Quali sono le principali fonti di energia?

22 Mar

La combustione rappresenta, senza dubbio, la principale fonte di energia meccanica sfruttata dall’uomo. Quest’energia può avvenire nel luogo stesso dell’utilizzazione (ad esempio in motori da trazione installati a bordo di autoveicoli; di locomotive, di navi, ecc.) oppure essere centralizzata e l’energia meccanica prodotta trasformata in energia elettrica, che, per le sue caratteristiche, è facilmente ed economicamente trasportata sul luogo di utilizzazione ed ivi ritrasformata in energia meccanica (mediante motori elettrici) od in calore (mediante resistenze elettriche).

In questo schema di produzione ed utilizzazione dell’energia, a ben guardare, sarebbe più corretto parlare di trasmissione elettrica dell’energia dal luogo di produzione a quello di utilizzazione, piuttosto che di trasmissione dell’energia elettrica come correntemente in uso. L’economicità del trasporto e della distribuzione elettrici di grandi quantità di energia ha favorito molto non solo la centralizzazione, ma anche l’utilizzazione di altre fonti di energia che non fossero quella potenzialmente dei combustibili, prima fra tutte per importanza quella potenziale gra stazionale mgh (impropriamente chiamata idroelettrica nell’uso corrente) di grandi masse di acqua che il calore solare solleva sotto forma di vapore dalla superficie dei mari e degli oceani, per farle ricadere, sotto forma di precipitazioni condensate (pioggia, neve, grandine, ecc.) a quote più elevate.

Queste masse di acqua, ricompiendo il dislivello in senso inverso, producono un lavoro a spese di detta energia potenziale gravitazionale, lavoro che in natura viene dissipato in calore, ossia in riscaldamento dell’acqua stessa e dei letti dei torrenti e dei fiumi. L’utilizzazione idroelettrica di tale energia avviene invece trasformandola in energia meccanica mediante turbine, e questa in energia elettrica mediante generatori, nella stragrande maggioranza dei casi alternatori sincroni cioè macchine di Siemens.

Altre fonti di energia non direttamente trasportabili hanno potuto essere utilizzate grazie alla trasformazione in energia elettrica. Tra queste, sebbene quantitativamente meno importanti delle precedenti, c’è l’energia geotermica dei soffioni, quella delle maree, quella del moto ondoso e, direttamente, quella solare, raccolta mediante grandi specchi concavi su tubi di acqua che viene in tal modo portata all’ebollizione. Da ultimo, anche la produzione di energia nei reattori nucleari all’uopo costruiti viene centralizzata e l’energia prodotta sotto forma di calore della reazione nucleare lenta e controllata viene trasformata in energia elettrica con i mezzi tradizionali della turbina a vapore e dell’alternatore, quindi immessa nella rete di trasporto e distribuzione dell’energia elettrica. Nelle centrali nucleotermoelettriche cioè, il reattore nucleare sostituisce la caldaia e tutto il resto è simile alle centrali termoelettriche a combustione.

Tuttavia la centralizzazione della produzione di energia da fonti nucleari è suggerita da motivi di sicurezza e di dimensioni economicamente convenienti dei reattori e non da motivi di intrasportabilità della fonte di energia, ed infatti varie navi sia da guerra sia da carico sono azionate da energia di origine nucleare, sviluppata in un reattore installato a bordo. Le utilizzazioni tradizionali dell’energia da parte dell’uomo sono dunque state sostanzialmente due: quella dell’energia meccanica, in quanto capace di svolgere un lavoro, e quindi di risparmiare fatica muscolare e di moltiplicare le capacità produttive artigianali e industriali; e quella dell’energia termica o calore, sia per riscaldamento (ad uso domestico, artigianale ed industriale), sia per illuminazione, sfruttando l’emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi riscaldati fino all’incandescenza (ad esempio fiamma, reticella Auer delle lampade a gas, filamento metallico delle lampadine elettriche). Si comprende quindi come la disponibilità delle fonti di energia sia stata la reale protagonista dello sviluppo industriale delle nazioni del mondo civile, e quindi abbia determinato la supremazia delle une sulle altre.

Le caratteristiche positive di una fonte di energia

Per tutti i tipi di utilizzazione il problema principale è quello di disporre dell’energia a pié d’opera ed al momento opportuno, perciò le caratteristiche che determinano il pregio di una fonte di energia sono:

1) l’alto contenuto specifico di energia, ossia la facilità di immagazzinare e conservare economicamente grandi quantità di energia;

2) la facilità del trasporto;

3) la facilità di trasformare la forma di energia contenuta in energia meccanica. Il possesso di queste tre caratteristiche ha determinato la fortuna del carbone nel secolo scorso e quella attuale del petrolio e dei suoi derivati.

Il metano possiede le caratteristiche prima e terza e, solo limitatamente al trasporto su terraferma (mediante metanodotti), anche la seconda. Il desiderio di completare questa caratteristica anche nel metano, giustifica oggi  la costruzione di grandi navi-cisterna metaniere e di grandi stazioni di liquefazione del prezioso gas in prossimità dei moli di carico delle navi stesse e di rigassificazione in prossimità dei moli di scarico. L’energia elettrica, che possiede in sommo grado le caratteristiche seconda (per mezzo di elettrodotti costituiti da fili conduttori sospesi o da cavi sotterranei o subacquei) e terza, non possiede affatto la prima. Infatti la quantità q di Carica elettrostatica accumulabile nei conduttori e nei sistemi di conduttori (ad esempio: condensatori elettrici) anche di grandi dimensioni è sempre irrisoria, mentre la differenza (VB — VA) tra i potenziali di due conduttori è limitata dalle caratteristiche dei materiali isolanti interposti. Perciò il loro prodotto L = q (VB — VA) è sempre irrisorio. Per avere un’idea degli ordini di grandezza si pensi che un conduttore sferico grande come tutta la Terra avrebbe, nel vuoto, una capacità elettrostatica di soli 0,7 mF (millifarad), ossia potrebbe accumulare meno di un joule di energia (ed erogare poi la potenza di un watt per un solo secondo) per ogni 50 volt di aumento del suo potenziale elettrico. I condensatori elettrici (sistemi di conduttori ed isolanti opportunamente disposti) possono raggiungere capacità di quest’ordine di grandezza in dimensioni assai ridotte, ma per raggiungere capacità utili, cioè la possibilità di immagazzinare milioni di joule (ed erogare qualche kW per qualche ora) dovrebbero avere dimensioni, e soprattutto costi, assolutamente proibitivi.

