Energia nucleare

Energia sprigionata nella fissione o nella fusione di nuclei atomici. La quantità di energia ottenibile dal nucleo è di gran lunga maggiore di quella che si può ricavare da qualunque trasformazione chimica che coinvolga solo la zona più esterna dell'atomo.

Fino al 1800 circa, il combustibile principale era il legno, quindi si sfruttava l'energia solare immagazzinata dagli alberi nel corso della loro vita. Dalla rivoluzione industriale in poi, la società cominciò a utilizzare combustibili fossili, come il carbone e il petrolio, che sono anch'essi, in ultima analisi, riserve di energia solare immagazzinata nel tempo. Quando si brucia un combustibile fossile, ad esempio il carbone, gli atomi di idrogeno e di carbonio che lo compongono si combinano con quelli di ossigeno presenti nell'aria, producendo anidride carbonica e acqua; in questa reazione chimica viene prodotta una quantità di calore che corrisponde a circa 6500-9500 kcal/kg. Una parte dell'energia termica che si sviluppa viene assorbita dal combustibile stesso e rende possibile la prosecuzione della reazione.

L'atomo

L'atomo è costituito da un piccolo e massivo nucleo positivamente carico, circondato da elettroni. Il nucleo, in cui è concentrata la maggior parte della massa dell'atomo, è composto a sua volta da neutroni e protoni legati da forze di interazione nucleare forte, molto più intense rispetto a quelle di natura elettrica che vincolano gli elettroni al nucleo. Il numero di massa A di un atomo è il numero totale di nucleoni, cioè neutroni o protoni, che esso contiene; il numero Z specifica invece il numero di protoni del nucleo. Un nucleo atomico è indicato dalla notazione ; l'espressione U, ad esempio, rappresenta l'uranio 235. Vedi Isotopo.

L'energia di legame media per nucleone, che equivale all'energia necessaria per rimuovere un nucleone dal nucleo, è una funzione del numero di massa A. Dalla curva dell'energia di legame media per nucleone (vedi il grafico allegato) si desume che se due nuclei leggeri si fondono a formare un nucleo più pesante, o se un nucleo molto pesante si spezza in due nuclei più leggeri, si ottengono in entrambi i casi specie atomiche più stabili.

Ad esempio, dalla reazione di fusione di due nuclei di deuterio, o idrogeno pesante (H),

si ottiene un nucleo di elio 3, un neutrone libero (n), e una quantità di energia nucleare pari a 3,2 MeV, cioè 5,1 × 10 J. Dalla fissione del nucleo U, indotta dall'assorbimento di un neutrone,

si ottiene invece cesio 140, rubidio 93, tre neutroni e un'energia nucleare di 200 MeV, cioè 3,2 × 10 J. Vedi Chimica nucleare.

Energia nucleare dalla fissione

La reazione dell'uranio consente di sottolineare due caratteristiche di tutti i processi di fissione nucleare. In primo luogo la quantità di energia prodotta da ogni singola fissione è molto grande; in termini pratici, la reazione di 1 kg di uranio 235 sviluppa 18,7 milioni di kilowattora, sotto forma di calore. Inoltre, il processo di fissione innescato dall'assorbimento di un neutrone dal primo nucleo di uranio 235 continua in modo autonomo: i neutroni emessi in ogni fissione possono indurre la fissione in quasi altrettanti nuclei di uranio 235, ciascuno dei quali si spezza in due frammenti, con produzione di neutroni e sviluppo di energia; così ha luogo un processo a catena che si autoalimenta, garantendo una produzione continua di energia nucleare.

Dell'uranio presente in natura, solo lo 0,7 per cento è uranio 235; il resto è costituito dall'isotopo non fissile uranio 238 e da quantità minime di uranio 234. Poiché la percentuale di materia fissile, cioè con elevata probabilità di dare luogo a un processo di fissione in seguito a bombardamento con neutroni, è molto bassa, una massa di uranio naturale non è in grado di sostenere una reazione a catena. Per aumentare la probabilità che un neutrone emesso in una reazione di fissione induca lo stesso processo in altri nuclei, esso viene rallentato mediante una serie di collisioni elastiche con nuclei leggeri, di idrogeno, deuterio o carbonio.

Nel dicembre del 1942, all'università di Chicago, il fisico italiano Enrico Fermi riuscì a produrre la prima reazione nucleare a catena controllata, utilizzando frammenti di uranio naturale distribuiti all'interno di un blocco di grafite pura (una forma di carbonio). Nella 'pila', o reattore nucleare di Fermi, la grafite fungeva da moderatore per rallentare i neutroni, rendendo così possibile la reazione a catena.

Reattori nucleari

I primi reattori su larga scala, costruiti per la produzione di armi nucleari, usavano come combustibile uranio metallico naturale e come moderatore grafite.

Reattori ad acqua leggera o pesante

Esiste in tutto il mondo una gran varietà di reattori per la produzione di energia nucleare, che differiscono l'uno dall'altro per il tipo di combustibile, il moderatore o il sistema di raffreddamento. Nei reattori moderati e refrigerati ad acqua, viene generalmente usata acqua naturale (non pesante) e questo richiede l'impiego, come combustibile, di uranio arricchito.

Nel reattore ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor, PWR), l'acqua viene portata a una pressione di circa 150 atm, pompata nel nocciolo del reattore, quindi immessa in un generatore di vapore per mezzo di un circuito secondario. Il vapore così prodotto aziona uno o più generatori a turbina e poi viene pompato nuovamente nel generatore di vapore. Il circuito secondario è isolato dal nucleo del reattore, perciò non è radioattivo. Un terzo circuito di acqua, proveniente da un fiume, un lago o una torre di raffreddamento, serve per condensare il vapore.

Nel reattore ad acqua bollente (Boiling Water Reactor, BWR), l'acqua refrigerante è mantenuta a una pressione inferiore, e portata all'ebollizione nel nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente nel generatore a turbina, condensato, e quindi ripompato nel reattore. Sebbene il vapore sia radioattivo, non c'è bisogno di alcuno scambiatore di calore intermedio tra reattore e turbina, con il conseguente guadagno in efficienza. Come nel PWR, l'acqua di raffreddamento del condensatore proviene da un'altra fonte, come un fiume o un lago.

Il livello di potenza di un reattore in funzione viene costantemente controllato da una serie di strumenti di vario genere. La potenza in uscita viene regolata mediante l'inserimento o la rimozione dal nocciolo del reattore di barre di controllo, cioè di elementi costituiti da un materiale capace di assorbire neutroni molto efficientemente. La posizione delle barre viene determinata in modo che la reazione a catena proceda a ritmo costante.

Durante il funzionamento, e anche dopo l'interruzione, un grosso reattore da 1000 Mw ha una radioattività di miliardi di curie. Le radiazioni emesse dal materiale radioattivo vengono assorbite da opportune schermature poste intorno al reattore e al circuito di raffreddamento primario. Altre strutture di sicurezza sono un sistema di raffreddamento del nucleo, che evita che quest'ultimo raggiunga temperature pericolosamente elevate in caso di avaria dei sistemi di raffreddamento principali, e, nella maggior parte dei casi, una struttura di contenimento di tutto il materiale radioattivo che eviti qualunque fuga radioattiva in caso di rottura.

Sebbene all'inizio degli anni Ottanta fossero già operanti negli Stati Uniti più di 100 impianti per la produzione di energia nucleare, in seguito all'incidente di Three Miles Island (vedi oltre) le preoccupazioni per la sicurezza e vari fattori di tipo economico hanno bloccato ogni ulteriore sviluppo nel campo dell'energia nucleare. Dal 1978 in poi non sono stati messi in cantiere altri impianti nucleari, e alcuni di quelli completati dopo quella data non sono stati resi operativi. Nel 1990 circa un quinto dell'energia elettrica prodotta negli Stati Uniti e ben i tre quarti di quella prodotta in Francia veniva da impianti nucleari.

Nei primi anni Cinquanta, quando iniziò lo sfruttamento dell'energia nucleare, l'uranio arricchito era disponibile solo negli Stati Uniti e nell'allora Unione Sovietica; di conseguenza i primi programmi di produzione di energia nucleare di Canada, Francia e Gran Bretagna prevedevano l'impiego di uranio naturale. Questo tipo di combustibile, meno efficace dell'uranio arricchito, richiede l'uso di ossido di deuterio (D O), o acqua pesante; l'acqua naturale, infatti, ha la caratteristica di catturare un numero eccessivo di neutroni che d'altra parte sono necessari in elevate quantità a causa del basso rendimento del combustibile.

I primi reattori, alimentati con barre di uranio naturale, moderati a grafite e refrigerati con ossido di deuterio, furono in seguito soppiantati da reattori a uranio arricchito, e dai più avanzati AGR (Advanced Gas-cooled Reactor, Reattore avanzato raffreddato a gas). In Francia, in seguito alla costruzione di impianti per l'arricchimento di uranio, sono stati costruiti reattori del tipo PWR. La Russia e gli altri stati dell'ex Unione Sovietica hanno un programma molto ampio di sfruttamento dell'energia nucleare, che prevede sia il sistema PWR sia quello moderato a grafite. All'inizio degli anni Novanta erano in costruzione in tutto il mondo più di 120 nuovi impianti per la produzione di energia nucleare.

Reattori a propulsione

Impianti nucleari vengono utilizzati anche nella propulsione di grandi navi militari, come la portaerei statunitense Nimitz, o di sottomarini. In genere i sottomarini a energia nucleare sfruttano uranio molto arricchito così da permettere una sensibile riduzione delle dimensioni del reattore.

Tre navi nucleari, su iniziativa di Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno operato per periodi limitati a scopo di sperimentazione ma, nonostante il successo ottenuto dal punto di vista tecnico, le regolamentazioni portuali restrittive e altri motivi di carattere economico hanno imposto la fine di questi progetti. All'ex Unione Sovietica spetta il merito di aver realizzato la prima rompighiaccio a energia nucleare, la Lenin, impiegata per liberare i canali del mare Artico.

Reattori per la ricerca

I reattori nucleari adibiti alla ricerca hanno come scopo principale la produzione di radiazione o isotopi radioattivi. Essi operano generalmente a livelli di potenza prossimi a 1 Mw, e il loro funzionamento può essere iniziato o interrotto più facilmente che nei grossi reattori per la produzione di energia.

