ENERGIA E AMBIENTE - Forli

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALEGuglielmo Marconi – ForlìViale Della Libertà, 14 -Tel. 0543 28620, Fax 0543 26363Email: itisfo@itisforli.it Sito: www.itisforli.itENERGIAEAMBIENTEPROGETTO ENERGIADispense per il biennio, a.s. 2011-2012ITIS G. MARCONI A cura di: Marco Paci e Roberto Versari 1

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012INTRODUZIONELo scopo di questo documento è spiegare i vari modi con cui è possibile produrre e utilizzarel’energia, con particolare riferimento all’energia elettrica. L’obiettivo è di dare un’idea di quantaenergia consumiamo e degli effetti che tale consumo provoca sull’ambiente e sul clima della Terra,facendo anche un confronto con le condizioni climatiche preindustriali, per renderci effettivamenteconto di che cosa sta dietro al semplice gesto di premere l’interruttore della luce. In particolare saràanalizzato l’impatto principale che la produzione di energia da combustibili fossili ha sull’ambiente:l’aumento della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera e il conseguente aumentodell’effetto serra (il cosiddetto fenomeno del riscaldamento globale). Saranno considerate anchealtre fonti di energia, e per ognuna di esse mostreremo i vantaggi e gli svantaggi rispetto a quelleconvenzionali (da combustibili fossili): contrariamente a quanto si crede, infatti, anche i metodi perintercettare le forme di energia rinnovabili o alternative, se male applicati, possono produrre effettinegativi. Infine, concluderemo proponendo soluzioni per minimizzare l’impatto ambientale dellaproduzione e consumo di energia, agendo sia sull’efficienza energetica che sulla consapevolezza diun uso più responsabile (ossia sostenibile) delle risorse, energetiche e non. Questo lavoro cerca diconiugare in una visione la più organica possibile tutti gli aspetti legati al problema energetico eambientale, ed è basato su alcuni lavori importanti nel settore [1-3]. Non entra nello specifico dellesingole tematiche, lasciando gli approfondimenti ai singoli insegnanti delle varie discipline, e non èovviamente esaustivo. Può essere pensato come materiale di riferimento per ulteriori riflessioni eapprofondimenti da compiersi nell’arco dei prossimi anni scolastici con il contributo di tutti:studenti, insegnanti e genitori. La nostra speranza è che possa aiutare a fare scelte consapevoli perun futuro sostenibile, non più delegandole ad altri.DA DOVE VIENE L’ENERGIA?Uno dei “difetti” principali dell’energia disponibile nelle nostre case è che costa poca fatica e anchepoco denaro. Quindi ci siamo abituati ad usarne a piene mani ed a consumarne anche quando non ciserve (chi lascia il televisore in stand-by per la semplice pigrizia di non doversi avvicinare aspingere l’interruttore? O l’automobile accesa perché tanto stiamo fermi pochi minuti?). Perrenderci conto che questa energia, che costa poca fatica e poco denaro, in realtà corrisponde a unabella quantità di lavoro e dovrebbe essere valutata di più da ciascuno di noi, è importante fare unesempio concreto di quanta fatica dovremmo fare noi per sostituirci ad essa.Partiamo quindi dalle centrali elettriche, dove questa energia viene prodotta. Il principio base per laproduzione di energia elettrica è la legge di Faraday-Neumann-Lenz [4], in base alla quale una spirain movimento all’interno di un campo magnetico genera una forza elettromotrice ai suoi capi. Intermini più semplici è il principio della dinamo delle biciclette: si mette in rotazione un conduttoreall’interno di un campo magnetico per generare una corrente elettrica che accende la lampadinadella bicicletta. Negli alternatori delle centrali elettriche è invece il campo magnetico che ruotamentre la spira resta fissa: in questo caso si produce una corrente alternata (AC), che è appuntoquella che arriva nelle nostre case (vedi Figura 1).Chi è che fa girare l’alternatore in una centrale elettrica? Si utilizzano turbine di dimensioninotevoli, le quali vengono fatte ruotare tramite l’azione di diversi fluidi:• nelle centrali idroelettriche: il flusso dell’acqua che cade da una diga viene sfruttato per fargirare la turbina e quindi l’alternatore che produce energia elettrica;• nelle centrali termoelettriche a combustibili fossili: si utilizzano gas, petrolio e carbone perscaldare e portare ad ebollizione enormi quantità di acqua. Il vapore ad alta pressione cosìgenerato mette in moto la turbina che fa girare l’alternatore che produce energia elettrica;ITIS G. MARCONI 2

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012• nelle centrali nucleari: si utilizza la fissione dell’uranio come fonte di calore per vaporizzarel’acqua e quindi muovere la turbina;• nelle centrali eoliche: la forza del vento muove le pale eoliche, che trasmettono direttamentela rotazione all’alternatore che genera l’energia elettrica.Fig. 1: a sinistra il principio di funzionamento della dinamo, a destra quello dell’alternatore. Il principio base è semprequello dell’induzione elettromagnetica.Fig. 2: esempio di turbinaa vapore cui è stato toltol’involucro esterno.Nella figura 2 si mostra un esempio di turbina utilizzata nelle centralitermoelettriche, per dare un’idea delle dimensioni in gioco.Le centrali solari fotovoltaiche non si basano sul sistema “turbina -alternatore”. Esse sono realizzate con pannelli di materialesemiconduttore che hanno la proprietà di assorbire direttamentel’energia luminosa incidente. In particolare, gli elettroni di valenza degliatomi del semiconduttore sono in grado di assorbire parte dell’energiasolare incidente, acquistando così sufficiente energia per rompere i lorolegami e generare una corrente di tipo continuo - DC (Direct Current)[5]. Servono poi dispositivi elettronici – l’inverter – per trasformarla dacorrente continua (DC) ad alternata (AC) e immetterla in rete in fase.Le centrali elettriche a combustibili fossili sono di gran lunga quelle piùdiffuse per la produzione di energia elettrica (più dell’80% del totale).Poiché la combustione comporta il rilascio di anidride carbonica nell’atmosfera, la produzione dienergia elettrica è una delle cause del riscaldamento globale.ENERGIA: QUANTO COSTA, QUANTA NE USIAMO?L’Universo in cui viviamo è formato di energia e materia. Energia e materia non si possono crearené distruggere, ma solo trasformare (principio di conservazione della massa e dell’energia).Esistono vari tipi di energia: termica (associata al calore), elettrica (associata alla corrente elettrica oalle pile/accumulatori), meccanica (associata al movimento dei corpi macroscopici) e, a seconda delcampo di applicazione, si utilizzano varie unità di misura. La più diffusa è indicata con J (Joule),poi abbiamo le calorie (utilizzate ad esempio per misurare quanta energia possiamo ricavare dalcibo che mangiamo) e si usano anche i Mtons (energia prodotta da esplosioni nucleari). L’energiaelettrica che paghiamo in bolletta è misurata in kWh, kilo Watt ora.Il Watt (W) è l’unità di misura della potenza, ossia della quantità di energia consumata nell’unità ditempo. Infatti, 1 W = 1J/1s (corrisponde al consumo di 1J ogni secondo). 1k = 1000 e quindi 1 kWcorrisponde a 1000 W. La potenza in pratica misura la velocità con cui un certo dispositivoconsuma energia: ad esempio, alcune fra le vecchie lampadine a incandescenza da 100 Wconsumavano - quando accese – 100 W, ossia 100 J ogni secondo; le moderne lampadine a bassoITIS G. MARCONI 3

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012consumo - a parità di luce emessa - consumano solo 20 J ogni secondo, ossia 20W. Utilizzandolampade a Led si potrebbe ottenere la stessa luce consumando ancora meno. Per fare un altroesempio, un forno a microonde consuma circa 1,5 kW, ossia 1500 J ogni secondo. E così via, ogniapparecchio elettrico ha un suo consumo tipico, che indica a quale velocità consuma energia, ossiala potenza che dissipa. Questo è il motivo per cui nella bolletta elettrica il consumo è espresso inkWh: supponiamo che una lampadina da 100 W rimanga accesa per un’ora. Quanta energiaconsumerebbe? 100 Wh, ossia 0,1 kWh. Se la lampadina rimanesse accesa per 12 ore (12h)consumerebbe 100W x 12h = 1200 Wh, ossia 1,2 kWh. Utilizzando i kWh come unità di misura èfacile associare l’energia dissipata in un certo intervallo di tempo ad ogni dispositivo di cui è nota lapotenza: basta moltiplicare la sua potenza per la durata di utilizzo.Unità Simbolo Definizione Relazione con le unità SIJoule(unità SI)J≡ N·m = W·s = V·A·skg ⋅ m=2s2Chilocaloria kcal o Cal 1000 cal = 4,1868 kJKilowattora kW·h o B.O.T.U. 1 kW × 1 h = 3,6 MJElettronvolt eV ≡ e × 1 V ≈ 1,602 176 × 10 −19 JTab. 1: tabella di conversione per alcune delle più note unità di misura dell’energia [6]. SI indica le unità di misura delSistema Internazionale.Quanto ci costa l’energia? Supponiamo che 1 kWh costi circa 10 centesimi di euro (in Italia inrealtà costa circa il doppio, in alcuni paesi un po’ meno). Questo significa che spendiamo 10c pertenere accese 10 lampadine da 100 W per un’ora (o, alternativamente, una lampadina da 100 W per10 ore). Questo è il motivo per cui, se ci dimentichiamo la luce accesa, scrolliamo le spalle ediciamo “pazienza!”. Ma se dovessimo essere noi a generare con la nostra forza fisica questaenergia di 1 kWh, ci costerebbe ancora così poco?Un esercizio molto semplice per sentire nei nostri muscoli a quanto corrispondono 100 W è ilseguente: alziamoci e abbassiamoci una volta ogni secondo facendo finta di avere una sedia sotto.Se lo si fa per circa un’ora si producono 0,1 kWh. Faticoso, vero? Questo significa che ognuno dinoi, con la propria energia, può al più tenere accese 5 lampadine da 20 W (o una sola di quellevecchie a incandescenza da 100 W).Immaginiamo allora con la fantasia di creare una centrale elettrica in cui il movimentodell’alternatore sia generato da tante biciclette messe in moto da altrettanti ciclisti. Di quanti ciclistiavremmo bisogno per una centrale elettrica a pedali da 1 MW (1 MW = 1 Mega Watt, 1 milione diWatt)? Supponendo che ogni ciclista fornisca mediamente 100 W, avremmo bisogno di 10000ciclisti e altrettante biciclette.Quanto li pagheremmo i nostri ciclisti per la produzione dell’energia? Abbiamo ipotizzato chespendiamo circa 10c per 1 kWh, ed ogni ciclista ci fornisce una potenza di circa 0,1 kW. In un’oradi lavoro ogni ciclista produce pertanto 0,1kWh. Se anche tutti i soldi della bolletta fossero spesisolo per pagare i ciclisti, questi riceverebbero 1c l’ora. In pratica, dopo aver pedalato per 8 oreconsecutive andrebbero a casa con 8 centesimi!Ovviamente ci sarebbero proteste e scioperi e si dovrebbe alzare la paga dei ciclisti al minimosindacale, diciamo 5€ l’ora. In tal caso gli effetti sulla nostra bolletta sarebbero devastanti:pagheremmo 50€ ogni kWh, centinaia di volte di più di ciò che paghiamo ora. In pratica la nostrabolletta bimestrale passerebbe da 70€ a qualcosa dell’ordine di 14000€ o più. Quanti di noipotrebbero permettersi la luce elettrica in casa?ITIS G. MARCONI 4

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012Oggi, grazie al basso costo dell’energia elettrica prodotta da combustibili fossili, ognuno di noi inEuropa consuma mediamente più di 6 kWh, cioè l’equivalente di 60 ciclisti che pedalano ogni ora(Figura 3). Ogni nordamericano addirittura consuma più di 14 kWh, cioè l’equivalente di 140ciclisti che pedalano. Non bisogna, infatti, pensare al solo utilizzo della luce domestica, delriscaldamento/condizionamento e degli elettrodomestici delle nostre case: nel conto sonoconsiderati anche i contributi del consumo energetico delle industrie che producono i beni materialie i servizi che noi usiamo, dei trasporti su treni o camion che portano le merci dal luogo diproduzione a quello della vendita al dettaglio e di tutta la catena produttiva e dei servizi in generale.Si somma tutto e si divide per il numero totale di abitanti, ottenendo più di 6 kWh per ogni cittadinoeuropeo. In pratica, ognuno di noi, in ogni istante del giorno e della notte, dispone di 60 “schiavetti”che pedalano per lui, e non ce ne siamo mai accorti solo perché li paghiamo 1c l’ora.Fig. 3: il consumo medio mondiale di energia in kWh nel 2008.ENERGIA E AMBIENTE: IL RISCALDAMENTO GLOBALEFinché gli “schiavi energetici” li paghiamo solo 1c l’ora non ci poniamo molti problemi. Ma già daun po’ di tempo ci siamo accorti che oltre al centesimo l’ora c’è un costo nascosto che non abbiamomai considerato: i nostri ciclisti così economici producono anche anidride carbonica che vieneliberata nell’ambiente aumentando l’effetto serra e contribuendo al fenomeno del riscaldamentoglobale. Per la verità c’è ancora qualche controversia sul fenomeno, non si è in grado di prevederecon esattezza le sue conseguenze esatte. Certo è che ormai sono rimasti in pochissimi gli scienziatiche sostengono sia qualcosa di cui non preoccuparsi perché legato esclusivamente all’attività solare(e quindi non dipendente dalle azioni dell’uomo). Quasi l’intera comunità scientifica considera ilriscaldamento globale causato dalle emissioni di anidride carbonica un fenomeno reale; i modellinon sono in grado di valutare nel dettaglio, in un sistema caotico come quello climatico, imutamenti: si prevede che qualche zona del mondo potrà beneficiarne, ma che la maggior parte neuscirebbe sconvolta. I più recenti modelli prevedono entro il 2100 un raddoppio dellaconcentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera e un conseguente innalzamento di 1-3°C dellatemperatura media del pianeta, con effetti difficilmente prevedibili. Per evitare questi drammaticicambiamenti, di cui parleremo più in dettaglio nel seguito, sono necessarie due azioni:1. ridurre l’emissione di anidride carbonica e di gas serra in generale;ITIS G. MARCONI 5

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-20122. fermare le deforestazioni (le foreste sono in grado di convertire l’anidride carbonica inossigeno durante il processo della fotosintesi).Per ridurre l’emissione in atmosfera di gas serra due tipi di azioni sono importanti: spostare la produzione di energia elettrica da fonti fossili a fonti rinnovabili che nonemettano CO 2 ridurre il consumo di energia, agendo sia sulle abitudini delle persone (sulla loroconsapevolezza del problema), sia sull’efficienza energetica.In particolare, quest’ultimo punto è importante, perché si è soliti dire: “Ma io nel mio piccolo nonposso fare niente”. Se ognuno “nel suo piccolo” cominciasse a risparmiare 1 kWh ogni mese, a fineanno avrebbe risparmiato 12 kWh (1,2 € di risparmio ogni anno, corrispondenti a circa 10 kg diCO 2 in meno emesse nell’atmosfera – assumendo che mediamente nelle centrali elettrichel’emissione di CO 2 sia pari circa a 0,8 Kg per ogni kWh generato) [7]. Se tutti i 60 milioni diabitanti dell’Italia lo facessero, il risparmio sarebbe pari a 12 kWh x 60 x 10 6 ab = 720 TWh,corrispondenti a 600 milioni di kg di CO 2 in meno ogni anno. Il piccolo contributo di ognuno sularga scala rappresenta un contributo rilevante. Per questo è importante un nuovo approccio e unaconsapevolezza nuova sull’uso dell’energia. Per questo ognuno dovrebbe riflettere e scegliere sedare o no il proprio contributo, pensando ai propri figli, a come vorrebbe che sia la Terra fra 100anni. La scelta deve anche tener conto che il problema è di tutti e che questo gioco si vince o perdetutti insieme, perché abitiamo tutti nello stesso Pianeta.ENERGIA E RICCHEZZACerto non possiamo fare a meno dell’energia: ci serve per il riscaldamento/condizionamento delleabitazioni, per illuminare le città, per far funzionare gli ospedali e le loro apparecchiature, persvolgere il nostro lavoro e per i trasporti. Se consideriamo il consumo di energia per persona nelmondo mostrato nella Figura 3, vediamo che i paesi dove si consuma più energia sono anche ingenere quelli più ricchi. La misura convenzionalmente utilizzata in ambito economico per laricchezza di un paese è il PIL (Prodotto Interno Lordo), che esprime il valore complessivo dei benie servizi finali prodotti all'interno di un Paese in un anno [8].La correlazione fra consumo di energia e ricchezza misurata con il PIL è ancora più chiara quandosi guarda alla variazione dei consumi di energia, cioè quanto aumenta il nostro consumo di energiaanno dopo anno (Figura 4). Si vede chiaramente che i paesi in cui il consumo di energia pro capiteaumenta più rapidamente (Cina, India, Brasile) sono quelli in cui si ha il maggior sviluppoeconomico (cioè in cui la crescita del PIL anno dopo anno è maggiore).In ogni caso, vi sono paesi che - a parità di consumo di energia - sono in grado di produrre un PILmaggiore a fronte di altri che ne producono uno minore. Chiameremo questi paesi più efficienti,perché sanno utilizzare in modo più efficace l’energia per produrre ricchezza. A volte vi sonoragioni geografiche/climatiche che giustificano una maggiore o minore efficienza (ad esempio,paesi molto vasti richiedono un consumo maggiore di energia per i trasporti così come paesi conclima rigido richiedono un consumo maggiore di energia per il riscaldamento domestico). Altrevolte si tratta di ragioni strutturali: utilizzo di case coibentate (in cui la dispersione di calore dallepareti viene limitata), con notevole risparmio nel consumo di energia per ilriscaldamento/condizionamento, maggiore sviluppo di trasporto su rotaia anziché autostradale, etc.In ogni caso, guardando ai paesi con maggiore efficienza energetica si possono trovare utili metodiper migliorare i propri modi di utilizzo dell’energia.Resta comunque da rilevare che il PIL non misura in realtà il “vero” benessere di un paese, perchéesso – paradossalmente - aumenta anche a fronte di eventi catastrofici quali terremoti e incidenti, enon tiene in alcun conto i costi legati all’impatto ambientale della ricchezza prodotta. Si trattaITIS G. MARCONI 6

