Energie rinnovabili 2

Energie rinnovabili

Agroenergie Geotermica Idroelettrica Solare Energia marina Eolica

Per agroenergie si intende la potenzialità energetica che si può ricavare dai processi agricoli come produzione di Biocarburante ( biodiesel , bioetanolo ), ma anche dalle biomasse come per esempio il legno .

L' Unione Europea (EU) importa oltre il 50% dell' energia che utilizza. La dipendenza potrà diventare pari al 70% nel 2030 in mancanza di interventi significativi. La condizione deficitaria è molto più grave oggi in Italia: il nostro paese importa oltre l'82% del fabbisogno energetico, che in larga parte è coperto da combustibili fossili. Il progressivo affermarsi di nuove tecnologie consente oggi di produrre energia rinnovabile dal comparto forestale: le agroenergie.

Questa di forma energia, recentemente, ha generato un dibattito piuttosto acceso fra i suoi sostenitori perché, pur valida sul piano ambientale, sta modificando sostanzialmente le scelte di politica agricola in molti Paesi del Terzo Mondo che stanno riducendo i terreni fertili destinati all'uso alimentare rispetto a quelli destinati alla produzione di vegetali ad uso energetico. Ovviamente ben diversa è la problematica delle agroenergie che sono le forme di produzione di energia diverse dai biocarburanti.

Un esempio precipuo di utilizzi di Agroenergie in Italia è dato dal Teleriscaldamento a base di legna in Alto Adige.

Il fatto che più del 42% del territorio dell' Alto Adige è ricoperto da foreste e boschi [1] , permette alla regione di usufruire a pieno, di questa fonte d'energia pulita e rinnovabile, quale è il legname. Infatti il legname ha un valore neutro di CO2, e non si esaurisce dato che la foresta si rigenera in continuazione. In Alto Adige, si ha una ricrescita del legname di oltre 85.000 metri solidi, e di questi solo la metà viene utilizzata ogni anno. Analizzando questi dati si può capire che lo sfruttamento di questo materiale è davvero un sistema intelligente, e allo stesso tempo serve alla manutenzione boschiva.

Altra fonte di ceppato o del suo derivato, la segatura , sono gli scarti delle segherie che lavorano anche con legname di importazione. ed in alcune zone come la Pusteria, hanno un ruolo predominante. [2]

Dal 1994 , in Alto Adige sono state costruite 57 centrali [3] di teleriscaldamento, alimentate a biomassa , ed altre sono in progettazione. In particolare in val Pusteria , ben 12 comuni utilizzano questo tipo di riscaldamento, come ad esempio a Dobbiaco , dove è stata inaugurata nel 1998 una delle centrali più grandi, che è stata ingrandita nel 2005. [4] [5]

• Fonti di energia
• Energie rinnovabili
• Biomassa
• Biocarburante
• Biogas

Consumi energetici mondiali, per fonte, nel 1973 e nel 2004 . Fonte: International Energy Agency [1] .

Le fonti energetiche o fonti di energia , rappresentano le sorgenti di energia a disposizione dell'umanità che possono essere utilizzate per eseguire un lavoro , produrre calore e comunque ottenere una utilità.

Fin dalla preistoria, e per gran parte della storia umana, le uniche fonti di energia utilizzabili dall'uomo furono la forza umana e animale per produrre un lavoro, nonché la combustione di legno o più in generale biomassa , per la produzione di calore .

Più tardi, la navigazione a vela , così come l'introduzione di mulini sia ad acqua che a vento, introdussero una prima diversificazione riguardo le fonti energetiche sfruttate.

La densità di energia per persona tuttavia, prima del XX secolo in Occidente , era ancora ridotta: questo si traduceva, nelle società pre-industriali, in una minore mobilità delle persone nel loro complesso, minore circolazione di merci, ridotta assistenza sanitaria, disponibilità discontinua di risorse alimentari, con periodiche carestie.

reddito pro-capite (a parità di potere d'acquisto PPA ), in funzione del consumo energetico globale per persona (in toe), anno 2004 . Fonte: International Energy Agency [2] .