Le stesse considerazioni valgono per gli induttori, nei quali l’energia elettrica può essere immagazzinata in forma elettromagnetica, ma per i quali pure il rapporto tra la quantità di energia immagazzinata e il peso, e ancor più tra quella e il costo, è proibitivo. Per immagazzinare energia prontamente utilizzabile sotto forma elettrica si è dovuto perciò ricorrere alla energia potenziale elettrochimica, che si trasforma in energia elettrica irreversibilmente nelle pile e reversibilmente negli accumulatori (ossia gli accumulatori, a differenza delle pile, possono venire «ricaricati» a spese di energia elettrica proveniente dall’esterno). Tuttavia il peso ed il costo delle pile e degli accumulatori elettrici, ancora assai elevati in relazione alla quantità di energia immagazzinabile, ne limita l’uso a piccole batterie portatili per illuminazione o per l’avviamento di veicoli, o ad impianti fissi per brevi erogazioni di emergenza.

Gli accumulatori di energia

Le più grosse batterie di accumulatori sono installate a bordo di sommergibili per l’alimentazione dei motori elettrici di propulsione durante l’immersione, ma l’ingente spesa per la loro realizzazione e manutenzione può essere giustificata solo dalla osservazione che il motore elettrico era, prima dell’utilizzazione dell’energia nucleare, l’unico che potesse funzionare in assenza di ossigeno. Il peso, il costo e la limitata capacità delle batterie di pile o di accumulatori favorisce oggi l’intenso studio delle nuovissime «pile a combustibile», tuttora in fase sperimentale, le quali consentirebbero la conversione diretta (cioè senza passare attraverso la combustione) dell’energia potenziale chimica del combustibile in energia elettrochimica e quindi elettrica. Questa conversione sarebbe irreversibile (cioè l’erogazione di energia elettrica avverrebbe a spese del consumo di combustibile), più economica della utilizzazione dello stesso combustibile in un motore a scoppio o a combustione (perché, non facendo passare l’energia attraverso alcuna trasformazione termomeccanica, si risparmierebbe la grande degradazione dovuta al limitato rendimento teorico massimo delle macchine termiche) ed infine il peso di tali pile a combustibile sarebbe sufficientemente limitato da favorire l’adozione della trazione elettrica degli autoveicoli in sostituzione dell’attuale motore.

Gli accumulatori sono dunque praticamente l’unica fonte portatile di energia elettrica. Va però detto che, qualora si prescinda dalla caratteristica seconda di cui sopra, ossia si rinunci alla portatilità, l’energia idroelettrica, ossia potenziale gravitazionale dell’acqua che si utilizza nelle turbine idrauliche azionanti generatori elettrici fissi, possiede la caratteristica prima in grande misura. Infatti i ghiacciai di montagna rappresentano scorte naturali stagionali di ingenti quantità di energia. Grandi riserve seminaturali di energia sono create dalle dighe che artificialmente chiudono bacini idraulici naturali, conferendo loro capacità di invaso di miliardi di kWh. Più modernamente, sistemi multipli di tali bacini siti a quote diverse e fra loro collegati da condotte forzate, possono costituire depositi del tutto artificiali di energia. Ciò si ottiene disponendo in prossimità del bacino inferiore una stazione di pompaggio che, a spese di energia non diversamente utilizzabile (prodotta per esempio da centrali ad acqua fluente e cioè prive di serbatoio, durante le ore notturne o i giorni festivi nei quali la domanda di energia nella rete di distribuzione si riduce notevolmente) rinvia nel bacino a monte l’acqua già precipitata a valle, e della quale quindi è già stata utilizzata l’energia potenziale in ore e in giorni di forte domanda di energia elettrica. Un mezzo di immagazzinamento di energia sotto forma non elettrica, ma collegata a centrali di trasformazione in energia elettrica, in certo senso analogo ai bacini idrici, è costituito dai serbatoi di combustibile (carbone, nafta o combustibile nucleare) delle centrali termoelettriche. Con questi mezzi di accumulo indiretto ma assai economico, si può considerare l’energia elettrica dotata della caratteristica prima di cui sopra e con gli elettrodotti si può attribuirle la caratteristica seconda. Ne resta esclusa solo la portabilità in senso stretto, e ciò costringe la trazione elettrica alla alimentazione diretta dalla rete di distribuzione, limitando così l’utilizzazione dell’energia elettrica per scopi di trazione agli impianti in sede propria (ferrovie, tranvie) o per lo meno a percorsi fissi (filovie). Una forma di utilizzazione elettrica di E. immagazzinata sotto forma non elettrica, analoga a quella che si verifica nelle centrali termo-elettriche, ha luogo nelle moderne locomotive diesel-elettriche, nelle quali il motore a combustione interna, anzichè essere accoppiato meccanicamente alle ruote motrici, è accoppiato meccanicamente ad un generatore di energia elettrica e questo è accoppiato elettricamente ad un motore elettrico, meccanicamente accoppiato, a sua volta, alle ruote motrici.