Uno dei più usati in questo settore è il cosiddetto reattore a piscina. Il nocciolo consiste di uranio parzialmente o totalmente arricchito, contenuto in piastre di un'opportuna lega di alluminio immerse in una grande vasca d'acqua, che svolge la doppia funzione di moderatore e refrigerante. I materiali da irraggiare con neutroni possono essere collocati all'interno del nocciolo o nei suoi pressi. Diversi tipi di isotopi radioattivi vengono prodotti a scopi medicinali, per la ricerca e per l'industria. Vedi Tracciante isotopico.

Reattori autofertilizzanti

L'uranio, la risorsa naturale da cui dipende la produzione di energia nucleare, si trova in giacimenti diffusi in tutto il mondo; non se ne conosce con precisione la disponibilità, ma essa sembra essere molto limitata, soprattutto se si trascurano fonti a bassissima concentrazione, quali il granito e le argilliti.

La caratteristica fondamentale di un reattore autofertilizzante è nel fatto che esso può produrre, a partire da sostanze dette fertili, una quantità di materiale fissile superiore a quella che consuma. Il sistema ad autofertilizzazione più diffuso in tutto il mondo usa uranio 238 come materiale fertile. L'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238 dà luogo a un processo radioattivo chiamato decadimento  (beta), durante il quale il nucleo si trasforma nell'isotopo fissile plutonio 239. La sequenza di reazioni nucleari è

Nel decadimento beta un neutrone decade in un protone, una particella beta e un antineutrino elettronico.

La fissione di un nucleo di plutonio 239, innescata da un neutrone, avviene con emissione di una media di 2,8 neutroni, uno dei quali è necessario per indurre la fissione nello stadio successivo della reazione a catena. Circa 0,5 neutroni (in media) vengono persi perché assorbiti dalle strutture del reattore o dal refrigerante e i restanti 1,3 neutroni possono essere assorbiti dall'uranio 238 per la produzione di altro plutonio 239, secondo la reazione (3).

Il reattore che sfrutta il sistema autofertilizzante più avanzato è l'LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, Reattore autofertilizzante rapido a metallo liquido), in cui la velocità dei neutroni destinati alla produzione di plutonio viene mantenuta alta, per massimizzare l'efficienza del sistema. Va quindi escluso qualunque materiale moderatore, come ad esempio l'acqua, che rallenterebbe i neutroni. Come refrigerante viene usato un metallo liquido, generalmente sodio. Il tempo di raddoppiamento, cioè il tempo in cui il reattore produce una quantità di combustibile doppia rispetto a quella originaria, è di circa 10 anni.

Lo sviluppo del sistema LMFBR è iniziato negli Stati Uniti prima del 1950, con la costruzione del primo reattore autofertilizzante sperimentale, EBR-1. Sono stati poi installati reattori autofertilizzanti operativi in Gran Bretagna, Francia, Russia e altri paesi dell'ex Unione Sovietica; procede inoltre il lavoro a scopo sperimentale in Giappone e in Germania.

In un grosso impianto LMFBR, il nucleo del reattore consiste di tubi sottili di acciaio inossidabile contenenti il combustibile costituito di ossido di plutonio per il 15-20% e di ossido di uranio per la parte rimanente. Tutto l'apparato centrale contenente il nucleo del reattore misura circa 3 m di altezza e 5 m di diametro ed è sospeso in un grosso contenitore di sodio liquido che, grazie a un sistema di pompe e scambiatori di calore, mantiene il reattore a una temperatura di circa 500 °C. Il vapore viene prodotto in un altro circuito di sodio, separato dal circuito di raffreddamento radioattivo dagli scambiatori di calore intermedi. Tutto il sistema è contenuto in una grande struttura di calcestruzzo e acciaio.

Il primo importante impianto di questo tipo per la generazione di elettricità, chiamato Super-Phénix, è entrato in funzione in Francia nel 1984. Un impianto di medie dimensioni, il BN-600, è stato costruito sulle coste del mar Caspio per la produzione di energia e la desalinizzazione dell'acqua.

Combustibili e scorie radioattive

Lo sfruttamento di combustibili come uranio e plutonio impone un'analisi dettagliata del problema dello smaltimento e dell'immagazzinamento delle scorie radioattive, che costituiscono il sottoprodotto dei processi nucleari.

Il ciclo del combustibile nucleare

Il ciclo di combustibile consiste di tre stadi fondamentali: il trattamento di preparazione degli elementi combustibili di un reattore, la fase di sfruttamento, e l'immagazzinamento o il riciclaggio del combustibile usato. Nei reattori ad acqua leggera l'uranio naturale, che contiene circa lo 0,7% di uranio 235, viene estratto da giacimenti superficiali o sotterranei. Il minerale viene concentrato per macinazione e poi trasportato in un impianto di conversione, in cui viene trasformato in esafluoruro di uranio gassoso (UF ). Nell'impianto di arricchimento isotopico, questo gas viene indirizzato contro una barriera porosa che funge da setaccio: l'uranio 235, più leggero, vi penetra più facilmente dell'uranio 238. Il prodotto arricchito viene mandato a un impianto di fabbricazione del combustibile, dove il gas di UF viene trasformato in polvere di ossido di uranio, e quindi nelle pastiglie di cui sono composte le barre di combustibile. Queste ultime vengono assemblate e trasportate al reattore, pronte per essere utilizzate.

Parte del combustibile deve essere sostituito ogni anno a causa dell'impoverimento in uranio 235 e dell'accumulo di prodotti di fissione che assorbono neutroni. Il combustibile usato viene generalmente conservato entro un tubo pressurizzato per circa un mese e mantenuto per circa un anno all'interno di vasche di raffreddamento presso il reattore.

Al termine del periodo di raffreddamento le barre vengono trasportate, all'interno di barili fortemente schermati, in strutture di immagazzinamento permanenti o in impianti di riprocessamento chimico; in questi ultimi l'uranio e il plutonio vengono separati dal resto delle scorie radioattive e in parte recuperati per la produzione di nuovo combustibile.

In alcuni paesi non è consentito il riprocessamento del combustibile, per timore che il plutonio 239 venga utilizzato illegalmente per la fabbricazione di armi nucleari.

Nel ciclo del combustibile dell'LMFBR, il plutonio prodotto nel reattore viene sistematicamente riciclato. Per la fabbricazione degli elementi combustibili si usa uranio 238 riciclato, uranio impoverito dalla separazione isotopica, e parte del plutonio 239 recuperato dalle barre usate. Il processo di recupero e riciclaggio fornisce quantitativi sufficienti di combustibile senza che siano necessarie ulteriori attività di estrazione.

Lo stadio finale di qualunque ciclo di combustibile è l'immagazzinamento a lungo termine delle scorie altamente radioattive, che rimangono biologicamente pericolose per migliaia di anni. Gli elementi combustibili possono essere immagazzinati in depositi adeguatamente schermati e sorvegliati, in attesa di ulteriori disposizioni, oppure possono essere convertiti in composti stabili, inglobati in vetri o ceramiche, incapsulati in contenitori di acciaio inossidabile, e infine seppelliti sottoterra a profondità opportune, in formazioni geologiche particolarmente stabili.

Energia nucleare e sicurezza

Negli anni Cinquanta e Sessanta l'energia nucleare era considerata una forma di energia economica, disponibile e poco inquinante. La possibilità di trovare una fonte alternativa all'uso dei combustibili fossili suscitò l'interesse sia dell'industria energetica, attenta alla riduzione del costo dell'elettricità, sia degli ecologisti, che vedevano in essa un'opportunità di salvaguardare l'ambiente dal rischio di inquinamento atmosferico causato dall'attività delle comuni centrali elettriche. Cionondimeno nell'opinione pubblica, cessato l'entusiasmo iniziale, maturarono le prime riserve sull'energia nucleare prodotta nei reattori a fissione e nel corso di pochi anni si verificò un brusco rallentamento dei progetti di realizzazione di nuove centrali. I movimenti contro lo sfruttamento delle reazioni nucleari che si diffusero su scala mondiale sensibilizzarono l'opinione pubblica sugli effettivi problemi di sicurezza connessi all'alto livello di radioattività presente a vari stadi del ciclo nucleare e sul rischio di proliferazione di armi nucleari. Vedi Fallout radioattivo.

L'Italia, in seguito al referendum del novembre 1987, ha bloccato la realizzazione e l'installazione di nuove centrali nucleari sul suolo nazionale e ha sospeso l'attività di quelle già funzionanti; per contro, Gran Bretagna, Francia, Germania e Giappone stanno procedendo con notevole impulso nel potenziamento degli impianti nucleari.

Pericoli radiologici

I pericoli della radioattività derivano dal fatto che le cosiddette sostanze radioattive emettono radiazioni ionizzanti molto penetranti che possono danneggiare i tessuti biologici, in particolare quelli in rapido sviluppo. L'unità di misura per la dose di radiazione assorbita dal corpo è il millisievert; essa viene corretta e adattata al grado di dannosità dei diversi tipi di radiazione.

Per chi lavora all'interno di industrie nucleari sono calcolati in media 4,5 millisievert annui e questa stessa dose vale anche per il personale degli aerei, costantemente esposto alla radioattività dei raggi cosmici. L'esposizione a una dose di 5 sievert è da considerarsi fatale. Vedi Effetti biologici delle radiazioni.

I rischi radiologici possono insorgere a diversi stadi del ciclo del combustibile nucleare. Il gas radon è un comune inquinante delle miniere di uranio sotterranee. Le operazioni di estrazione e di macinazione lasciano nel suolo una gran quantità di scorie, contenenti piccole concentrazioni di uranio, che vanno tenute in bacini impermeabili e coperte da uno spesso strato di terra per evitare che rilascino radioattività nella biosfera.

Gli impianti di arricchimento dell'uranio e di fabbricazione degli elementi combustibili contengono grandi quantità del gas corrosivo UF . Il rischio radiologico però è basso: le normali misure adottate nell'ambito di rischi di natura chimica sono infatti sufficienti a garantire la sicurezza.

Sistema di sicurezza dei reattori

Gli impianti nucleari sono provvisti di diverse strutture di sicurezza atte a controllare le possibili fughe radioattive e a ridurre il rischio e l'effetto di eventuali incidenti o mal funzionamenti del reattore. Nella maggior parte dei casi, un sistema di schermature impedisce che i prodotti di fissione si liberino nella biosfera: il combustibile è rivestito di materiale anticorrosivo; le pareti del sistema di raffreddamento primario del PWR sono realizzate in acciaio per formare una seconda barriera; l'acqua refrigerante stessa assorbe alcuni degli isotopi radioattivi biologicamente pericolosi, come lo iodio; infine la struttura esterna di acciaio e calcestruzzo rappresenta una terza barriera.

