente. Inoltre se negli ultimi anni i grandi consumatori storici di energia (USA, Europa, Russia e Giappone) hanno rallentato la crescita dei loro consumi, in Asia ed in Medio Oriente l aumento dei consumi è particolarmente sostenuto, trainato dalla crescita economica in quasi tutta l area e soprattutto in Cina. La Cina nel 2004 con le sue 1.519,8 MTEP consumate, ha raggiunto il 13,7% dei consumi energetici mondiali, ottenendo un peso quasi equivalente all area UE-25 (15,8%), attestandosi al terzo posto mondiale; ma con una crescita dei consumi pari al 12,5% l anno e con una popolazione di 1,5 miliardi di persone, fra non molto supererà i più grandi consumatori di energia al mondo: gli Stati Uniti (21% del totale mondiale). Se poi si va ad analizzare il tipo di fonte primaria utilizzata, si osserva che la Cina, la quale possiede grossi giacimenti di carbone, ottiene il 60% del proprio fabbisogno energetico dalla combustione del carbone, la più inquinante tra le fonti fossili. Consumi primari in MTEP Carbone Petrolio Gas naturale Rinnovabili Nucleare Totale Mondo 2.731, , , ,0 716, ,0 Stati Uniti 561,5 940,7 554,6 83,9 193, ,8 Russia 118,4 134,1 359,0 13,4 50,9 675,8 Giappone 112,6 255,1 63,5 19,5 72,8 523,5 Cina 918,7 308,5 34,8 253,8 4, ,8 UE a ,4 650,5 413,1 158,4 211, ,0 Energia consumata al mondo nel 2004 (fonte ENEA 2005) Osservando il grafico nella pagina seguente, emerge come le fonti di energia fossili, caratterizzate da un'elevatissima concentrazione ed un ciclo molto lento, vengano divorate in quantità gigantesche: circa l'80 per cento dell'energia consumata in un anno sulla Terra viene dalla combustione di quest ultime, e aggiungendo il 6,4% di energia nucleare, otteniamo che l 87% dell energia prodotta in un anno nel pianeta deriva da fonti non rinnovabili, che prima o poi sono destinate ad esaurirsi. Si deve anche considerare che la quantità di energia consumata per ciascun abitante della Terra è enormemente diversa tra l'occidente ricco ed il resto del mondo, al 17

20 punto che, in media, ogni americano consuma più di dieci volte l'energia consumata da un cittadino cinese, più di cinquanta volte l'energia consumata da un africano e il doppio di un cittadino europeo. Quando, com è auspicio di tutti, grandi paesi poveri o poco sviluppati come la Cina, l'india, l Indonesia, il Pakistan, il Brasile, la Nigeria e la stessa Russia, riusciranno ad offrire ai propri cittadini un benessere anche soltanto simile a quello di cui gode oggi l'occidente, i consumi di energia non potranno che essere smisuratamente cresciuti. Se non verranno attuate efficaci politiche di risparmio e miglioramento dell efficienza energetica e sviluppate le tecnologie per l utilizzo delle fonti rinnovabili, aumenteranno i consumi di combustibili fossili, e con essi sarà altrettanto cresciuta la quantità di gas inquinanti prodotti ogni anno. 13,0% 20,7% Mondo: fonti primarie ,4% 24,6% 35,3% Carbone Petrolio Gas naturale Rinnovabili Nucleare Consumo percentuale nel mondo di fonti primarie (fonte ENEA 2005) ma quante risorse fossili rimangono? Gli studi condotti sulla disponibilità di fonti fossili affermano che restano a disposizione quasi mille miliardi di tonnellate di carbone, che al ritmo di consumo attuale, dovrebbero bastare per almeno altri 200 anni. Non è così per il petrolio: le riserve sono pari a circa 165 miliardi di tonnellate e consumandone circa 3,9 miliardi ogni anno, tra meno di cinquanta anni saranno finite. Secondo la Exxon Mobile, la maggior compagnia petrolifera al mondo, i giacimenti petroliferi conosciuti sono sufficienti, agli attuali ritmi di consumo, per la fornitura di petrolio fino al Per il gas le cose vanno un poco meglio, ma non molto: miliardi di metri cubi di riserve, agli attuali ritmi di consumo, termineranno più o meno entro settanta anni. Certamente, quelle alle quali ci si riferisce sono le riserve di combustibili fossili accertate, immediatamente disponibili ed economicamente utilizzabili; vi sono poi vaste aree del mondo, a cominciare da gran parte dei fondali marini, ancora inesplorate, ove potrebbero celarsi ancora grandi quantità di petrolio e di gas. Si 18