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-20123. Conferimento diretto in discarica (oggi il più usato in Italia). Il principale problemaambientale delle discariche è la produzione di percolato - un inquinante molto pericolosoche contamina le falde acquifere - e l'emissione di gas spesso tossici e maleodoranti, dovutialla decomposizione della frazione organica. Entrambi i problemi possono essere risoltirimuovendo la frazione organica mediante raccolta differenziata o pretrattando i rifiuti con iltrattamento meccanico-biologico a freddo esposto in precedenza, riducendo fra l'altro anchei volumi da smaltire. La discarica può essere così usata per smaltire tutti i residui del sistemaintegrato di gestione dei rifiuti che non si è riusciti ad evitare.Anche qui si tratta di scelte sia politiche sia individuali nelle quali non va considerato solo l’aspettoeconomico ma anche l’impatto delle scelte fatte (o non fatte) sulla salute delle persone esull’ambiente. Per fare un esempio, la scelta più facile è sicuramente quella dell’inceneritore (misbarazzo dei rifiuti senza fare troppa fatica e ne ricavo anche energia); d’altra parte avere uninceneritore vicino alla propria casa mette gravemente a rischio la salute sia direttamente (attraversol’aria che respiriamo) che indirettamente, attraverso la contaminazione del terreno e delle faldeacquifere; forse, riflettendoci bene, varrebbe la pena fare uno sforzo in più e differenziare quantopiù possibile i rifiuti [14]. Questa è una scelta che spetta ad ognuno di noi e che va fatta pensandosempre al futuro dei nostri figli.ENERGIA: COME LA USIAMO? DA DOVE VIENE?Come utilizziamo l’energia che consumiamo? Dipende da paese a paese, ma una suddivisioneindicativa è la seguente:• 20% Residenziale: riscaldamento/condizionamento domestici, luce, elettrodomestici;• 17% Commerciale: luci e PC negli uffici, frigoriferi nei supermercati;• 30% Trasporti: macchine, camion, aerei, treni per trasporto merci e personale;• 33% Industria: trasformazione di materiali, fabbricazione di carta, materie plastiche, etc.Circa un terzo del fabbisogno energetico umano viene coperto dall’energia elettrica, che rappresentauna frazione in costante crescita del fabbisogno energetico totale, per la sua facilità di generazione,trasformazione e trasporto.Supponiamo di vivere in un paese che consumi per persona 10 kWh, cioè in cui ogni personadisponga di 100 servitori di energia in ogni momento del giorno, notte compresa; dalla suddivisionefatta sopra segue che 20 di questi 100 servitori sono al nostro servizio 24 ore su 24 in casa nostra.Visto che non li abbiamo mai visti e non abbiamo nemmeno mai detto loro grazie, cerchiamoalmeno di conoscerli meglio. Da dove vengono i nostri servitori di energia? Il 99,98% di tutta l’energia a nostra disposizione viene direttamente o indirettamente dalSole; lo 0,02% è energia geologica immagazzinata all’interno della Terra; essa si manifestaattraverso il vulcanismo ed i geyser, ma per lo più deriva dal decadimento di elementiradioattivi all’interno della Terra stessa; lo 0,002% è energia delle maree, legata all’attrazione gravitazionale fra Luna e Terra.Si vede subito che il Sole è la nostra fonte di energia principale. Una parte della radiazione solareincidente viene riflessa dall’atmosfera e dalle superfici ghiacciate (questa quota di energia riflessa èdetta albedo e ammonta a circa il 30%), una parte viene assorbita direttamente sotto forma di calore(50%), una parte provoca l’evaporazione dell’acqua degli oceani e quindi muove il ciclo dell’acqua,mentre un’altra parte genera le correnti atmosferiche (venti) e oceaniche. Infine, una piccolissimaparte (lo 0,02%) viene utilizzata dalle piante nel processo di fotosintesi, durante il quale vieneassorbita CO 2 dall’atmosfera per produrre ossigeno, zuccheri e materiale legnoso. QuestaITIS G. MARCONI 9

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012piccolissima percentuale è l’unica parte dell’energia solare che le piante della Terra sono in grado diimmagazzinare: tutto il resto viene in definitiva riemesso in atmosfera sotto forma di radiazioneinfrarossa.Dopo centinaia di milioni di anni di attività fotosintetica, alcuni dei residui degli organismi, vegetalie animali, vissuti milioni di anni fa, sono andati a formare i combustibili fossili: petrolio, gasnaturale e carbone. Come detto prima, quella che viene immagazzinata dalle piante nel processodella fotosintesi è una percentuale insignificante dell’energia solare totale; tuttavia, dopo centinaiadi milioni di anni, è quella che ha permesso l’industrializzazione del XX secolo. Il problema è chein 200 anni rischiamo di esaurirla completamente:probabilmente ce ne è a sufficienza per altri 100 anni, apatto però di andare a cercarla in zone molto difficili e anotevole rischio di contaminazione ambientale (polonord, oceani, etc.), dove alto è il rischio di gravi disastriecologici come quello recente nel Golfo del Messico(vedi Figura 6). Quello che sta succedendo è che peravere i nostri servitori energetici stiamo in soli 200 annibruciando tutta l’energia che le piante sulla Terra hannoimmagazzinato in centinaia di milioni di anni.Fig. 6: chiazze di petrolio in mare nel delta delMississippi.Possiamo quindi dire che i combustibili fossili sono unaforma di energia che deriva dall’energia solareimmagazzinata dalle piante nel corso di centinaia di milioni di anni e quindi definire 3 formeprincipali di energia: solare, nucleare e delle maree (o gravitazionale).Su scala mondiale le fonti principali di energia utilizzate sono proprio i combustibili fossili: 38%petrolio, 24% gas naturale e 26% carbone, per un totale pari all’88% circa. Il rimanente vienespartito fra energia idroelettrica (anch’essa una forma indiretta di energia solare che si manifestaattraverso il ciclo dell’acqua) ed energia nucleare da fissione. Le forme di energia derivanti dallemaree e geotermiche e quelle rinnovabili o da biomasse, a livello mondiale, rappresentano ancorauna frazione trascurabile. Qual è, pertanto, il problema? Che dei 100 servitori di energia a nostradisposizione, 90 sono ottenuti dai combustibili fossili, e quindi producono anidride carbonicacontribuendo all’effetto serra. È chiaro che è necessario ridurre il numero di servitori di energia dacombustibili fossili per invertire la tendenza, riducendo da un lato il numero di servitori di cuidisporre (aumentando l’efficienza e utilizzando l’energia in modo più consapevole) e spostandodall’altro le fonti energetiche dai combustibili fossili a quelle a basso impatto ambientale edecosostenibili.LA TEMPERATURA DELLA TERRAPer capire perché le emissioni di CO 2 possono causare cambiamenti climatici significativi sullaTerra dobbiamo prima capire quali sono i fattori che determinano la temperatura della Terra stessa.In particolare, in questo paragrafo mostriamo che cosa sia l’effetto serra e come sia importante neldeterminare il clima del nostro Pianeta.Innanzitutto diciamo che la Terra ha una temperatura media di 15°C, ormai costante da moltemigliaia di anni. Ovviamente ai Poli si registrano temperature sino a -40°C così come nelle zonedesertiche si arriva anche a +46°C: facendo la media di tutte le temperature registrate nei vari puntidella Terra in vari periodi dell’anno si ottiene un valore medio intorno ai 15°C. Questa temperaturasi mantiene stabile da diverse migliaia di anni perché la Terra è un sistema in equilibrio energetico:tutta l’energia che proviene dal Sole e che viene assorbita dalla Terra viene emessa da quest’ultimasotto forma di radiazione infrarossa. È lo stesso principio che determina il riscaldamento delle casein inverno: per mantenere costante la temperatura interna della casa dobbiamo accendere una stufache produca la stessa quantità di calore che la casa cede verso l’esterno attraverso il tetto, le pareti eITIS G. MARCONI 10

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012gli infissi: se siamo in grado di produrre esattamente la stessa quantità di calore (energia) checediamo verso l’esterno, la casa sarà in equilibrio energetico e la temperatura al suo interno saràcostante.Ma chi è che determina il valore di equilibrio? Nelle case abbiamo il termostato che in base allatemperatura misurata decide se accendere/spegnere la stufa regolando quindi la quantità di caloregenerata per unità di tempo in modo da avere la temperatura desiderata. Nel caso della Terra nonc’è nessun termostato e l’equilibrio è naturale. Per capire cosa succede prendiamo sempre l’esempiodella casa e supponiamo che non vi sia termostato e che la stufa sia sempre accesa e produca piùcalore di quello che la casa cede verso l’esterno. In questo caso l’energia assorbita dalla casa èmaggiore di quella ceduta verso l’esterno per conduzione e quindi la temperatura della casaaumenterà. La quantità di energia ceduta verso l’esterno è però anch’essa una funzione delladifferenza di temperatura fra la casa e l’esterno, e in particolare aumenta quando aumenta taledifferenza. Ne consegue che mano a mano che la temperatura della casa aumenta, anche il caloreche questa cede verso l’esterno aumenta, sino a che alla fine diventerà uguale al calore prodottodalla stufa, ristabilendo l’equilibrio energetico del sistema a quel particolare – superiore - valore ditemperatura. Nel caso della Terra, la stufa è il Sole, in quanto le altre forme di energiaimmagazzinate all’interno della Terra - principalmente sotto forma di materiali radioattivi - sonotrascurabili rispetto a quella solare. A differenza della casa, inoltre, la Terra cede energia non adaltri materiali esterni ma allo spazio vuoto: quindi non per conduzione, ma per irraggiamento(appunto emettendo radiazioni nell’infrarosso, non visibili ad occhio nudo). Resta comunque il fattoche la quantità di energia emessa dalla Terra aumenta all’aumentare della temperatura della Terrastessa, anche se in modo diverso da come succede in una casa.Fig. 7: schema dell’effetto serra. Gran parte delle radiazioni infrarosse emesse dalla Terra tornano indietro, causando unaumento di +33°C della temperatura media di equilibrio del Pianeta.Di tutta l’energia solare incidente sul Pianeta, il 30% viene riflessa come albedo ed il 20% vieneassorbito dall’atmosfera senza arrivare alla superficie terrestre. Un altro 29% arriva alla superficieterrestre e contribuisce a far evaporare le acque (attivando il ciclo dell’acqua) e a generare lecorrenti oceaniche e dei venti. Il rimanente 21% invece va a scaldare la superficie terrestre e vieneriemesso da essa sotto forma di radiazione infrarossa. La potenza solare incidente assorbita dalsistema Terra - atmosfera (circa il 70% di quella totale incidente) è pari a 240 W/m 2 (vedi Figura 7).ITIS G. MARCONI 11

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012Conoscendo tale potenza e il tasso con cui la Terra cede energia sotto forma di radiazioneinfrarossa, si può scrivere una semplice equazione di bilancio energetico in cui l’unica incognita è latemperatura della Terra. La soluzione di tale equazione fornisce una temperatura terrestresuperficiale media intorno a -18°C, molto minore di quella reale.Cosa c’è di sbagliato in questo modello? Esso non tiene conto dell’effetto serra naturale dovutoall’atmosfera. L’atmosfera terrestre è infatti ricca di vapore acqueo (H 2 O) e contiene anche circa lo0.03% di anidride carbonica (CO 2 ), entrambi gas trasparenti nei confronti dell’energia solareincidente (che è una radiazione elettromagnetica nel campo del visibile) ma che invece hanno lacaratteristica di assorbire quel 21% di energia emessa dalla superficie terrestre sotto forma diradiazione a diversa frequenza (infrarossa) riemettendola in gran parte all’indietro, verso lasuperficie terrestre. Ogni gas che si comporta in questo modo (trasparente rispetto alla radiazionesolare incidente nel visibile, molto assorbente rispetto quella infrarossa emessa dalla superficieterrestre) viene detto gas serra e contribuisce all’effetto serra che è il responsabile di quei +33°Cche fanno sì che la superficie terrestre abbia una temperatura media confortevole di +15°C e nonquella polare di -18°C. È quindi grazie ai gas serra presenti in modo naturale nell’atmosfera se laTerra è un pianeta in cui è così gradevole vivere. Ma chi ha determinato l’attuale concentrazione digas serra? E cosa c’è da aspettarsi se la quantità di gas serra aumenta troppo, ad esempio per effettodell’attività umana?I GAS SERRAPer capire l’importanza che hanno i gas serra nel determinare la temperatura media di un pianeta,può essere utile confrontare la situazione sulla Terra con quella di altri due pianeti ad essa vicini,Venere e Marte. Venere è più vicina al Sole e quindi riceve un maggiore flusso di energia solareincidente. Facendo un bilancio dell’energia solare incidente su Venere e di quella emessa sottoforma di radiazione infrarossa, senza contare l’effetto serra dell’atmosfera, si ottiene unatemperatura pari a +46°C. La temperatura reale di Venere misurata è invece maggiore di 500°C. Cisono più di 400°C di differenza! Qual è il motivo? È che l’atmosfera di Venere è costituita per lopiù di CO 2 e che la sua pressione è centinaia di volte superiore a quella della Terra: questo vuol direche l’effetto serra è dominante nel determinare la temperatura del pianeta, perché quasi tutta laradiazione infrarossa emessa viene assorbita e rispedita indietro. Marte è invece più lontano dalSole e la sua temperatura, senza tener conto dell’effetto serra e facendo un semplice bilancioenergetico, risulterebbe attorno a -57°C. La temperatura reale di Marte è invece intorno a -47°C,ossia l’effetto serra contribuisce ad innalzarne la temperatura di soli 10°C. Anche l’atmosfera diMarte è costituita quasi completamente da CO 2 , ma la sua pressione è molto più bassa (l’atmosferadi Marte è molto più rarefatta). Questo confronto dimostra come le caratteristiche dell’atmosfera diun pianeta, e in particolare la sua densità e le quantità di gas serra in essa presenti, determinano inmodo significativo la temperatura del pianeta stesso. Quello che noi chiamiamo RiscaldamentoGlobale (Global Warming) non è altro che il fenomeno conseguente ai cambiamenti nellacomposizione chimica dell’atmosfera terrestre indotti dall’attività umana. In pratica, l’attivitàumana sta aumentando in modo significativo la concentrazione di gas serra nell’atmosfera e quindiaumentando l’effetto serra. Senza l’uomo l’effetto serra naturale produce un +33°C (da -18°C a+15°C). Con la presenza dell’uomo e delle sue attività industriali, questo valore tende ad alzarsi,molto lentamente per la nostra percezione, molto velocemente se pensiamo alle scale biologiche egeologiche.Per capire il perché, partiamo dall’epoca pre-industriale (prima del 1750 circa), in cui la quantità digas serra nell’atmosfera era regolata in modo naturale dagli esseri viventi presenti nel Pianeta; tuttigli esseri viventi (comprese le piante di notte) assorbono ossigeno dall’atmosfera per bruciare i cibie nel processo producono CO 2 e vapore acqueo (H 2 O), entrambi gas serra. Di giorno, a seguito delprocesso di fotosintesi, le piante rimuovono la CO 2 nell’atmosfera producendo ossigeno. Il bilanciofra questi due processi ha portato ad un’atmosfera ricca di vapore acqueo, ossigeno e con unaITIS G. MARCONI 12