Durante il normale funzionamento di un reattore sfuggono inevitabilmente piccole quantità di sostanze radioattive; esse fanno salire la dose annua assorbita dalla popolazione residente nei pressi di un reattore di qualche punto percentuale rispetto a quella dovuta al fondo di radioattività naturale. Ben più preoccupante è il rilascio imprevisto di sostanze radioattive in caso di incidenti; il maggior pericolo è costituito da una perdita del refrigerante, poiché in questo caso la temperatura può raggiungere addirittura il punto di fusione del combustibile.

In ogni reattore è prevista un'elaborata strumentazione di controllo che esamina il buon funzionamento del reattore stesso e dei sistemi di sicurezza. Nei PWR uno di questi sistemi consiste nell'immissione di boro all'interno del refrigerante in caso di emergenza; questo elemento assorbe i neutroni interrompendo così le reazioni a catena e spegnendo il reattore. Per i reattori ad acqua leggera, in cui il refrigerante è tenuto ad alta pressione, una rottura del condotto principale causerebbe la perdita totale del refrigerante. Questi reattori sono quindi dotati di un sistema di raffreddamento di emergenza, che entra in funzione automaticamente quando si abbassa la pressione all'interno del circuito primario. Nell'eventualità di una perdita di vapore all'interno della struttura di contenimento, intervengono automaticamente refrigeranti spray che condensano il vapore evitando che la pressione all'interno dell'edificio aumenti fino a raggiungere livelli pericolosi.

Gli incidenti di Three Miles Island e di ernobyl

Nonostante tutti i sistemi di sicurezza sopra descritti, nel 1979 si verificò un incidente nel reattore PWR di Three Miles Island, vicino a Harrisburg, in Pennsylvania. Sebbene fosse fuoriuscita solo una piccola quantità di gas radioattivi, il danno economico fu enorme e grande fu l'impatto psicologico sull'opinione pubblica.

In seguito a questo evento furono approvati provvedimenti legislativi con i quali si istituiva una Commissione per la regolamentazione nucleare, che garantisse l'adozione di regole molto più restrittive per la costruzione di nuovi impianti e che aiutasse i governi locali a preparare piani di emergenza per la protezione della popolazione.

Il 26 aprile 1986 un altro grave incidente allarmò il mondo intero. Uno dei quattro reattori nucleari della centrale di ernobyl, nell'allora Unione Sovietica, esplose e si incendiò. Secondo il rapporto ufficiale emesso l'agosto seguente, l'incidente fu causato da un esperimento non autorizzato sul reattore, effettuato dagli operatori addetti. Venne perso il controllo del reattore e si verificarono due esplosioni; il tetto del reattore venne eiettato e il nucleo si incendiò, bruciando a temperature elevatissime. La popolazione residente nella zona fu sottoposta a una quantità di radiazioni 50 volte superiore a quella dell'incidente di Three Miles Island e una nube di materiale radioattivo mise in allarme molte regioni. A differenza di tutti i reattori funzionanti nei paesi occidentali, quello di ernobyl non aveva un edificio di contenimento, che avrebbe potuto evitare che il materiale radioattivo si diffondesse al di fuori della zona del reattore. Vennero fatte evacuare circa 135.000 persone dalla zona intorno al reattore, entro un raggio di 1600 km e più di 30 persone morirono nell'incidente. I resti dell'impianto furono poi incapsulati in una struttura di calcestruzzo. A partire dal 1988, comunque, gli altri tre reattori dell'impianto hanno ripreso a funzionare.

Riprocessamento del combustibile

Tra i rischi tipici dello stadio di riprocessamento ci sono il rilascio accidentale dei prodotti di fissione nel caso di rottura delle strutture di processamento chimico o dell'edificio che le contiene, e il rilascio sistematico di piccole quantità di gas inerti radioattivi quali kripto e xeno. Una struttura britannica chiamata THORP (Thermal Oxide Reprocessing Plant) opera a Sellafield, e riprocessa combustibili usati provenienti da impianti nazionali ed esteri. Anche in Francia esistono impianti di riprocessamento, e il Giappone ne sta costruendo uno.

La separazione di plutonio 239 costituisce un ulteriore motivo di preoccupazione negli stadi di riprocessamento chimico, dal momento che si tratta del materiale utilizzato per la costruzione delle armi nucleari. In questo caso vengono effettuati severi controlli da parte dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica (IAEA).

Fusione nucleare

Oltre che nel processo di fissione di un nucleo pesante, si sviluppa energia nucleare anche nel processo di fusione di due nuclei leggeri. L'energia irradiata dal Sole è ad esempio sprigionata nelle reazioni di fusione tra nuclei di idrogeno che avvengono all'interno del suo nucleo.

La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata all'inizio degli anni Trenta, mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di deuterio ad alta energia accelerati in un ciclotrone; tuttavia il bilancio energetico della reazione risultò negativo ed essa non fu sfruttata commercialmente. Un considerevole rilascio netto di energia per fusione fu ottenuto per la prima volta negli anni Cinquanta, nell'ambito delle sperimentazioni sulle armi nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia. In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio di energia fu breve e incontrollato, pertanto non sfruttabile per la produzione di elettricità.

Ciò che rende difficile produrre la fusione nucleare artificiale è il fatto che questa reazione consiste nella fusione di due particelle - i nuclei - di carica elettrica uguale. Perché essa avvenga, quindi, i nuclei devono essere dotati di un'energia tale da vincere la forza di repulsione elettrostatica e il gas reagente deve essere riscaldato fino a una temperatura di 50 milioni di gradi. In un gas costituito dagli isotopi pesanti dell'idrogeno, deuterio e trizio, ogni evento di fusione

rilascia un'energia pari a 17,6 MeV, che si manifesta dapprima come energia cinetica del nucleo di elio 4 e del neutrone prodotti, quindi si trasforma in energia termica, determinando un rapido riscaldamento del gas circostante.

Un problema ugualmente complesso è poi quello della cattura dell'energia sprigionata e della sua conversione in elettricità. Per temperature superiori ai 100.000 °C, gli atomi di idrogeno sono completamente ionizzati. Il gas reagente si trova cioè nello stato della materia detto plasma, che consiste in una miscela di cariche libere positive e negative, complessivamente neutra. Perché il processo sia vantaggioso è necessario confinare il plasma entro uno spazio ridotto, così da aumentare il più possibile il numero degli eventi di fusione. Negli attuali reattori per fusione, detti tokamak, la camera di confinamento è di forma toroidale, con il diametro minore di circa 1 m e il diametro maggiore di circa 3 m. Il campo magnetico applicato, di intensità pari a 5 tesla, induce una corrente longitudinale di diversi milioni di ampère all'interno del plasma e le linee del campo magnetico risultante producono il confinamento del plasma.

In seguito ai successi degli esperimenti condotti in diversi laboratori con piccoli tokamak, all'inizio degli anni Ottanta ne vennero costruiti due di grandi dimensioni, di cui uno all'università di Princeton, negli Stati Uniti, e l'altro nell'ex Unione Sovietica.

Un'altra strada percorribile per ricavare energia utilizzabile dalla fusione è quella del confinamento inerziale. Questo sistema prevede che il combustibile, deuterio e trizio, sia contenuto in minuscoli bersagli bombardati da un fascio laser pulsante che innesca la reazione nucleare. Le ricerche nel campo della fusione fanno progressi, ma la prospettiva di un utilizzo pratico di questa fonte di energia pare ancora lontana.

I vantaggi dell'energia ricavata dalla fusione, nell'eventualità di trovare una strada per produrla in modo utilizzabile sono: 1) una fonte inesauribile di combustibile (il deuterio dell'oceano); 2) un basso rischio di incidente all'interno del reattore, che conterrebbe quantità minime di combustibile; 3) residui molto meno radioattivi di quelli della fissione.

Energia elettrica (alimentazione e distribuzione) Sistemi per la trasformazione di altre forme di energia in energia elettrica, e per la trasmissione di questa nei luoghi di consumo. La produzione e la trasmissione di energia sotto forma di elettricità comportano importanti vantaggi economici in termini di costo per unità di potenza trasportata. (Vedi Motori e generatori elettrici). I sistemi elettrici di potenza rendono inoltre possibile l'utilizzo di energia idroelettrica lontano dai luoghi di produzione. Nei moderni sistemi di distribuzione si impiegano, generalmente, correnti alternate (AC), anche perché i livelli di tensione di questi segnali possono essere facilmente convertiti da alti a bassi valori, e viceversa, per mezzo di trasformatori. Così, ogni stadio del sistema può essere alimentato a livelli di tensione adeguati. Un sistema di produzione e di distribuzione di energia elettrica è costituito da sei elementi principali: la centrale di produzione; un gruppo di trasformazione che porta l'energia generata a livelli di alta tensione vantaggiosi per le linee di trasmissione; le linee stesse; le sottostazioni di trasformazione che riducono le tensioni per le linee locali; le linee locali di distribuzione; le cabine di trasformazione che riducono ulteriormente le tensioni fino ai livelli di impiego delle apparecchiature degli utenti.

In un sistema tipico, i livelli di tensione generati nella centrale non superano i 26.000 volt (V) circa, dal momento che valori più alti del voltaggio potrebbero comportare difficoltà di isolamento delle macchine e pericolo di scariche elettriche e di danni. Tali tensioni vengono innalzate per mezzo di opportuni trasformatori fino a valori compresi tra 110 e 380 kV (1 kilovolt equivale a 1000 V) per la rete di distribuzione primaria (a parità di potenza trasmessa, più alta è la tensione e più piccola è la corrente e quindi minori sono le perdite, poiché l'energia dissipata in linea è proporzionale al quadrato della corrente). I valori riportati sono quelli della rete italiana, che dispone di poche linee a tensione maggiore; grandi linee con tensioni più elevate sono in funzione in altri paesi. Nelle stazioni primarie la tensione viene ridotta a valori tra 60 e 130 kV per il trasferimento lungo le linee di distribuzione locali, e nelle stazioni secondarie si ha un'ulteriore riduzione che porta il voltaggio tra i 15 e i 30 kV. Nelle cabine di trasformazione, infine, la tensione viene ancora abbassata ai livelli di utilizzo. L'industria pesante e le ferrovie impiegano tensioni di qualche migliaio di volt e ulteriori riduzioni sono richieste per le utenze più piccole; l'industria leggera opera invece con impianti a 380 V, mentre gli impianti domestici sono ormai, quasi ovunque in Italia, a 220 V (in alcune zone 160 V).