21 devono prendere anche in considerazione alcune fonti di energia fossili finora trascurate perché dotate di un basso potere calorifico, quali: lignite, sabbie e argille bituminosi, metano idrato. Le statistiche storiche mostrano che, dagli anni Settanta, la quantità di petrolio e di gas naturale consumate anno dopo anno non hanno mai fatto scendere le riserve sotto la soglia dei 35 anni; questo perché, mano a mano che si bruciavano combustibili, si scoprivano nuovi giacimenti. Rimangono comunque due fatti incontrovertibili: il primo è che le nuove riserve petrolifere e di gas naturale individuate negli ultimi dieci anni sono quantitativamente inferiori a quelle che sono emerse nei decenni precedenti; il secondo è che il costo che si deve affrontare per estrarre petrolio e gas dai nuovi giacimenti è sempre più elevato, in ragione delle crescenti difficoltà di ordine tecnologico (profondità sempre crescenti, esplorazione dei fondali marini). Le previsioni e le proiezioni sul futuro sono numerose e non univoche, ma in via generale, si ritiene che, all attuale ritmo dei consumi, il mondo abbia energia a sufficienza soltanto per i prossimi 300 anni. Sempre che l'occidente impari a risparmiare energia e i paesi in via di sviluppo a crescere senza sprecarla; altrimenti, l'orizzonte non supererà nemmeno i cento anni. Il bilancio energetico dell Italia Nel nostro paese nel 2004 il consumo totale di energia è stato di 196,8 MTEP, prodotto per l 87,2% dalla combustione di carbone, petrolio e gas naturale. Il nostro paese purtroppo fa un largo uso di fonti non rinnovabili. Le fonti rinnovabili rappresentano soltanto il 7,7% delle fonti primarie utilizzate. Italia: fonti primarie 2004 MTEP Carbone 17,1 Petrolio 88,0 Gas naturale 66,5 Rinnovabili 15,2 Nucleare 0,0 Importazione energia elettrica 10,0 Totale 196,8 L utilizzo di fonti fossili oltre ai gravi Energia consumata in Italia nel 2004 problemi d inquinamento che produce, per (fonte ENEA 2005) il nostro paese è doppiamente pericoloso. Infatti l Italia è priva di grandi giacimenti di carbone, petrolio e metano e importa circa l 85% delle fonti fossili che utilizza, ciò pone il nostro paese in una grave posizione di dipendenza energetica. A questo si deve aggiungere che anche l energia elettrica prodotta nelle centrali del nostro paese non è sufficiente a soddisfare la domanda interna di elettricità e siamo costretti ad importarla dalla Francia e dalla Svizzera. In tali paesi l energia che acquistiamo è prodotta da centrali nucleari. Quindi anche se nel 1986 con un referendum abbiamo abolito l utilizzo del nucleare nel nostro paese, di fatto utilizziamo energia elettrica prodotta da centrali nucleari che stanno ad alcune 19

22 centinaia di chilometri dai nostri confini. Un motivo in più perché in Italia si dia maggiore impulso alle energie rinnovabili. Se analizziamo la tipologia delle fonti rinnovabili che utilizziamo, notiamo che la gran parte dell energia prodotta da esse è energia idraulica (72%), la quale deriva dagli impianti idroelettrici costruiti tra gli anni 50 e 70. Se consideriamo che le potenzialità dell energia idraulica e geotermica nel nostro paese sono ormai da tempo ampiamente sfruttate, e che la produzione di energia dalla combustione dei rifiuti genera gravi problemi di tipo ambientale e sociale, dobbiamo aumentare sensibilmente la produzione di energia solare, eolica e dalle biomasse. Italia: fonti primarie ,8% 7,7% 5,1% 8,7% 44,7% Carbone Petrolio Gas naturale Rinnovabili Imp. energia elettrica Consumo percentuale in Italia di fonti primarie (fonte ENEA 2005) Energia da fonti rinnovabili 11% 3% 6% 8% 72% idraulica geotermica eolica + solare rifiuti biomasse Produzione di energia da fonti rinnovabili in Italia (fonte ENEA 2005) Se andiamo ad analizzare come utilizziamo l energia, ci rendiamo conto che nei settori dell industria, dei trasporti e degli usi civili (residenziale e terziario) 20

23 consumiamo il 90,1% di tutta l energia primaria. Tale consumo è ripartito in quantità più o meno simile tra i tre settori. Quindi quasi tutta l energia da noi consumata viene utilizzata sostanzialmente per produrre merci e materiali, muoverci e trasportare le merci prodotte e riscaldare e illuminare case, uffici e luoghi pubblici. Italia: consumi primari per settore 30,2% 2,3% 5,3% 2,4% 28,9% industria trasporti usi civili agricoltura usi non energetici bunkeraggi 31,0% Consumo percentuale di energia per settori in Italia (fonte ENEA 2005) Il consumo di energia nel nostro paese è in costante aumento. Negli ultimi trenta anni il fabbisogno di energia primaria è aumentato più del 40%, nonostante la popolazione sia rimasta pressocchè stazionaria. Da notare che petrolio e gas naturale pur in proporzioni diverse hanno sempre fornito i 4/5 circa dell energia totale primaria. Evoluzione consumi energetici in Italia MTEP 200,0 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Carbone Petrolio Gas naturale Rinnovabili Imp. energia elettrica Totale consumo lordo Evoluzione consumi totali e per fonti primarie in Italia (fonte ENEA 2005) 21

24 Il petrolio all inizio degli anni 70 forniva più del 70% dell energia primaria, in seguito alla crisi petrolifera del 1973, nel nostro paese ci si rese conto che si doveva diversificare l utilizzo delle fonti, e si decise di sfruttare maggiormente il gas naturale (metano), presente nei giacimenti della pianura Padana e del Mar Adriatico, che con l aumento del prezzo del greggio era diventato più economico estrarre. Negli anni 90 il gas naturale forniva il 56% dell energia primaria, ma i giacimenti italiani si stavano esaurendo e si decise di aumentare l importazione di gas da altri paesi, in particolare da: Russia e Algeria. In seguito all aumento del costo del gas naturale (richiesto sempre maggiormente in tutto il mondo) e alle diverse crisi internazionali (Iraq, Afghanistan, Russia, Venezuela e Iran), oltre ad aver ripreso ad utilizzare maggiormente il petrolio (44, 7% nel 2004), si è anche ricominciato ad utilizzare il carbone (8,7% nel 2004), abbandonato già negli anni 50 e 60 perché troppo inquinante rispetto sia al petrolio che soprattutto al metano, ma attualmente diventato più economico sul mercato. Fonti APAT, 2006, I quaderni di educazione ambientale, Energia e radiazioni ENEA, 2006, Rapporto Energia e ambiente