Sistemi Energetici e Fonti di Energia: Funzionamento e Sostenibilità

L'Energia e la sua Importanza

L'energia è essenziale per tutti gli eventi che si svolgono nell'universo. Dal moto dei pianeti e delle stelle alle attività degli esseri viventi, passando per i movimenti tettonici, il ciclo dell'acqua e le correnti oceaniche: ogni fenomeno richiede energia per manifestarsi.

1. Uso dell'Energia

L'energia è una necessità vitale per l'attività di tutti gli organismi. Gli esseri umani, in particolare, hanno sempre utilizzato due forme distinte di energia:

• L'energia interna o endosomatica: corrisponde al consumo di energia necessario per il mantenimento e il funzionamento biologico del corpo umano.
• L'alimentazione esterna o esosomatica: corrisponde al resto del consumo energetico. È l'energia che utilizziamo per far funzionare dispositivi e macchine che ci forniscono luce, calore, trasporto e altri servizi essenziali.

2. Sistemi Energetici: Energia Primaria e Finale

Definiamo sistema energetico l'insieme di tutti i processi connessi all'energia, dalle fonti originali fino agli usi finali.

• L'energia primaria è l'energia che entra nel sistema per soddisfare una determinata domanda.
• Questa energia subisce una serie di trasformazioni a catena fino a quando non viene utilizzata dall'utente; questa fase finale è chiamata energia finale del sistema.

Le fonti di energia sono considerate risorse esistenti in natura sotto forma di energia primaria che, autonomamente o mediante processi tecnologici, forniscono una forma utile di energia finale per i bisogni umani.

3. Le Fonti Energetiche Non Rinnovabili

Sono quelle risorse che tendono a esaurirsi poiché vengono generate in cicli geologici estremamente lenti. Tra le fonti non rinnovabili si distinguono:

• I combustibili fossili: provengono dalla decomposizione di microrganismi, piante o animali sepolti milioni di anni fa.
• Elementi radioattivi: si trovano nella crosta terrestre come parte di alcuni minerali. La pechblenda, ad esempio, è un minerale che contiene uranio.

3.1. Petrolio

Il petrolio è una sostanza oleosa di colore bruno-nerastro costituita da una miscela di idrocarburi. La sua origine risale a milioni di anni fa, quando grandi masse di plancton e altri organismi marini si depositarono in aree ricche di sostanze nutritive.

Viene estratto tramite la perforazione di pozzi petroliferi, a cui segue il processo di raffinazione. Questo consiste in una distillazione frazionata del petrolio grezzo, che permette di ottenere diversi prodotti: residui solidi, olio pesante, olio combustibile, diesel, kerosene, benzina e prodotti gassosi.

3.2. Gas Naturale

Come il petrolio, nasce a seguito della decomposizione della materia organica all'interno della Terra. Corrisponde alla frazione più leggera degli idrocarburi ottenuta durante la decomposizione, che si presenta in forma gassosa. È composto principalmente da metano, ma può contenere anche etano, propano e altri gas.

Viene estratto tramite perforazione e trasportato generalmente attraverso metanodotti (condutture) o liquefatto in grandi navi cisterna. Viene immagazzinato in grandi serbatoi denominati gasometri sferici. Il gas naturale è usato direttamente come combustibile per il riscaldamento domestico e la cottura dei cibi.

3.3. Carbone

Il carbone si è formato quando grandi masse di vegetazione sono state sepolte sotto spessi strati di sedimenti, avviando un processo di carbonizzazione del materiale vegetale. Si distinguono diversi tipi di carbone in base alla concentrazione di carbonio:

• Antracite: 95% di carbonio.
• Litantrace: 80% di carbonio.
• Lignite: 70% di carbonio.
• Torba: 50% di carbonio.

Impianti Termici

I combustibili finora descritti sono di fondamentale importanza per il funzionamento delle centrali termoelettriche, che trasformano l'energia chimica dei combustibili in energia elettrica. In questi impianti, l'energia termica prodotta viene utilizzata per riscaldare l'acqua e produrre vapore. Questo vapore muove le turbine, trasmettendo il movimento al turbogeneratore, che produce l'elettricità.

