Energia


2° principio della termodinamica:

      in ogni trasformazione energetica una parte della energia originale va perduta come calore  irrecuperabile al processo che l'ha generato (entropia).

In altre parole  ogni trasformazione energetica, di qualsiasi tipo, genera calore di livello più basso di quello necessario al processo. Molte delle cause di questo fenomeno le conosciamo, solo alcune come esempi: resistenza dei fili elettrici, correnti elettro-magnetiche indotte, isteresi magnetica e dei materiali elastici, attrito, sfregamento e resistenza dell'aria, dispersione termica nell'ambiente ecc.

La percentuale tra energia fornita ed energia utilizzata si chiama rendimento. Per quanto sopra questo  non potrà mai essere = al 100%.
Ad  esempio il limite di trasformazione da  energia calorica a  meccanica è sempre inferiore a circa il 60%

Leggendo qua e là di  idee ed invenzioni di tipo ecologico sembra che chi le propone non tenga conto di questo principio generando entusiami errati.

Facciamo un esempio: il rendimento di un motore diesel è intorno ad un 20%: quindi per fare muovere il mio automezzo butto via l'80% della mia energia a disposizione.

Bene usiamo un auto elettrica:  da una batteria preleviamo l'energia elettrica, il rendimento potrebbe essere intorno al 75% (dipende da troppi fattori, quindi prendiamone uno indicativo tanto per avere una idea). Che è piuttosto alto. Bene dovremmo esserne contenti.

Gia ma poi la batteria si scarica (con una perdita piccola ma non insignificante) e va ricaricata (e ancora qui abbiamo perdite). Prendiamo un rendimento di un 90% per il processo di carica-scarica.
Piccolo conto: 90% di 75% =  67,5%  questo è già il rendimento totale fino a qui.
Però da dove prendiamo la corrente elettrica? da una cabina ENEL termoelettrica con  generatori a diesel  che hanno, abbiamo visto, il rendimento del  20%  (se la prendiamo da altri tipi di centrali, altri utilizzatori saranno costretti a prenderne al nostro posto di più dalla centrali a Diesel, ed in termini globali non cambia niente).
Di nuovo il 67,5 % di 20%=13,5%.

Ahi ahi hai!  dal 20% siamo scesi al 13,5,un terzo in meno, e stiamo buttando via il 6,5% in più di energia cioè l'86,5%, di gasolio, come pure di inquinamento. Le città forse saranno più pulite, ma le campagne (dove ci sono le centrali ENEL) saranno piu sporche. In più  ci sono ancora le perdite di energia lungo i cavi elettrici se le centrali sono molto lontane. Quindi non è vero che l'auto elettrica di per sè è una scelta logica ed auspicabile, dipende solo da dove preleveremo l'energia per farla marciare.

Lo stesso per  gli altri tipi di auto considerati ecologici ad esempio col motore ad aria compressa. Dobbiamo quindi  sempre chiederci da dorve arriva l'energia e quanti sono i passaggi intermedi ed il rendimento totale.

Principio di  Eistein:     nulla si crea, nulla si distrugge ma solo si trasforma.  
 
Tutto questo significa che l'energia che utilizzo per ottenere un mio scopo devo prelevarla da un generatore che a sua volta la ricava da un altro processo, in un ciclo continuo.
Ma allora da dove ricaviamo la fonte prima iniziale dell'energia?  Dal cosmo.  Inizialmente dalla formazione dell'universo. Secondo alcuni scienziati dalla grande esplosione, il Big-bang  (non chiedetemi dove il big-bang ha preso l'enorme energia per verificarsi, tutti gli scienziati glissano su questo argomento). Quindi  dai fenomeni chimici e fisici che hanno formato la materia terrestre, ad esempio dall'uranio che prima del bigbang non esisteva (o almeno si crede, ma nessuno è mai andato a verificarlo) .



