Che cos’è l’energia?

LEZIONE 1.
Che cos’è l’energia? Avete mai pensato a quante forme di energia esistono nella natura e nel mondo in cui viviamo?L’energia infatti è quella forza che serve a ogni organismo per crescere e svilupparsi, quella grandezza fisica che si misura con speciali strumenti ed è anche ciò che, sotto forma di energia elettrica, arriva nelle nostre case e che ci permette di accendere la luce, guardare la televisione e giocare alla Play Station.
Ma come fa l’energia elettrica ad arrivare a casa o a scuola? E da cosa nasce l’elettricità? Esiste in natura o bisogna trasformarla per renderla utilizzabile?
Rispondiamo insieme a tutte le domande partendo alla scoperta dell’affascinante mondo di questa risorsa preziosa.
FONTI PRIMARIE E FONTI SECONDARIE
FONTI INESAURIBILI ED ESAURIBILI
CARTA D’IDENTITÀ DELLE FONTI PRIMARIE
L’IDROGENO, IL COMBUSTIBILE DEL FUTURO
PAESE CHE VAI ENERGIA CHE TROVI
UN PO’ DI STORIA
IL FUTURO DELL’ENERGIA
FONTI PRIMARIE E FONTI SECONDARIE
In natura esistono e possono essere utilizzate molte fonti di energia, chiamate fonti primarie:

il soleil ventol’acqua dei laghi montani e dei fiumiil calore della Terra le biomasse, di cui la più comune è la legnai combustibili nucleari, di cui il più diffuso è l’uranio i combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale)

Escluso il calore della Terra e l’uranio tutte queste fonti sono riconducibili al lungo processo di trasformazione dell’energia del sole, che attraverso vari e complessi passaggi viene immagazzinata e riconvertita.
Con continue innovazioni tecnologiche abbiamo imparato a ottenere dalla lavorazione e dalla trasformazione dell’energia immagazzinata nelle fonti naturali le fonti secondarie: prodotti energetici più adatti ai fabbisogni dell’uomo moderno, come la benzina per le auto, l’energia termica per il riscaldamento o l’energia elettrica stessa, frutto appunto di trasformazioni di altre fonti.
L’energia elettrica si ricava in diversi modi, ma sempre dalla conversione di altre forme di energia, contenute nelle fonti:
- il calore del sole cioè l’energia termica (nelle centrali geotermiche) - a luce del sole (nelle centrali fotovoltaiche)- l’energia del movimento del vento, cioè l’energia eolica (nelle centrali eoliche)- l’energia del movimento delle acque, cioè l’energia cinetica o meccanica (nelle centrali idroelettriche) -->- l’energia dell’uranio, cioè energia nucleare (nelle centrali nucleari)- l’energia dei combustibili fossili, cioè l’energia chimica (nelle centrali termoelettriche).

FONTI INESAURIBILI ED ESAURIBILI
Fonti inesauribili ed esauribili: cosa significa? Scopriamolo insieme!

Le fonti inesauribili o rinnovabili sono tutte quelle sempre disponibili e che non finiscono mai, come l’acqua, il sole, il vento e il calore della Terra oppure quelle in grado di rinnovarsi in tempi utili per essere ancora utilizzate dall’uomo, come le biomasse. La legna per esempio è un combustibile sempre a disposizione, a patto però di preoccuparsi di piantare un albero nuovo per ogni albero tagliato.
Le fonti esauribili e non rinnovabili si sono generate nel corso di milioni di anni o già dalla nascita del nostro pianeta. Esistono in natura in grandi quantità ma in modo limitato e sono dunque destinate a esaurirsi. Per questo si chiamano anche risorse esauribili. Si tratta di fonti non rinnovabili perché non sono in grado di riformarsi quando vengono utilizzate. Appartengono a questo gruppo i combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale) e quelli nucleari, principalmente l’uranio.

CARTA D’IDENTITÀ DELLE FONTI PRIMARIE
Scopriamo ora le caratteristiche di ogni fonte primaria nelle schede seguenti.

Il soleIl vento L’acquaLa geotermiaLe biomasseL’uranioI combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale)

Il soleOgni giorno la nostra stella invia sulla Terra una quantità di energia 10.000 volte superiore al fabbisogno energetico mondiale giornaliero. Da milioni di anni ogni essere vivente utilizza l’energia solare per la sopravvivenza: dai raggi si riceve calore e luce, indispensabili per la vita. Le piante impiegano il sole per la sintesi clorofilliana e gli uomini la trasformano in energia.
L’energia del sole è inesauribile, è diffusa in tutto il mondo e non produce residui. Può essere utilizzata attraverso impianti domestici (pannelli solari o piccoli impianti fotovoltaici) e industriali (centrali).