3.4. Minerali Radioattivi

I minerali che contengono elementi chimici radioattivi vengono utilizzati per ottenere energia nucleare attraverso reazioni di fissione. Nelle reazioni di fissione, un nucleo pesante viene bombardato con neutroni e si divide in due nuclei più leggeri, liberando grandi quantità di energia. La fissione si verifica in genere con nuclei di uranio.

La fissione nucleare è una reazione a catena poiché, dalla rottura di un nucleo, emergono sia energia che nuovi neutroni in grado di provocare la fissione di altri atomi.

4. Effetti Associati alle Fonti Energetiche Non Rinnovabili

L'utilizzo di fonti energetiche non rinnovabili causa gravi impatti ambientali, sia per le alterazioni dell'ecosistema, sia per l'effetto della loro esauribilità, rappresentando un pericolo incombente per i prossimi decenni.

5. Le Fonti Energetiche Rinnovabili

5.1. L'Energia Idroelettrica

L'energia idroelettrica è prodotta sfruttando la caduta di masse d'acqua da un certo dislivello.

Impianti Idroelettrici

Le centrali idroelettriche sono progettate per produrre elettricità dall'energia idraulica. Richiedono un grande accumulo d'acqua; per questo vengono costruiti bacini e dighe che trattengono l'acqua e creano il dislivello necessario per la caduta.

5.2. Energia Solare

La quantità di energia proveniente dal sole che la Terra riceve in soli 30 minuti è equivalente all'energia elettrica consumata dall'intera umanità in un anno. La tecnologia attuale consente di sfruttare questo potenziale tramite l'energia termica o la conversione fotovoltaica.

Conversione Fotovoltaica

Consiste nella conversione diretta dell'energia solare in elettricità. Si utilizzano pannelli solari protetti da vetri antiriflesso. All'interno di questi pannelli si trovano le celle fotovoltaiche, costituite da wafer di silicio che agiscono come semiconduttori.

5.3. Energia Eolica

È l'energia del vento. Per secoli, gli esseri umani hanno utilizzato l'energia eolica per navigare o per macinare il grano nei mulini a vento. Attualmente, l'energia eolica viene sfruttata per produrre elettricità tramite le turbine eoliche (aerogeneratori), macchine con pale rotanti messe in moto dal vento e accoppiate a un alternatore.

5.4. Energia Mareomotrice

Si basa sullo sfruttamento delle correnti e delle maree. Affinché questo tipo di energia sia redditizio, devono esserci due condizioni fondamentali:

• La differenza di livello dell'acqua tra l'alta e la bassa marea deve essere molto elevata.
• Il rilievo della costa deve permettere la costruzione di dighe.

5.5. L'Energia Geotermica

È l'energia termica che proviene dall'interno della Terra. Il cambiamento di temperatura con la profondità è chiamato gradiente geotermico, che solitamente è di circa 3 °C ogni 100 m. Tuttavia, esistono aree con un'anomalia geotermica dove il gradiente è molto più alto, a causa del magmatismo regionale o della tettonica delle placche.

5.6. Biomassa

La biomassa è costituita da tutta la materia organica generata nei processi metabolici degli esseri viventi. Per secoli è stata la principale fonte di energia (legna). Attraverso diverse trasformazioni, è possibile produrre biocarburanti:

• La fermentazione aerobica genera alcol (bioetanolo).
• La fermentazione anaerobica produce il cosiddetto biogas, il cui componente principale è il metano.

7. Verso un Nuovo Sistema Energetico Mondiale

Attualmente, il sistema energetico mondiale è caratterizzato da:

• Predominanza di fonti energetiche non rinnovabili.
• Significativi impatti ambientali derivanti dalla raccolta e dall'uso delle fonti energetiche.
• Squilibrio nell'uso dell'energia: i paesi sviluppati consumano una quantità di energia drasticamente superiore rispetto ai paesi poveri.