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012frazione di CO 2 pari solo allo 0.03% del totale, corrispondenti a 280 ppm (parti per milione, cioè suun milione di metri cubi di atmosfera solo 280 sono di CO 2 ). La rivoluzione industriale, basata suicombustibili fossili e accompagnata dalla deforestazione, ha causato un incremento della CO 2emessa nell’atmosfera di circa 7 miliardi di tonnellate all’anno (ogni anno viene aggiuntanell’atmosfera una percentuale di CO 2 pari all’1% di quella presente, e ciò a causa di azionidell’uomo) – di cui 5 miliardi dati dai combustibili fossili e il resto principalmente dalladeforestazione e quindi dal mancato assorbimento di CO 2 da parte delle piante. Così, dal 1750 con280 ppm di CO 2 nell’atmosfera siamo passati agli anni 2000 con 360 ppm nell’atmosfera (circa il30% di aumento). Al momento la tendenza è crescente, e si stima il raddoppio della concentrazionedi CO 2 nell’atmosfera entro il 2100, da 280 ppm a 560 ppm, con un conseguente aumento dellatemperatura del Pianeta fra 1 e 3°C, i cui effetti non sono facilmente prevedibili. Da notare che, fratutti i gas serra prodotti dall’uomo, la CO 2 è quello meno potente: il metano (CH 4 ) è 21 volte piùpotente della CO 2 nel bloccare le radiazioni infrarosse emesse dalla superficie terrestre (per questo èsempre meglio bruciarlo che lasciarlo libero nell’aria), il protossido d’azoto (N 2 O) è 290 volte piùpotente, i clorofluorocarburi (CFC, composti artificiali noti come gas frigoriferi, ora messi fuorilegge) sono migliaia di volte più potenti. Allora perché ci preoccupiamo della CO 2 ? Perché è quellaprodotta in quantità di gran lunga maggiori rispetto gli altri gas serra ed è un prodotto ineliminabiledi ogni combustione. Da sola, la CO 2 contribuisce per più del 50% all’effetto serra prodottodall’uomo. È agendo sulle emissioni di CO 2 , quindi, che si possono ottenere miglioramentisignificativi per arrestare la tendenza verso l’aumento dell’effetto serra e quindi della temperaturadel Pianeta.GLI EFFETTI DEL RISCALDAMENTO GLOBALEUn aumento di +1 o +2°C di temperatura media possono avere effetti così devastanti sul Pianeta?L’aumento di temperatura media della Terra è veramente dovuto alla produzione dei gas serra daparte delle attività umane (e, in particolare, alla produzione e consumo di energia), oppure vi sonoaltre cause indipendenti, quali ad esempio l’attività solare? Le risposte a entrambi i quesiti non sonobanali.Partiamo dalla seconda domanda: quasi tutti i climatologi ritengono che nell’ultimo secolo vi siastato un aumento della temperatura media della Terra di circa 0,5°C. D’altra parte, in base aimodelli climatici più sofisticati a loro disposizione, l’incremento della concentrazione di CO 2 dipoco meno del 30%, da 280 ppm a 360 ppm, registrato nello stesso arco di tempo avrebbe dovutocausare un aumento della temperatura del Pianeta di circa 1°C, cioè circa del doppio rispetto aquello misurato. Questo vuol dire che i modelli non sono ancora completamente accurati, a causadella difficoltà di tenere in conto le numerosissime cause che concorrono a determinare l’equilibriotermico del Pianeta, prima fra tutti gli oceani, che sono molto più lenti a rilasciare/assorbire calore eche svolgono anche un ruolo non trascurabile nel ciclo del carbonio. L’altro parametro interessanteè che se si confrontano gli andamenti della temperatura del Pianeta negli ultimi 100 anni con quellidella concentrazione di CO 2 si nota una correlazione, ma i grafici non sono esattamentesovrapponibili. Ad esempio, dopo la seconda guerra mondiale si è avuto un leggerissimo calo delletemperature mentre la produzione di CO 2 è decisamente aumentata. Questi “ritardi” di registrazionedella produzione di CO 2 nella temperatura del Pianeta si pensa siano sempre dovuti all’inerziatermica degli oceani, ma non sono esattamente spiegabili. I dati relativi alla temperatura della Terra,da soli sembrano non giustificare del tutto la teoria del riscaldamento globale causato dalleemissioni di CO 2 da parte dell’uomo. Quello che fa concordare quasi tutti i climatologi sulle causeumane del riscaldamento globale sono altri dati in combinazione con quelli legati alla temperaturamedia del pianeta: la riduzione delle escursioni termiche da un giorno al successivo; piogge molto più violente e intense;ITIS G. MARCONI 13

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012 il record di temperature medie, registrate nel decennio ’80 (il decennio più caldo del XXsecolo) e il record di temperature medie nel 1990 e 1995.Tutti questi effetti sono correlati fra loro e consistenti con il fenomeno del riscaldamento globale.Per capire invece come mai una così in fondo piccola variazione di temperatura media possacausare sconvolgimenti così grandi a livello del clima del Pianeta è necessario studiare la storiaclimatica della Terra, risalendo all’indietro nel tempo di centinaia di migliaia di anni, ai periodiglaciali. Il metodo per ricavare la temperatura della Terra risalente a centinaia di migliaia di anni fasi basa sull’analisi delle carote di ghiaccio scavate in Antartide; queste carote sono formate da varistrati: in superficie si trova il ghiaccio associato alle piogge degli ultimi anni, mentre più sotto visono gli strati associati alle piogge di qualche decennio fa e, via via, si giunge fino agli stratiassociati alle piogge di qualche centinaia di migliaia di anni fa. Si ottengono quindi, in laboratorio,dei campioni delle piogge di vari periodi della Terra, analizzando la composizione chimica dei qualiè possibile risalire alla temperatura della Terra stessa nelle varie epoche. Infatti, la quantità diisotopi 2 H e 18 O presenti nell’acqua della pioggia dipende in modo molto sensibile dalla temperaturadel Pianeta.Quello che si trova è molto interessante: si osserva una ciclicità di periodi glaciali molto lunghi(durata di circa 100.000 anni) intervallati da periodi interglaciali più corti (qualche decina dimigliaia di anni – noi per inciso ci troviamo in un periodo interglaciale). I motivi di questa ciclicitàdi qualche centinaio di migliaia di anni non sono completamente chiari: potrebbero essere collegatia leggeri cambiamenti nell’inclinazione dell’asse del campo magnetico terrestre e/o a piccolissimeperturbazioni dell’orbita terrestre causate dall’interazione con gli altri pianeti. Quello che però èinteressante osservare è che la differenza della temperatura media terrestre fra un periodointerglaciale come il nostro ed un periodo glaciale è di soli 5°C circa! Ciò significa che basta unavariazione della temperatura media della Terra di soli 5°C per passare da un’era glaciale ad unainterglaciale. Inoltre, nel passaggio da un’era glaciale ad una interglaciale si registrano velocitànell’aumento di temperatura media intorno a 1°C per ogni 1000 anni (cioè il passaggio è moltograduale, ci vogliono circa 5000 anni per passare da un’era glaciale ad una interglaciale).Dai campioni di ghiaccio nell’Antartide si può anche ricavare la concentrazione di CO 2 presentenell’atmosfera durante i periodi glaciali e interglaciali. Quello che si trova è una correlazione moltoprecisa fra concentrazione di CO 2 e temperatura del Pianeta: durante i periodi glaciali laconcentrazione di CO 2 si abbassa sino a 200 ppm, durante quelli interglaciali si registrano anchevalori intorno ai 300 ppm. Si noti che questa variazione di CO 2 è naturale e non legata all’attivitàumana ed è perciò difficile capire chi sia la causa e chi l’effetto. Quello che è sicuro è che i valoriattuali di 360 ppm non si sono mai registrati prima in centinaia di migliaia di anni. Vi sono altri datipiù recenti che fanno capire come anche variazioni molto piccole della temperatura media dellaTerra possano avere un’influenza molto importante sulla distribuzione e sulla diversità della flora edella fauna e sulle attività umane. Nel Periodo Caldo Medievale in Inghilterra – un lasso di tempoche va dal IX al XIV secolo - si registrarono temperature maggiori di soli 0,5°C rispetto alla media,che portarono effetti benefici sulle colture e ad una maggior varietà di flora e fauna [12]. Nelperiodo invece della Piccola Età Glaciale dal XIV al XIX secolo si registrarono temperature di solicirca 0,75°C sotto alla media, con effetti devastanti: si pensi solo che il Fiume Tamigi ghiacciò [13].La registrazione di questi eventi storici ci permette di dire che, in sostanza, 1°C di differenza nelletemperature medie può significare inverni miti o fiumi ghiacciati, in quanto la media non misura ilmassimo o il minimo, i quali avranno escursioni molto più elevate nel corso dell’anno.In conclusione, i climatologi sono preoccupati e parlano di Global Warming perché, inserendo neiloro modelli l’andamento ipotizzato di aumento di concentrazione dei gas serra e in particolare diCO 2 prevedono - entro il 2100, cioè in circa 100 anni - un innalzamento della temperatura mediadella Terra compreso fra 1 e 3°C, un mutamento cui il nostro Pianeta non è mai andato incontro nelpassato. Si ricordi, infatti, che le variazioni di temperatura media dalle ere glaciali a quelleinterglaciali sono state, come abbiamo visto, pari a 1°C ogni 1000 anni e la lentezza delITIS G. MARCONI 14

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012cambiamento ha consentito alle specie viventi, in particolare alla flora, di adattarsi. Per questo lacomunità scientifica ipotizza sconvolgimenti climatici significativi anche se non è in grado diprevederli con certezza a causa delle numerosissime variabili in gioco. Comunque, fra gli eventi piùprobabili, alcuni dei quali già si stanno osservando, vi sono: innalzamento di 0,5-1 m del livello dei mari (a causa principalmente dell’espansionedell’acqua e solo in secondo luogo dello scioglimento dei ghiacci situati sulle terre emerse,in particolare al Polo Sud e in Groenlandia); precipitazioni più intense in alcune fasce climatiche, con modificazioni anche nella lorofrequenza e con maggiori probabilità d’inondazione; in alcuni casi i periodi a rischioinondazione si alternerebbero con periodi di intensa siccità; vi sarebbero poi molte aree cheandrebbero incontro ad una progressiva desertificazione; escursioni termiche minori fra un giorno e il successivo; scioglimento dei ghiacci marini ai Poli.Altri eventi meno certi cui può contribuire il riscaldamento globale sono: un aumento delle tempeste, in particolare dell’intensità degli uragani; estinzione di molte specie vegetali - e quindi animali collegate ad esse - a causa del fatto chele piante non sono in grado di adattarsi - spostandosi di zona geografica - a variazioniclimatiche dell’ordine di 1 o 2 °C in cento anni; cambiamenti nelle correnti oceaniche (ad esempio, un eventuale blocco della Corrente delGolfo potrebbe avere effetti devastanti sulla Gran Bretagna, che deve il suo climarelativamente mite considerata la latitudine proprio a questo continuo flusso di acqua caldaoceanica in superficie) – evento considerato al momento poco probabile ma che non si puòescludere a priori;Tutte queste sono possibilità, non vi è nulla di certo. Non conosciamo neppure in che misura sipossano manifestare tali fenomeni e se, addirittura, non ve ne siano altri che al momento non siamoin grado di prevedere, che possano innescarsi e autoalimentarsi. La domanda che bisogna porsi è sesi è disposti a rischiare di aspettare di avere la certezza assoluta di ciò che sta accadendo, per poiscoprire che magari è troppo tardi per intervenire sul clima, o se non conviene forse muoversi inanticipo. Infatti, se il problema è reale, non si torna indietro in un giorno, in un mese o in un anno,ma occorreranno, ammesso che ci si riesca, decenni per ripristinare le condizioni atmosferiche preindustriali.Ognuno deve riflettere e pensare se sia veramente il caso di rischiare la vita del Pianetasolo per perpetuare in modo automatico il proprio stile di vita oppure se non sia più saggiocominciare ad agire, con un comportamento più responsabile verso l’utilizzo dell’energia e quindirispetto alle proprie emissioni di CO 2 . Molti cittadini, con le loro scelte quotidiane (usare i mezzipubblici di trasporto o la bici piuttosto che moto o automobile, viaggiare in treno anziché inautostrada, coibentare la propria casa, utilizzare stufe ed elettrodomestici efficienti, non lasciare instand-by le apparecchiature, etc.) e alcuni paesi, con le loro scelte politiche (incentivazione di fontienergetiche a zero - o comunque a minori – emissioni: gas naturale piuttosto che carbone o petrolio;incentivazione del trasporto su rotaia e pubblico, piste ciclabili, riciclo dei rifiuti, incentivazioni allacoibentazione, etc.) stanno svoltando in questa direzione. Stanno scegliendo di provare a cambiarepiuttosto che mettere in gioco una posta troppo alta.Il protocollo di Kyoto è un primo tentativo per far condividere a tutti i paesi della Terra questo tipodi scelte. Ci sono però interessi economici che vanno in direzione opposta, e che sostengono chenon è possibile e comunque costerebbe troppo sostituire tutte le fonti energetiche da combustibilifossili con fonti a zero o a minori emissioni. Per questo non tutti i paesi hanno aderito al Protocollo.Gran parte dei paesi in via di sviluppo ora, fra cui India, Cina ed altri, inoltre, reclamano il diritto asvilupparsi, ad aumentare la propria ricchezza e quindi a consumare più energia. Allora, perchéITIS G. MARCONI 15

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012dovremmo preoccuparci se gli altri continuano a bruciare petrolio o, peggio, carbone? Perché èchiaro che l’unica forma di sviluppo possibile su un Pianeta finito come la Terra debba essere ditipo sostenibile, e quindi tanto vale iniziare da subito a muoversi nell’unica direzione possibile[2,10]. È chiaro che, essendo ricchezza ed energia così strettamente correlate, l’approccio allasoluzione del riscaldamento globale passa attraverso un ripensamento del sistema economico attualee dell’attuale stile di vita. Il modello attuale, con un sempre maggiore consumo di beni e produzionedi ricchezza (modello della crescita indefinita del PIL), richiede per sua natura un consumo semprecrescente di energia. Anche migliorando l’efficienza energetica, ossia diminuendo la quantità dienergia necessaria per produrre un certo prodotto/servizio, si potrebbe solo mitigare in parte larichiesta di un sistema economico così concepito. C’è quindi anche necessità di indicatori alternativia quello del PIL, in grado di svincolare le scelte politiche da considerazioni puramente economiche[11].IL PROTOCOLLO DI KYOTOCome abbiamo già detto, il protocollo di Kyoto è una prima iniziativa a livello internazionale percercare di mitigare gli effetti ambientali del sempre maggiore consumo di energia. La stesura delprotocollo risale al dicembre 1997 ma è entrato in vigore solo dal febbraio 2005. Infatti, affinché iltrattato potesse entrare in vigore dovevano verificarsi due condizioni:1. il trattato doveva essere ratificato da non meno di 55 nazioni;2. le nazioni firmatarie dovevano essere responsabili di almeno il 55% delle emissioniinquinanti.Quest'ultima condizione è stata raggiunta solo nel novembre del 2004, quando anche la Russia (dasola responsabile per circa il 17% delleemissioni) ha perfezionato la suaadesione. Il trattato prevede l’obbligo dioperare nel periodo 2008-2012 unariduzione delle emissioni di elementiinquinanti (CO 2 ed altri cinque gas serra,ovvero metano, protossido d’azoto,idrofluorocarburi, perfluorocarburi edesafluoruro di zolfo) in una misura nonFig. 8: in verde i paesi aderenti al protocollo di Kyoto.inferiore al 5% rispetto alle emissioniregistrate nel 1990 — considerato comeanno di riferimento. Al fine di nonostacolare il diritto alla crescita economica dei paesi in via di sviluppo, fra cui Cina e India, questiultimi non sono stati invitati a ridurre le loro emissioni, in quanto non responsabilidell’inquinamento sinora causato dai paesi già sviluppati. Fra i paesi non aderenti emergono invecegli Stati Uniti, da soli responsabili per il 36% circa delle emissioni di gas serra.Cosa succede a chi non rispetta il trattato? Si possono acquistare crediti di emissioni: ad esempio,un paese che abbia conseguito una diminuzione delle proprie emissioni di gas serra superiore alproprio obiettivo, può cedere tali "crediti" – a pagamento - ad un paese che, al contrario, non siastato in grado di rispettare i propri impegni di riduzione delle emissioni di gas serra. Se un paesenon riesce comunque a rispettare il trattato incorre in sanzioni economiche.Per incentivare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili ed andare quindi nella direzione indicatadal Protocollo di Kyoto, ogni stato ha poi introdotto un sistema di certificati:• certificati neri: titoli di scambio di emissioni di CO 2 fra aziende. Ogni azienda, in base allasua attività, può emettere CO 2 non oltre una certa soglia consentita, dipendente da stato astato. Un’azienda che immette nell'atmosfera una quantità di anidride carbonica inferiorealla soglia consentita può vendere la quota di emissione di anidride carbonica non utilizzataad un'altra impresa che non riesce a rispettare la soglia consentita. In questo modo laITIS G. MARCONI 16