In pratica

Per approfondireIl soleEnergia solare

Il ventoI raggi del sole scaldano l’atmosfera, la Terra e gli oceani, in alcuni punti più che in altri. L’aria calda sale, quella fredda scende e il risultato sono grandi masse d’aria che si spostano, cioè il vento.
La forza del vento è utilizzata per produrre elettricità: gli aerogeneratori sono simili a grandi mulini, ma collegati ad alternatori che trasformano l’energia eolica in energia elettrica.
Come il sole, anche il vento è una fonte inesauribile e senza residui.A Littigheddu, nel comune di Sedini (SS), è stato inaugurato nel 2006 il più grande parco eolico realizzato da Enel in Italia, che è anche il più grande del Paese.

In pratica

Per approfondireIl ventoEnergia eolica

L’acquaL’acqua è una risorsa inesauribile: con il calore del sole evapora e si condensa nell’atmosfera, formando le nuvole e poi precipita di nuovo al suolo sotto forma di pioggia, neve, nebbia, brina o grandine. Si raccoglie nei ghiacciai e nei fiumi, che alimentano i laghi naturali e quelli artificiali, creati dall’uomo sbarrando i fiumi con le dighe, per poi scendere fino al mare, dove ricomincia il suo ciclo.
La forza prodotta dal movimento dell’acqua dei fiumi e dei laghi di montagna, viene trasformata nelle centrali e produce energia idroelettrica.
L’energia dell’acqua è abbondante e non lascia residui.
In praticaAnche l'energia delle correnti marine e di marea potrebbe diventare una fonte interessante di energie rinnovabili. Vi sono molti luoghi nel mondo in cui le correnti possono raggiungere e superare i 5m/s; il Regno Unito, l'Irlanda, l'Italia, le Filippine, il Giappone e alcune zone degli Stati Uniti sono tra i paesi con maggiore disponibilità di tale fonte.

Per approfondireL'acquaEnergia idroelettrica

Il calore della TerraI calore contenuto all’interno della Terra, che nelle zone più profonde può raggiungere i 4.000 °C, fornisce l’energia detta geotermica. Il calore si propaga per conduzione nelle rocce compatte e per convezione in quelle permeabili e fratturate, affluendo in superficie con un gradiente di temperatura medio di circa +3 °C ogni 100 metri. In certe zone l’acqua e i gas scaldati nel sottosuolo salgono fino in superficie ad alta pressione sotto forma di geyser o soffioni. Nelle zone del pianeta dove è presente può essere utilizzata per riscaldare le case o produrre energia elettrica.

In pratica

Per approfondireTerraEnergia geotermica

Il legno e le biomasseGli alberi, grazie alla sintesi clorofilliana, utilizzano la luce solare per produrre nutrimento e quindi crescere. Una parte dell’energia assorbita dal sole si conserva all’interno delle piante sotto forma di energia chimica, che viene restituita durante la combustione. Tutte le sostanze organiche che normalmente si utilizzano come combustibili per accendere il camino nelle case o nelle industrie in alcuni impianti specifici si chiamano biomasse. Ne è un esempio la legna, ma anche le foglie secche, gli scarti dell’agricoltura le alghe e i rifiuti vegetali e animali. Da biomasse con molto azoto e alti livelli di umidità si ottiene, con un trattamento biochimico, il biogas, una miscela di gas prodotta dalla fermentazione anaerobica delle sostanze organiche, compresi i rifiuti e i fanghi dei sistemi di trattamento delle acque.

In pratica

Per approfondireBiomasse Politiche energetiche

L’uranioL’energia nucleare è contenuta nei nuclei degli atomi di alcuni elementi radioattivi, come l’uranio. Spezzando in due il nucleo si libera un’enorme quantità di energia: nelle centrali nucleari 1 kg di uranio può fornire la stessa energia di 100 t di carbone.L’uranio ha una elevata disponibilità, sebbene non illimitata e produce un’energia pulita dal punto di vista delle emissioni di gas serra. La sua lavorazione ha come risultato la formazione di scorie radioattive, che devono essere depositate in luoghi sicuri per centinaia di anni; al momento della dismissione delle centrali inoltre la zona deve essere bonificata.In molti Paesi esteri il nucleare è tra le fonti più utilizzate per la sua convenienza economica.