Oggi la presenza di numerose fonti di energia (abbondante e a basso prezzo) ha permesso uno sviluppo notevole di infrastrutture e una accelerazione del processo di industrializzazione ; l'evoluzione della società umana richiede infatti un apporto di energia sempre maggiore e questo ha portato allo sviluppo di strutture estremamente sofisticate atte alla produzione di energia e al suo immagazzinamento.

Un aspetto che viene spesso trascurato è che le attività umane nelle moderne società richiedono un grande apporto di energia: l' istruzione nelle scuole, la sanità pubblica , i trasporti , la moderna agricoltura richiedono quantità enormi di energia. Tutto questo si può sintetizzare con un grafico (vedi figura a sinistra) dove si riporta il reddito pro-capite (a parità di potere d'acquisto- PPA ), in funzione del consumo energetico per persona. L'anno è il 2004 , ciascun punto rappresenta una diversa nazione . Tanto più alto è il tenore di vita, tanto più elevata è la quantità di energia pro capite: il caso estremo è quello del Lussemburgo , che consuma più di 10 tonnellate equivalenti di petrolio ( tep o, in inglese, toe ) e ha un reddito pro-capite di più di 50, 000 dollari all'anno.

In assenza di energia, le società industriali moderne non potrebbero sopravvivere. Un esempio è dato dall'Italia (quadratino rosso in figura): nel 2004 un italiano ha consumato in media 3 tonnellate equivalenti di petrolio, con un reddito medio di 25, 000 dollari all'anno. All'inizio del 1900 un italiano consumava meno di una tonnellata di petrolio all'anno, ma la società era prevalentemente contadina, e i tassi di analfabetismo e di mortalità infantile erano altissimi. Ancora oggi nel mondo in moltissime nazioni si vive con meno di 2, 000 dollari all'anno, e corrispondentemente il consumo pro-capite di energia è meno di 0.5 tpe.

Nel corso del 1900 si è quindi assistito a un notevole incremento del consumo di energia (vedi figura a destra), che è praticamente raddoppiato nei trent'anni dal 1973 al 2004 . Ciò pone dei problemi, sia dal punto di vista ambientale (ad esempio per l' effetto serra o lo smaltimento delle scorie ), sia dal punto di vista geopolitico . La scelta di una fonte energetica è quindi diventata un fatto socio-politico complesso ed importante, che dipende dalla disponibilità di risorse, dal costo di una fonte in relazione alle condizioni particolari di una nazione, dall'affidabilità delle centrali di produzione di energia e dalla protezione dell'ambiente [3] .

Le fonti utilizzate oggi per la produzione di energia elettrica sono essenzialmente la combustione di combustibili fossili (carbone o idrocarburi), l' idroelettrico , l' energia atomica da fissione , l' eolico , la geotermia e l' energia solare .

La prima classificazione che deve essere fatta per le fonti di energia è tra le fonti di energia primarie , ovvero le fonti direttamente presenti in natura. Esse comprendono il petrolio, il carbone, il gas naturale, la legna da ardere o biomasse, i combustibili nucleari, l'energia idroelettrica, eolica, geotermica e solare, in ordine di importanza di sfruttamento attuale. Queste vanno distinte dalle fonti di energia secondarie , che sono fonti di energia non direttamente presenti in natura e sono piuttosto fonti di energia derivate dalle fonti primarie. Le fonti secondarie comprendono ad esempio l' energia elettrica o l' idrogeno . Le fonti secondarie sono un prodotto di trasformazione delle primarie e non possono cioè essere considerate una risorsa naturale.

Un'altra classificazione importante è quella tra fonti esauribili o non rinnovabili , oggi essenzialmente i combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) e nucleari (uranio); e fonti non esauribili o rinnovabili , al presente essenzialmente le biomasse (ovvero legna da ardere), l'energia idroelettrica con un minore contributo dovuto all'energia eolica, geotermica e solare. Le rinnovabili a loro volta possono essere distinte in rinnovabili classiche , ovvero le biomasse, idroelettrico e il geotermico, già da tempo sotto sfruttamento; e le non convenzionali , ovvero l'eolico e il solare, sulle quali si concentrano i maggiori e più recenti sforzi di sviluppo.

Per ogni fonte energetica è importante considerare tre aspetti fondamentali, che tra l'altro sono anche quelli che guidano dal punto di vista politico la scelta di una strategia di approvvigionamento energetico: la disponibilità , i costi , la protezione dell'ambiente .

