Approvvigionamento energetico
I risultati accumulati negli ultimi decenni hanno reso estremamente chiaro come il modello attuale di generazione dell’energia non abbia un futuro.
La finitezza delle risorse di energia fossile (carbone, petrolio, gas) si riflette in modo sempre più marcato in un aumento del loro prezzo di mercato e della speculazione effettuata su tali materie prime. I recenti incidenti e disastri nucleari hanno evidenziato ancor più come l’energia da fissione nucleare ponga gravissimi problemi, ai quali sono da aggiungere la questione irrisolta dello stoccaggio dei rifiuti radioattivi e la proliferazione delle armi atomiche. Da ultimo, ma non per importanza, la ricerca medica ci mostra sempre più chiaramente il legame tra inquinamento e cancro, malattie respiratorie, allergiche, cardio-vascolari e visive.
I problemi legati al rilascio nell’atmosfera di gas ad effetto serra ed al loro conseguente aumento in concentrazione cominciano a creare effetti ormai visibili a tutti, in modo più o meno marcato a seconda della posizione geografica: siccità, incendi estesi, carestie, scioglimento delle calotte polari e dei ghiacciai, piogge torrenziali, tornadi, erosione delle coste, flussi migratori, distruzioni e guerre.
Una soluzione per soddisfare il fabbisogno energetico mondiale fortunatamente esiste: le energie rinnovabili.
Laudato sie mi' Signore, cum tucte le tue creature, spetialmente messor lo frate sole, lo qual è iorno, et allumini noi per lui. Et ellu è bellu e radiante cum grande splendore, de te, Altissimo, porta significatione — San Francesco d'Assisi, Canticum
Queste sorgenti di energia sono virtualmente infinite e disponibili in varie forme: biomasse, geotermico, eolico, fotovoltaico, idroelettrico, ecc. anche se indubbiamente una completa conversione a queste fonti energetiche richiederà un enorme sforzo tecnologico ed una grande inventività e impegno collettivo.
La tecnologia sarà infatti necessariamente parte della risposta, ma come ogni problema (socialmente) complesso, composto cioè da molti elementi differenti e mutuamente correlati, un’approvvigionamento energetico rispettoso degli equilibri fisico-ambientali richiederà cambiamenti comportamentali profondi.
Nel 2014 il Quinto rapporto (AR5) prodotto dal Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) includeva pubblicazioni relative ad un grande numero di scenari futuri, modellizzati dai lavori di scienziati provenienti da tutto il mondo. Quelli consistenti con un contenimento dell’incremento della temperature a fine secolo entro i 2°C rispetto all’epoca pre-industriale, forniscono i dati della tabella seguente (espressi in GWe).
| 2020 | 2050 | 2100 | |
|---|---|---|---|
| Solare | 30 | 650 | 3720 |
| Nucleare | 400 | 1120 | 2230 |
| Eolico | 150 | 930 | 2170 |
| Biomasse | 40 | 540 | 1500 |
| Idroelettrico | 410 | 640 | 850 |
| Carbone/Petrolio | 920 | 860 | 770 |
| Gas | 780 | 980 | 620 |
| Geotermico | 30 | 80 | 100 |
| Totale | 2760 | 5800 | 11960 |
L’energia solare come si vede è posta al vertice delle sorgenti energetiche di fine secolo. Essendo per sua natura fortemente variabile sia su scala giornaliera che stagionale, viene dato per assunto che le necessarie tecnologie di stoccaggio saranno velocemente sviluppate.
Anche le biomasse sono indicate come fonte importante. Tuttavia il livello indicato necessiterà una superficie enorme di terreni agricoli dedicati a monoculture (canna da zucchero per il bioetanolo ed olio di palma per il biodiesel, entrambi coltivati nella zona tropicale con un impatto devastante sulla biodiversità), in contrasto con il problema della scarsità di terre arabili cui andremo incontro, causata da una parte dal previsto incremento (anche se per nulla scontato) della popolazione mondiale e dall’altra dalle gravi siccità che già colpiranno larghe fasce del mondo, anche nel caso di un incremento di 2°C delle temperature globali.