In pratica
Per approfondireEnergia nucleare

I combustibili fossiliPetrolio, carbone e gas naturale sono combustibili fossili: derivano cioè tutti da piante, alghe, conchiglie e vari microrganismi fossili trasformati attraverso un processo di milioni di anni.Il carbone e il gas naturale vengono bruciati nelle centrali e sviluppano una grande quantità di calore, utilizzato poi per produrre energia elettrica. Il petrolio invece viene trasformato in olio combustibile, prima di essere utilizzato per alimentare le centrali.
I combustibili fossili sono le fonti primarie più impiegate. Sono facilmente utilizzabili e trasportabili, hanno un alto rendimento energetico, possono essere conservati a lungo e usati quando serve e permettono la trasformazione in fonti secondarie (come benzina o energia elettrica) anche molto lontano dal luogo di estrazione e in tempi successivi. Tuttavia sono fonti non rinnovabili e quindi destinate a esaurirsi; inoltre il loro prezzo è soggetto alle oscillazioni del mercato e alla situazione politica internazionale; richiedono impianti complessi e l’adozione di tecnologie per abbattere l’anidride solforosa, le polveri, gli ossidi di azoto e l’anidride carbonica (o biossido di carbonio), generati dalla loro combustione.
Gli sforzi della comunità scientifica e delle aziende sono attualmente rivolti a realizzare impianti che limitino sempre più gli impatti ambientali legati all’estrazione e al trasporto di queste risorse, con la ricerca di nuove tecnologie di intervento in caso di incidenti e con l’utilizzo di navi moderne a doppio scafo, come quelle che Enel usa per il trasporto di olio combustibile.

In pratica

Per approfondireFonti fossiliPetrolioCarboneGas

L’IDROGENO, IL COMBUSTIBILE DEL FUTURO
L’idrogeno è l’elemento su cui gli scienziati puntano per il futuro, per la produzione di energia elettrica e per l’autotrazione, perché è il più diffuso in natura, è incolore e inodore, stabile, flessibile (come l’elettricità, può essere prodotto da molte fonti) e pulito (l’unico prodotto di scarto, l’ossigeno, è naturale e il processo di conversione in altre forme di energia produce, come residuo, acqua distillata!).L’idrogeno non è una fonte energetica in senso stretto: infatti non esiste in natura allo stato libero, in una forma direttamente utilizzabile, ma è combinato con altri elementi, per esempio con l’ossigeno nell’acqua (la formula chimica dell’acqua è infatti H2O, perché è formata da due molecole di idrogeno – H- e da una di ossigeno -O). Per servirsene è quindi necessario estrarlo e questo processo ha bisogno di energia. Tuttavia l’idrogeno ha la capacità di immagazzinare l’energia spesa per produrlo e la restituisce sotto forma di energia elettrica e termica: per questo viene definito vettore di energia.L’idrogeno si può ottenere dalla lavorazione del carbone, da fonti rinnovabili o anche dalle centrali nucleari.

Il solare sposa l’idrogeno
Una innovativa soluzione per impiegare appieno la potenza del sole consiste nell’utilizzo della luce solare per scindere le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Un sistema al 10% di efficienza installato sul tetto di un garage garantirebbe a un’autovettura a celle di combustibile abbastanza energia per compiere circa 20.000 km in un anno.

Per approfondireIdrogenoIdrogeno (articoli)

PAESE CHE VAI ENERGIA CHE TROVI
Ogni Paese sceglie le fonti di energia da utilizzare in base alle caratteristiche della sua morfologia o alla disponibilità di risorse.Per esempio, l’Islanda, che è un’isola di origine vulcanica, utilizza l’energia geotermica e l’energia idroelettrica, mentre in Danimarca, dove c’è molto vento, è più comune l’energia eolica; l’Australia utilizza il carbone, di cui è ricca, per coprire le proprie necessità energetiche. Norvegia e Austria abbondano di montagne e cascate e quindi sono ricche di centrali idroelettriche.Nella scelta delle fonti energetiche contano però anche la storia del Paese e la sua politica: la Francia, che dispone di poche fonti di energia sul proprio territorio, ha deciso di investire nella costruzione di centrali nucleari, In Italia, Le fonti rinnovabili soddisfano una parte del nostro fabbisogno energetico: il resto viene coperto dai combustibili fossili, che importiamo quasi totalmente dall’estero. Rispetto ad altri Paesi, l’Italia utilizza molto il gas naturale. Infatti, oltre ai giacimenti che forniscono circa un terzo di tutto il fabbisogno nazionale, un accordo per la costruzione del gasdotto che dal Nord Africa arriva in Italia ne ha favorito nel nostro Paese l’uso. Molto utilizzato nelle centrali elettriche è anche l’olio combustibile, un prodotto intermedio della raffinazione del petrolio. Una risorsa molto importante è il carbone: un combustibile a basso costo, disponibile in moltissimi Paesi del mondo e che, grazie alle moderne tecnologie, consente un utilizzo pulito e sicuro. Si parla infatti di carbone pulito per le particolari tecnologie e accorgimenti che vengono utilizzati.