Le fonti energetiche attualmente più utilizzate sono le fonti non rinnovabili, tra cui dobbiamo distinguere in particolare i combustibili fossili come petrolio, carbone e gas naturale, dai combustibili nucleari come l'uranio. La disponibilità di queste fonti è attualmente ancora abbastanza elevata e di conseguenza il costo relativamente basso. Tuttavia, per definizione stessa di energia non rinnovabile, esse sono associate a delle riserve finite, non inesauribili, l'evalutazione delle quali rispetto al consumo attuale di energia e al trend di crescita fornisce inquietanti preoccupazioni riguardo la loro disponibilità futura, e di conseguenza la crescita del loro prezzo sul mercato negli anni a venire. Di seguito, una tabella che riporta la stima delle riserve delle energie non rinnovabili (in Gtoe), da confrontarsi col consumo energetico attuale, 11 Gtoe nel 2004 e in rapida crescita.

(*) Tecnologie la cui fattibilità scientifica, tecnica o industriale non è ancora stata appurata

La tabella risulta inquietante giacché, considerando ad esempio il caso del petrolio consumato per un 34% delle 11 Gtoe totali nel 2004, ovvero 3, 8 Gtoe all'anno, e prendendo in considerazione le sole riserve pertrolifere accertate di 150 Gtoe, risulterebbe che anche supponendo un consumo di petrolio costante rispetto al valore del 2004, resterebbero a disposizione solamente non più di 40 anni prima dell'esaurimento completo delle riserve petrolifere.

Per approfondire, vedi le voci combustibili fossili e centrale termoelettrica .

Schema di una centrale termoelettrica.

Per quanto riguarda la fonte dei Combustibili fossili , la combustione di carbone o idrocarburi quali metano o petrolio fornisce la massima quantità di energia, che è impiegata in parte per i sistemi di riscaldamento a combustione, in parte per il funzionamento di motori, ma specialmente per la produzione di energia elettrica , che è un tipo di energia che può essere trasferita a grandi distanze con bassa dissipazione ed è di facile impiego. Uno schema di una centrale elettrica che utilizza combustibili fossili è mostrato in figura: il combustibile viene bruciato in presenza di ossigeno , scalda dell'acqua fino alla produzione di vapore, il quale fluisce attraverso una turbina . La turbina è collegata al rotore di un generatore elettrico , che produce elettricità. Nel mondo, le centrali termoelettriche producono il 65% dell'elettricità mondiale: tuttavia, la combustione dà come sotto-prodotto l'anidride carbonica (CO 2 ) assieme ad altre sostanze inquinanti. I vantaggi dei combustibili fossili, e del petrolio in particolare, sono l'alta densità di energia, il facile trasporto, e una larga disponibilità (almeno fino ad adesso). Il petrolio è poi utilizzato anche per fini non energetici (trasporti, riscaldamento e produzione di energia elettrica), e cioè: produzione di materie plastiche , fertilizzanti per l' agricoltura , e una serie di altre sostanze di largo uso ( paraffina , vaselina , asfalto ...).

Gli svantaggi però sono numerosi: ogni anno nel mondo si consuma una quantità di combustibili fossili che la natura ha creato in milioni di anni. Le risorse stimate di combustibili fossili sono ancora enormi (soprattutto carbone ), e possono soddisfare le domande energetiche mondiali ancora per almeno un centinaio di anni. Diversa è la situazione per il petrolio , che secondo le stime attuali potrebbe soddisfare le richieste energetiche per ancora 40 anni, per il cosiddetto "petrolio leggero", cioè quello che si estrae dai normali pozzi petroliferi (vedi Tabella). Tuttavia, i combustibili fossili presentano degli svantaggi ambientali notevoli. A parte la produzione di CO 2 , la combustione di risorse fossili produce sostanze inquinanti, come ossidi di zolfo (SO 2 principalmente) e ossidi di azoto (NO X ). Secondo le stime dell'ONU (precisamente dell' Intergovernmental Panel on Climate Change ), le riserve di combustibili fossili risultano sufficienti per creare problemi climatici imponenti (come l' effetto serra ).