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012seconda azienda può emettere una quantità di CO 2 superiore a quella consentita senzaincorrere in sanzioni.• certificati bianchi, o titoli di efficienza energetica: sono titoli che certificano i risparmienergetici conseguiti in seguito alla realizzazione di specifici interventi. Ad esempio,un’azienda che investe sostituendo i suoi vecchi impianti con impianti nuovi e più efficientirisparmia in un anno una certa quantità di energia, cui corrisponde un certificato bianco diun certo importo rilasciato dall’autorità per l’energia elettrica e il gas (AEEG).• certificati verdi: sono certificati riconosciuti alle aziende che producono energia elettrica ingran parte da fonti rinnovabili, quindi emettendo meno CO 2 . Siccome la legge obbliga ogniproduttore/importatore di energia elettrica ad usare almeno il 2% di fonti rinnovabili (anchequesta percentuale dipende da stato a stato), le aziende che non arrivano a tale soglia sonoobbligate ad acquistare certificati verdi da aziende che producono energia da fontirinnovabili, favorendo così queste ultime.Nei prossimi paragrafi vedremo più in dettaglio le diverse opzioni energetiche a nostra disposizionee il loro impatto ambientale, partendo dai combustibili fossili (Carbone, Petrolio, Gas Naturale) eproseguendo con l’energia Nucleare, l’energia Geotermica e delle Maree, l’energia Solarefotovoltaica e termodinamica, l’energia Idroelettrica, l’energia Eolica, l’energia da Biomasse;infine, ultima ma forse la più importante, l’opzione dell’uso di minore energia e dell’aumentodell’efficienza energetica.FONTI ENERGETICHE: I COMBUSTIBILI FOSSILII combustibili fossili (Carbone, Petrolio e Gas Naturale) sono la fonte energetica più utilizzata almomento perché meno costosa in termini economici. Circa il 90% del consumo mondiale di energiaviene dai combustibili fossili. Da dove vengono? Sono il risultato di processi durati centinaia dimigliaia di anni di decomposizione sotto terra di materiale organico vegetale e animale. Tutto nascedalla reazione di fotosintesi, che ha luogo nelle piante durante il periodo diurno:6CO 2 + 6H 2 O + energia solare C 6 H 12 O 6 + 6O 2Di giorno le piante assorbono dall’atmosfera anidride carbonica e utilizzano l’energia del Sole perfarla reagire con l’acqua, rilasciando ossigeno nell’atmosfera e fissando così parte dell’energiasolare incidente sulla Terra (lo 0.02%) nella molecola di glucosio: C 6 H 12 O 6 . È infatti questocomposto che, alla morte della pianta, sotto terra, subisce in centinaia di migliaia di anni variprocessi di decomposizione e, alla fine, diventa un combustibile fossile sotto forma di Gas naturaleo Carbone o Petrolio. Possiamo quindi dire che la fotosintesi non solo è il processo che ha resopossibile la vita sulla Terra rendendo l’atmosfera terrestre ricca di ossigeno (circa il 20%) ma èanche il processo che ha portato alla formazione dei combustibili fossili. Ne deriva anche che icombustibili fossili sono una forma di energia che deriva dal Sole; essi rappresentano in praticaquella piccolissima frazione (0.02%) di energia solare immagazzinata nelle piante attraverso lafotosintesi. Il processo di formazione dei combustibili fossili è molto, molto lento, centinaia dimigliaia di anni, per cui noi attualmente stiamo usando le riserve di combustibili corrispondenti alleforeste e ad altri organismi esistiti sulla Terra centinaia di migliaia di anni fa, e le stiamo usandocosì velocemente che una volta esaurite non ci sarà stato abbastanza tempo per la formazione dinuove (in pratica in 200 anni stiamo consumando l’equivalente dell’energia solare immagazzinatadalle foreste nel corso di 200.000 e più anni).È importante confrontare l’impatto ambientale dei tre combustibili fossili, perché non è lo stesso,essendo diversa la loro composizione chimica. Il Carbone è quasi Carbonio (C) allo stato puro,anche se è quello più ricco in Zolfo (S). Quando si brucia Carbone si rilascia nell’atmosfera CO 2 ,ma anche particelle di Zolfo, che hanno due effetti, di segno opposto, sull’ambiente: da un lato causano le piogge acide, in grado di danneggiare piante e suolo;ITIS G. MARCONI 17

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012 dall’altro lato possono rimanere nell’atmosfera come micro particelle (aerosol) e contribuirea riflettere la luce solare incidente, incrementando l’albedo e mitigando localmente ilriscaldamento globale – effetto questo solo temporaneo perché gli aerosol solfati tendonovelocemente a sparire dall’atmosfera.Indicativamente, le maggiori riserve di Carbone sono in Nord America (USA e Canada), Cina eRussia. Le riserve di Carbone sono sufficienti a sostenere il fabbisogno energetico mondiale perqualche centinaio di anni: il problema è che il carbone è il più inquinante fra i combustibili fossili el’atmosfera non sarebbe in grado di sostenere il carico di gas di combustione derivanti dall’utilizzodi tutte le riserve.Il Petrolio è un composto che contiene non solo Carbonio (C), maanche Idrogeno (H) e Zolfo (S), anche se quest’ultimo in misuraminore rispetto al Carbone. Il petrolio è molto versatile poiché daesso, attraverso processi di raffinazione, si possono ricavare molti tipidiversi di combustibili liquidi, utilizzati per il trasporto di macchine,navi, camion ed aerei. Circa i 2/3 delle riserve di Petrolio si trovanonel Medio Oriente e sembra che ce ne sia a sufficienza per ilfabbisogno energetico mondiale dei prossimi 100 anni e forse più,anche se le nuove riserve trovate sono in territori sempre più estremi(Polo Nord, Oceani) e causa sempre più spesso di gravi effettiambientali in quanto difficili da gestire (Figura 9).Il Gas Naturale è composto da Carbonio (C) e Idrogeno (H), contiene pochissimo Zolfo e comeeffetto della sua combustione libera molta meno CO 2 rispetto agli altri combustibili fossili (è il piùpulito dei tre). Un esempio di Gas Naturale è il Metano (CH 4 ), che viene spesso trovato insieme alpetrolio (e fatto bruciare – è infatti il responsabile del fuoco che esce dai pozzi petroliferi). Ilmetano stesso è un gas serra circa 29 volte più potente della CO 2 : per questo è meglio bruciarlo(producendo CO 2 ) che non lasciarlo disperdere liberamente nell’aria.Quantifichiamo ora la CO 2 prodotta dai tre combustibili fossili nel caso li usassimo in una centraletermoelettrica per produrre energia (Figura 10). Quello che succede intali centrali è che il combustibile viene fatto bruciare per generare caloree produrre quindi vapore acqueo ad alta pressione che fa girare la turbinadel generatore elettrico. Queste centrali sono molto inefficienti, perchéabbiamo diverse trasformazioni di energia: da termica a meccanica e poielettrica. A ogni trasformazione si perde sempre un po’ dell’energiaFig. 10: centrale termoelettricaa combustibilifossili.disponibile sotto forma di calore disperso nell’ambiente – da qui lanecessità di costruire queste centrali vicino a fiumi o laghi per avere adisposizione grandi quantità di acqua per il raffreddamento. L’efficienzadi tali centrali è pari a circa il 33%, ossia per generare 1kWh si liberanocon la combustione l’equivalente di 3kWh. Nelle moderne centrali a turbogas con ciclo combinatol’efficienza elettrica può arrivare al 60% circa: in tali centrali il vapore caldo non viene inviato peril raffreddamento direttamente al condensatore (disperdendo i due terzi dell’energia dellacombustione) ma viene usato per alimentare un secondo generatore più piccolo. Efficienzeenergetiche ancora maggiori si possono poi raggiungere se successivamente il vapore residuo vienetrasportato tramite tubature interrate a centri abitati vicini per il riscaldamento domestico(cogenerazione tramite teleriscaldamento). Tali tecniche possono essere utilizzate in tutte le centralidi tipo termoelettrico (a combustibili fossili, nucleari e a biomasse) per aumentarne l’efficienza.In una centrale a Carbone avviene la seguente reazione:C + O 2 CO 2 + Energia,In una a Metano invece:Fig. 9: uno degli effetti dellamarea nera nel golfo delMessico.ITIS G. MARCONI 18

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + EnergiaPer ogni kWh di energia prodotta la centrale a Carbone libera nell’ambiente 0,95 kg di CO 2 , mentrequella a metano solo 0,45 kg di CO 2 , cioè circa la metà. Le centrali a Petrolio (che bruciano adesempio C 6 H 14 ) producono circa 0,72 kg di CO 2 . In sostanza, minore è il rapporto fra gli atomi di Ce quelli di H nella molecola del combustibile fossile, minore è la produzione di CO 2 a parità dienergia prodotta dalla combustione.Questi numeri permettono anche di quantificare quale sia il nostro impatto sulla produzione di CO 2supponendo ad esempio che l’energia elettrica in arrivo nelle nostre case sia prodotta quasi perintero da centrali a Carbone. Se accendiamo ad esempio il microonde per un’ora, consumando1,5kWh, produciamo indirettamente 0,95 x 1,5 = 1,42 kg di CO 2 ; se asciughiamo i capelli con ilphon per 15 minuti, consumiamo 1kW x 0,25 h = 0,25 kWh e liberiamo nell’aria 0,95 x 0,25 = 0,24kg di CO 2 , e così via. È chiaro che l’energia elettrica che arriva nelle nostre case è sempre data daun mix energetico e non da sole centrali a Carbone, e quindi la CO 2 che produciamo con questinostri gesti quotidiani sarà in generale minore. È importante comunque capire che le nostreabitudini hanno un impatto significativo sul problema del riscaldamento globale e che occorrepartire da quelle per mitigarne gli effetti.In conclusione, possiamo dire che già la conversione di tutte le centrali termoelettriche daCarbone/Petrolio a Gas Naturale può portare dei benefici significativi in termini di impattoambientale (minore produzione di CO 2 ). Non è certo però la soluzione del problema, visto cheanche il processo di combustione del Gas Naturale, sebbene in misura minore, rilascia grossequantità di CO 2 nell’aria. Certamente il peggiore dei combustibili fossili è il Carbone epreoccupante è il fatto che gran parte delle riserve di Carbone sono in Cina, paese in cui lo sviluppoeconomico e quindi il consumo di energia sta salendo più rapidamente negli ultimi anni.FONTI ENERGETICHE: IL NUCLEAREPer “nucleare” si intende l’estrazione di energia dai nuclei degli atomi che costituiscono la materia.Vi sono due modi per raggiungere questo scopo: la fissione nucleare, in cui un atomo viene divisoin due atomi più leggeri liberando energia e la fusione nucleare, in cui due atomi leggeri vengonouniti in un atomo più pesante, ed anche in questo caso il processo avviene con liberazione dienergia. Attualmente è disponibile la sola tecnologia per realizzare centrali elettriche a fissionenucleare. La fissione nucleare è poi anche utilizzata per alimentare mezzi militari, quali isottomarini e le portaerei. Infine, fissione e fusione nucleare trovano applicazione negli armamentinucleari.Dal punto di vista della produzione di energia ha quindisenso guardare alle sole centrali elettriche nucleari chefunzionano a fissione (Figura 11): il loro funzionamento èdel tutto analogo a quello delle centrali a combustibilifossili. L’unica cosa è che si sostituisce il reattore nucleareal bollitore delle centrali a Carbone. Infatti, il reattorenucleare, in cui avvengono le reazioni di fissione, liberaenergia termica che riscalda l’acqua, producendo vaporead alta pressione che muove la turbina del generatoreelettrico. Sempre per il problema dell’efficienza dellaconversione di energia da termica a meccanica e poiFig. 11: centrale nucleare a fissione. elettrica, l’efficienza delle centrali nucleari è pari al 33%circa: per ogni kWh prodotto, la fissione del combustibilenucleare ha generato circa 3 kWh. Come per le centrali a combustibili fossili gli impianti nuclearidevono essere collocati vicino a grossi bacini d’acqua, in genere fiumi, per disperdere in modoITIS G. MARCONI 19

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012controllato le grandi quantità di calore generato. Sfruttando i meccanismi di cogenerazione - comeabbiamo già visto - si può arrivare ad efficienze più alte.La prima grossa differenza fra centrali a combustibili fossili e nucleari è l’energia in gioco perquantità di combustibile. Nei combustibili fossili avvengono reazioni di combustione, che sonoreazioni chimiche in cui l’energia rilasciata è quella elettrostatica associata agli elettroni di valenzadei vari elementi in gioco. Nei reattori nucleari invece avvengono reazioni in cui si rompono ilegami fra i protoni e i neutroni del nucleo di un atomo, e nelle quali l’energia rilasciata è quellaassociata alla forza di interazione nucleare forte, milioni di volte maggiore di quella elettrostatica.La fissione di un nucleo di Uranio 235 produce un’energia 15 milioni di volte maggiore rispetto allacombustione del Carbonio. Come è possibile liberare così grandi quantità di energia da una singolareazione? L’Uranio 235 è un elemento con numero atomico molto grande, il cui nucleo è compostoda 92 protoni e ben 143 neutroni. I neutroni e i protoni del nucleo si attraggono fra loro per la forzadi interazione nucleare forte, come già detto milioni di volte più grande di quella elettrostatica. Laforza di interazione nucleare forte è però una forza a corto raggio, ossia è intensa solo se iprotoni/neutroni sono molto vicini fra loro, mentre è praticamente nulla per protoni/neutroni chenon sono vicini (per molto vicini si intendono distanze dell’ordine di 10 -14 m). Per questo glielementi con numero atomico molto grande hanno un numero di neutroni molto maggiore di quellodi protoni: quando i protoni di un atomo sono molti è inevitabile chealcuni di essi si trovino a distanze maggiori di quella limite per sentirel’effetto dell’interazione nucleare forte con gli altri protoni, mentrecontinuano a sentire quella elettrostatica, che sebbene meno intensadecresce però molto meno con la distanza ed è repulsiva. Un numeromaggiore di neutroni consente di tenere tutti insieme i protoni, dandostabilità al nucleo. Allo stesso tempo però un nucleo con numeroatomico maggiore di 82 è soggetto a fenomeni di fissione qualoracolpito da particelle energetiche (perché non appena i protoni tendonoad allontanarsi reciprocamente in seguito all’urto, la forza elettrostaticarepulsiva tende a farli allontanare definitivamente), ed è in grado diprodurre energie milioni di volte maggiori rispetto a quelle dellereazioni chimiche quali la combustione. Il materiale più usato per lafissione è l’Uranio. L’Uranio più diffuso in natura è l’isotopo 238 U, con92 protoni e 146 neutroni; quello invece più adatto per la fissionecontrollata è l’isotopo 235 U, con 143 neutroni. Il primo processo daeseguire per realizzare una fissione è arricchire l’Uranio, ossia aumentare la percentuale di 235 U acirca il 5% del combustibile totale (Uranio arricchito). A questo punto per iniziare la fissione èsufficiente colpire il nucleo di un atomo 235 U con un neutrone sufficientemente energetico percausarne la scissione in due parti e la produzione di altri 2 o 3 neutroni, secondo ad esempio loschema di reazione mostrato in figura 12:235 U + 1n 92 Kr + 141 Ba + 3n + EnergiaFig. 12: esempio di reazionedi fissione nucleare.I neutroni generati dalla fissione andranno poi a colpire altri atomi di 235 U, causando altre fissioni equindi liberando altra energia ed altri neutroni, innescando così una reazione a catena. Nelle bombeatomiche la concentrazione di 235 U è molto alta e la reazione a catena non è controllata: siproducono in pochi secondi quantità enormi di energia che causano la distruzione e devastazione dienormi superfici (Hiroshima, Figura 13). Nei reattori nucleari, invece, si regola la concentrazione di235 U a poco meno del 5% e si controlla il processo in modo che a ogni fissione corrisponda ingenere la produzione di un solo neutrone in grado di far proseguire la reazione. In questo modo, ilnumero di fissioni per unità di tempo rimane costante, e così l’energia prodotta. La fissione nuclearenon produce direttamente CO 2 , quindi - se si escludono le emissioni legate alle attività diestrazione/lavorazione/confinamento dell’Uranio [15] - dal punto di vista dei gas serra e delriscaldamento globale è una forma di energia che sembrerebbe non dare problemi.ITIS G. MARCONI 20