Per approfondirePolitiche energeticheGas (articolo)

Energia in viaggioLe fonti energetiche primarie presenti in modo diverso nei vari Paesi del mondo e non tutti ne possiedono a sufficienza da coprire il fabbisogno energetico. Per questa ragione è necessario importare direttamente l’elettricità da chi ne produce in abbondanza oppure acquistare fonti energetiche primarie che vadano a coprire il fabbisogno di ciascuna nazione.è uno dei motivi del successo dei combustibili fossili, che si possono facilmente trasportare. Ogni giorno, nel mondo, vengono scambiati fra una nazione e l’altra 44 milioni di barili di petrolio!
Anche l’Italia per soddisfare il proprio fabbisogno energetico si rivolge ad altri Paesi per acquistare i combustibili fossili da utilizzare nelle centrali termoelettriche.


UN PO’ DI STORIA
Vi abbiamo raccontato quali sono le fonti di energia, ma ripercorriamo velocemente la storia di queste importasti risorse.La storia dell’uomo e dell’energia è una lunga storia di amicizia. Inizialmente l’uomo utilizzò solo due fonti di energia: quella dei propri muscoli e l’energia solare. Fu solo con la scoperta del fuoco che cominciò a usare il primo combustibile: la legna da ardere. Con la nascita dell’agricoltura, per rendere più redditizio il lavoro muscolare, progettò gru e macine manuali; solo in seguito comprese che la forza degli animali era maggiore della propria e si affidò alla trazione animale.I primi esempi di “sistema energetico” sono i mulini: il mulino ad acqua già conosciuto nel periodo greco-romano, anche se poco sfruttato, e il mulino a vento, già conosciuto in Persia nel 640 d.C. I mulini si diffondono in Europa a partire dal Medioevo e vengono utilizzati per prosciugare le miniere e offrire energia alle officine, rendendo possibili nuovi progressi nella lavorazione dei metalli. Con i mulini a vento gli uomini hanno imparato a sfruttare il movimento dell’aria per far girare grandi pale, collegate a una serie di piccoli e grandi ingranaggi in grado di far funzionare macchinari come le macine per il grano. Tra il XVIII e il XIX secolo la rivoluzione industriale imprime una svolta decisiva: nel 1764, James Watt, a partire da un’invenzione di Denis Papin, costruisce la prima macchina a vapore, capace di trasformare l’energia termica in energia meccanica e in Inghilterra, dove il legname ormai scarseggiava, si comincia a usare il carbone come fonte di energia. Ma l’innovazione più importante in campo energetico è la diffusione dell’energia elettrica. Dalla seconda metà dell’800 inizia un’epoca di grande sviluppo con numerose scoperte e invenzioni. È in questo periodo che si fa avanti il petrolio, poi l’energia geotermica (in Italia, a Larderello nei primi anni del ’900) e quella idroelettrica e dopo la fine della seconda guerra mondiale entra in campo anche l’energia nucleare. Il ritorno al solare e all’eolico risale agli anni ’70, nel periodo delle crisi petrolifere. Una nuova possibilità per il futuro, oggetto di studi e ricerche, è l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico, attualmente ancora ricavato da fonti fossili.

Per approfondireStoria energia eolicaStoria energia idroelettricaStoria energia geotermicaStoria energia solare termicaStoria energia fotovoltaica

IL FUTURO DELL' ENERGIA
Ogni fonte primaria ha delle caratteristiche proprie e richiede processi di trasformazione differenti per poter produrre energia utile all’uomo. Non esiste infatti la fonte perfetta: ogni fonte presenta degli aspetti più vantaggiosi e altri meno convenienti.
I combustibili fossili, che coprono circa l’80% del fabbisogno mondiale, sono la fonte primaria utilizzata maggiormente oggi. Trattandosi però di fonti non rinnovabili, prima o poi cominceranno a scarseggiare. È difficile dire con precisione quando questo succederà, perché non si conosce con certezza l’entità delle riserve ancora disponibili. Qualcuno però ha già formulato un’ipotesi: per quanto riguarda il petrolio, si pensa che possa esaurirsi tra il 2040 e il 2140, mentre il carbone sarà disponibile ancora fino al 2240 circa.Per questo motivo geologi e ingegneri sono costantemente impegnati sia nella ricerca di nuovi giacimenti, sia nella progettazione di tecniche innovative per utilizzare al meglio quelli esistenti, ma è importante e urgente trovare fonti di energia alternative.
Stiamo dunque continuamente cercando strade più efficaci e soluzioni alternative. Gli sforzi compiuti oggi dalla ricerca sono orientati a tecnologie che permettano di utilizzare le fonti rinnovabili in modo sempre più efficiente, così da creare un’alternativa reale all’utilizzo di combustibili fossili.Intanto, in attesa di scoprire quale può essere la soluzione migliore, bisogna prendere il meglio da ognuna, utilizzandole tutte senza essere totalmente dipendenti da nessuna: questo comportamento prende nome di diversificazione delle fonti.

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