I recenti sviluppi dei raddrizzatori per alte tensioni a stato solido rendono possibile, ed economicamente accettabile, la conversione di alte tensioni alternate in alte tensioni continue per la distribuzione di potenza; ciò evita le perdite capacitive e induttive in trasmissione (vedi più avanti).

La centrale di produzione dell'energia elettrica contiene alcune macchine motrici, ad esempio turbine idrauliche o a vapore, ciascuna delle quali aziona un alternatore. La maggior parte dell'energia elettrica mondiale prodotta per soddisfare la richiesta mondiale è generata con impianti a vapore alimentati con carbone, petrolio, gas o energia nucleare e, in misura minore, con impianti idroelettrici, diesel o con motori a combustione interna.

Le linee di distribuzione ad alta tensione sono realizzate, di solito, con cavi di rame o di alluminio (questi ultimi, soprattutto, con elementi portanti in acciaio), sospesi a strutture reticolari in acciaio, dette piloni o tralicci, mediante catene di isolatori in porcellana. L'impiego di cavi con struttura in acciaio e di piloni di grande altezza permette di aumentare la distanza tra questi, riducendo di conseguenza il costo delle linee. Nelle installazioni moderne con percorsi quasi rettilinei, le linee ad alta tensione possono essere realizzate con meno di quattro piloni per chilometro; per le linee locali a tensione più bassa, i tralicci sono sostituiti da palificazioni in legno o in cemento. Nelle città e nelle zone in cui le linee esterne possono creare pericolo, si ricorre generalmente all'uso di cavi di distribuzione sotterranei isolati. Alcuni di questi cavi hanno un nucleo vuoto entro il quale circola olio a bassa pressione, in modo da garantire una totale protezione dai danni causati dall'umidità, che potrebbe provocare dispersioni nel cavo. Le linee in conduttura, nelle quali molti cavi sono stesi in un tubo sigillato, riempito di olio ad alta pressione (fino a 15 atmosfere), sono usate di frequente su linee sia primarie sia secondarie con tensioni superiori ai 345 kV.

Qualsiasi sistema di distribuzione dell'elettricità coinvolge una gran quantità di apparecchiature per la protezione dei generatori, dei trasformatori e delle linee di trasmissione. Il sistema comprende spesso anche dispositivi per la regolazione della tensione fornita agli utenti e per la correzione del fattore di potenza (vedi più avanti).

Per proteggere tutti i componenti del sistema da cortocircuiti e da eventuali sovraccarichi, e anche per le normali operazioni di commutazione, si impiegano dispositivi di interruzione. Si tratta di interruttori di grandi dimensioni, alcuni dei quali agiscono automaticamente nel caso di cortocircuiti o di altri eventi che causino un repentino aumento dell'intensità di corrente. Fra i terminali di questi interruttori, quando si interrompe il flusso di corrente si sviluppa un arco elettrico, e ciò richiede l'adozione di misure particolari: molti di essi, ad esempio quelli impiegati per proteggere un generatore o una sezione di linea di trasmissione primaria, sono immersi in un liquido dielettrico come l'olio minerale, che facilita lo spegnimento dell'arco. Nei grandi interruttori operanti in aria, come in quelli in olio, vengono utilizzati anche campi magnetici per interrompere l'arco. Piccoli interruttori operanti in aria libera vengono usati a scopo di protezione nei negozi, nelle fabbriche e in tutti gli impianti domestici. In questi impianti, una volta, venivano comunemente usati per lo stesso scopo i fusibili, che consistono in un filamento o un nastro di lega metallica a basso punto di fusione; inserito nel circuito, esso si riscalda in seguito al passaggio di corrente elettrica, fondendo (con conseguente interruzione del circuito) nel caso in cui quest'ultima superi un valore stabilito.

Le cadute di rete

In quasi tutto il mondo, i servizi di distribuzione locali o nazionali sono collegati in sistemi a griglia che permettono di distribuire in varie aree l'energia prodotta in una determinata zona. Ciascuna delle aziende elettriche partecipanti si avvantaggia così di una maggior capacità di riserva, dell'uso di macchine più grandi ed efficienti e della possibilità di compensare, mediante le risorse condivise, eventuali cadute locali del servizio.

Queste reti interconnesse sono grandi e complessi sistemi che comprendono elementi azionati da diversi gruppi. Esse offrono opportunità di risparmio, ma aumentano i rischi di caduta della fornitura di energia su vaste aree. Ad esempio, un disservizio della rete principale si produsse nella zona orientale del Nord America il 9 novembre del 1965, quando un dispositivo di controllo automatico dei flussi di corrente si guastò nell'Ontario, lasciando aperto un elemento di interruzione. Un picco di sovracorrente si trasmise attraverso gli Stati Uniti nordorientali e gli interruttori di sicurezza dei generatori scattarono automaticamente. La potenza generata dagli impianti più a sud subì un'impennata per supplire all'improvviso vuoto, sovraccaricando anche questi impianti che, a causa degli automatismi di protezione, si disattivarono. La caduta di energia, alla fine, coinvolse un'area di oltre 200.000 km quadrati.

I disservizi di grande estensione vengono spesso chiamati blackout. Sospensioni parziali nella distribuzione di energia (brownout) possono essere prodotte anche deliberatamente, per risparmiare elettricità o come misura di sicurezza in periodi di guerra. Per tutelarsi dalle conseguenze della mancanza di energia elettrica, ospedali, edifici pubblici, centri di calcolo e le sedi di altre attività dispongono di propri generatori di sicurezza che garantiscono la continuità almeno delle funzioni essenziali.

Regolazione della tensione

Le lunghe linee di trasmissione hanno valori non trascurabili di induttanza, capacità e resistenza. Come conseguenza di ciò la tensione che giunge agli utenti dipendente dall'assorbimento di corrente dei carichi complessivamente collegati alle linee stesse. Per evitare variazioni indesiderabili, vengono impiegati dispositivi di diversi tipi. La stabilizzazione della tensione può essere ottenuta con regolatori a induzione e con motori sincroni trifase (detti anche condensatori sincroni); entrambi i dispositivi variano il valore complessivo dell'induttanza o della capacità del circuito di trasmissione, sfruttando il fatto che gli effetti capacitici e induttivi tendono a bilanciarsi reciprocamente. Nei circuiti a corrente alternata, solo una parte della corrente (quella in fase con la tensione), dà luogo a una effettiva trasformazione di energia, quindi porta potenza al carico; il rapporto tra questa quota di corrente e la corrente complessiva è detto 'fattore di potenza'. Quando un circuito di carico ha una reattanza eccessiva, induttiva o capacitiva, come quasi sempre accade nei sistemi di grande potenza, il fattore di potenza è basso e la corrente che circola è sensibilmente maggiore di quella realmente utile per il trasporto della potenza richiesta. Poiché le perdite sono proporzionali alla corrente, conviene aggiungere, se possibile, capacità in parallelo ai carichi induttivi (e viceversa) per rendere il fattore di potenza il più possibile prossimo a 1. Per questa ragione, nei sistemi di trasmissione di potenza si inseriscono spesso grandi condensatori (detti 'di rifasamento').

La produzione mondiale di energia elettrica

Tra il 1950 e il 1990, la produzione e il consumo mondiali di energia salirono da poco meno di 1000 miliardi di kilowattora (kWh) a oltre 11,5 miliardi di kWh. Nel contempo cambiarono anche le modalità di generazione dell'energia. Nel 1950 circa due terzi dell'energia prodotta erano di origine termica (sistemi a vapore) e circa un terzo di origine idroelettrica. Nel 1990 le centrali termiche producevano ancora circa due terzi dell'energia totale, gli impianti idroelettrici erano scesi sotto il 20% e gli impianti a energia nucleare ne fornivano circa il 15%. A causa delle preoccupazioni relative alla sicurezza degli impianti e allo smaltimento delle scorie radioattive, alcuni paesi, tra i quali l'Italia, sospesero tutte le attività di sfruttamento dell'energia nucleare e il servizio delle centrali; in altri stati, come negli Stati Uniti, la crescita del nucleare subìto comunque un serio rallentamento. Per contro in Francia, leader mondiale nell'uso dell'energia nucleare, le centrali termonucleari coprono circa il 75% della produzione nazionale.

Energia elettrica (produzione) Processo di trasformazione in energia elettrica di altre forme di energia, come l'energia potenziale dell'acqua e dei combustibili, l'energia cinetica del vento e l'energia luminosa della luce solare (vedi Energia solare). Data la varietà delle fonti, questo processo coinvolge tecnologie complesse.

L'energia è presente in natura in forma disordinata e ordinata (vedi Fisica: Secondo principio della termodinamica). Un'energia in forma disordinata, ad esempio il calore, può essere convertita in una forma ordinata, come l'energia meccanica, per mezzo di un motore termico; quest'ultimo può essere a combustione esterna (cioè una macchina a vapore) o a combustione interna, di tipo volumetrico (come il motore a pistoni delle automobili) o di tipo continuo (come la turbina a gas). Il rendimento dei motori termici è piuttosto basso, in genere inferiore al 40%: ciò significa che meno del 40% dell'energia termica assorbita dal motore viene erogata in forma di energia meccanica utilizzabile.

L'energia in forma ordinata, di cui sono esempi classici l'energia elettrica e quella meccanica, viene detta energia 'di qualità superiore' perché può essere convertita in altre forme con un rendimento prossimo al 100%. Un motore elettrico, ad esempio, può convertire energia elettrica in energia meccanica con un rendimento di oltre il 90%.

I vantaggi dell'elettricità

Per diverse ragioni l'energia viene trasportata e resa disponibile sotto forma di elettricità. L'energia elettrica, infatti, può essere trasportata dai generatori alle utenze mediante una rete di cavi facilmente installabile e senza perdite apprezzabili; può essere trasformata con alto rendimento in energia termica, meccanica e chimica; alimenta un altissimo numero di apparecchi elettrici ed elettronici e di sistemi di illuminazione; è controllabile istantaneamente nel punto di utilizzo: per accendere o spegnere un dispositivo elettrico è sufficiente lo scatto di un interruttore.

Centrali elettriche

La quasi totalità dell'energia elettrica viene attualmente prodotta in impianti che sfruttano l'energia cinetica di una massa d'acqua in caduta controllata (centrali idroelettriche) oppure l'energia termica che si sviluppa durante un processo di combustione (centrali termoelettriche). In senso lato, quest'ultimo caso comprende anche le centrali nucleari, che sfruttano il calore prodotto da una reazione nucleare.