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012Il vero problema sono invece i prodotti della fissione, che sono elementi più leggeri ma con unnumero di neutroni molto più grande di quello effettivamente necessario per dare stabilità ai nucleidei rispettivi atomi. Questo significache sono elementi molto radioattivi,che emettono particelle moltoenergetiche per trasformarsi in atomipiù stabili, con un minor numero dineutroni. Le particelle emesse sonomolto dannose per ogni organismovivente, perché un’esposizioneprolungata causa danneggiamentiFig. 13: esempio di esplosione nucleare; nella seconda figura la devastazionedella città di Hiroshima dopo l’esplosione della bomba nucleare al terminedella Seconda Guerra Mondiale.del DNA, cancro, leucemie ed altremalattie molto gravi. I prodotti piùleggeri della fissione (I, St, Kr, Ba,etc.) decadono (cioè smettono di emettere particelle energetiche e quindi di essere dannosi) in tempifra la decina e il migliaio di anni. La fissione ha però come ulteriore effetto collaterale anche laproduzione di un altro elemento più pesante dell’Uranio, non presente in natura, molto tossico e contempi di decadimento dell’ordine dei 25000 anni: il Plutonio 239 ( 239 Pu):238 U + 1n 239 Pu + 2e-La fissione di 3 atomi di 235 U corrisponde alla formazione di 2 atomi di Plutonio 239. Nelle piùmoderne centrali nucleari si tenta anche di usare il Plutonio come combustibile, ma l’utilizzo piùdiffuso nei tempi della guerra fredda è stato quello di realizzare delle armi nucleari di distruzione dimassa. Per la verità, il grande sviluppo delle centrali nucleari è coinciso proprio con la guerra freddae con la corsa agli armamenti nucleari. Infatti, il reattore utilizzato per produrre i materiali destinatialla realizzazione degli armamenti nucleari (Plutonio, Uranio arricchito, etc…) con piccolemodifiche poteva essere utilizzato per scaldare l’acqua e quindi generare energia elettrica. Le primecentrali nucleari sono perciò nate come un “sottoprodotto” nel processo di costruzione erealizzazione delle bombe atomiche. Solo in anni più recenti, in paesi come la Francia, in cui il 70%dell’energia elettrica viene prodotta da centrali nucleari, si sono sviluppate tecnologie nucleari il cuiscopo primario è quello mirato alla produzione di energia elettrica. Il nesso indissolubile fra centralinucleari e armamenti atomici di distruzione di massa è però evidente ancora oggi, osservandol’atteggiamento della comunità internazionale, che decide sanzioni contro paesi come l’Iran cheintendono realizzare centrali nucleari per la produzione di energia elettrica. Se le centrali nucleariper la produzione di energia elettrica non fossero inrelazione con la realizzazione di armamenti nuclearinon ci sarebbe motivo per tali sanzioni, in quantochiaramente ogni paese ha il diritto di costruire sulproprio suolo le centrali elettriche di cui ha bisogno.Dato che sono necessarie piccole quantità di uranioper produrre quantità d’energia molto elevate, alcunisostengono che vi sono sufficienti riserve perrispondere al fabbisogno energetico mondiale perqualche centinaio di anni, probabilmente più diquanto possano ancora dare i combustibili fossili. Ilvero problema è costituito tuttavia dalle scorienucleari e dal loro smaltimento, con particolareriferimento al Plutonio: siamo in grado di confinareFig. 14: immagine del disastro nucleare diFukushima, in Giappone, le cui conseguenze a lungotermine sull’uomo e sull’ambiente sono ancora davalutare.un elemento che non esiste sulla Terra in modo che non interagisca con l’ambiente circostante perdecine di migliaia di anni? Se è vero che le scorie prodotte dalle centrali nucleari sonoquantitativamente poche rispetto a quelle prodotte dalle altre centrali, sono però enormemente piùITIS G. MARCONI 21

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012dannose. Infine, la pericolosità delle centrali nucleari: per quanto progettate con tutti i sistemi disicurezza, eventi imprevedibili potrebbero causarne malfunzionamenti drammatici, con rischio diesplosioni (Chernobyl) o fuoriuscita di materiali radioattivi fra cui Plutonio (Fukushima – Figura14) ed effetti devastanti sulla popolazione e l’ambiente, non solo circostante. A questo propositovanno anche menzionati i potenziali conflitti di interesse: nonostante le istituzioni nazionali einternazionali sulla sicurezza nucleare, solo le aziende elettriche sono effettivamente in grado dicontrollare e certificare la sicurezza delle loro centrali; se, come spesso accade, l’aspetto economicoprende il sopravvento, il rischio che una centrale venga fatta lavorare anche in condizioni limite purdi risultare economicamente più vantaggiosa è estremamente concreto.In conclusione, sebbene dal punto di vista del problema del riscaldamento globale e del fabbisognoenergetico le centrali nucleari possano rappresentare una soluzione possibile (non considerando laquestione controversa dei costi dell’estrazione dell’uranio e costruzione delle centrali [15]), rimanecompletamente aperta una questione di responsabilità generazionale: vale la pena di accettare igrandi rischi del nucleare solo per avere più energia con minori emissioni di carbonio? Valeveramente la pena di risolvere un problema (riscaldamento globale) causandone un altro(contaminazione da Plutonio e altri materiali radioattivi) forse altrettanto se non più grave?La fissione nucleare, come detto all’inizio, non è l’unica opzione nucleare possibile. Un’altra stradaè quella della fusione, dove due nuclei più leggeri vengono portati ad unirsi, formando un solonucleo di un elemento più pesante. Un esempio è quello di far reagire due atomi di deuterio (isotopo2 H dell’idrogeno) per ottenere un atomo di Elio e liberazione di energia:2 H + 2 H 4 He + EnergiaTenuto conto che su 65 atomi di idrogeno sulla Terra uno è di deuterio, l’energia prodotta dallafusione del deuterio contenuto in 1 litro di acqua marina sarebbe pari a quella prodotta dallacombustione di 400 litri di benzina. Questo significa che se fossimo in grado di realizzare in modocontrollato la reazione di cui sopra avremmo a disposizione una risorsa energetica che non producegas serra, in grado di soddisfare il fabbisogno energetico mondiale per i prossimi 300 miliardi dianni! Il problema è che la temperatura d’innesco della reazione è dell’ordine dei milioni di gradi, edè molto difficile confinare le sostanze reagenti a queste temperature. Attualmente la fusione èutilizzata solo nelle bombe atomiche ad idrogeno. Anche la fusione ha come effetto collaterale laproduzione di materiali di scarto radioattivi ma ad un livello un migliaio di volte inferiore a quellodella fissione e, soprattutto, non produce Plutonio. I prodotti di scarto della fusione sarebbero quindimolto più facili da gestire rispetto a quelli della fissione.Supponendo che un giorno si riescano a sviluppare centrali elettriche nucleari a fusione avremmoallora una fonte di energia inesauribile e a costo quasi nullo. Cosa potrebbe accadere? Costandoancora meno, aumenterebbe lo spreco di energia; aumenterebbe la produzione di prodotti e servizi,il consumismo e il conseguente depauperamento delle risorse della Terra necessarie per produrrequei beni/servizi. In sostanza aumenterebbe a dismisura il consumo di energia da parte dell’uomo.Ce ne dovremmo preoccupare? In apparenza no, perché non stiamo producendo gas serra, siamoriusciti a svincolare il problema della produzione di energia da quello della produzione di gas serra.Quello che però potrebbe succedere è che la quantità di energia consumata dall’uomo aumenti cosìtanto che diventi una frazione significativa di quella solare incidente sulla Terra (attualmente noistiamo consumando una frazione trascurabile dell’energia totale incidente sul Pianeta, che è quellasolare). Se ciò accade, si avrebbe un effetto di riscaldamento globale non dovuto alla produzione digas serra ma dovuto al fatto che si sta direttamente aumentato il contributo di energia entrante nelbilancio energetico che determina la temperatura media della Terra.È veramente auspicabile una risorsa energetica illimitata, gratis, a zero emissioni che non sia giàparte di quella solare incidente? Bisogna stare attenti a procedere in tale direzione, perchéporterebbe ad aumentare il bilancio energetico del Pianeta a favore di un innalzamento dellatemperatura.ITIS G. MARCONI 22

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012FONTI ENERGETICHE RINNOVABILIPer “rinnovabile” si intende in genere una risorsa inesauribile nel tempo perché in grado dirigenerarsi durante il suo utilizzo. Le risorse energetiche sinora analizzate, per quanto possanodurare ancora molti anni, non sono però infinite, perché la Terra è finita, e prima o poi continuandoa estrarre petrolio e uranio dal sottosuolo questi si esauriranno. Le fonti rinnovabili dovrebberoinvece essere inesauribili, anche se vedremo che non è sempre così. Inoltre si associa spesso allefonti energetiche rinnovabili anche l’idea che siano pulite, cioè non producano emissioni di CO 2 enon producano un impatto ambientale. Anche questa implicazione non sempre è vera, e vaverificata caso per caso.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI:ENERGIA DALLE MAREELe maree sono dovute alla forza di attrazione gravitazionale fra la Terra e la Luna. Dove le mareesono sufficientemente alte si possono realizzare dighe in grado di raccogliere le variazioni dellivello delle acque marine per ricavarne energia elettrica, sia quando la marea sale sia quando essascende. Questa risorsa è rinnovabile, ma presenta due problemi:Fig. 15: schema del sistema perricavare energia elettrica dallemaree anche se fossimo in grado di utilizzare tutta l’energiaassociata a tale fenomeno, essa rappresenta solo lo0,002% dell’energia totale incidente sul nostro Pianeta enon sarebbe sufficiente a soddisfare il fabbisognoenergetico umano; sono pochi i siti della Terra ove le maree sonosufficientemente alte e nei quali risulta perciòconveniente utilizzare tale risorsa energetica; e in questipochi casi si provoca un impatto ambientale irreversibilenei confronti dell’ecosistema marino locale.Infatti, molti siti dove risulta conveniente sfruttare tale risorsaenergetica coincidono con gli estuari di grossi fiumi, che sonoanche le zone dove molti pesci del mare vanno a riprodursi. Lacostruzione di una diga per lo sfruttamento dell’energia dellemaree provoca quindi conseguenze ecologiche da valutare attentamente.In conclusione tale risorsa può essere sfruttata in qualche sito fatte le opportune valutazioni diimpatto ambientale, ma può fornire solo una frazione trascurabile dell’energia totale di cui abbiamobisogno e non rappresenta quindi la soluzione al problema del riscaldamento globale.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI:ENERGIA GEOTERMICALe rocce della crosta terrestre sono buoni isolanti termici, facendo sì che la superficie terrestre nonavverta le temperature dell’interno della Terra stessa, ove è presente un magma fluido molto caldo.Nei punti della Terra dove il magma è vicino alla superficie si potrebbe sfruttare il calore che arrivaper realizzare una centrale termoelettrica a energia geotermica. Le centrali di tale tipo piùconvenienti sono quelle dove dalla crosta terrestre esce direttamente il vapore secco (cioè senzaparticelle di acqua in forma liquida), utilizzabile direttamente per far ruotare la turbina di ungeneratore elettrico. Meno convenienti sono quelle dove si estraggono dalla terra liquidi caldiutilizzati per far bollire l’acqua e generare vapore che fa ruotare la turbina del generatore. Infatti,mescolati a tali liquidi si trovano molti elementi corrosivi e/o tossici (come il solfato di idrogeno),ITIS G. MARCONI 23

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012inquinanti e dannosi per la salute, col rischio alto diinquinamento dell’aria e delle falde acquifere. Inoltre ilterreno può diventare instabile e franare a seguitodell’estrazione di liquidi dal sottosuolo.In totale l’energia geotermica rappresenta lo 0,02%dell’energia totale incidente sulla Terra e in alcune partidel mondo (es.: California) l’energia geo-termoelettricarappresenta circa l’1% dell’energia elettrica totaleprodotta. A differenza di quanto comunemente si pensa,non è però una risorsa energetica rinnovabile nel sensoletterale del termine: infatti, il calore viene estratto dalFig. 16: esempio di centrale geotermica sottosuolo ad una velocità maggiore di quella con cui ilmagma è in grado di trasmetterlo in superficie. Questosignifica che nel giro di una settantina di anni le centrali elettriche geotermiche tenderanno adesaurire i rispettivi giacimenti.Un altro aspetto negativo è che i luoghi dove l’energia geotermica è più facilmente sfruttabile sonoanche luoghi di grande importanza naturalistica e turistica (la Rain Forest nello Yellowstone Park,ad esempio). La soluzione ideale sarebbe utilizzare una tecnologia in grado di scavare e cercarel’energia geotermica a profondità maggiori in luoghi con minor o nessuna importanza naturalistica:in questo caso si potrebbero realizzare molte più centrali geotermiche che potrebbero dare uncontributo significativo al fabbisogno energetico mondiale, sebbene non sufficiente. Lo svantaggiostarebbe nel maggior costo economico di tali centrali.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE:ENERGIA IDROELETTRICALe centrali idroelettriche sono state il primo tipo di centrali elettriche ideate dall’uomo: ovunque siapresente una cascata naturale o artificiale si può sfruttare direttamente il moto dell’acqua che cadeper far ruotare la turbina di un generatore elettrico e ricavare così energia elettrica. L’impattoambientale di tale fonte di energia è minimo dove si sfruttano cascate naturali: il problema è soloquello di realizzare la centrale in modo da non alterare l’ambiente naturale. Diverso è invecel’impatto ambientale nel caso di cascate artificiali: inquesto caso è necessario costruire una diga cheprovoca effetti negativi sia sull’ecosistema sia sulpaesaggio. Di sicuro la fonte idroelettrica presenta ilvantaggio di non immettere CO 2 in atmosfera e gliimpianti di conversione sono molto efficienti, poichéla trasformazione dell’energia meccanica dell’acqua inenergia elettrica avviene con perdite molto basse. Adifferenza delle centrali termoelettriche, dove per ognikWh di energia elettrica prodotta, 2kWh sono liberatinell’ambiente sotto forma di calore (rendimentoFigura 17: esempio di centrale idroelettrica. intorno al 33%), nel caso delle centrali idroelettriche irendimenti si attestano intorno all’80-90%.È una fonte di energia rinnovabile? In parte sì, perché l’energia necessaria per mantenere il ciclodell’acqua viene dal Sole (è il 20% la quota di energia solare incidente responsabile del ciclodell’acqua) ed ha quindi una durata infinita. Il problema è che le dighe non hanno durata infinita: ifiumi trasportano infatti detriti che si depositano col tempo sul fondo del lago formato dalla diga.Questo significa che il bacino della diga tende col tempo a divenire meno capiente, la quantità totaledi acqua e quindi la capacità della diga diminuiscono nel tempo e così l’energia elettrica totaleITIS G. MARCONI 24