Un altro problema è la localizzazione geografica del combustibili fossili: circa il 65 % delle risorse mondiali di petrolio sono localizzate nel Medio Oriente , ed entro 30 anni i depositi europei di gas naturale saranno esauriti. Per quanto riguarda il Nord America , la situazione del gas naturale è ancora più critica. Si aggiunga a questo che molti Paesi vogliono diventare meno dipendenti dall' estero per la loro domanda energetica. Nella Tabella che segue sono riportate le stime accertate di combustibili fossili e di Uranio, espresse in Gtoe (miliardi di tonnellate di petrolio equivalenti). Si tenga conto che il consumo energetico totale nel 2005 è stato di 11 Gtoe, così ripartiti: 2.7 Gtoe per il carbone, 3.8 per il petrolio, 2.3 per il gas naturale, 0.7 per il nucleare, 0.2 per l'idroelettrico, e solo 0.04 Gtoe per geotermico/solare/eolico. Secondo la tabella, quindi, con le riserve accertate di petrolio si potrebbe andare avanti per 150/3.8=39.4, cioè circa 40 anni, come anticipato più sopra. Per il carbone, la durata è circa 700/2.7=260 anni.

Uno svantaggio notevole è pure il fatto che il passaggio, avvenuto nell' Inghilterra della fine del 1700 , da una economia del legno a una economia del carbone , ha comportato il passaggio da una fonte di energia esauribile, ma rinnovabile , a una fonte esauribile e non rinnovabile. Infatti, secondo alcuni geologi petroliferi, la diminuzione del petrolio disponibile avverrà molto prima che i cambiamenti climatici si facciano sentire seriamente: infatti, secondo la teoria del picco del petrolio sviluppata dal geologo statunitense Marion King Hubbert negli anni '50 , la produzione annua di petrolio ha una forma a campana, con un picco di produzione mondiale che dovrebbe avverarsi negli anni fra il 2006 e il 2015 [5] . Secondo questa teoria quindi, l'imminente diminuzione della produzione di petrolio annua dovrebbe portare a cambiamenti geopolitici attualmente difficilmente prevedibili.

L'energia nucleare può essere vista come la madre di tutte le energie, sulla terra e persino nell'universo. Infatti tutte le energie, dal solare alle energie fossili, dall'eolico all'idroelettrico, non sono niente altro che un prodotto derivato di trasformazione dell'energia che è prodotta in quelle enormi fornaci, reattori nucleari che sono il sole e le stelle. Il primo a capire l'origine nucleare dell'energia che tiene acceso il sole e tutte le altre stelle fu Hans Bethe il quale nel 1938 teorizzò il ciclo di reazione nucleare, in suo onore chiamato ciclo di Bethe , che permette alle stelle di brillare. Per questo fondamentale contributo alla conoscenza umana Hans Bethe vinse il premio Nobel per la fisica nel 1967.

Per approfondire, vedi le voci Fissione nucleare e centrale nucleare .

L' energia atomica da fissione si basa sul principio fisico del difetto di massa , in cui si spezza un nucleo atomico pesante (in genere Uranio -235), per ottenere due nuclei più piccoli, che pesano meno del nucleo originario. La piccola differenza di massa è in grado di produrre una enorme quantità di energia (172 MeV per singola reazione). Questa enorme densità di energia si traduce in una minore necessità di combustibile: una centrale elettrica convenzionale da 1 gigawatt richiede 1, 400, 000 tonnellate di petrolio in un anno (circa 100 super- petroliere ), oppure solo 35 tonnellate all'anno di ossido d'uranio, UO 2 , cioè 210 tonnellate di minerale grezzo (2 vagoni merci) [6] .

Nocciolo di un reattore nucleare a fissione.

L'energia nucleare da fissione è attualmente interamente utilizzata per la produzione di energia elettrica: il nucleo centrale della centrale, detto nocciolo , è costituito da barre di materiale fissile (il "combustibile"), circondate da un "moderatore" (acqua o grafite), che serve a rallentare i neutroni prodotti dalla reazione di fissione. Infine, il "refrigerante" (acqua o gas) serve ad assorbire il calore prodotto dalla reazione e serve poi come fluido primario di una centrale di tipo termoelettrico. In sostanza, lo schema teorico di una centrale nucleare è molto simile a quello di una centrale termoelettrica, se non che il calore non è prodotto da reazioni chimiche di combustione di petrolio o carbone, ma dalla reazione nucleare di fissione nelle barre di materiali fissili come uranio o plutonio .