Nelle centrali elettriche alimentate a carbon fossile, il combustibile viene polverizzato, mescolato ad aria preriscaldata e iniettato nella camera di combustione di una caldaia a tubi d'acqua, dove brucia come un gas. La camera, o focolare, rappresenta la struttura più grande della centrale; le pareti interne sono rivestite da una serie di tubi a serpentino, nei quali scorre acqua, che si sviluppano per un totale di diversi chilometri allo scopo di estrarre il massimo calore possibile dal combustibile: durante il percorso all'interno dei tubi, infatti, l'acqua raggiunge il punto di ebollizione e si trasforma in vapore surriscaldato e ad alta pressione. Un impianto di depurazione filtra i gas di combustione, in modo da estrarre la maggior quantità possibile di ceneri, prima di disperderli nell'atmosfera attraverso una ciminiera. Nelle centrali più moderne gli impianti di depurazione sono progettati ponendo particolare cura all'estrazione delle scorie solforate, che si sono rivelate estremamente nocive per l'ambiente.

Il vapore generato nella caldaia viene inviato a una turbina che trasforma l'energia termica in energia meccanica, sia pure con il basso rendimento caratteristico dei motori termici. Il vapore a bassa pressione e bassa temperatura che esce dalla turbina viene condensato e l'acqua ottenuta viene nuovamente pompata nella tubazione della caldaia, chiudendo il ciclo. La condensazione del vapore richiede grandi quantità di acqua di raffreddamento (circa 230.000 m l'ora per una centrale da 2000 mW), che può essere prelevata da un fiume o da un lago presente nelle vicinanze della centrale, oppure deve essere riciclata. Il riciclaggio viene operato nelle torri di raffreddamento, che disperdono nell'atmosfera il calore residuo e richiedono una quantità relativamente ridotta di acqua per sopperire a quella persa per evaporazione.

Le centrali alimentate a gasolio o a gas funzionano in modo analogo. Nelle centrali nucleari, invece, a generare calore è la reazione di fissione di un combustibile nucleare, cioè di un materiale radioattivo come l'uranio. Il calore viene estratto da un liquido refrigerante e quindi utilizzato per vaporizzare una determinata quantità d'acqua per mezzo di un apposito apparecchio detto scambiatore di calore. Le fasi successive del processo sono analoghe a quelle delle centrali termoelettriche. Esistono vari tipi di reattore nucleare, basati su strutture e refrigeranti diversi. Una serie di barre di materiale con elevata capacità di cattura neutronica permette di controllare la velocità di reazione e può, in caso di emergenza, determinare lo spegnimento completo del reattore, mentre uno 'schermo biologico' di calcestruzzo, spesso parecchi metri, circonda il reattore per proteggere gli operatori dalle emissioni fortemente radioattive del nocciolo. Vedi Energia nucleare.

Recentemente ha avuto molto successo un nuovo tipo di centrale termoelettrica con turbina a gas, detta a ciclo combinato (CCGT, dall'inglese Combined Cycle Gas Turbine). In questo tipo di centrale la trasformazione dell'energia termica nell'energia meccanica necessaria ad azionare un generatore elettrico avviene in due tempi, con un rendimento totale che si avvicina al 55%. Il gas combustibile viene bruciato in una turbina a gas accoppiata a un generatore elettrico e i gas di scarico vengono usati per produrre il vapore necessario ad azionare una turbina a vapore accoppiata a un secondo generatore.

Nella produzione di energia elettrica, alla turbina, a gas o a vapore, è accoppiato il rotore di un generatore elettrico, solitamente un alternatore costituito anche da una parte fissa, denominata statore. Il rotore è un cilindro di materiale ferromagnetico, rotante alla velocità di 3000 giri al minuto, in cui è inserito un avvolgimento percorso da corrente continua. Per effetto della corrente che lo circonda, il rotore si comporta da elettromagnete, producendo quindi un campo magnetico rotante. Lo statore è costituito da un avvolgimento in cui il campo magnetico induce tensioni alternate variabili generalmente con una frequenza di 50 hertz (cicli al secondo). L'energia meccanica prodotta dalla turbina viene quindi trasformata in energia elettrica, con un rendimento prossimo al 100%.

Problemi di produzione dell'energia elettrica

L'energia elettrica è fondamentale per il mantenimento del tenore di vita nelle società altamente industrializzate ed è indispensabile per i paesi in via di sviluppo. A lungo termine, tuttavia, si pone il problema dell'esaurimento dei combustibili fossili e nucleari. All'attuale tasso di consumo, le stime di durata delle scorte vanno da 40-60 anni per il gas naturale e il petrolio, a 200 anni per il carbon fossile. Un problema più pressante è quello dei sottoprodotti della combustione di carbon fossile, gas naturale e derivati del petrolio, che sono estremamente nocivi per l'ambiente. L'accumulo negli ultimi decenni di anidride carbonica, il gas che più contribuisce all'effetto serra, viene considerato il maggiore imputato dell'aumento della temperatura sulla superficie terrestre (riscaldamento globale).

Fonti di energia elettrica

Per ridurre il consumo di combustibili fossili, vi sono solo due alternative possibili: l'energia nucleare e le energie rinnovabili. Dopo l'incidente di ernobyl, che ha avuto un violento impatto sull'opinione pubblica, in molti paesi è stato sospeso o ridotto il funzionamento delle centrali nucleari, ritenute pericolose per la salute pubblica e per l'ambiente.

La quantità di energia che la Terra riceve dal Sole è immensa, tuttavia solo una minima parte di essa è utilizzabile. Attualmente, le più promettenti fonti di energia rinnovabile sono il vento, l'acqua e i biocombustibili, ma la maggior parte di queste sono talmente 'diluite' che per il loro sfruttamento si rendono necessari numerosi impianti di grosse dimensioni che avrebbero un forte impatto ambientale.

Le centrali eoliche sono costituite da gruppi di turbine a vento (o aeromotori) accoppiate a generatori di corrente. Nell'incontro con le pale della turbina, il vento perde circa il 40% della propria energia cinetica, che viene utilizzata per azionare la turbina; l'energia meccanica prodotta viene poi trasformata in energia elettrica dal generatore.

La luce solare viene trasformata direttamente in corrente elettrica continua (con un rendimento di circa il 15%) da dispositivi fotovoltaici costituiti da materiale semiconduttore. La corrente continua deve poi essere trasformata in corrente alternata per poter essere immessa nella rete di distribuzione. Vedi Alimentazione e distribuzione dell'energia elettrica.

Negli impianti idroelettrici, l'energia cinetica dell'acqua che cade attraverso un dislivello viene trasformata in energia meccanica da una turbina idraulica accoppiata a un generatore elettrico.

In alcune centrali termoelettriche, il calore viene prodotto dalla combustione di rifiuti o di metano ottenuto dalla decomposizione di rifiuti. In altre si utilizzano 'biocombustibili', cioè materiale di scarto proveniente da procedimenti agricoli, o legna ottenuta dal taglio di piantagioni appositamente coltivate.

Un serio impegno nella ricerca di fonti di energia rinnovabile potrebbe portare nel futuro a impianti di piccole dimensioni basati su tecnologie diversificate, che sostituirebbero le grandi centrali-cattedrale di oggi.

Risorse energetiche Insieme delle risorse con le quali i paesi del mondo cercano di far fronte al proprio fabbisogno energetico (vedi Energia). Quest'ultimo può essere espresso semplicemente in termini di tonnellate di carbone, barili di petrolio, metri cubi di gas ecc. Ciò che, tuttavia, interessa di più al consumatore non è la quantità dei combustibili, quanto piuttosto che cosa essi sono in grado di offrire in termini di energia per riscaldare, refrigerare, cucinare, illuminare, oltre che di forza motrice per far funzionare mezzi di trasporto e macchine. La fornitura di energia, dunque, dovrebbe essere vista principalmente come risposta alla domanda attuale o potenziale di servizi energetici, piuttosto che alla domanda di combustibili particolari.

Varietà di fonti energetiche

Le risorse energetiche possono essere suddivise in varie categorie. I combustibili tradizionali, che comprendono la legna da ardere, gli scarti agricoli e lo sterco animale, sono usati sin da quando gli esseri umani scoprirono l'utilità del fuoco per riscaldare, cucinare, illuminare e fabbricare semplici manufatti. Altri combustibili sfruttati da migliaia di anni sono i trasudamenti naturali di petrolio o di catrame e gli affioramenti o strati superficiali facilmente accessibili di carbone.

Una distinzione operata comunemente è quella tra i combustibili fossili (cosiddetti perché formati da materia vegetale e animale fossilizzata, trovata in strati più o meno profondi della crosta terrestre) e i combustibili non fossili. Questi ultimi includono i tre combustibili tradizionali già menzionati (legna da ardere, scarti agricoli e sterco animale) come pure i combustibili nucleari (uranio e torio) e le varie fonti di energia rinnovabile non tradizionale ( energia solare, idrica, eolica, geotermica, delle maree e della biomassa).

Sia tra le fonti di energia tradizionale, sia tra quelle rinnovabili ne esistono alcune, come il legno o l'energia idrica, che non possono essere utilizzate in modo intensivo, poiché l'impatto sull'ambiente di questo utilizzo non sarebbe sostenibile. Diversamente, la moderna utilizzazione di biomasse (materia organica) è basata sulla coltivazione su larga scala di alberi che crescono rapidamente (come varie specie di salice) o sulla conversione di prodotti agricoli in combustibili (ad esempio, canna da zucchero in etanolo). Tuttavia, l'utilizzo di queste risorse, apparentemente più rinnovabili di altre, può comunque avere effetti sfavorevoli sulla biodiversità, sugli habitat naturali, sulle caratteristiche del paesaggio e sulla qualità del terreno, dell'acqua e dell'aria. Ad esempio, gli impianti per la produzione di energia geotermica possono sprigionare anidride carbonica, solfuro di idrogeno e mercurio, mentre quelli sperimentali per lo sfruttamento dell'energia ricavata dalle maree possono distruggere o alterare in maniera permanente gli habitat degli estuari.