Si vede anche dalla tabella che il consumo di carbone e petrolio non è indicato come nullo, perchè anche in questo caso ci si affida a tecnologie di cattura di \(CO_2\) dall’atmosfera e suo stoccaggio in siti geologicamente stabili. Tecnologie attualmente inesistenti, malgrado diversi progetti siano stati condotti e finanziati a partire dagli anni ‘70 del secolo scorso. O almeno non efficaci e scalabili a livello planetario per il costo ed energia necessarie al loro funzionamento. Difficile pensare come, con questi fallimenti alle spalle, potremmo passare rapidamente dalla situazione odierna in cui pompiamo nell’atmosfera 40 miliardi di tonnellate di anidride carbonica all’anno, alla situazione opposta di rimozione netta di decina di miliardi di tonnellate.
Per quanto riguarda il nucleare rimangono valide le riserve di cui sopra, relativamente all’energia da fissione dell’atomo. Auspicabilmente entro la fine del secolo i progressi nel campo della fusione nucleare cominceranno a dare i loro (indispensabili) frutti.
Ci occupiamo ora più specificatamente di energie rinnovabili, solare in particolar modo, dopo aver brevemente definito il concetto di energia primaria, secondaria e finale.
Energia primaria, secondaria e finale
Una fonte di energia viene definita primaria quando è presente in natura (petrolio, gas, carbone, legno, etc) e quindi non deriva dalla trasformazione di nessun’altra forma di energia.
Per essere utilizzabile in modo pratico, deve subire un processo di conversione. Ad esempio il carbone viene bruciato in una centrale elettrica a carbone generando vapore ad alta temperatura. La pressione esercitata dal vapore è a sua volta utilizzata per mettere in moto un generatore che produce elettricità. Questa energia è detta energia secondaria. I processi di conversione sono caratterizzati da una efficienza relativamente bassa.
L’energia viene poi trasportata fino all’utilizzatore con perdite associate anche in questo passaggio.
L’energia viene infine utilizzata dal consumatore finale. Anche in questo caso esistono inefficienze energetiche caratteristiche di questa fase, dovute ad esempio a perdite di energia in calore ed attrito.
Prendiamo ad esempio una vettura a benzina. L’energia primaria è il petrolio, che è raffinato in carburante (energia secondaria) ed infine trasportata alle stazioni di servizio, da mezzi a combustione con richiedo anch’essi energia. Una volta versata nel serbatoio, viene bruciata nel motore e diviene, al netto delle perdite energetiche, energia motrice. Malgrado un moderno motore a benzina abbia una efficienza di oltre il 50%, una vettura omologata da strada ha una efficienza che va dal 20% al 35% anche al punto massimo di efficienza termica, e quindi soltanto una piccola parte dell’energia iniziale diviene energia di movimento sulla strada.
Come regola generale possiamo assumere che non più di un terzo dell’energia primaria diventi energia finale.
Energie rinnovabili
Il termine rinnovabile si riferisce al fatto che caratteristica di queste energie è la loro inesauribilità. Il vento soffia più o meno regolarmente nell’arco di ogni anno, il sole sorge e tramonta ogni giorno e le piante ricrescono dopo la raccolta.
Ad eccezione del geotermismo che deriva dal calore rilasciato dal nucleo terrestre, esse sono il risultato diretto dell’enorme energia irradiata dal sole. Le biomasse sono ottenute da materia organica che cresce senza sosta usando l’energia solare per sostenere la biochimica cellulare (fotosintesi). L’energia eolica sfrutta i venti indotti dalle differenze di temperatura sul globo terrestre. I pannelli solari convertono direttamente la radiazione solare diretta o diffusa in elettricità. Infine l’idroelettrico estrae potenza da grandi masse d’acqua che dipendono dal ciclo dell’acqua, indotto dell’evaporazione provocata dal calore solare.
Questo flusso di energia si stima duri da circa 4.57 miliardi di anni e durerà ancora per altri 5 miliardi di anni. Un tempo che possiamo considerare infinito.