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012prodotta. Dopo un tempo dell’ordine del centinaio di anni in genere le dighe divengonoinutilizzabili per la produzione di energia elettrica. Inoltre non è completamente benigna come fontedi energia: la rottura di una diga o, come è accaduto per il Vajont in Veneto nel 1963, un particolareevento franoso nelle montagne circostanti l’invaso, può causare migliaia di morti e la distruzioneper inondazione di interi paesi [16]. Attualmente l’energia idroelettrica rappresenta il 6% delfabbisogno mondiale di energia, una frazione non certo trascurabile. In alcuni paesi il suo apporto èmolto più alto: in Italia copre da sola circa il 26% del fabbisogno totale, consentendoci di produrrein modo ecologico una frazione molto importante del nostro fabbisogno energetico. Non è però lasoluzione al problema del riscaldamento globale, perché nei paesi sviluppati è ormai completamentesfruttata ed è molto difficile trovare nuovi siti dove poter costruire altre centrali idroelettriche.Le centrali elettriche a pompaggio presenti in Italia non sono da annoverare fra le fonti energeticherinnovabili, sebbene in apparenza funzionino esattamente come una centrale idroelettrica. Il motivoè che il bacino ad alta quota da cui si ricava la cascata artificiale che aziona le turbine non vieneriempito d’acqua da un fiume o dalle piogge sfruttando l’energia del Sole attraverso il ciclodell’acqua, ma viene riempito da pompe azionate con energia elettrica.Da un punto di vista energetico e ambientale le centrali a pompaggio non avrebbero alcuna utilità:l’energia elettrica che se ne ricava è molta meno di quella che è stata spesa per trasferire l’acqua nelbacino ad alta quota! La loro esistenza è dovuta semplicemente a ragioni economiche: di notte larichiesta di energia elettrica è molto minore di quella diurna; di conseguenza c’è un surplus dienergia elettrica in rete che rimane inutilizzato. Piuttosto che non utilizzarlo, può risultareconveniente azionare le pompe delle centrali a pompaggio e riempire il loro bacino idrico. Poi, digiorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, l’acqua del bacino così riempito vienefatta cadere in modo da mettere in moto la turbina del generatore elettrico e fornire il suo contributodi energia. Da un punto di vista energetico le centrali a pompaggio fungono da accumulatori dienergia: quando in rete c’è più potenza del necessario possono sfruttare il surplus e accumularlosotto forma di energia potenziale dell’acqua nel bacino artificiale. Quando invece c’è poca potenzain rete possono essere azionate per fornire il contributo di energia potenziale gravitazionale in esseaccumulato. In Italia forniscono lo 0,2% dell’energia totale e il motivo reale per cui sono nate è datodal fatto che il costo dell’energia elettrica di notte è molto basso a causa del surplus di potenzaprodotto dalle centrali nucleari presenti in Francia, che funzionano sempre a pieno regime (un altrodei difetti delle centrali nucleari è che funzionano sempre a pieno regime, non si possono regolare).Risulta conveniente quindi acquistare qualche MWh di nucleare di notte a 5 c/kWh per riempire ibacini delle centrali a pompaggio per poi liberare di giorno magari solo la metà dell’energiautilizzata ad un prezzo però di 20 c/kWh (molto più del doppio di quello speso). In conclusione, daun punto di vista energetico e ambientale le centrali a pompaggio hanno senso se utilizzate comeaccumulatori: piuttosto che buttare l’eventuale surplus di potenza in rete che rimarrebbeinutilizzato, lo si può usare per riempire i bacini di tali centrali. La loro efficienza comeaccumulatori è però molto bassa: nella prospettiva di una rete elettrica intelligente, ove sianopresenti elementi di accumulo dell’energia, sono necessarie delle batterie, che hanno tempi dirisposta molto più veloci e sono molto più efficienti.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE:ENERGIA EOLICAAbbiamo visto che circa l’1% dell’energia solare incidente sulla Terra si trasforma in energiaeolica. Questa energia veniva già sfruttata dall’uomo qualche secolo fa con i mulini a vento, permacinare la farina. Oggi può essere sfruttata per generare direttamente energia elettrica tramite lepale eoliche. L’energia meccanica legata al movimento dell’aria muove le pale, che azionano laturbina del generatore elettrico. L’efficienza di estrazione è molto elevata perché - come nel casodelle centrali idroelettriche – c’è un trasferimento diretto di energia cinetica dall’aria alle turbinealternatori,quindi da energia meccanica in energia elettrica, senza il passaggio dalla forma calore.ITIS G. MARCONI 25

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012L’energia eolica può essere sfruttata sia su piccola scala (singola pala da 3kW per uso domestico)sia per realizzare centrali eoliche (Wind Farm) con ad esempio 100 pale da 100 kW in grado diprodurre 10 MW.L’energia eolica, derivando da quella solare, è rinnovabile e non inquinante. I problemi principalisono: alterazione del paesaggio, impatto sull’avifauna, occupazione di vaste aree naturali (spesso inambienti montani incontaminati, ove si misurano elevate velocità del vento) con imponentisbancamenti e scavi per costruire le strade di accesso e realizzare le fondamenta per le torri, chedevono essere sufficientemente alte per generare la massima potenza. Il problema relativoall’avifauna riguarda la possibilità che le pale possano uccidere i volatili (in particolare i rapaci e ipipistrelli) che abitano o attraversano durante le migrazioni le zone ove vengono installate.Il problema dell’utilizzo di vaste aree per la costruzione di centrali di sufficiente potenza è legato alfatto che le pale vanno installate a distanze minime di parecchi metri l’una dall’altra, in modo daevitare che, con la turbolenza creata da ciascuna elica, queste si sottraggano l’energia l’una conl’altra. Per installare numerose pale e realizzare una centrale eolica servono quindi aree di vastedimensioni che dovranno essere scelte con grande attenzione e rispetto del contesto ambientale. Unaspetto positivo è che il terreno al di sotto delle pale può essere utilizzato come pascolo, attivitàagricole o altro e che, comunque, si possono sempre valutare impianti di dimensioni più piccole esostenibili. Un altro impatto ambientale da considerare è poi quello dell’inquinamento acusticodelle pale. Spesso, per risolvere questo tipo di problematiche, risulta conveniente installare le palenei mari, in prossimità delle coste.Fig. 18: esempi di centrali eoliche costruite in collina e in mare.Infine, citiamo il problema della continuità di tale fonte energetica, che dipende dalla forza dei ventiche può variare nel tempo. In realtà, in molte zone della Terra la variabilità dei venti non è cosìestrema come la variazione di luce solare fra notte e giorno, e si tratta di gestire solo piccoledifferenze nella produzione di energia da stagione a stagione; inoltre, si possono utilizzare batterie oaltri sistemi di produzione di energia (sistemi ibridi) per sopperire alle inevitabili variazioni nellaproduzione di energia eolica. In sostanza, i problemi legati all’eolico vanno tenuti in conto masembrano superabili con compromessi più ragionevoli rispetto al problema della gestione delPlutonio o a quello del riscaldamento globale.Resta da verificare se c’è abbastanza energia eolica. Con una tecnologia che sfrutta i venti di classefra la 5 e la 7 (quelli più forti) si può coprire negli Stati Uniti una frazione molto importante (fra il20 e il 50%) della produzione totale di energia elettrica. Con tecnologie più evolute in grado disfruttare i venti in classe 3-5 si può arrivare a coprire l’intero fabbisogno elettrico degli Stati Uniti.Il costo della produzione dell’energia eolica, incluso quello di manutenzione delle pale e del sistemaelettronico per la generazione dell’energia, è ancora maggiore rispetto quello delle centrali acombustibili fossili, ma solo perché non si tiene conto del costo nascosto del riscaldamento globale.ITIS G. MARCONI 26

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012In conclusione, la fonte eolica ha un grosso potenziale dal punto di vista della produzione di energiaelettrica pulita, che andrebbe incentivato in modo adeguato e stabile - privilegiando i progetti aminimo impatto - dalle politiche energetiche di tutti i paesi.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE:LE BIOMASSELa prima forma di energia usata dall’uomo per scaldarsi e per cucinare, il calore emesso dalla legnache brucia, va annoverata fra le biomasse. Infatti con biomasse si considerano tutti quei materiali, ingenere organici, bruciando i quali si può ricavare energia: legna, torba, scarti agricoli e rifiutiorganici domestici. Particolarmente interessanti sono poi alcuni processi chimici attraverso i quali sipossono ricavare carburanti liquidi per le automobili, ad esempio dall’olio di frittura degli alimenti.Le biomasse sono in pratica le generatrici dei combustibili fossili: una volta sotterrate, nel corso dicentinaia di migliaia di anni subiscono trasformazioni sino a diventare carbone, petrolio e/o gasnaturale. Come i combustibili fossili, anche le biomasse sono una fonte di energia di tipo solareindiretto, in quanto l’energia liberata dalla loro combustione non è altro che parte dell’energiasolare che hanno assorbito durante la loro vita. Al pari dei combustibili fossili, la combustione dellebiomasse libera CO 2 nell’aria ed altri inquinanti e quindi non fornisce alcun vantaggio in termini diriscaldamento globale. Solo l’utilizzo delle biomasse che in ogni caso verrebbero dispersenell’ambiente sotto forma di rifiuti può essere vantaggioso per ridurre l’effetto serra: in questo caso,infatti, si tratta di materiale che col tempo si degraderebbe, liberando comunque il propriopotenziale di Carbonio (ad esempio trasformandosi in metano, potente gas serra): tanto vale quindiconvertirlo in combustibile, il più possibilepulito, per ricavarne energia. In questo caso siparla di un utilizzo sostenibile delle biomasse,che può dare un contributo utile e a impattoambientale nullo (perché non altera il ciclo delCarbonio) al fabbisogno energetico. Non è certosostenibile invece la deforestazione su larga scalaper ricavare legna da ardere (deforestazione cheproduce peraltro un doppio impatto negativo sulFigura 19: esempio di centrale a biomasse.riscaldamento globale, perché da un lato produceCO 2 dalla combustione della legna e dall’altroriduce il numero di alberi in grado di trasformarela CO 2 in ossigeno attraverso la fotosintesi) o le coltivazioni su larga scala per ricavare carburantiliquidi (olio di palma, olio di semi vari), molto discutibili anche eticamente, visto che quellecoltivazioni potrebbero essere utilizzate per produrre cibo per le zone del mondo in cui si muoreancora di fame piuttosto che carburante per le nostre auto o le nostre centrali a biomasse.In generale, quindi, le biomasse che in ogni caso andrebbero smaltite nell’ambiente come rifiutiagro-forestali possono essere utili sia per la produzione di energia elettrica (in centrali che brucianola legna derivata dalla gestione delle foreste) che di carburanti per le automobili (derivati adesempio dall’olio di frittura degli alimenti); viceversa, l’utilizzo su larga scala di tale fonteenergetica causerebbe problemi quali la distruzione di ecosistemi, l’estinzione di specie animali, laperdita di biodiversità e non fornirebbe in ultima analisi alcun vantaggio rispetto all’attuale uso deicombustibili fossili.ITIS G. MARCONI 27

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE:L’ENERGIA TERMICA DEGLI OCEANILa differenza fra la temperatura superficiale dell’oceano ai Tropici e le acque più profonde è dicirca 20°C: tale differenza di temperatura è sufficiente ad azionare una macchina termica in gradodi produrre energia elettrica attraverso un ciclo termodinamico (Figura 20). Data la bassa differenzadi temperatura fra le acque superficiali e quelle profonde, l’efficienza massima di tali macchinetermiche è dell’ordine del 6-7%. Inoltre la loro realizzazione sarebbe possibile con relativa facilitàsolo nelle isole tropicali, mentre su larga scala comporterebbe la costruzione di piattaforme suampie aree dell’oceano e la realizzazione di cavi per il trasporto dell’energia elettrica generata, conconseguenze tutte da valutare sull’ecosistema marino. Al momento questa opzione non sembraquindi praticabile per risolvere il problema del riscaldamento globale.Fig. 20: schema di principio per l’utilizzo dell’energia termica degli oceani (OTEC=Ocean Thermal Energy Conversion)ed esempio di centrale elettrica OTEC nelle isole Hawaii.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTEPassiamo ora alle fonti di energia solare diretta, quelle cioè che sfruttano direttamente la luce solaree l’energia ad essa associata. Innanzitutto abbiamo già detto come il 99,98% dell’energia totaleincidente sulla Terra sia energia solare. Sarebbe sufficiente questa energia per soddisfare i nostribisogni? La risposta è assolutamente sì: ne arriva una quantità pari a circa 10.000 volte quellanecessaria al fabbisogno dell’uomo. Il problema è che è diffusa su tutta la Terra (mediamente 240W/m 2 ) ed è quindi difficile da utilizzare per realizzare centrali elettriche. Ma non è impossibile. Perdare un’idea, si pensi che basterebbe coprire un’area pari al 4% del deserto dello stato del NewMexico con pannelli fotovoltaici aventi efficienza del 20% per fornire tutta l’energia elettrica di cuihanno bisogno gli Stati Uniti. Un’altra comune obiezione è che l’energia solare varia molto da zonaa zona della Terra e da giorno a notte. In realtà le variazioni di energia solare da zona a zona dellaTerra non sono molto elevate: fra le zone con massima energia solare incidente e quelle con minimaenergia solare incidente vi è una differenza di circa un fattore 2. Anche quando è nuvoloso, laquantità di energia solare incidente non è trascurabile. Per quanto riguarda le variazioni fra giorno enotte è necessario predisporre sistemi di accumulo dell’energia e/o altre fonti in grado di far frontealle richieste energetiche quando la produzione da energia solare non è più possibile. D’altra partedi notte è anche molto minore il fabbisogno energetico, fatto che quindi non rende cosìsconveniente l’uso dell’energia solare.ITIS G. MARCONI 28

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE:BIOARCHITETTURA E BIOEDILIZIAIl primo metodo per sfruttare l’energia solare diretta è quello di costruire edifici seguendo i dettamidella bioarchitettura. Ad esempio, nell’emisfero nord le case dovrebbero avere numerose finestreorientate verso sud dotate di infissi con vetri isolati in gradodi massimizzare il passaggio della luce solare incidente eminimizzare l’emissione di radiazione infrarossa: questorenderebbe le case molto più luminose in modo naturale(minor consumo di energia per l’illuminazione) e molto piùcalde durante l’inverno (minor consumo di energia per ilriscaldamento). Vi dovrebbero poi essere delle strutturepassive contenenti liquido (acqua) o altro materiale ad altacapacità termica che durante il giorno assorbono l’energiasolare per rilasciarla poi lentamente di notte, mantenendo lacasa calda. I materiali e le strutture stesse utilizzate perFig. 21: esempio di casa “solare”, concollettori solari, impianto eolico, paretiisolanti e sistemi efficienti per ilriscaldamento/condizionamento.costruire le pareti domestiche dovrebbero avere bassaconduttività termica, per minimizzare lo scambio di calorecon l’esterno. Oltre a questi metodi passivi di risparmioenergetico ve ne sono poi molti altri di tipo attivo chepermetterebbero di minimizzare l’utilizzo di energia da fonti convenzionali per ilriscaldamento/condizionamento delle case, l’illuminazione e l’acqua calda. Ad esempio, utilizzandopannelli fotovoltaici e collettori solari si può addirittura pensare di costruire case autosufficienti daun punto di vista energetico, le cosiddette case “solari”. I pannelli fotovoltaici, come vedremo nelseguito, generano l’energia elettrica - per azionare gli elettrodomestici e l’illuminazione delleabitazioni – direttamente dal flusso di energia luminosa proveniente dal Sole. Quando non sono ingrado di sviluppare sufficiente energia si possono utilizzare batterie o, in casi estremi, generatori acombustibile. I collettori solari sono pannelli solari che raccolgono in modo molto efficiente (50%circa) il calore del sole per scaldare l’acqua ed ottenere così acqua calda per uso domestico. Quandonon sono in grado di sviluppare sufficiente energia si può loro affiancare una comune caldaia a gasad alta efficienza. Qualora le pareti non fossero sufficientemente isolanti dal punto di vista termico,si potrebbero utilizzare pompe di calore ad alta resa in grado sia di condizionare sia di riscaldare lacasa con efficienze superiori anche alle attuali caldaie a condensazione. Il tutto sarebbe poicomandato da un sistema intelligente (un computer) in grado di azionare e controllare ogni singolarisorsa e di monitorare a distanza lo stato (temperatura, consumo, etc…) di ogni singoloelettrodomestico e stanza della casa (home automation).Una casa solare completa così fatta permetterebbe di risparmiare quasi per intero il 20% delfabbisogno mondiale di energia utilizzato per climatizzare le case. Costerebbe sicuramente di più diquanto costi attualmente l’energia necessaria per ottenere lo stesso risultato, ma solo perché nelcosto dell’energia non sono conteggiati i costi nascosti del riscaldamento globale e dell’impattoambientale. Quindi oggi risparmiamo continuando a utilizzare per climatizzare le nostre case lefonti energetiche convenzionali, ma saranno le generazioni future a pagare il nostro attualerisparmio monetario. Una casa solare autosufficiente, invece, costa di più ora, ma non riversa sullegenerazioni future alcun costo. Per questo, da un punto di vista politico servono e sono già in vigoreregolamentazioni sulle case di nuova costruzione e incentivi verso tutti quegli accorgimenti chepermettono di ridurre il consumo energetico delle case già costruite, dagli infissi ai pannelli solaristessi. In particolare, in Italia per gli edifici di nuova costruzione è già prevista l’obbligatorietà dipresentare presso il Comune di residenza il relativo certificato energetico, e tutti gli edifici di nuovacostruzione devono rientrare nella classe energetica A. Al momento l’effettiva applicazione delsistema di certificazione energetica coerente con i principi normativi generali è stata peròdemandata alle Regioni, per cui manca una standardizzazione a livello nazionale di cosa significhiITIS G. MARCONI 29

