Fonti Alternative
di Energia
Introduzione
Oggi viviamo in un epoca sempre più attenta ai problemi ambientali e all’utilizzo di
fonti di energia rinnovabile ed alternativa.
Il termine divenne di uso comune negli anni '70, a valle delle crisi petrolifere del 1973
e 1979, che avevano fatto vedere in maniera chiara le problematiche poste da un
mondo dell'energia troppo dipendente dal petrolio e, in generale,
dall'approvvigionamento di fonti fossili.
Negli ultimi trent'anni sono state investite nella ricerca in tal senso molte risorse
umane ed economiche. Nonostante ciò, uno dei problemi è rappresentato da conflitti
d'interesse tra chi dovrebbe investire i fondi nella ricerca e chi produce attualmente
l'energia o chi vende petrolio: di conseguenza vengono a mancare le alternative per il
futuro.
Certamente sta aumentando, da parte di numerosi ricercatori la preoccupazione per il
futuro energetico dell'umanità. Secondo modelli ritenuti generalmente validi come ad
esempio il modello di Hubbert, sembra che il petrolio sia in fase di esaurimento (molti
pensano che si stia superando il picco di Hubbert). Se ciò si rivelasse vero,
provocherebbe delle ripercussioni enormi (alcuni parlano di ripercussioni
catastrofiche) sull'economia, lo sviluppo e il sostentamento dell'umanità nei prossimi
decenni (in particolare del mondo industrializzato, che maggiormente utilizza queste
fonti), in quanto estremamente dipendenti dal petrolio. Una via indicata da molti per
non incappare in questi eventi, è l'emancipazione dall'utilizzo del petrolio come fonte
energetica, investendo risorse, ricerca e fondi nello sviluppo di fonti alternative di
energia, che attualmente ricoprono una percentuale pari a circa il 20% della
produzione energetica mondiale.
Alcune fonti energetiche alternative sono rappresentate da:
 Energia nucleare
 Energia geotermica
 Energia idroelettrica
 Energia ricavata dalla biomassa e biogas (anche
biodiesel, vedi olio di colza)
 Energia eolica
 Energia solare (sia attraverso centrali solari termiche che
fotovoltaiche)
 Energia del moto ondoso e delle maree