Secondo, ed assolutamente più immediato ed importante, dalla fusione nucleare del sole (anche lui chiaramente formatosi conseguentemente al big-bang). Il 99% dell'energia disponibile viene dall'azione diretta del sole o accumulata nei tempi passati in composti di derivazione organica (petrolio, legno e carbone) o attuale ( vento, irradiazione diretta, maree, pioggie e fiumi). Il sole a sua volta genera l'energia dal processo nucleare unendo due nuclei atomici di idrogeno in uno di  elio.  Questo processo richiede una energia iniziale altissima ma una volta che i due nuclei si sono uniti rimane un surplus di energia superiore a quella iniziale che viene emessa tutto intorno (spero che nessun fisico inorridisca di fronte a questa spiegazione,  ma deve solo dare una idea, non  vuole essere un corso di fisica nucleare)

Ma anche il sole è destinato ad esaurire le sue risorse energetiche, per fortuna noi allora non ci saremo già più da molto tempo e non avremo più la necessità di porci questi  problemi.

Questi per noi ora sono due 1) esaurimento delle risorse  2) inquinamento e modifiche climatiche
Sono molto diversi tra loro anche se conseguenza della stessa causa: l'utilizzo dell'energia.

Il petrolio è il risultato di un processo di trasformazione del legno in composti  più complessi e pesanti dovuti alla pressione e alla temperatura a cui si sono trovati sottoposti  quei boschi cresciuti in età preistorica grazie alla irradiazione solare e sepolti in profondità dagli sconvolgimenti della crosta terrestre.

I giacimenti per quanto grandi non sono infiniti, anzi sono ormai in via di esurimento, secondo gli analisti entro una decina di anni questo sarà completo. Questa è la ragione della continua crescita del prezzo del petrolio sui mercati, momentaneamente in stasi per la congiuntura economica internazionale.

Per  questo le grandi companie di distribuzione petrolifera hanno già da oltre 10 anni studiato il probabile passaggio all'idrogeno per l'utilizzo automobilistico. Anche le case automobilistiche hanno già pronti i progetti di auto ad idrogeno.  Entrambi i gruppi attendono il momento in cui il costo del petrolio sarà troppo caro per l'uso privato.  
 D'altra parte l'idrogeno si può generare in casa a costo 0 dal sole. Per questo le compagnie non hanno ancora tirato fuori l'asso dalla manica.
 
Una alternativa, per il traffico privato può essere l'auto elettrica, ma in questo modo spostiamo solo il punto, come abbiamo visto, da dove otteniamo l'energia necessaria da trasformare in movimento.
Per tutti gli altri utilizzi civili, pubblici e privati il nodo più importante è e sarà trovare una alternativa all'uso del petrolio che oggi fornisce anche una buona parte dell'energia elettrica (quindi anche le auto elettriche, come abbiamo visto prima, vanno anche grazie al petrolio, amenochè l'energia non la ricavino direttamente da pannelli fotovoltaici).
 
Le possibili alternative sono tre:
  1) Fissione e fusione nucleare
  2)  Irradiazione solare diretta ed indiretta (pannelli solari, energia eolica, laghi ecc);
  3)  Risparmio energetico
Più avanti le esamineremo una per una.

Il secondo problema, come abbiamo visto all'inizio  deriva per un aspetto dal 2° principio della termodinamica ogni volta che utilizziamo energia e dal fatto che  i processi di tipo chimico per generare energia lasciano dei prodotti di scarto non più utilizzabili per l'uso.
Per tutti i processi, anche quelli biologici che si verificano entro il nostro corpo. Noi mangiamo per acquisire sia sostanze pronte  o parzialmente pronte da utilizzare nel processo vitale (es: vitamine proteine ecc) sia l'energia necessaria a questo, attraverso prodotti chimici specifici ( zuccheri, amidi e grassi) che nelle trasformazioni chimiche rilasciano energia. Questo ad esempio per i movimenti corporei o per poter compiere altri processi chimici vitali che invece richiedono energia per essere compiuti.   I prodotti di scarto, per un organismo biologico, sono l'espirazione, le feci e le urine.