Le forme di energia rinnovabile presentano, tuttavia, due importanti vantaggi sui combustibili fossili: non producono, o perlomeno non nella stessa quantità, emissioni ritenute dannose (soprattutto zolfo, ossidi di azoto, particelle in sospensione, benzene e composti organici volatili) e, inoltre, non emettono gas che contribuiscono all'effetto serra, oppure lo fanno in quantità tali da essere facilmente compensate dall'accrescimento naturale delle piante. Le piante crescono, infatti, 'sequestrando' il carbonio contenuto nell'anidride carbonica emessa nei moderni processi di biomassa. I gas responsabili dell'effetto serra sono immessi nell'atmosfera dalla conversione e dall'uso di combustibili fossili oltre che dalla combustione della biomassa. Sebbene parte di questi gas sia assorbita dagli oceani e dal terreno, il resto, per un periodo variabile di tempo, va ad aumentarne la concentrazione atmosferica.

Studi complessi e controversi hanno come scopo quello di valutare fino a che punto le crescenti concentrazioni atmosferiche di questi gas prodotti dall'attività umana possano determinare un aumento della temperatura media dell'atmosfera terrestre, causando un innalzamento globale del livello medio del mare ed effetti climatici localizzati o su larga scala.

In generale, a parità di peso, il carbon fossile emette la quantità maggiore di anidride carbonica, seguito dal petrolio e dal gas naturale. Per ciascuno di questi tre combustibili, a seconda dei giacimenti esistono, tuttavia, differenze significative di qualità. Per quanto riguarda il gas naturale, ad esempio, quello del giacimento che si trova a Groninga, nei Paesi Bassi, contiene meno dell'1% di anidride carbonica, quello del giacimento di Krahnberg, in Germania, ne contiene il 53%, quello di Catania, in Italia, il 49%. Questo articolo si baserà sulle risorse stimate, sulle riserve accertate e probabili e sullo sfruttamento di queste risorse nel prossimo secolo. Il futuro delle risorse energetiche e del loro sfruttamento può essere influenzato da molti fattori. Due sono le domande importanti da porsi a questo riguardo: fino a che punto le preoccupazioni sui potenziali cambiamenti climatici si intensificheranno e saranno confermate dalle scoperte scientifiche e tecniche? E che cosa i politici e i consumatori di energia saranno pronti a fare per rinunciare all'uso di scorte di combustibile fossile, specialmente dove esse sono abbondanti e relativamente economiche, in favore di un'alternativa? Per rispondere a queste domande occorre, tuttavia, prima sottolineare altri aspetti rilevanti dell'approvvigionamento di energia.

Carbon fossile, petrolio greggio, gas naturale, biomassa, energia idroelettrica, energia solare, energia eolica e calore forniscono tutti energia primaria, ricavata o estratta direttamente da fonti naturali. Di solito, ma non sempre, l'energia primaria deve essere convertita in energia secondaria: elettricità, benzina per automobili, combustibile per aeroplani, cherosene e gasolio per illuminazione e per riscaldamento, carbone vegetale ecc. La conversione richiede impianti e tecnologie complessi: raffinerie di petrolio, centrali elettriche alimentate a carbone o a gas, centrali nucleari, celle fotovoltaiche ecc. A questa fase, segue la distribuzione della forma finale (dell'elettricità attraverso la rete di distribuzione, della benzina in autocisterne) e l'applicazione dell'energia a un apparecchio utilizzatore (una cucina a gas, una lampadina, un forno, un'automobile, un aereo) per fornire il servizio energetico richiesto (riscaldare, illuminare, muoversi ecc.). La trasformazione finale dell'energia da parte dell'apparecchio utilizzatore viene chiamata conversione in energia utile. A questo punto emerge un problema che ha risvolti pratici, tecnici e politici: l'efficienza della conversione e dell'uso dell'energia e il livello di rendimento raggiunto. Secondo varie stime quest'ultimo sarebbe ben al di sotto del 10% e, pertanto, i potenziali miglioramenti futuri potrebbero avere un impatto significativo sulle richieste mondiali di energia.

Risorse

La stima delle scorte energetiche richiede conoscenze geologiche e tecnologiche, nonché la capacità di compiere previsioni economiche. Questi tre aspetti presentano grandi elementi di incertezza. Negli ultimi anni si è adottata la convenzione di rappresentare la crescente incertezza sull'abbondanza delle fonti e l'incremento dei costi come due dimensioni di una matrice. Le risorse identificate come recuperabili tecnicamente ed economicamente con tecnologie attuali e a prezzi correnti vengono chiamate riserve accertate. La confusione aumenta perché queste sono di solito le riserve misurate dalle compagnie energetiche, che compiono ricerche e investimenti sull'arco di venti o trent'anni, in base alle richieste presuntive dei consumatori.

Talvolta si suppone che le riserve accertate siano le uniche risorse esistenti. In realtà, anche altre risorse con caratteristiche geologiche ed economiche incerte fanno parte delle risorse di base. Nel caso dei combustibili fossili queste risorse aggiuntive sono di solito classificate come risorse a recupero totale e includono il carbon fossile e la lignite; il petrolio convenzionale e non convenzionale (greggio pesante, bitume naturale e olio di scisto); e il gas naturale (in argilliti devoniane, in formazioni di sabbia dura, in acquifere geopressate e in strati di carbone). Le risorse di cui può esserci una quantità addizionale, ma il totale e il recupero economico sono incerti, sono considerate incidentali. Nel caso degli idrati di metano intrappolati nel permafrost o dell'uranio naturale (e dei suoi idrati) nell'acqua di mare, le quantità esistenti sono elevate, ma tutte le altre condizioni sono incerte. Si può ritenere che le migliorate conoscenze geologiche, insieme ai progressi tecnologici e ai prezzi più alti dell'energia, renderanno possibile una stima più accurata delle risorse di base.

I combustibili fossili non sono distribuiti uniformemente nel mondo: ad esempio, quasi il 70% delle riserve accertate di petrolio recuperabile nel mondo si trova in Medio Oriente, mentre il gas naturale si trova per il 29% sempre in Medio Oriente e per il 43% negli stati dell'ex Unione Sovietica. Le risorse a recupero totale e la maggior parte delle sabbie bituminose e del bitume mondiale si trovano, invece, nell'America settentrionale, negli stati dell'ex Unione Sovietica e in piccola parte in Cina.

Dal momento che le risorse di combustibile fossile sono concentrate in poche zone del mondo, nascono problemi come la dipendenza dall'importazione, la difficoltà degli approvvigionamenti, la fluttuazione dei prezzi e le pressioni per diversificare le risorse in modo da migliorare la sicurezza degli approvvigionamenti.

Una risorsa energetica aggiuntiva, potenzialmente importante e che non crea praticamente emissioni di gas responsabili dell'effetto serra, è l'energia nucleare. Nel mondo esistono circa 430 impianti nucleari attivi, con una capacità totale di generazione di circa 340 GW (1 GW, o gigawatt, corrisponde a un miliardo di watt). Più di 30 paesi hanno impianti di energia nucleare operativi o in costruzione, che forniscono circa il 18% dell'elettricità generata nel mondo (con una punta superiore al 75% in Francia).

Molti dei reattori attivi o in costruzione sono ad acqua leggera. In generale, tuttavia, lo sviluppo dell'energia nucleare si è arrestato di fronte alla preoccupazione della popolazione per la sicurezza operativa, la gestione delle scorie radioattive e la proliferazione di armi nucleari. Questi tre aspetti costituiscono i problemi più importanti per l'industria nucleare, tanto da imporre, per il momento, un limite allo sviluppo molto al di sotto del potenziale tecnico. Per la generazione di energia nucleare non esistono limiti di risorse. Nella proporzione attuale dell'uso (al di sotto delle 60.000 tonnellate annue), con reattori che oggi utilizzano soltanto circa lo 0,65% del loro potenziale, si stima che si possa estrarre uranio per 64 anni a meno di 130 dollari/kg. Inoltre, ritrattando e riciclando l'uranio e il plutonio, il numero di anni in cui il combustibile potrebbe essere disponibile potrebbe aumentere sino al 50%. Un ulteriore incremento di disponibilità potrebbe derivare dall'uso di reattori autofertilizzanti.

Altre risorse fondamentali provengono dalle varie forme rinnovabili di energia. Il Sole è la maggior fonte a recupero totale per l'energia solare e per l'energia di biomassa, come lo era in origine per i combustibili fossili. La risorsa totale di energia solare supera di 10.000 volte l'uso di energia primaria annuale del mondo. Ad esempio, in meno di 40 minuti gli Stati Uniti ricevono più energia sotto forma di luce solare di quanta ne venga prodotta in un anno da tutti i combustibili fossili che essi consumano. La questione chiave è, tuttavia, quanta parte di questa o di altre forme di energia rinnovabile e potenzialmente utilizzabile si sta sfruttando e sarà possibile sfruttare in futuro.

Disponibilità e uso attuale di energia rinnovabile

Per millenni la legna da ardere e altra biomassa hanno rappresentato, naturalmente, i combustibili principali per gli esseri umani. Negli ultimi 150 anni circa ne sono stati consumati circa 30 Gtoe (un Gtoe corrisponde a una gigatonnellata di petrolio equivalente). L'energia idrica ha rappresentato la seconda più ampia scorta di energia rinnovabile, con un consumo di circa 13 Gtoe nello stesso periodo di tempo. La biomassa fornisce ancora circa il 12% dell'energia utilizzata nel mondo e più del 35% di quella impiegata nei paesi in via di sviluppo.

È, tuttavia, necessario ricordare che attualmente il contributo dell'energia rinnovabile, rispetto al fabbisogno totale di combustibile, corrisponde a meno del 20% dell'approvvigionamento totale di energia primaria.

Prospettive per le scorte mondiali di combustibile

Cambiamenti nel futuro approvvigionamento di energia mondiale non possono essere previsti: sarebbero, infatti, necessari scenari di possibili futuri diversi e descrizioni plausibili, intrinsecamente compatibili, di ciò che potrebbe accadere. Tali stime dovrebbero, peraltro, tenere in considerazione le variazioni dei livelli demografici e la domanda di servizi energetici; i fattori sociali ed economici; i cambiamenti istituzionali; i flussi finanziari e tecnologici; e gli impatti di una maggiore efficienza nel rifornimento, nell'uso e nella conservazione di energia, nonché una vasta gamma di considerazioni ambientali.

Conclusioni

In termini di risorse, le scorte mondiali di energia sono teoricamente vaste, sufficienti a soddisfare richieste per migliaia di anni. In pratica, tuttavia, le prospettive sono molto meno serene. Le risorse più prontamente utilizzabili (sebbene non distribuite in maniera uniforme) sono i combustibili fossili, soprattutto il carbone. L'uso di questi combustibili comporta, tuttavia, grosse perdite dovute alla conversione, modeste percentuali di energia utile e abbondanti emissioni, alcune delle quali sono accompagnate da violenti impatti ambientali. Un'alternativa sarebbe costituita da un uso maggiore delle centrali nucleari, anche se le preoccupazioni riguardo all'uso di questa fonte di energia ne hanno notevolmente frenato lo sviluppo.