Per la precisione, il nucleo terrestre, emettendo calore si raffredda progressivamente, e quindi l’energia geotermica non è propriamente inesauribile. Questo fenomeno avviene però su una scala temporale cosi lunga che lo possiamo considerare tale.
Radiazione solare
Constante solare
Il sole è un gigantesco reattore a fusione nucleare all’interno del quale le temperature sono dell’ordine dei 16 milioni di °C. Gli atomi di idrogeno del nucleo non possono rimanere integri a queste temperature, e si separano in protoni ed elettroni. L’energia termica è così alta che più protoni, quando si incontrano casualmente, vincono per effetto tunnel la repulsione elettrica tra cariche dello stesso segno e si uniscono a formare un nucleo di elio.
Schema della fusione nucleare all'interno del Sole — wikipedia.org
Ogni secondo, 594 milioni di tonnellate di idrogeno vengono convertite, rilasciando un’energia pari a circa 385 miliardi di miliardi di megajoule in ogni direzione dello spazio. Questa energia è pari ad una massa di 4 milioni di tonnellate, che il sole perde quindi ogni secondo.
Per la famosa legge di equivalenza massa-energia scoperta da Albert Enstein nel 1905 $$ E = mc^2 $$ dove c è la velocità della luce nel vuoto, infatti energia e massa sono equivalenti: la massa può essere trasformata in energia (e l'energia può essere trasformata in massa).
La sua massa totale è abbastanza grande perché, anche dopo circa 4.6 miliardi di anni di vita attiva, essa si riduca solo impercettibilmente.
Di questa enorme energia, la terra ne riceve una minima parte, pari a \(1367\ Wm^{-2}\). Questa quantità di energia prende il nome di costante solare.
Essa può essere calcolata come segue, tenendo presente che il sole irradia $$P_{sun} = 3,845 \cdot 10^{26} W$$ in ogni direzione di una sfera di raggio $$r = r_{SE}$$ pari alla distanza tra sole e terra: $$ \begin{eqnarray} E_s &=& \frac{P_{sun}}{4 \cdot \pi \cdot r^2_{SE}} \\ &=& \frac{3,845 \cdot 10^{26} W}{4 \pi \cdot (1,496 \cdot 10^{11} m)^2} \\ &=& 1367\ Wm^{-2} \end{eqnarray} $$
Potenziale dell’energia solare
Parte di questa energia viene riflessa dall’atmosfera, come spiegato in un post precedente sulla fisica dei cambiamenti climatici. Circa \(1000\ W m^{-2}\) raggiungono mediamente la superficie terrestre.
Valori superiori possono essere misurati in regioni montagnose come le Alpi, in giornate terse, grazie al contributo della luce riflessa da neve e ghiaccio. O anche in zone pianeggianti in giorni soleggiati nel caso in cui nuvole chiare e sottili attorno al sole aumentino la porzione di luce diffusa.
La potenza totale di radiazione solare si ottiene facilmente moltiplicando questa quantità per l'area di un cerchio avente il diametro terrestre (essendo una metà della terra illuminata e l'altra metà in ombra). $$ \begin{eqnarray} P_E &=& \overline{E} \cdot A_E \\ &=& \overline{E} \cdot \frac{\pi \cdot d^2_E}{4} \\ &=& 1,278 \cdot 10^{17} W \end{eqnarray} $$ Nel corso di un anno (pari a 8760 ore) la terra riceve dunque una energia di radiazione dal sole che ammonta a $$ \begin{eqnarray} W_{Earth} &=& P_E \cdot t_y \\ &=& 1,278 \cdot 10^{17} W \cdot 8760\ h \\ &=& 1,119 \cdot 10^{18} kWh \end{eqnarray} $$
La quantità \(1,119 \cdot 10^{18} kWh\) corrisponde a più di 7000 volte la richiesta mondiale annuale di energia primaria (pari a circa \(153.000\ TWh\) nel 2019 (cioè \(1,53 \cdot 10^{14} kWh\)).
L’immagine seguente mostra questo risultato in modo visuale: il cubo giallo rappresenta l’energia solare \(W_{Earth}\) che raggiunge annualmente la superficie terrestre ed il piccolo cubo in basso a destra, la richiesta energetica mondiale annuale.