La natura, per fortuna perchè altrimenti non ci sarebbe più vita su questo pianeta, ha creato una gerarchia di organismi in cui i prodotti di scarto degli uni sono il nutrimento che fornisce energia  agli altri, riciclando tutto e dove la fonte di energia originale è quella solare, trasformata in chimica  dalla clorofilla delle piante, tutte: alberi ed erbe. (pensiamoci prima di tagliare l'erba dove non ce n'è necessità).
L'energia calorica inutilizzata secondo il 2° principio della termodinamioca (entropia) si accumulerebbe sulla terra sino ad alzarsi a temperature estreme bloccando ogni processo biologico, se una parte di essa non fosse ridiffusa nello spazio in quantità sufficiente a mantenere un equilibrio perfetto per la vita sulla terra.
Questa diffusione però  dipende anche dalla quantità di anidride carbonica (CO₂) presente nell'aria.
Questa tende a trattenere ed impedire il passaggio del calore attraverso se stessa (effetto serra). Più anidride carbonica meno calore disperso nello spazio. Parliamo di calore quindi sia di quello derivato dall'entropia sia del calore del sole sovrabbondante  per la vita sulla terra, che viene riflesso dalla superficie terrestre nello spazio.
Questo equilibrio è molto critico, pochi decimi di grado in più o in meno, medi, possono essere sconvolgenti.
 
La natura ha creato un  sistema di controllo automatico per questo, la clorofilla delle piante assieme alla luce solare trasforma l'anidride carbonica in zuccheri  (poi di nuovo convertiti in grassi e amidi ed altre sostanze) sottraendo così una quantità notevole di calore (non è un errore  parlare di luce al posto del calore, deriva dal principio di Kirchov sul corpo nero) e mantenendo bassa la concentrazione della anidride carbonica. Finora ha funzionato egregiamente, purtroppo l'intervento dell'uomo ha profondamente alterato questo equilibrio, che ripeto è estremamente critico.

 


Il pesante utilizzo dell'energia soprattutto di derivazione dal  petrolio ha fatto sì però che sia aumentata l'anidride carbonica nell'aria e quindi sia diminuita l'emissione del calore sovrabbondante nello spazio. A questo va aggiunto il mancato riciclo  dovuto alla riduzione della superfice a verde in seguito alla deforestazione richiesta per aumentare la superfice agricola e  (peggio) a pascolo.
Un aiuto  a riportare le cose a posto è quello di piantare molti alberi. Alcuni paesi civili (quindi escludiamo l'Italia) anche poveri, tra cui anche alcuni africani, hanno iniziato una campagna in tal senso e sono già state piantate decine di milioni di alberi. Ma non basta ed i tempi necessari ad avere gli effetti positivi sono lunghi.

Vediamo le alternative citate prima.

Nucleare:
  Fusione: è quello che succede  sul sole dove, come ho già detto l'idrogeno, viene trasformato in elio.  Nonostante almeno 50 anni di studi, non esiste ancora la tecnologia per farlo. Vedremo nel futuro. Il grande vantaggio è che i residui non sono radioattivi nè nocivi (almeno finchè le quantità rimangono sufficientemente piccole)


   Fissione: è il metodo fin qui usato dove i nuclei di  metalli radioattivi, in  particolare Uranio²³⁵ e Plutonio²³⁹, vengono spaccati in metalli più leggeri.    In questo processo si libera una quantità enorme di energia con tempi brevissimi e allora si ha una bomba atomica o rallentati notevolmente e allora si ha un reattore nucleare.
Ai molti vantaggi però si oppongono grandi svantaggi. Il processo genera scorie altamente radioattive tra cui il plutonio che decade (cioè diventa la metà) in 24000 anni, più della storia di tutto il genere umano (ho  detto storia, non preistoria). Per arrivare ad un quarto ce ne vogliono 48000, ad un ottavo 96000 e così via.
Richiede apparati sofisticatissimi ed impianti di raffreddamento estremamente sicuri per impedire la fuoriuscita dei prodotti contaminati (pensiamo al disastro di Črnobil, in Bielorussia in cui il vapore fuoriuscito là ha contaminato la produzione agricola persino in Italia provocando anche la morte di moltissimi piccoli animali).
La militarizzazione di tutti i processi intermedi e degli impianti per impedire che malintenzionati (formazioni ribelli o mafiose) possano ottenere in qualche modo i materiali fissili e produrre rudimentali bombe atomiche ( b. a. sporche) con cui ricattare i governi di altri paesi. (ma se avete improvvisamente bisogno di uranio per qualche vostra attività potete sempre comperarlo on-line qui http://www.uranium.com/)
Creazioni di siti di stoccaggio per le scorie, che se non sono a perfetta tenuta possono col tempo inquinare l'ambiente intorno
Il progessivo esaurimento dei giacimenti, ormai già iniziato, che porterà all'aumento del costo dell'energia nucleare fino a non essere più competitivo