Energia prodotta dalla dissociazione molecolare
L’energia nucleare
Le reazioni che coinvolgono l'energia nucleare sono principalmente quelle di fissione
nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività (decadimento radioattivo).
Fissione
Nelle reazioni di fissione (sia spontanea,
sia indotta), nuclei di atomi con alto
numero atomico (pesanti) come, ad
esempio, l'uranio, il plutonio e il torio si
spezzano producendo nuclei con numero
atomico minore, diminuendo la propria
massa totale e liberando una grande
quantità di energia. Il processo di fissione
indotta viene usato per produrre energia
nelle centrali nucleari. Le prime bombe
atomiche, del tipo di quelle sganciate su
Hiroshima e Nagasaki, erano basate sul
principio della fissione. Si deve notare che
in questo contesto il termine atomico è
assolutamente inesatto o almeno
inappropriato in quanto i processi coinvolti
sono viceversa di tipo nucleare,
coinvolgendo i nuclei degli atomi e non gli
atomi stessi.
Schema di una reazione di
fissione nucleare
Fusione
Nelle reazioni di fusione, i nuclei di atomi
con basso numero atomico, come
l'idrogeno, il deuterio o il trizio, si fondono
dando origine a nuclei più pesanti e
rilasciando una notevole quantità di energia
(molto superiore a quella rilasciata nella
fissione, a parità di numero di reazioni
nucleari coinvolte).
In natura le reazioni di fusione sono quelle
che producono l'energia proveniente dalle
stelle. Finora, malgrado decenni di sforzi da
parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è
ancora stato possibile realizzare, in modo
stabile, reazioni di fusione controllata sul
nostro pianeta, anche se è in sviluppo il
progetto ITER, un progetto che con il
successore DEMO darà vita alla prima
centrale nucleare a fusione del mondo. È
invece attualmente possibile ottenere grandi
quantità di energia attraverso reazioni di
fusione incontrollate, come ad esempio nella
bomba all'idrogeno.
Schema di fusione nucleare
Il Decadimento Radioattivo
Le reazioni di decadimento radioattivo coinvolgono i nuclei di atomi
instabili, che tramite processi di emissione/cattura di particelle subatomiche
(radioattività) tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio, in
conseguenza della diminuzione della massa totale del sistema. Quelle in cui
si ha la maggiore quantità di energia liberata sono i processi di
diseccitazione gamma: le particelle interessate sono fotoni generalmente ad
alta energia, ovvero radiazioni elettromagnetiche alle frequenze più alte
(anche se più precisamente si ha sovrapposizione fra le frequenze delle
emissioni X di origine atomica e gamma di origine nucleare).
Energia Geotermica
Questa è una forma di energia sfruttabile che deriva
dal calore presente negli strati più profondi della crosta
terrestre. Infatti penetrando in profondità la superficie
terrestre, la temperatura diventa gradualmente più
elevata, aumentando di circa 30 °C per km nella crosta
terrestre. I giacimenti di questa energia sono però
dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo
sfruttamento. Per estrarre e usare il calore
imprigionato nella Terra, è necessario individuare le
zone dove questo si è concentrato: il serbatoio o
giacimento geotermico. Esistono diversi sistemi
geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello
industriale solo i sistemi idrotermali, costituiti da
formazioni rocciose permeabili in cui l’acqua piovana e
dei fiumi si infiltra e viene scaldata da strati di rocce ad
alta temperatura, La geotermia consiste nel
convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua
del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla
produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore
acqueo per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in
serra e il termalismo.Per alimentare la produzione del
vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di
acqua fredda in profondità, una tecnica utile per
mantenere costante il flusso del vapore. In questo
modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine
e produrre calore con continuità. La geotermia resta
comunque una fonte energetica marginale da
utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in
ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare
laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del
riscaldamento geotermico.
Vantaggi
La geotermia consente di trarre dalle forze naturali una grande quantità di
energia rinnovabile e pulita. La trivellazione è il costo maggiore; nel 2005
l'energia geotermica costava fra i 50 e i 150 euro per MWh, ma si prevede
che tale costo scenda a 50-100 euro per MWH nel 2010 e a 40-80 euro per
MWh nel 2020.
Svantaggi
La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche:
Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore
sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall'idrogeno solforato.
Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma
particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una
centrale geotermica. Il problema è risolvibile mediante l'installazione di
particolari impianti di abbattimento.
L'impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema
paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature
anti-estetiche. Un'immagine che non dista comunque da quella di molti altri
siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente
risolto unendo l'approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di
un'architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico.
Energia Idroelettrica
L’energia idroelettrica è quel tipo di energia che sfrutta la
trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale (posseduta
da masse d'acqua in quota) in energia cinetica nel superamento
di un dislivello, la quale energia cinetica viene trasformata, grazie
ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia elettrica.
L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi
grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari
tipi di diga: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di
caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle centrali ad acqua
fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che
superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere
una portata considerevole e un regime costante.
L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata,
attraverso condutture forzate, a valle trasformando così la sua
energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al
distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata
attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno
dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per
permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione
nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto
centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio. Questi
impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di
disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.
L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono
emissioni) e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi
bacini artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, può provocare
lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con enormi danni
ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in
Egitto.
Turbina idroelettrica
Fonti di Energia da Biomassa e
Biogas
Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle
sostanze di origine animale e vegetale, non fossili, che
possono essere usate come combustibili per la
produzione di energia. Alcune fonti come la legna non
necessitano di subire trattamenti; altre come gli scarti
vegetali o i rifiuti urbani devono essere processate in un
digestore.
Dalla fermentazione dei vegetali ricchi di zuccheri, come
canna da zucchero, barbabietole e mais, spesso prodotti
in quantità superiori al fabbisogno, si può ricavare
l'etanolo o alcool etilico, che può essere utilizzato come
combustibile per i motori a scoppio, in sostituzione della
benzina. Dalle oleaginose (quali girasole, colza, soia) si
può ottenere per spremitura il cosiddetto biodiesel.
Tramite opportuno procedimento è inoltre possibile
trasformare le biomasse di qualsiasi natura in BTL
(Biomass to liquid), un biodiesel, ottenuto appunto da
materiale organico di scarto o prodotto appositamente con
colture dedicate.
Svantaggi
Un problema a livello tecnico per l’utilizzo delle biomasse sarebbe il potere calorifico moderato
(circa la metà del carbone), è in realtà limitato da determinati fattori strettamente legati alla loro
natura:

Disponibilità: Le biomasse non sono disponibili in ogni momento dell'anno. Basta pensare ad
esempio a tutte quelle che derivano da colture stagionali, la cui raccolta avviene in un determinato
periodo dell'anno. Anche il legno, che in via teorica potrebbe essere disponibile tutto l'anno, di
fatto viene tagliato prevalentemente d'inverno, poiché durante questa stagione esso contiene
meno umidità. Per questo motivo impianti di potenza alimentati a biomasse richiedono grandi
zone per lo stoccaggio del materiale, che viene di fatto reso disponibile solo una volta l'anno.

Resa per ettaro: Al contrario dei combustibili tradizionali, che si trovano generalmente in
giacimenti di grandi dimensioni, la produzione di biomasse avviene generalmente su aree molto
elevate. Questo è forse il principale limite allo sfruttamento delle biomasse. Si pensa che, volendo
alimentare a biomasse l'impianto di generazione elettrica di Porto Tolle (4 gruppi da 660 MW, di
cui è in discussione la trasformazione a carbone) sarebbe necessario dedicare alla coltura delle
biomasse una superficie maggiore dell'intera Pianura Padana.

Inquinamento locale: La combustione del materiale, soprattutto se legnoso (quindi allo stato
solido), pur contribuendo in maniera minimale all'emissione di CO2, emette quantità significative
di ossidi d'azoto (che sono i maggiori inquinanti della pianura padana), ossidi di zolfo e metalli
pesanti che la pianta ha assorbito. Essendo il cloro presente un po' ovunque in natura, dalla
combustione di biomasse si hanno quantità significative di cloruri e diossine. Si stima che se il 5%
dei cittadini milanesi utilizzasse le biomasse per il proprio riscaldamento, al posto del gas metano,
l'aria diverrebbe irrespirabile, con conseguenti problemi legati alla salute pubblica.
L’energia Eolica
Questo tipo di energia consiste nel prodotto della conversione dell'energia cinetica
del vento in altre forme di energia. Attualmente viene per lo più convertita in
elettrica tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva
utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni
industriali e pre-industriali. Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto
costo/produzione, è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata
dall'uomo.
Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco
costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili
in due gruppi ben distinti in funzione del tipo di
modulo base adoperato definito generatore eolico:
Generatori eolici ad asse verticale
Generatori eolici ad asse orizzontale
Svantaggi
Gli aspetti negativi delle turbine eoliche sono diversi (è necessario comunque tenere
debitamente conto di come i più autorevoli studi dimostrino inequivocabilmente come
l'eolico di grande taglia sia la tecnologia energetica a più basso impatto ambientale
complessivo):

L'impatto ambientale e paesaggistico, seppur rivalutato negli ultimi anni, è un grosso
disincentivo all'installazione di questo genere di impianti. Inoltre generano un lieve
inquinamento acustico,

È opinione diffusa che gli impianti eolici possano essere pericolosi per l'avifauna,
uccidendo gli uccelli che vi volano in mezzo. In realtà, gli studi condotti hanno rilevato
una mortalità bassissima e molto inferiore a quella causata dalle finestre dei normali
edifici e dalle automobili.