Energia idraulica Forma di energia ottenuta sfruttando la caduta d'acqua attraverso un dislivello; è una risorsa naturale, disponibile ovunque esista un sufficiente flusso d'acqua costante. Al giorno d'oggi lo sviluppo dell'energia idraulica richiede costruzioni estese che includono laghi di deposito, dighe, canali di derivazione, e l'installazione di grandi turbine e di generatori elettrici (vedi Produzione e distribuzione dell'energia elettrica). Lo sviluppo d'energia idroelettrica richiede un grande investimento di capitali ed è pertanto antieconomico in regioni che dispongono di carbon fossile o di petrolio a prezzo relativamente basso; tuttavia, il costo del combustibile necessario per far funzionare gli impianti termoelettrici a vapore è maggiore del costo di funzionamento di un impianto idroelettrico. Inoltre, le crescenti preoccupazioni ambientali stanno focalizzando l'attenzione sulle fonti di energia rinnovabili.

Cenni storici

L'uso dell'energia idraulica risale all'antichità: già i greci e i romani usavano ruote idrauliche per la macinazione del grano. Il basso costo del lavoro degli schiavi e degli animali, tuttavia, ne frenò l'applicazione su larga scala fino al XII secolo circa. Nel Medioevo furono costruite grandi ruote idrauliche di legno con rendimento massimo di circa 50 cavalli. L'energia idraulica moderna deve il suo sviluppo all'ingegnere britannico John Smeaton, che per primo costruì ruote idrauliche di ghisa di dimensioni notevoli.

All'inizio dell'Ottocento l'energia idraulica, che aveva giocato un ruolo importante nella rivoluzione industriale, diede impulso alla crescita delle industrie tessile, conciaria e meccanica. La macchina a vapore era già stata sviluppata, ma il carbone era scarso e la legna era un combustibile poco soddisfacente. L'energia idraulica contribuì allo sviluppo delle prime città industriali finché, dalla metà del XIX secolo, l'apertura dei canali navigabili rese possibile l'approvvigionamento di carbone a buon mercato.

L'installazione di ruote idrauliche in serie, su un dislivello di almeno 5 metri, richiede la costruzione di condotte e di grandi dighe di sbarramento difficilmente realizzabili. Questi svantaggi, uniti alla scarsità dell'afflusso d'acqua durante l'estate e l'autunno e alle gelate invernali, portarono alla sostituzione di quasi tutte le ruote idrauliche con il vapore, non appena la disponibilità di carbone lo rese possibile.

Sviluppo dell'energia idroelettrica

Il primo impianto idroelettrico fu costruito nel 1880, nel Northumberland. La rinascita dell'energia idraulica coincise con lo sviluppo del generatore elettrico (ulteriore miglioramento della turbina idraulica) e con la crescente domanda di elettricità che caratterizzò l'inizio del XX secolo (Vedi Motori e generatori elettrici).

La tecnologia della maggior parte dei grandi impianti è rimasta la stessa per tutto il secolo. Gli impianti sono serviti da un grande bacino di riserva, a monte di una diga, dove il flusso dell'acqua può essere controllato per mantenere un livello pressoché costante. Attraverso condotte forzate, controllate da valvole che regolano la velocità del flusso secondo la domanda d'energia, l'acqua entra nelle turbine e ne esce passando attraverso il canale di scarico. I generatori sono montati direttamente sotto le turbine, su alberi verticali. Il tipo di turbina dipende dalla pressione dell'acqua, cioè dall'entità del dislivello: per alti dislivelli si usano turbine Francis, per dislivelli relativamente bassi si preferiscono invece turbine Kaplan.

L'energia idraulica rappresenta approssimativamente un quarto dell'energia totale prodotta nel mondo e negli ultimi anni sta considerevolmente aumentando d'importanza; in molti paesi, quali ad esempio Norvegia, Repubblica democratica del Congo e Brasile, rappresenta la fonte dominante di energia elettrica. L'impianto Itaipu sul fiume Paraná, tra Brasile e Paraguay, ufficialmente inaugurato nel 1982, ha la più grande capacità del mondo (12.600 megawatt a pieno regime).

In alcuni paesi sono stati costruiti impianti idroelettrici di piccole dimensioni, con capacità comprese tra un kilowatt e un megawatt. In molti distretti della Cina, per citare un esempio, piccole centrali di questo tipo costituiscono la fonte principale di energia.

Risparmio energetico Strategia di riduzione della quantità di energia usata per scopi domestici e industriali, soprattutto nei paesi sviluppati. In passato la disponibilità di energia era ampiamente eccedente rispetto al fabbisogno umano, cosicché legna e carbone venivano bruciati in abbondanza e in modo poco efficiente. Questi materiali hanno rappresentato la principale fonte di combustibile fino alla rivoluzione industriale, nel XVIII secolo. Ancora oggi la legna da ardere fornisce il 13% dell'energia consumata in tutto il mondo e la maggior parte di essa viene bruciata in maniera poco efficiente: per cucinare il pasto serale, un abitante di un villaggio indiano consuma un'energia cinque volte superiore a quella utilizzata da un europeo allo stesso scopo. Come conseguenza, la legna sta cominciando a esaurirsi come risorsa energetica, soprattutto in Africa e nel Sud-Est asiatico.

In Europa la disponibilità di legna cominciò a ridursi intorno alla metà del XVIII secolo, e ciò determinò un uso sempre maggiore del carbone: oltre che per scopi domestici, questo combustibile veniva utilizzato anche per alimentare i motori a vapore, che trovarono largo impiego soprattutto dopo che l'invenzione della locomotiva a vapore, nel 1825, da parte di George Stephenson, rese possibili i trasporti su rotaia. Il motore a vapore era per la verità tutt'altro che efficiente: la conversione di energia chimica in energia cinetica aveva rendimento inferiore all'1%.

In ogni processo di conversione energetica esistono limitazioni di ordine fisico al rendimento (infatti non è mai possibile convertire tutta l'energia spesa in lavoro utile), cui vanno aggiunte limitazioni di ordine pratico: ne consegue che, in genere, meno della metà dell'energia spesa viene convertita in lavoro. Ad esempio, l'efficienza pratica di conversione di una centrale a vapore alimentata a carbone o a petrolio è inferiore al 40%, mentre quella di un motore di automobile alimentato a benzina è inferiore al 20%. Il resto dell'energia va di solito disperso sotto forma di calore.

La necessità di migliorare i rendimenti

Il maggiore sconvolgimento del mercato mondiale dell'energia si ebbe nel 1973, quando i produttori arabi di petrolio quadruplicarono il prezzo del combustibile portandolo a 12 dollari a barile, e ridussero del 5% la quota destinata ai grandi importatori come i paesi europei e gli Stati Uniti. Più tardi, nel 1979, i produttori alzarono ulteriormente il prezzo, cosicché nel 1980 il greggio veniva venduto a 40 dollari a barile.

L'Occidente reagì mettendo a punto un programma di sfruttamento di risorse diverse, quali il carbone e l'energia nucleare, e di risparmio energetico. Grande priorità venne data alla riduzione dell'uso complessivo dei combustibili, in particolare del petrolio. Costretta dall'aumento di prezzo dei combustibili, la gente iniziò a risparmiare energia e a usarla in maniera più efficiente. Quando il fronte comune dei produttori cominciò a rompersi e i prezzi del petrolio tornarono ad abbassarsi (in alcuni casi sotto i 10 dollari a barile), nuovi motivi consigliarono di perseverare nel risparmio energetico: la grave situazione dell'inquinamento ambientale e soprattutto la minaccia del riscaldamento globale.

Inquinamento ambientale

Negli ultimi 150.000 anni della storia terrestre la concentrazione di anidride carbonica (CO ) nell'atmosfera si è mantenuta intorno alle 270 parti per milione (ppm). Questo gas ha la proprietà di influenzare il cosiddetto 'bilancio radiativo' della Terra, in quanto lascia passare la radiazione proveniente dal Sole, ma intrappola i raggi infrarossi riemessi dalla superficie terrestre. L'anidride carbonica si comporta in pratica come il vetro di una serra per coltivazioni, facendo in modo che la Terra abbia una temperatura media molto più alta di quella che si avrebbe in assenza di questo gas, e ciò è naturalmente decisivo per la permanenza delle forme di vita sul nostro pianeta. Tuttavia, fin dal 1850 i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera sono andati aumentando fino alle attuali 360 ppm. La causa principale di questo incremento fu la continua intensificazione dell'uso di combustibili fossili: ogni cittadino europeo consuma annualmente tre tonnellate di petrolio o l'equivalente di gas o di carbone, mentre negli Stati Uniti si arriva a otto tonnellate. Il mondo consuma ogni anno 8 miliardi di tonnellate di combustibili fossili e la cifra è destinata a crescere a 14 miliardi di tonnellate entro il 2020. La crescita della domanda sarà dovuta soprattutto ai paesi in via di sviluppo: la Cina brucia 1 miliardo di tonnellate di carbone ogni anno ed entro cinque anni si ritiene che tale valore possa aumentare del 50% se l'economia cinese continuerà a crescere secondo le tendenze attuali. Nei paesi in via di sviluppo è il rapido incremento demografico a rendere più consistente la domanda di energia.

I livelli di anidride carbonica nell'atmosfera sono dunque destinati a raddoppiare, rispetto al valore stabile di 150 anni fa, entro il 2030, provocando presumibilmente un sensibile aumento della temperatura media terrestre e un innalzamento del livello medio marino per effetto dello scioglimento delle calotte glaciali. Ciò potrebbe mettere a rischio le piccole isole e le aree costiere, sempre più esposte all'eventualità di inondazioni.

Le conseguenze del riscaldamento globale sono, a lungo termine, imprevedibili. Vi sono, inoltre, ragioni per ipotizzare drastici squilibri nel clima del pianeta: mentre in alcune zone le precipitazioni tenderanno ad aumentare, in altre, presumibilmente, il processo di desertificazione subirà un incremento drammatico.