Solare diretto ed indiretto

L'irradiazone solare può essere catturata direttamente con pannelli solari (per riscaldare l'acqua) o fotovoltaici che convertono direttamente la luce solare in corrente elettrica. Inoltre l'ing Rubbia ha progettato e realizzato in  Spagna  vicino a Barcellona (perchè il farlo in Italia gli è stato impedito da faide interne all'ENEA)  un impianto di nuovo tipo che sembra promettere molto. Secondo lui sarebbe possibile realizzare nel Sahara un enorme impianto che potrebbe fornire energia all'intera Europa. Vi invito a cercare su  Google ulteriori informazioni, un elenco di link sarebbe troppo lungo e insufficiente.

Una osservazione: Obama asserisce che l'abbandono delle pratiche protezionistiche degli USA portate avanti da Bush e l'adozione delle nuove tecnologie di generazione di energia e di protezione dell'ambiente porterà  5.000.000 (sì, milioni) di nuovi posti di lavoro.  In Italia Berlusconi vuole imitare Bush e chiede anche lui un sistema protezionistico, lasciando agli altri paesi, ad esempio quelli aderenti a SolarPACES (Algeria, Australia, Egypt, the European Commission, France, Israel, Germany,  Mexico, Spain, South-Korea, South Africa, Switzerland, and the United States) lo studio delle nuove tecnologie. Quindi, dovremo dipendere da questi per adeguarci agli standard previsti  quando si renderà inevitabilmente necessario, inevitabilmente perchè i nostri costi energetici renderanno le industrie non più competitive rispetto a quelle che produrranno col massimo risparmio energetico.   Gli altri paesi guadagneranno sulla nostra imbecillità.

Il solare indiretto è quello dello sfruttamento dei fenomeni derivanti dal riscaldamento solare come ad esempio i venti, dovuti ai movimenti d'aria tra  zone con temperature diverse, che possono cedere la loro energia facendo ruotare le pale di un elica, come una volta si faceva coi mulini a vento e ora nelle centrali eoliche.  O il vapore acqueo causato dal calore del sole che si alza e ricade in pioggia formando laghi e fiumi. L'energia che muove l'acqua verso il mare  può essere trasformata in energia elettrica (energia idroelettrica), come in buona parte già facciamo.

Oltre a questi esistono altri generatori di energie che si basano su fenomeni naturali come le emissioni geotermiche (ad esempio a Larderello (PI)), le maree, ecc. di minore importanza ma che comunque possono essere sfruttati localmente.

Risparmio energetico:

qualcuno ha detto che la mggior fonte di energia a nostra disposizione è il risparmio energetico. In effetti dissipiamo una enorme quantità di energia per niente.
A volte la quantità personale è molto piccola, magari poche decine di watt/ore ma moltiplicata per miliardi di persone diventano cifre spaventose. Ad esempio quella sprecata a tenere il TV in stand-by o a usare un frigo di vecchia generazione, o a tenere accesi i fari delle automobili in pieno sole estivo.

Ci sono abitazioni realizzate con criteri energetici che vengono riscaldate con meno di un decimo di energia usata nelle normali abitazioni. Pensate in termini economici quanto potete risparmiare sul riscaldamento. L' investimento iniziale è molto basso, il materiale isolante, come ad es. il poliuretano espanso,  necessario per un solaio costa poche decine di euro!