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012“classe energetica A”. Per fare un esempio, l’agenzia “Casa Clima” ha proposto un sistema diclassificazione in cui la classe A sia attribuita agli edifici che consumano fra i 10 e i 30 kWh per m 2all’anno; ogni singola Regione è comunque libera di decidere se adottare o no questo standard.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE:SOLARE TERMODINAMICOIl principio che si sfrutta in questo caso è quello dei pannelli termici o collettori solari che abbiamovisto utilizzati per il riscaldamento dell’acqua nella casa “solare”, cioè il riscaldamento diretto di unliquido da parte dei raggi solari. Nel caso del solare termodinamico però lo si fa in grande scala conl’obiettivo non di scaldare l’acqua ma di portarla ad ebollizione e surriscaldare il vapore fino a550°C, in modo da generare un flusso che azioni con sufficiente potenza le turbine di un generatoreelettrico. Si parla quindi sempre di centrali termoelettriche, ma di tipo solare in quanto l’energia perportare ad ebollizione l’acqua e generare vapore è quella radiante del sole. Tali tipi di centralepossono essere a torre o ricoprire una vasta area di terreno. Nelle centrali a torre, l’acqua ècontenuta in un serbatoio all’interno della torre e i raggi solari sono focalizzati tutti all’interno dellatorre con un sistema di specchi riflettenti in grado di raccogliere e concentrare l’energia solare tuttain un punto (Figura 22). Nell’altro tipo di centrali invece i pannelli sono a forma semicilindrica efocalizzano l’energia solare incidente sempre al centro dove passa un tubo contenente un liquido adelevata capacità termica (in genere non acqua, ma sali fusi) che viene poi utilizzato per generare ilvapore utilizzato per far ruotare la turbina.Fig. 22: i due diversi tipi di centrali solari termodinamiche. In Italia ne è stata inaugurata recentemente una a specchiparabolici a Priolo, in Sicilia, su progetto del fisico italiano Carlo Rubbia [17].Trattandosi sempre di centrali termoelettriche, l’efficienza è inferiore al 33%, nel senso che per ognikWh elettrico generato sono stati utilizzati più di 3kWh di energia solare incidente. In questo caso,però, non viene immessa CO 2 in atmosfera e si utilizza un flusso di energia che andrebbe comunquedisperso (i 3 kWh di energia solare incidente sarebbero stati assorbiti dalla superficie terrestre eriemessi sotto forma di radiazione infrarossa). Non si produce quindi alcun impatto ambientale, senon quello dell’occupazione delle vaste aree necessarie per realizzare centrali aventi sufficientepotenza. In ogni caso, come per tutte le centrali elettriche solari vi è una grossa variabilità nellaproduzione di energia elettrica nell’arco della giornata e da giorno a giorno: di notte non vi èproduzione di energia elettrica, nelle giornate nuvolose la produzione è molto minore. Per ovviare atali problemi di solito si adottano soluzioni ibride ove a fianco della centrale solare troviamo sistemidi accumulo dell’energia e generatori a combustibile in grado di garantire la generazione di energiaelettrica per un periodo limitato di tempo anche in assenza di irraggiamento solare. Le centralitermoelettriche solari sono più costose di quelle a combustibili fossili, ma sempre per il motivo chenon si tengono in debito conto i costi del riscaldamento globale e dell’inquinamento ambientale. Uncambiamento di ottica può avere luogo solo se comincia a diffondersi l’idea che convenga investireun po’ di denaro in più ora per lasciare alle generazioni future meno problemi e meno costi. Maqueste sono decisioni politiche che difficilmente potranno essere adottate sino a che i governi deiITIS G. MARCONI 30

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012vari paesi saranno guidati in misura prevalente da interessi economici (PIL) e non terranno in contoi costi nascosti dell’inquinamento e del degrado ambientale legati alla produzione di beni e servizi.Le stesse aziende energetiche sono valutate sulla base del risultato economico e i loroamministratori e manager sono premiati in base alla sola capacità di creare profitto. In questoscenario non ci si può aspettare alcuna inversione di tendenza, almeno sino a che le soluzionirinnovabili non diverranno convenienti dal punto di vista economico rispetto quelle convenzionali.Il ruolo della politica dovrebbe essere quello di portare avanti i principi enunciati con il protocollodi Kyoto e cominciare a tassare le emissioni in modo che divenga anche economicamente piùconveniente utilizzare risorse a impatto zero sull’ambiente, obbligando così in automatico leaziende energetiche (e ogni azienda in generale) a investire sulle tecnologie pulite. Qualcosa si stagià facendo in questa direzione col sistema delle certificazioni, ma si potrebbe fare molto di più.FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE:SOLARE FOTOVOLTAICOI pannelli fotovoltaici sono dispositivi a semiconduttore in grado di convertire la luce solareincidente direttamente in corrente elettrica continua. Il più semplice tipo di pannello fotovoltaico ècostituito da tante giunzioni p-n (diodi) collegati fra loro in serie e parallelo in modo da produrre lapotenza richiesta. Il principio di funzionamento è il seguente: i fotoni incidenti, urtando gli elettroninella banda di valenza del semiconduttore, cedono a questi ultimi l’energia sufficiente per passarein banda di conduzione e quindi generare una corrente elettrica. La tecnologia per la realizzazionedei pannelli fotovoltaici è quindi fondamentalmente la stessa dei circuiti integrati. Anzi, i processiproduttivi sono molto più semplici. Il problema è che le aree di silicio (semiconduttore) richieste perla produzione di energia elettrica sono enormi rispetto quella di un chip (circuito integrato) e quindiè molto più conveniente produrre chip piuttosto che pannelli fotovoltaici.Infatti, l’efficienza elettrica dei pannelli fotovoltaici si aggira fra il 10 e il 20% (cioè al massimosolo un quinto dell’energia solare incidente viene convertito in energia elettrica) per cui sononecessarie aree molto grandi di semiconduttore per generare una sufficiente quantità di energiaelettrica. Questo rende i costi di taletecnologia ancora alti, nonostante la possibilitàdi sfruttare le economie di scala delle attualiaziende di semiconduttori [18]. La ricerca vaavanti in varie direzioni per cercare dimigliorare l’efficienza dei pannelli fotovoltaicie permettere quindi un abbassamento dei costi:dai sistemi di orientamento dei pannelli inFig. 23: esempio di centrale elettrica fotovoltaica da 70MW realizzata in Italia.modo che seguano sempre la luce del sole, asistemi di controllo del punto dipolarizzazione delle celle in modo chelavorino sempre nella regione di funzionamento a massima efficienza (MPPT – Maximum PowerPoint Tracking), ai sistemi di concentrazione che focalizzano la luce solare diffusa sulla superficiedel pannello, sino alla ricerca di nuovi materiali che permettano di ottenere rendimenti maggiori e/orealizzare i pannelli con tecnologie meno costose. Nonostante questi problemi, i pannellifotovoltaici trovano già molte applicazioni: alimentazione degli orologi, calcolatrici, satelliti, e perla generazione della corrente elettrica in luoghi remoti dove non è presente la rete elettrica(applicazioni off-grid). Stanno prendendo sempre più piede, grazie agli incentivi statali, anche leapplicazioni grid-connected, in cui si installano i pannelli fotovoltaici sui tetti delle case per lagenerazione di energia elettrica ad uso domestico. Nel caso in cui l’energia elettrica prodotta daipannelli sia in eccesso rispetto al fabbisogno domestico, questa viene poi ridistribuita in rete tramiteopportuni dispositivi elettronici (gli inverter).ITIS G. MARCONI 31

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012Per quanto riguarda le centrali elettriche fotovoltaiche (Figura 23), con un totale di circa 1,4 ettari dipannelli fotovoltaici si può produrre attualmente circa 1MW di potenza elettrica [19]. A talproposito abbiamo già accennato come, ricoprendo il 4% della superficie del deserto dello stato delNew Mexico di pannelli fotovoltaici con efficienza del 20%, si possa fornire tutto il fabbisogno dienergia elettrica degli Stati Uniti (giorno e notte compresi). Ovviamente vanno individuati dei modisicuri ed efficienti per immagazzinare l’energia in modo da poterla fornire anche di notte, quando lacentrale non è in grado di produrre energia elettrica (batterie ad alta capacità o sistemi digenerazione ibridi). Per quanto riguarda l’impatto ambientale, i pannelli fotovoltaici non produconogas serra e quindi non contribuiscono al Riscaldamento Globale. Vanno però smaltiti al pari di tuttigli oggetti elettronici perché, come i comuni circuiti integrati, possono contenere elementi chimicimolto tossici (Arsenico, Cadmio) a seconda dei processi produttivi utilizzati per modificare leproprietà conduttive del semiconduttore di cui sono composti. Per fare un esempio pratico, vannosmaltiti come i televisori, cioè attraverso una raccolta differenziata, per evitare che vengano bruciatirilasciando il loro contenuto di elementi chimici tossici.Infine, come per le biomasse, risulta inutile e dannoso l’utilizzo di terreni agricoli o incolti perrealizzare centrali fotovoltaiche: gli incentivi sono positivi ma andrebbero mirati ove sonoeffettivamente utili: sui tetti delle case e dei capannoni industriali e nelle aree già impermeabilizzateda cemento e asfalto, ove le centrali fotovoltaiche non sottraggono suolo fertile o spazioall’ecosistema, in base ad una pianificazione delle esigenze energetiche accurata ed intelligente.In definitiva, tanto il solare fotovoltaico quanto il termodinamico presentano come unico svantaggioquello del costo e dell’occupazione di superficie. Lasciando che sia il mercato a decidere, ladiffusione di centrali elettriche solari fotovoltaiche o termodinamiche avverrà solo quando questesaranno economicamente convenienti. I governi di tutti gli stati dovrebbero riflettere se valga lapena spendere 4/5 volte di più ora piuttosto che preoccuparsi della crescita economica a brevetermine, basata su un inquinamento atmosferico che potrebbe presentare un costo salatissimo per ilfuturo. Qualche paese molto importante in Europa, fra cui la Germania, si sta già muovendo congrande determinazione in questa direzione.EFFICIENZA ENERGETICA:STESSE ATTIVITÀ CON MENO ENERGIAUno dei modi migliori e a cui ciascuno può contribuire “nel suo piccolo” per mitigare l’effetto delriscaldamento globale è il Risparmio Energetico. Che non significa rinunciare a qualcosa, ma fare lestesse cose in modo più efficiente, cioè consumando meno energia. Le tecnologie sono già adisposizione ma il problema è “il solito”: i costi. Prendiamo ad esempio un’automobile: l’efficienzadelle automobili attualmente in commercio è pari circa al 30% (per ogni kWh consumatodall’automobile la combustione della benzina ha generato circa 3,3 kWh). Già acquistando i nuovimodelli in commercio, l’efficienza aumenta di qualche punto percentuale (32-33%). Se siselezionassero però i soli modelli più efficienti fra quelli nuovi si migliorerebbe di molto (c’è peròchi continua a preferire le automobili grosse, perché più sicure). Infine, ogni casa automobilistica haprogettato e realizzato dei prototipi ad alta efficienza, che tuttavia non vengono commercializzatiperché troppo costosi, la cui efficienza raggiunge anche il doppio di quella delle automobili incommercio. Lo stesso discorso si può fare per i frigoriferi, i condizionatori, le case in generale e permolti altri beni che consumano molta energia. La tecnologia per fare le stesse cose consumandomeno c’è in tutti i settori: è solo più costosa. Per questo andrebbe continuamente incentivatatassando maggiormente i beni che sono poco efficienti e detassando quelli più efficienti. In questosettore anche le scelte individuali hanno un loro impatto: quanto si guarda, nella scelta di unaautomobile (come di ogni altro bene), al suo consumo piuttosto che al suo design, alla dimensione ealle prestazioni? Se ognuno di noi, nel suo piccolo, non è disposto a dare il proprio contributo allasoluzione del problema del riscaldamento globale, sarà difficile riuscire a vincere la sfida delITIS G. MARCONI 32

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012mantenimento dell’equilibrio climatico, una sfida che si vince o si perde tutti insieme, nessunoescluso.Anche a livello di generazione di energia elettrica si possono fare scelte in grado di migliorarel’efficienza: la cogenerazione e il teleriscaldamento. In Siberia, ad esempio, intorno alle centralinucleari sono state costruite delle città che sfruttano l’acqua calda generata dalla fissione dell’uranioper il riscaldamento domestico anziché scaricarla direttamente nel fiume. Anziché con centralinucleari (con tutti i rischi ambientali e sanitari che abbiamo visto) la stessa soluzione potrebbeessere adottata, con meno rischi, nel caso degli altri tipi di centrali termoelettriche, edeffettivamente si sta già procedendo in questo senso con quelle di nuova generazione. Ancora, inaziende dove si produce vapore per i processi produttivi, lo stesso potrebbe essere sfruttato per fargirare la turbina di un piccolo generatore elettrico e l’acqua calda condensata che ne deriva potrebbeessere sfruttata per il riscaldamento, cercando di disperdere nell’ambiente la minor quantitàpossibile di energia.In sostanza, un buon passo avanti verso la soluzione del problema del riscaldamento globale puòessere fatto privilegiando il criterio dell’efficienza energetica nelle proprie scelte individuali rispettoad altri criteri come il costo, il design, le prestazioni. Le scelte politiche dovrebbero contribuire adandare in questa direzione, incentivando i beni ed i servizi più efficienti e disincentivando quellimeno efficienti. La tecnologia in tutti i settori si sta fortunatamente muovendo nella direzione di unamaggior efficienza energetica. Gli elettrodomestici (ed ora anche gli edifici) hanno ormai tutti unacertificazione di efficienza che li classifica proprio in base al loro consumo energetico, per cuirisulta semplice riconoscere e acquistare quelli più efficienti. Scelte politiche ed individuali nellastessa direzione non possono far altro che aumentare la velocità del necessario cambiamento.Tornando al mercato dell’energia, rimane il problema che le aziende elettriche sono valutate sullabase del profitto ed i costi dell’inquinamento ambientale dovuto alla generazione di energiavengono scaricati sulla collettività (che vive in condizioni di peggiore qualità ambientale) e sullegenerazioni future, che, nello scenario peggiore, si troveranno a vivere in un mondo sempre piùpovero di risorse, contaminato e probabilmente caratterizzato da sconvolgimenti del sistemaclimatico. Continuando in questa direzione (business as usual) ci aspetta un raddoppio dellaconcentrazione di CO 2 nell’atmosfera da 280 ppm (pre-rivoluzione industriale) a 560 ppm intornoal 2100, con un conseguente aumento della temperatura terrestre intorno ai 1-3°C ed effettidevastanti anche se non facilmente prevedibili sul clima. Per questo servono politiche energetichenazionali e globali a lungo termine che tengano conto dell’impatto ambientale dell’uso e produzionedell’energia ed esplicitino - facendoli pagare a chi di dovere - i costi delle emissioni di CO 2 edell’inquinamento. Con una politica del genere si avrebbe un declino nel consumo di energia e diemissioni di CO 2 dovuto non già ad una diminuzione di ricchezza, bensì al miglioramentodell’efficienza energetica. E il mondo si avvierebbe verso un nuovo modello di sviluppo sostenibile,in cui l’economia non sia in continua e incontrollata crescita, ma giunga ad un suo punto diequilibrio.SMART GRID: LA RETE DISTRIBUITA ED INTELLIGENTELa rete di distribuzione elettrica attuale è centralizzata, ovvero organizzata attorno a grandi centralidi potenza fra 200 e 1000 MW che immettono energia in rete verso gli utilizzatori attraverso itralicci dell’alta tensione e, in prossimità delle abitazioni, cavi interrati. È una rete dove non èprevista la possibilità di immagazzinare energia (se non attraverso le centrali di pompaggio, cheabbiamo già detto essere non proprio il modo più efficiente per immagazzinare energia) e dovequindi praticamente tutta l’energia prodotta deve essere consumata nell’immediato dagliutilizzatori. Il monitoraggio del fabbisogno elettrico in rete viene effettuato sulla base dei consumiprecedenti e corretto in base a fattori climatici e circa il 20% dell’energia in rete viene dispersa. Èdifficile interfacciare a questa rete le risorse energetiche rinnovabili: esse infatti producono inITIS G. MARCONI 33