Il maggiore vantaggio della fissione nucleare è che le reazioni di fissione non producono anidride carbonica (CO 2 ). Inoltre, data l'elevata densità energetica del combustibile, quasi scompaiono i problemi logistici per il trasporto delle immense quantità di materiale, in confronto ad una centrale termoelettrica convenzionale. Infine i volumi della produzione di rifiuti, quali scorie radioattive, nell'esercizio di una centrale nucleare sono di svariati ordini di grandezza inferiori ad una centrale a combustibili fossili o rinnovabili, quali ceneri, ossidi di azoto, anidride carbonica e ossidi di zolfo.

Fra gli svantaggi, anzitutto si ricorda che i prodotti della reazione di fissione e delle altre reazioni dei neutroni con i materiali che costituiscono in nocciolo, sono altamente radioattivi ; quindi i materiali stessi di alcune parti della centrale, ovvero quelli sottoposti ad irraggiamento, come il nocciolo, devono essere trattati con tecniche particolari e una parte di esse immagazzinata in siti geologici profondi ( depositi permanenti ). Seppure i volumi di materiali da isolare sono relativamente modesti, a questo enorme contrazione di volume, si accompagna un equivalente aumento della pericolosità dei rifiuti , infulenzando così, in maniera profonda, le attività di trasporto, trattamento e collocazione.

Un altro svantaggio spesso dimenticato è che le riserve di uranio sono minori (vedi tabella ) delle riserve di carbone e petrolio. La soluzione al momento più studiata sarebbe quella di utilizzare i cosiddetti reattori autofertilizzanti , di cui un prototipo avanzato è stato il reattore nucleare Superphénix , in Francia , oggi chiuso per problemi tecnici, politici e di costi. Infatti il predecessore, il Phénix , di potenza molto inferiore, risulta ancora in esercizio. Qualora tali problemi fossero risolti in sicurezza, l'utilizzo dei reattori autofertilizzanti aumenterebbe di un fattore circa 60 il tasso di sfruttamento delle risorse disponibili di combustibile [7] [8] , potendo sfruttare maggiormente l'abbondante l'isotopo 238 U dell'Uranio in luogo del più raro 235 U. In altre parole non si tratta di una maggior disponibilità di minerale (che è esattamente lo stesso) ma di un suo miglior sfruttamento, prolungandone la durata. Come ulteriore soluzione, anch'essa in studio da diversi decenni, non va dimenticata la possibilità d'uso del torio , in un ciclo del combustibile denominato "Uranio-Torio".

In una prospettiva futura, vi potrà essere posto anche la realizzazione del reattore a fusione nucleare , come specificato poco più in basso, che sfrutterebbe invece una fonte di energia sostanzialmente inesauribile, utlizzando il deuterio, reperibile nell'acqua, e il litio .

Attualmente le centrali nucleari a fissione producono il 16% dell'energia elettrica mondiale.

Per approfondire, vedi le voci Fusione nucleare e reattore nucleare a fusione .

La fusione dei nuclei dell' idrogeno è il processo che da luogo all'energia del sole (ma nelle stelle rosse si verifica prevalentemente la fusione dei nucleari d' elio ). Genera grosse quantità di calore che teoricamente possono essere sfruttate per generare elettricita. Le temperature e pressioni necessarie per sostenere la fusione la rendono un processo molto difficile da controllare ed attualmente si tratta di una sfida tecnica non risolta. Uno dei vantaggi potenziali della fusione consiste nella possibilità teorica di fornire grandi quantità di energia in modo sicuro e con relativo poco inquinamento. [9]

La densità energetica che teoricamente si può sfruttare dalla fusione nucleare dell'idrogeno e del deuterio è molto superiore a quella della fissione nucleare dell'uranio o del torio , anche se essa avviene nel reattore nucleare veloce autofertilizzante .