Le perdite sui grandi sistemi di distribuzione di energia elettrica può arrivare oltre il 50% (quindi paghiamo il doppio di quanto dovremmo),  usare generatori locali (ad esempio uno per  abitato o casa colonica, per fabbrica od anche per piccolo paese o quartiere), evitando le perdite sui lunghi cavi, permetterebbe già un incredibile risparmio, ancora maggiore se utilizzando tecnologie alternative. Anche solamente usare motori Stirling invece che diesel  permetterebbe di raddoppiare il rendimento, non solo ma anche la possibilità di usare combustibili alternativi. Per saperne di più clicca qui

La razionalizzazione dei trasporti, riutilizzando le vie d'acqua (fiumi e mari) dove non ci sia particolare necessità di una consegna rapida e migliorando l'efficienza del sistema ferroviario preferenzialmente a quello su strada,  permetterebbe anche quà un considerevole abbassamento dei costi e delle richieste energetiche. Provare a ripercorrere strade che sembrano obsolete con le tecnologie moderne può essere utile, ad esempio il volo con mezzi più leggeri dell'aria: il diriplano potrebbe avere sviluppi interessanti.

Alcune organizzazioni  hanno promosso  campagne per incentivare i consumatori a comperare prodotti locali, dove il costo del trasporto incide minimamente. Se comprate banane boliviane o arance argentine il costo del trasporto è maggiore di quanto venga pagato ai produttori là. Non si tratta di qualche euro soltanto, ma di qualche euro moltiplicato il numero dei giorni all'anno in cui li comperate moltiplicato il numero di persone che lo fanno come voi: centinaia di milioni di euro! Oltre ai residui di cherosene rilasciati nell'aria dagli aeroplani, l'inquinamento da diesel  dei camion e tutto il resto che ne consegue.  Certo di banane non ne troverete locali, ma prenderle dal Marocco invece che da paesi sudamericani significa già risparmiare moltissimi chilometri di trasporto. 

Le lampade a LED ci aiuteranno a ridurre i costi di illuminazione sia pubblica che privata. In alcuni comuni italiani, i più virtuosi, l' illuminazione pubblica utilizza già questo tipo di lampade, alcune collegate direttamente ad una propria cella fotovoltaica che ne assicura in funzionamento a costo 0!



Divertitevi a fare un calcolo, tanto per avere una idea: una lampada da 100 W accesa mediamente 12 ore (nell'arco dell'anno, meno d'estate e più d'inverno) x 365 giorni sono 438 kW/h ! 
Quande lampade ci sono nel tuo quartiere, paese o città? 100, 1000, 10000?   Certo le lampade a vapori di mercurio (quelle che fanno una luce verdastra) hanno un rendimento alto, ma i LED inviano la luce solo in una direzione (quella utile), a cosa serve illuminare le nuvole o la luna?

Il riciclo dei materiali costa molto meno della produzione delle materie prime, in termini di costo ma anche di energia utilizzata,  ad esempio estrarre l'alluminio   (utilizzato ad esempio per le lattine) dal minerale (bauxite), costa moltissimo perchè è fatto con l'energia elettrica per via elettrolitica, rifonderlo costa meno perchè e possibile farlo con energie termiche meno costose,  con un rapporto da 12-13 a 1 ( !) .
La stessa cosa vale per tantissimi altri materiali: oggetti ferrosi, apparati elettronici, vetro,  plastica, carta, piombo delle batterie auto,  fibre tessili ecc. L'industria del riciclo è in fortissima espansione, in quei paesi in cui si è avuto sufficiente intelligenza  a capire queste cose, quindi dobbiamo escludere per forza l'Italia. Non solo i costi e le richieste energetiche sono minori (e la conseguente emissione di anidride carbonica ), ma anche i rifiuti residui, in particolare quelli tossici, oltre ad essere una possibilità di lavoro per tante persone (5.000.000 come promette Obama per gli USA).

Questi sono a mo' d'esempio solo alcune possibilità di risparmio energetico. Se solo ci mettiamo a pensarci un po'  ne troveremo una infinità di altre.


Pagine correlate:
       Motori Stirling
       Ciclo dell'idrogeno
   
No al suicidio energetico! No al suicidio energetico!






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