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012genere potenze limitate ed interfacciarle in fase con la potenza in rete rappresenta più un costo cheun guadagno. I detrattori delle fonti rinnovabili solari ed eoliche affermano che non sarà maipossibile sostituire le centrali a combustibili fossili o nucleari perché per generare quelle potenzeservirebbero aree troppo estese e costi altissimi.Fig. 24: esempio di una rete elettrica distribuita eintelligente (Smart Grid).L’errore più grosso che si fa in questo caso èassumere che l’architettura della rete elettricaattuale sia quella perfetta e ideale. Non èchiaramente così. La rete attuale è inefficienteperché non possiede un sistema di monitoraggiointelligente puntuale – cioè distribuito in varipunti della rete non lontani fra loro – in grado diindirizzare eventuali surplus di energia prodotti inalcune zone negli altri punti della rete doveservono, massimizzando l’efficienza. La direzionein cui la ricerca e il mercato si stanno muovendo èquella di una rete con centrali elettriche più piccole, che si trovino il più vicino possibile agliutilizzatori, e distribuite in più punti, affiancate ad un sistema di batterie, anch’esso distribuito, perl’accumulo di energia e ad un sistema di monitoraggio che consenta di gestirel’immissione/accumulo dell’energia in rete localmente. Una rete con funzionalità “plug and play”,dove le sorgenti/utilizzatori possono essere inseriti/staccati in modo dinamico ed automaticamentericonosciuti. In questa rete, molto più efficiente, vale esattamente l’opposto di quanto detto inprecedenza: è molto meglio disporre di centrali elettriche di piccola/media potenza piuttosto che digrandi impianti. In questa rete le fonti rinnovabili possono giocare un ruolo chiave.Nella futura nuova rete elettrica intelligente (Smart Grid) [20] vi saranno tante piccole centralielettriche (che utilizzano fonti rinnovabili e non) e batterie per l’accumulo di energia, in grado dicomunicare fra loro e di accendersi/spegnersi automaticamente a seconda delle esigenze. In questomodo la necessità di centrali di grande potenza nucleari o a combustibili fossili sarebbe ridotta aquelle poche zone dove è effettivamente necessaria la generazione di enormi potenze per produzioniindustriali e, in ultima analisi, tenderebbe a sparire.Molti paesi stanno investendo nella Smart Grid, consapevoli di muovere un passo decisivo verso losviluppo delle fonti energetiche rinnovabili e la loro integrazione efficiente nella rete elettrica. Unpasso che fa ben sperare per il futuro.SISTEMI PER IMMAGAZZINARE ENERGIA: LE BATTERIEUn ruolo chiave nella Smart Grid è svolto dai sistemi di accumulo dell’energia elettrica: le batterie.Le batterie svolgono anche un ruolo chiave nel trasporto sostenibile, essendo in pratica il serbatoiodi energia dei motori delle macchine elettriche. La ricerca sta quindi cercando tecniche peraumentare la capacità e la sicurezza delle batterie. Un altro parametro molto importante nella SmartGrid è la velocità di carica/scarica degli elementi di immagazzinamento dell’energia, in quantobisogna essere in grado di fornire energia in tempo reale agli utilizzatori: una soluzione a questoproblema potrebbe essere l’integrazione della batteria con dei supercondensatori in parallelo, giàutilizzati per gli impianti eolici. Attualmente le macchine elettriche utilizzano batterie agli ioni dilitio a polimeri solidi, che presentano una minor infiammabilità ed una maggior durata rispetto allebatterie agli ioni di litio usate comunemente nei dispositivi elettronici portatili [21]. La ricerca staanche testando nuovi materiali in grado di raggiungere densità di energia maggiori di quelle dellebatterie al litio per applicazioni Smart Grid. Resta il problema dello smaltimento delle batterie, checontengono elementi chimici molto inquinanti e per le quali è necessaria una raccolta differenziataed un accorto riciclaggio. In conclusione, non si può prescindere dalle batterie nello sviluppo versoITIS G. MARCONI 34

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012una mobilità elettrica ed una rete elettrica intelligente e distribuita, nonostante i problemi ambientaliche queste ultime possono causare se non correttamente smaltite.MUOVERSI IN MODO SOSTENIBILEIl settore dei trasporti rappresenta circa un terzo del fabbisogno energetico mondiale ed è anch’essoin gran parte basato sui combustibili fossili, poiché i carburanti più diffusi (gasolio, benzina e GPL)sono derivati dai processi di raffinazione del petrolio. Il metano èun altro tipo di carburante molto diffuso ed è anch’esso uncombustibile fossile. Per quanto detto in precedenza, il gasnaturale, essendo composto essenzialmente da metano, producemeno emissioni di CO 2 , quindi è da preferire a benzina e gasolio.Per diminuire le emissioni di CO 2 dovute ai trasporti sarebbetuttavia necessario utilizzare di più i treni - che sfruttano energiaelettrica auspicabilmente derivata da fonti non inquinanti – e perFig. 25: principio di funzionamentodi una cella a idrogenogli spostamenti all’interno delle città le biciclette – a motoreelettrico e non. Per chi proprio non può fare a meno dellacomodità dell’automobile sono stati recentemente sviluppatiprototipi a zero emissioni con celle a combustibile a idrogeno che alimentano un motore elettrico.Poiché però l’idrogeno va prodotto (tramite ad esempio l’elettrolisi dell’acqua) con processi cherichiedono a loro volta energia, occorre anche in questo caso che l’idrogeno stesso sia prodotto confonti rinnovabili. La soluzione migliore in assoluto - in termini di efficienza energetica - sarebbeinfine quella di realizzare macchine dotate di batteria ricaricabile che alimenta direttamente ilmotore elettrico e qui, come anche per la smart grid, la sfida per il futuro sarà quella di svilupparetecnologie per la produzione/recupero/riciclo di batterie di elevata capacità, dimensioni ridotte e contempi di risposta molto brevi, come discusso nel paragrafo precedente.È chiaro – va ribadito - che l’auto elettrica rappresenta una soluzione al problema delle emissionidovute ai trasporti solo nella misura in cui l’energia elettrica utilizzata per ricaricare le batterieviene da fonti a zero emissioni. Per questo il precedente discorso sulla Smart Grid e l’integrazionedelle fonti rinnovabili a zero emissioni nella produzione di energia per la rete elettrica diventano esaranno sempre più cruciali: con la diffusione delle auto elettriche il consumo di energia elettricaaumenterà notevolmente e sarà perciò fondamentale produrre tale energia in modo pulito.Fig. 26: confronto fra l’efficienza di un’automobile elettrica e di una con cellaa combustibile a idrogeno.Le auto elettriche sono già una realtà: le due maggiori case europee hanno già messo - o stannomettendo - in commercio i loro primi modelli. I costi attuali delle auto elettriche sono alti e leprestazioni inferiori, ma valgono gli stessi discorsi fatti in precedenza: se tenessimo in opportunoconto i costi nascosti delle emissioni di CO 2 e dell’inquinamento, sarebbe ancora così alta ladifferenza di prezzo fra le automobili con motore a combustione interna e quelle elettriche?ITIS G. MARCONI 35

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012Fig. 27: la Golf blue-e-motion, completamente elettrica, entrerà in commercio nel prossimo anno. Nell’altra immagine sono mostratialcuni veicoli elettrici della gamma ZE (Zero Emissioni) di Renault, già in commercio.Il futuro delle auto elettriche è molto vicino, e va accompagnato dallo sviluppo di una Smart Griddove le energie alternative di origine eolica e solare possano diventare preponderanti, in modo dapermettere una generazione pulita di energia elettrica. I primi passi importanti sono già stati fatti, edè ora di procedere spediti in questa direzione.SISTEMI DI RECUPERO ENERGIA: ENERGY HARVESTINGCol termine di Energy Harvesting si intende il recupero di energia che è presente nell’ambiente eche non viene utilizzata. Per chiarire meglio il concetto, è benefare un esempio: consideriamo un podista che mentre correascolta un lettore mp3. Il lettore funziona a batteria, che è statacaricata a casa collegandola alla rete e quindi utilizzandoenergia elettrica. In alternativa sarebbe possibile aggiungereall’interno del lettore mp3 dei dispositivi elettronicipiezoelettrici in grado di ricavare l’energia dallevibrazioni/movimenti del podista mentre corre, in grado cioè direcuperare parte dell’energia spesa dal podista durante la suacorsa. Con un sistema del genere il podista non ha bisogno diricaricare la batteria del lettore mp3 collegandolo alla rete, mala batteria si ricaricherebbe automaticamente durante la corsa.Questo è solo un esempio fra quelli possibili di EnergyHarvesting; altre strade ipotizzabili sono: il recuperodell’energia dalle radiazioni elettromagnetiche presentinell’ambiente, dagli zuccheri presenti nel sangue che tramiteFig. 28: esempi di sensori edispositivi sottocutanei autoalimentatida energia prodotta dareazioni chimiche interne al corpo.microcontrollori.reazioni chimiche possono essere utilizzati per alimentaresensori sottocutanei (biofuel cells – Figura 28), etc… Lequantità di energia che si recuperano sono piccole, ma sonosufficienti per alimentare circuiti digitali a basso consumo oreti di sensori wireless per il monitoraggio remoto gestite daCONCLUSIONIIl presente lavoro ha messo in evidenza l’impatto ambientale della generazione di energia, conparticolare riferimento alla produzione di energia elettrica, focalizzandosi principalmente sulfenomeno del riscaldamento globale, ormai ritenuto dalla stragrande maggioranza della comunitàscientifica un fenomeno reale. Si sono confrontate le possibili scelte energetiche che si possonofare, sia da un punto di vista individuale, sia collettivo, per risolvere questo problema. Un aspettomolto importante messo in evidenza è che il problema affonda le sue radici nel sistema economicostesso della società, che punta alla crescita ininterrotta della ricchezza materiale. Un sistema chenon è compatibile con un Pianeta Terra limitato e che richiede un continuo aumento delloITIS G. MARCONI 36

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012sfruttamento di risorse, energetiche e non, per autoalimentarsi [2,9,10,11]. Difficilmente si potràporre rimedio al problema del degrado ambientale agendo solo sui metodi e le tecniche diproduzione e distribuzione dell’energia elettrica, senza mettere in discussione l’attuale sistemaeconomico e inserire nei parametri che misurano il benessere fattori quali l’inquinamento e ildegrado dell’ambiente.Nondimeno, il lavoro mostra come il contributo che ciascun singolo individuo e l’intera collettivitàpossono dare nel favorire forme di energia pulita e nel ridurre il consumo di energia possa farerealmente la differenza. Mostra come vi siano già forme di tecnologia sostenibile che, anche seattualmente più costose, potrebbero rivelarsi essenziali per consentire un futuro più sereno ai nostrifigli.Una prosperità economica sostenibile è possibile: si tratta di investire le proprie risorse nellosviluppo delle energie pulite e dell’efficienza energetica e non inseguire il vantaggio economico abreve termine. Si tratta di una questione di scelte e di priorità. E si spera di aver messo in evidenzaalcuni concetti utili per fare scelte consapevoli, in modo che ognuno di noi possa dare il propriocontributo secondo coscienza.ITIS G. MARCONI 37

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012BIBLIOGRAFIA[1] Richard Wolfson, “Energy and Climate – Science for Citizens in the Age of Global Warming” TheTeaching Company, 1996.[2] Nicola Armaroli e Vincenzo Balzani, “Energia per l'astronave Terra. Quanta ne usiamo, come laproduciamo, che cosa ci riserva il futuro” Zanichelli, 2008.[3] Richard Wolfson, “Energy, Environment and Climate” – W. W. Norton & Company; Second Edition,2011.[4] http://www.barrascarpetta.org/01_ele/m_1/m1_u3.htm[5] http://cd1.edb.hkedcity.net/cd/science/physics/NSS/Energy01_Dec08/PhotoVoltaicsCells.pdf[6] http://it.wikipedia.org/wiki/Conversione_delle_unit%C3%A0_di_misura[7] http://www.nef.org.uk/greencompany/co2calculator.htm[8] http://it.wikipedia.org/wiki/Prodotto_interno_lordo[9] http://www.youtube.com/watch?v=18a1GQUZ1eU[10] Herman Daly e Joshua Farley, “Ecological Economics: Principles and Applications”, 2003.[11] Enzo Tiezzi, Federico M. Pulselli, Simone Bastianoni e Nadia Marchettini “La soglia della sostenibilità.Ovvero quello che il Pil non dice” Donzelli, 2007.[12] http://it.wikipedia.org/wiki/Periodo_caldo_medievale[13] http://it.wikipedia.org/wiki/Piccola_era_glaciale[14] http://www.legambientearcipelagotoscano.it/globalmente/rifiuti/guida.htm[15] http://www.rivistailmulino.it/news/newsitem/index/Item/News:NEWS_ITEM:662[16] http://www.youtube.com/watch?v=jChaGNhD1q8[17] http://it.wikipedia.org/wiki/Impianto_solare_termodinamico[18] http://www.eetimes.com/electronics-news/4182621/Enel-Green-Power-Sharp-and-STMicroelectronicssign-agreement-for-the-largest-photovoltaic-panel-manufacturing-plant-in-Italy[19]http://forum.corriere.it/fotovoltaico-ed-eolico/04-05-2010/superficie-necessaria-per-il-fotovoltaico-1535465.html[20] A. Borghetti, M. Bosetti, S. Grillo, S. Massucco, C. A. Nucci, M. Paolone, F. Silvestro, “Short-TermScheduling and Control of Active Distribution Systems With High Penetration of Renewable Resources”,IEEE SYSTEMS JOURNAL, 2010, 4, pp. 313 - 322[21] EETimes, “Alternative Energies”, June 2010ITIS G. MARCONI 38

PROGETTO ENERGIA Dispense Biennio a.s. 2011-2012SOMMARIOINTRODUZIONE........................................................................................................................... 2DA DOVE VIENE L’ENERGIA? .................................................................................................. 2ENERGIA: QUANTO COSTA, QUANTA NE USIAMO?............................................................. 3ENERGIA E AMBIENTE: IL RISCALDAMENTO GLOBALE.................................................... 5ENERGIA E RICCHEZZA............................................................................................................. 6SEMPRE PIÙ RICCHEZZA, SEMPRE PIÙ RIFIUTI .................................................................... 7LA TEMPERATURA DELLA TERRA........................................................................................ 10I GAS SERRA .............................................................................................................................. 12GLI EFFETTI DEL RISCALDAMENTO GLOBALE.................................................................. 13IL PROTOCOLLO DI KYOTO.................................................................................................... 16FONTI ENERGETICHE: I COMBUSTIBILI FOSSILI................................................................ 17FONTI ENERGETICHE: IL NUCLEARE ................................................................................... 19FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI .................................................................................... 23FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI: ENERGIA DALLE MAREE.................................. 23FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI: ENERGIA GEOTERMICA.................................... 23FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE: ENERGIAIDROELETTRICA ................................................................................................................... 24FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE: ENERGIA EOLICA.......... 25FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI INDIRETTE: L’ENERGIA TERMICADEGLI OCEANI ...................................................................................................................... 28FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE................................................. 28FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE: BIOARCHITETTURA EBIOEDILIZIA .......................................................................................................................... 29FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE: SOLARE TERMODINAMICO.................................................................................................................................................. 30FONTI ENERGETICHE RINNOVABILI SOLARI DIRETTE: SOLARE FOTOVOLTAICO . 31EFFICIENZA ENERGETICA: STESSE ATTIVITÀ CON MENO ENERGIA............................. 32SMART GRID: LA RETE DISTRIBUITA ED INTELLIGENTE................................................. 33SISTEMI PER IMMAGAZZINARE ENERGIA: LE BATTERIE ................................................ 34MUOVERSI IN MODO SOSTENIBILE ...................................................................................... 35SISTEMI DI RECUPERO ENERGIA: ENERGY HARVESTING ............................................... 36CONCLUSIONI ........................................................................................................................... 36BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 38ITIS G. MARCONI 39