Un altro problema, per ora marginale, ma importante per produzioni in larga scala, è
l'intermittenza della potenza elettrica prodotta. Il vento, analogamente al Sole e
differentemente dalle fonti di energia convenzionali, non fornisce energia
continuamente ed omogeneamente e soprattutto non può essere controllato per
adattare l'energia prodotta alla richiesta delle utenze, se non in combinazione con
altre fonti di energia, come l'idroelettrico, capaci di essere controllati.

Recentemente, le autorità preposte al controllo del traffico aereo di alcuni paesi
hanno avanzato delle perplessità circa l'installazione di nuovi parchi eolici: essi sono
in grado, in molti casi, di interferire con l'attività dei radar.
Energia solare
Essa consiste nella produzione di energia termica o elettrica, sfruttando direttamente l'energia
irraggiata dal Sole (fonte rinnovabile) verso la Terra. L'energia solare può essere utilizzata per
generare elettricità (fotovoltaico) o per generare calore (solare termico). Sono tre le tecnologie
principali per trasformare in energia sfruttabile l'energia del sole:

il pannello solare termico sfrutta i raggi solari per
scaldare un liquido con speciali caratteristiche,
contenuto nel suo interno, che cede calore, tramite
uno scambiatore di calore, all'acqua contenuta in un
serbatoio di accumulo.

il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie
di specchi parabolici a struttura lineare per
concentrare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui
scorre un fluido termovettore o una serie di specchi
piani che concentrano i raggi all'estremità di una
torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che
per il calore fondono. In entrambi i casi "l'apparato
ricevente" si riscalda a temperature molto elevate
(400 °C ~ 600 °C)

il pannello fotovoltaico sfrutta le proprietà di
particolari elementi semiconduttori per produrre
energia elettrica quando sollecitati dalla luce.
Energia Marina
Questa energia è quella ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che
in alcune zone del pianeta possono raggiungere anche i 20 metri di ampiezza
verticale.
Già nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione
di "mulini a marea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino,
che veniva in seguito chiuso con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva
convogliata attraverso un canale verso una ruota che muoveva una macina. Oggi
esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree, che comportano metodi diversi
di sfruttamento dell’energia:

sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità;

compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito
alla sua espansione;

movimento di ruote a pale;

riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine.
Il problema:
Il problema più rilevante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo
sfasamento tra massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è
prevedibile sulla base delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle
ore di punta. Infatti nei giorni di insufficienza nell'afflusso d’acqua la
produzione di elettricità cesserebbe. In Francia nei pressi di Saint-Malo
esiste un grosso impianto di questo genere.
La centrale mareomotrice di SaintMalo.
Energia prodotta da dissociazione
molecolare
Questo è un sistema utilizzato per lo smaltimento dei rifiuti. Il
trattamento è di tipo termo-chimico e permette di scomporre le
sostanze organiche trasformandole in forma gassosa. I rifiuti
vengono trattati in una camera stagna in cui si ha il controllo della
quantità di aria immessa, il trattamento prevede la gassificazione o
un mix di gassificazione e pirolisi, dei rifiuti, una combustione in
carenza di ossigeno. In queste condizioni si ha una disgregazione
dei rifiuti solidi e la produzione di syngas che può essere usato
come un normale combustibile gassoso. Minore è la quantità di
ossigeno, maggiore è la porzione sottoposta a pirolisi (assenza
totale di ossigeno), ciò comporta una maggiore produzione di
syngas. Gli impianti si possono differenziare in base alle
temperature di reazione, quelli che operano ad una temperatura più
alta 1000° svolgono la reazione in modo più rapido, quelli che
operano a temperature più basse 350-600°, hanno tempi di reazione
molto lunghi, anche di 24 ore.
Presentazione a cura di Gjoni Suela
Liceo Scientifico G.B Quadri Vicenza
Prof Tutor Nicola Rossi