Risparmio energetico ed effetto serra

Per scongiurare o almeno contenere le conseguenze dell'effetto serra occorre diminuire sensibilmente le emissioni di anidride carbonica, e il modo migliore, naturalmente, consiste nel bruciare una minore quantità di combustibili fossili. A consigliare parsimonia in questo senso, del resto, è anche la prospettiva di un esaurimento delle risorse di combustibili fossili: se i consumi continuassero anche solo ai livelli attuali, le riserve di petrolio e di gas si esaurirebbero in circa 50 anni, mentre quelle di carbone non durerebbero per oltre 200 anni.

Dove risparmiare

Nell'Europa occidentale il 40% dell'uso finale dell'energia è riservato al settore domestico, il 25% all'industria e il 30% ai trasporti.

Settore dell'edilizia domestica e commerciale

Circa la metà dell'energia consumata nell'Europa occidentale è utilizzata negli edifici. Attualmente, impiegando tecnologie già sperimentate, si potrebbero ottenere riduzioni dei consumi fino al 20%, e gli investimenti iniziali per conseguire questo risparmio verrebbero compensati in meno di cinque anni. Dovrebbe essere incoraggiata l'adozione di particolari accorgimenti di progettazione, soprattutto riguardo l'isolamento termico e l'illuminazione. L'introduzione di sistemi computerizzati di controllo energetico e l'installazione di dispositivi più efficienti per riscaldare, raffreddare e cucinare sarebbero il necessario complemento ai miglioramenti progettuali.

Settore industriale

Il miglioramento del rendimento energetico nell'industria di solito richiede un notevole investimento di capitali, e ciò entra spesso in competizione con l'acquisto di nuove apparecchiature, l'incremento della produzione e il pagamento dei dividendi. Di conseguenza i tempi necessari per un ritorno dell'investimento sul risparmio energetico sono spesso poco realistici e insostenibili.

Il rendimento di caldaie e forni, comunque, potrebbe essere notevolmente migliorato grazie a un'attenta regolazione e controllo dell'afflusso d'aria durante la combustione. Un ampio recupero di energia termica attraverso scambiatori e pompe di calore potrebbe rivelarsi possibile anche con investimenti relativamente contenuti.

Produzione di energia elettrica

Aumentando la temperatura di entrata nelle turbine a gas, con l'introduzione di nuovi materiali e di tecniche di progettazione, il rendimento di conversione delle ultime macchine è stato migliorato del 42%. Le centrali a ciclo combinato alimentate a gas naturale stanno rapidamente sostituendo ovunque le centrali a carbone o a petrolio; un ulteriore incentivo alla loro costruzione è il basso impatto ambientale e l'emissione ridotta di anidride carbonica.

Un modo ancora più efficiente di usare l'energia primaria del combustibile fossile consiste nella realizzazione di sistemi di cogenerazione, ovvero sistemi di calore e potenza combinati (Combined Heath-Power, CHP). In questo caso il calore di scarico proveniente da una turbina a gas o a vapore, o persino da un motore diesel, viene usato per rialimentare il processo di generazione del vapore o per riscaldare direttamente gli ambienti in cui opera il personale. Questi sistemi raggiungono un rendimento complessivo in qualche caso superiore all'80%.

Trasporti

Il settore dei trasporti è senza dubbio uno dei più inquinanti, dal momeno che libera nell'atmosfera una quantità di anidride carbonica nettamente superiore a quella prodotta nelle centrali termoelettriche. Nel mondo attualmente ci sono 500 milioni di auto e nell'Europa occidentale le cifre attuali raddoppieranno entro il 2020; nei paesi in via di sviluppo la crescita sarà ancora maggiore. Sebbene il rendimento dei motori d'automobile sia andato notevolmente migliorando nel corso degli anni, spesso i modelli in commercio offrono prestazioni superiori a quelle consentite dai codici stradali. La congestione del traffico nelle città e l'inquinamento stanno comunque inducendo molte amministrazioni cittadine a puntare sul potenziamento dei trasporti pubblici e a favorire i mezzi a trazione elettrica.

Politica energetica

La cosiddetta deregulation (deregolamentazione) e la privatizzazione delle aziende elettriche incoraggiano i produttori a vendere la maggiore quantità possibile di energia. Da parte di chi produce energia, quindi, non vi è interesse a favorire il risparmio energetico; unico freno al produttore sono le leggi contro l'inquinamento. Anche i consumatori, tuttavia, spesso si dimostrano poco inclini ad adottare soluzioni più efficienti dal punto di vista della conservazione energetica. Un esempio è il successo relativamente scarso delle lampade a fluorescenza: decisamente più care delle normali lampadine a incandescenza, permettono però di recuperare ampiamente l'investimento iniziale nel giro di qualche anno, dato il loro minore consumo. Talvolta i governi, per incoraggiare le forme di risparmio energetico, sono costretti a utilizzare incentivi e penalizzazioni di tipo fiscale.^[1]

Energia solare Energia raggiante prodotta nel Sole per effetto di reazioni nucleari e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica.

L'intensità della radiazione solare, cioè la quantità di energia che il Sole irraggia ogni secondo su un cm di superficie terrestre, è detta costante solare; il suo attuale valore, calcolato quando la Terra si trova a una distanza media dall'astro, è 1,37 × 10 erg s cm (1,97 cal/cm al minuto) ma sembra variare dello 0,2% in trent'anni. Questa stima tuttavia prevede che l'atmosfera sia assolutamente trasparente alla radiazione, mentre gli effetti di assorbimento e di dispersione riducono molto l'ammontare di energia effettivamente disponibile.

Trasformazione naturale dell'energia solare

L'energia solare, accumulata nell'atmosfera terrestre, negli oceani e negli organismi vegetali è fondamentale per la maggior parte dei processi vitali e dei fenomeni fisici che hanno luogo sulla Terra: è ad esempio indispensabile nel processo di fotosintesi che consente lo sviluppo della vita vegetale; è importante per il ciclo idrologico cui sono associate le precipitazioni; è responsabile dei venti tuttora utilizzati come risorsa locale di elettricità.

Per sottolineare il valore di questa fonte di energia, basti pensare che senza di essa non si sarebbe verificata la formazione di biomasse e quindi dei combustibili fossili come carbone, petrolio, gas naturale, né sarebbe possibile lo sfruttamento del legno. Le biomasse possono inoltre essere utilizzate per la produzione di metano o di alcol, attraverso processi di fermentazione o distillazione.

L'energia solare accumulata negli oceani dà luogo a gradienti verticali di temperatura che, inquadrati nell'ambito di un ciclo termodinamico, potrebbero forse essere sfruttati per produrre energia meccanica trasformabile in elettricità; questa possibilità, finora puramente teorica, richiederebbe l'impiego di dispositivi di dimensioni colossali.

Raccolta diretta di energia solare

Per sfruttare la radiazione solare si ricorre a impianti a pannelli solari, o collettori solari. L'energia così ottenuta può essere usata sotto forma di calore per riscaldare un gas o un fluido, oppure convertita direttamente in elettricità sfruttando l'effetto fotovoltaico e le proprietà fisiche di particolari materiali.

Esistono due tipi fondamentali di collettori: a pannello e a concentrazione.

Collettori a pannello

Un pannello solare è composto essenzialmente da una superficie metallica che si riscalda per effetto della radiazione solare; il calore viene poi ceduto (Vedi trasferimento di calore) a un liquido termovettore che circola in una serpentina e successivamente trasferito al sistema utilizzatore, ad esempio l'acqua dell'impianto di riscaldamento domestico. In particolare i collettori a pannello sono in grado di riscaldare i fluidi di trasporto fino a circa 80 °C, con rendimento compreso tra il 40 e l'80%.

Questi dispositivi sono particolarmente adatti per il riscaldamento domestico: di solito i collettori vengono installati sui tetti, e orientati opportunamente in relazione alla posizione geografica del luogo.

Oltre ai pannelli, i sistemi di riscaldamento a energia solare devono comprendere pompe idrauliche, sensori di temperatura, controlli automatici e sistemi di immagazzinamento del calore. Il fluido di trasporto del calore può essere costituito da aria, acqua o altri liquidi; come serbatoio di calore si può impiegare una cisterna d'acqua ben isolata termicamente.

Collettori a concentrazione

Per particolari applicazioni industriali sono necessari collettori più complessi e costosi che, focalizzando i raggi solari incidenti in un'area ristretta, permettano di raggiungere temperature di diverse centinaia o addirittura migliaia di gradi Celsius. Per migliorarne l'efficienza, i concentratori sono comandati da dispositivi elettromeccanici per l'inseguimento del tragitto del Sole durante l'arco del giorno.

Ricevitori centralizzati

La produzione centralizzata di energia elettrica da energia solare è attualmente in fase di sviluppo. Un progetto di centrale prevede che una schiera di riflettori mantenuti costantemente orientati verso il Sole focalizzi i raggi su una caldaia ad acqua, montata su una torre. Il vapore così generato può essere usato in un ciclo convenzionale di generazione elettrica.

Raffreddamento solare

L'energia solare può essere utilizzata anche nei processi di raffreddamento, poiché un normale ciclo di refrigerazione richiede l'impiego di una fonte di calore. Dato che per un funzionamento efficiente dei dispositivi di assorbimento occorrono temperature superiori ai 150 °C, per questo tipo di applicazione è indispensabile l'uso di collettori a concentrazione.

Celle fotovoltaiche

Le celle solari realizzate con sottili lamelle di silicio cristallino, arseniuro di gallio o altri materiali semiconduttori convertono la radiazione solare direttamente in elettricità con rendimento superiore al 30%. Gli impieghi attuali delle celle solari sono limitati a dispositivi di bassa potenza che non possono essere riforniti di energia, come gli strumenti a bordo di sonde spaziali.

Energia solare dallo spazio

Un modello puramente teorico proposto per produrre energia solare su vasta scala prevede la collocazione di moduli solari giganti in orbita geostazionaria. Qui l'energia generata dalla luce del Sole verrebbe convertita in microonde per essere poi inviata a terra e riconvertita in energia elettrica.

Immagazzinamento dell'energia solare

La natura intermittente della radiazione solare come fonte di energia rende indispensabile l'uso di dispositivi di accumulazione dell'energia prodotta in esubero durante le ore o i periodi fevorevoli; l'energia immagazzinata può essere resa disponibile, ad esempio, durante la notte. Oltre alla semplice acqua, si possono impiegare apparecchi più compatti che si basano sulle proprietà di cambiamento di fase di particolari miscele saline. Anche le batterie possono essere usate per serbare l'energia elettrica in eccesso prodotta dal vento o da dispositivi fotovoltaici