Sulla sinistra sono rappresentate inoltre le riserve fossili e di uranio totali conosciute.
Stima del potenziale dell'energia solare (cubo delle energie)
Si può notare per esempio che se vi volesse sostituire integralmente, ed ipoteticamente, la produzione di energie fossili con la sola energia nucleare, che ha effettivamente un basso rilascio di \(CO_2\), la riserve del pianeta sarebbero sufficienti per coprire le necessità mondiale di energia per soli 4 anni circa.
Il miracolo del Sahara
Ora che abbiamo una idea della quantità di energia di radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre, possiamo chiederci quale dovrebbe essere la superficie da dedicare ad un ipotetico impianto solare che sia in grado di coprire il fabbisogno energetico mondiale.
Assumiamo per semplicità che i pannelli solari siano posti nella zona del Sahara. I migliori pannelli solari disponibili attualmente sul mercato hanno un rendimento del 22%, ma per avere un margine di sicurezza e considerare le perdite di energia nelle varie componenti e nella sua trasmissione via cavo dell’elettricità, utilizzamo un valore più basso: \(\eta_{tot} = 10\)%.
Annualmente il Sahara riceve una energia di radiazione approssivamente di \(2500 \ kW\ h\ m^{-2}\). L’area necessaria può essere facilemente calcolata:
\[\begin{eqnarray} A &=& \frac{W_{World}}{250 \ kW h m^{-2}} = \frac{1,512 \cdot 10^{14} kWh}{250 \ kW h m^{-2}} \\ &=& 6,048 \cdot 10^5 km^2 \end{eqnarray}\]Una superficie “visualizzabile” come un quadrato di circa 778 km di lato, il 7% della superficie del Sahara. In questo senso si parla di “Miracolo del Sahara”.
Nella pratica, naturalmente non avrebbe senso concentrare la produzione di energia fotovoltaica in un unico sito nel mondo, se non altro per il fatto che l’energia sarebbe facilmente disponibile solo durante il periodo diurno del Sahara. Per avere un flusso continuo di energia una installazione di centrali fotovoltaiche distribuite in un gran numero di paesi diversi è una migliore soluzione.
Ciononostante, questo calcolo mostra che l’energia fotovoltaica sia una soluzione percorribile e non richieda affatto di coprire l’intero pianeta di pannelli solari.
Secondo la ricerca The Sky’s the Limit di Carbon Tracker anzi, la superficie di pannelli solari necessari a coprire il fabbisogno energetico mondiale sarebbe inferiore a quella attualmente dedicata alle energie fossili, che è solo per gli USA di \(126000\ km^2\), pari all’1,3% del suo territorio.
Rivoluzione energetica
Per mantenere l’incremento di temperatura globale sotto i 2°C a fine secolo (con una probabilità sufficientemente elevata) è necessario diminuire drasticamente le emissioni di anidride carbonica e degli altri principali gas ad effetto serra.
Una non piccola parte di questo risultato si può (e deve) ottenere rapidamente con un incremento dell’efficienza energetica ed azzeramento dei consumi inutili. A termine occorrerà tuttavia elettrificare pressoché ogni forma di utilizzo dell’energia e produrla a zero impatto \(CO_2\): energia per l’industria, per l’utilizzo pubblico e privato, per il riscaldamento, per i trasporti su strada, marittimi e d’aria.
La soluzione sarà da trovare nell’utilizzo esteso e diffuso dell’energia che il sole giornalmente regala al nostro pianeta da miliardi di anni. Le tecnologie fotovoltaica ed eolica possono ormai fornire elettricità a costi inferiori rispetto alle energie fossili, ed i costi in previsione diminuiranno ancora nei prossimi anni.
Senza però cadere nel falso mito ottimistico che indica la tecnologia come mezzo sufficiente a raggiungere la sostenibilità. Un enorme impegno collettivo e cambiamenti comportamentali profondi saranno comunque necessari. L’enorme sfida che si pone all’umanità per evitare una catastrofe climatica reste di natura politica, comportamentale, scientifica e tecnologica.