Mentre le fonti di energia trattate finora sono attualmente utilizzate per la produzione di energia, la fusione nucleare si trova ancora in una fase progettuale. Il principio è sempre il difetto di massa alla base della fissione nucleare : tuttavia, in questo caso si usano dei nuclei leggeri ( idrogeno ) per sintetizzare nuclei più pesanti ( elio ). La fusione nucleare è infatti il meccanismo che dà vita al sole e alle altre stelle . Tuttavia, mentre nel sole e nelle stelle i nuclei di idrogeno sono tenuti assieme dall'enorme massa di gas ad altissima temperatura (chiamato plasma ) che li costituisce, la riproduzione del meccanismo di fusione sulla terra ha posto fin dall'inizio (negli anni cinquanta ) dei formidabili problemi sia di tecnologia , sia di fisica . Il principale è mantenere questa massa di gas incandescente ( plasma ) chiusa in un contenitore, ovvero (come si dice in termini tecnici), "confinata". Infatti, la reazione che attualmente si spera di riprodurre coinvolge due isotopi dell'idrogeno, il deuterio (D) e il trizio (T), con produzione di elio e un neutrone secondo la reazione [10] :

Diagramma della reazione D-T

La reazione Deuterio-trizio è caratterizzata da una densità di energia addirittura maggiore di quelle di fissione. Riprendendo il confronto fatto per la fissione nucleare, un'ipotetica centrale a fusione da 1 gigawatt potrebbe funzionare con soli 100 kg di Deuterio e 150 kg di trizio all'anno, da confrontare con le 1, 400, 000 tonnellate di petrolio di una centrale termoelettrica. Inoltre, l'unica scoria prodotta dalla reazione di fusione è l' Elio , un gas nobile per nulla radioattivo . Questo rappresenta un vantaggio fondamentale della fusione rispetto alla fissione nucleare , dove i prodotti di reazione sono essi stessi radioattivi.

La reazione D-T ha però una soglia di 20 keV , che tradotto in temperatura, significa circa 200 milioni di K . Questi valori di temperatura danno un'idea di che sforzi tecnologici siano necessari per riprodurre la reazione Deuterio-Trizio. Tuttavia, dopo 50 anni di ricerche, produrre un plasma a temperature così elevate è soprendentemente un fatto abituale nei vari esperimenti, chiamati Tokamak , realizzati un po' ovunque nel mondo. L'ostacolo principale rimane la necessità di produrre energia netta (necessità comune a tutte le forme di energia), che nel caso della fusione prende forma nel cosiddetto criterio di Lawson : questo criterio, tradotto in termini pratici, significa imporre contemporaneamente dei vincoli sulla temperatura , la densità e il tempo di confinamento delle particelle (il tempo tipico in cui le particelle del plasma sono tenute insieme nel contenitore). Questi tre vincoli contemporanei non sono stati ancora mai raggiunti, soprattutto per un limite operativo detto limite di Greenwald che impone un valore massimo al rapporto densità/corrente del plasma. Le origini di questo limite sono ancora in gran parte sconosciute.

In presenza di un limite sulla densità del plasma, una via di uscita è aumentare il tempo di confinamento. Questo avviene molto naturalmente nel sole , date le sue dimensioni enormi; negli esperimenti, questo significa aumentare le dimensioni delle macchine, nell'attesa che i meccanismi che danno origine al limite di Greenwald e alla turbolenza nel plasma vengano compresi appieno. A questo scopo, gli sforzi congiunti di Stati Uniti , Unione Europea , Russia , Giappone , India , Cina e Corea hanno dato il via alla costruzione del primo proto-reattore, ITER . Lo scopo di ITER , in costruzione a Cadarache, in Provenza , è proprio quello di

• dimostrare la fattibilità dei principali componenti del reattore a fusione ;
• raggiungere e superare le condizioni previste dal criterio di Lawson ;
• produrre in modo continuo un rapporto energia nucleare/energia immessa (Q= fattore di guadagno nell'energia da fusione ) di circa 10.

I vantaggi della fusione sono quindi impatto ambientale ridotto, grandissima disponibilità dei "combustibili" (il deuterio si ricava dall' acqua di mare , il trizio dal litio , un materiale abbondantissimo sulla crosta terrestre ), assenza di scorie radioattive. Lo svantaggio è che il suo utilizzo è ancora una prospettiva lontana (si parla del 2050 come anno della commercializzazione dell'energia elettrica da fusione), richiede tecnologie costose, ed è intrinsecamente un modo centralizzato di produzione energetica (poche grosse centrali invece di molte piccole) [11] .