martedì 22 marzo 2016

L'Energia Pulita è sufficiente per il nostro sostentamento?

 Circa un mese fa abbiamo parlato dei Combustibili Fossili, sostanze che tutti utilizziamo direttamente o indirettamente tutti i giorni e che danneggiano il pianeta. In passato abbiamo anche analizzato l'Effetto Serra, fenomeno pericolosamente alterato dal consumo di Petrolio e Carbone. Oggi invece voltiamo pagina e affrontiamo il tema dell'Energia Pulita, ovvero di tutte quelle fonti di energia che non minacciano il nostro benessere a lungo andare. Negli ultimi decenni si è parlato spesso di ridurre il nostro impiego di Petrolio ed Energia Nucleare, ma possiamo davvero farne a meno? L'Energia Pulita è sufficiente a garantirci lo stesso stile di vita o quando il Petrolio sarà finito dovremo rinunciare alle nostre comodità?

Quali fonti di Energia sono Pulite?

 Con "Energia Pulita" intendiamo tutte quelle fonti energetiche che non danneggiano il pianeta. Non c'è bisogno di definizioni più precise: oggi persino un bambino sa che il Petrolio inquina e i pannelli solari no, quindi non concentriamoci eccessivamente su questo punto.

 Prima di entrare nel vivo della questione è opportuno chiedersi qual è la potenza necessaria al nostro sostentamento. Ovvero, quanta energia consuma l'umanità ogni secondo? In rete si trova come valore di riferimento la potenza media consumata dall'uomo nel 2004: 15 TW (ovvero quindicimila miliardi di watt). Niente male se paragonato alle nostre lampadine da 60 Watt che usiamo di solito, no?

 In sostanza si tratta di capire se in natura sia possibile estrarre 15 TW *(si legge "TeraWatt") di potenza senza turbare il pianeta. Oggigiorno i progressi in questo campo sono piuttosto lenti. Basti pensare che l'86% di quei 15 TW consumati nel 2004 provenivano da Petrolio, Carbone e Gas Naturale. Ad ogni modo, il fatto che gran parte di quell'energia provenisse da Combustibili Fossili non significa che non sia possibile reperirla da altre fonti.

 Nella nostra ricerca ci occuperemo di:
  • Energia Geotermica
  • Energia Eolica
  • Energia Idroelettrica
  • Energia Solare
Ovvero di quasi tutte le principali fonti di energia pulita e rinnovabile.

Energia Geotermica

Il 30% dell'Energia dell'Islanda è di origine geotermica
 Consiste nello sfruttare le elevate temperature del suolo per vaporizzare dell'acqua. Il vapore acqueo passa quindi attraverso una turbina e la aziona. Il moto della macchina viene quindi convertito in energia elettrica (si tratta di un procedimento relativamente semplice, sfruttato anche nelle centrali nucleari, ma non ce ne occuperemo adesso).

 Non mi soffermerò troppo su questa forma di Energia Pulita, in quanto è consultabile un dettagliatissimo studio del MIT sull'impiego di quest'ultima per soddisfare il fabbisogno energetico dell'umanità. Per farla breve, questo afferma che disponendo delle tecnologie adatte sarebbe possibile sostenere l'umanità con la sola Energia Geotermica per quattro millenni!

 Il problema sta proprio nel fatto che attualmente la trivellazione richiesta per poter accedere a questa fonte di energia pulita è particolarmente costosa, al punto da non renderla più così appetibile. Non è da escludere però che in futuro vengano sviluppate tecnologie che abbattano questi costi, aprendo letteralmente una nuova era.

 Ad ogni modo, l'energia geotermica non è esente da problemi. Uno dei quali, a mio parere, è legato al fatto che non tutti i paesi hanno accesso al calore del sottosuolo. Se l'umanità si ritrovasse a dover tirare a campare solo col geotermico alcune nazioni sarebbero notevolmente avvantaggiate, forse persino in misura maggiore di quanto già non accada per i combustibili fossili. È chiaro quindi che lo scenario di un mondo sostenuto solo da questa forma di energia sarebbe del tutto imprevedibile da un punto di vista strettamente politico... ma noi ci occupiamo di fisica, quindi ora basta divagare e torniamo alle Energie Pulite ;-)

Energia Eolica

Più del 40% dell'Energia della Danimarca è di origine eolica
 Una cosa è certa, a differenza dell'energia geotermica, tutti i paesi hanno a disposizione del vento con cui far ruotare le pale eoliche, quindi se l'umanità potesse essere sostenuta solo con l'Energia Eolica si potrebbero evitare i problemi politici a cui abbiamo accennato prima. Resta da vedere se sia effettivamente possibile campare solo con la forza del vento...

 Per rispondere a questa domanda è possibile consultare quest'altro studio, secondo il quale è possibile estrarre circa 80 TW dal vento. A dire il vero non c'è un accordo unanime riguardo a quanta potenza possa essere ricavata con le pale eoliche, ma tutte le stime riportano un valore ampiamente superiore a 15 TW. Anzi, considerando i venti ad alta quota (molto più intensi di quelli a cui siamo abituati) e supponendo di disporre di una tecnologia sufficientemente sviluppata per sfruttarli si potrebbe pensare di arrivare a diverse centinaia di TeraWatt! Non a caso la produzione di Energia Eolica è in rapidissima crescita (25% annuo).

 Purtoppo però anche il settore eolico è soggetto a un problema fondamentale: il vento non è sempre presente, e in generale fornisce energia in maniera molto discontinua. Questo non è un ostacolo al momento: se c'è vento allora c'è energia in abbondanza, e se non c'è vento si può attingere a qualche altra fonte di energia. Il punto è che la variabilità e l'imprevedibilità del vento sono tali da impedire a una nazione di fare affidamento principalmente sull'Energia Eolica
Energia Idroelettrica

Una centrale idroelettrica in Norvegia
 Si tratta dell'energia elettrica prodotta da una turbina che viene azionata dal fluire di un corso d'acqua. In Italia, l'Energia Idroelettrica è la principale risorsa rinnovabile sfruttata, arrivando a coprire il 15% del totale (e in generale è l'Energia Pulita più sfruttata).

 Tuttavia, è molto difficile riuscire a stimare quanta potenza sia possibile estrarre globalmente dai corsi d'acqua e dai bacini idrici. Possiamo però limitarci ad alcune considerazioni: stando ai dati forniti dall'International Energy Agency, nel 2014:
  • Il Canada ricava il 60% della sua energia elettrica dal settore idroelettrico
  • Il Venezuela il 64,8%
  • Il Brasile il 75,2%
  • La Norvegia addirittura il 96,7%
 D'accordo, l'elettricità non sarà l'unica forma di energia che ci occorre, ma questi numeri parlano chiaro riguardo alle potenzialità di questo settore. Notiamo però che si tratta solo di paesi con numerosi laghi e corsi d'acqua, il ché fa pensare che esista una disparità tra i territori più ricchi di acqua corrente e quelli che ne sono sostanzialmente privi.

 Ad ogni modo, se siamo restii a convincerci che l'Energia Idroelettrica possa diventare la principale fonte di sostentamento energetico dell'umanità, possiamo almeno accettare il fatto che è un'importante frazione di elettricità possa essere estratta dal moto dell'acqua. 

Inoltre, proprio come per l'Energia Eolica, tutti i paesi hanno accesso a fiumi o bacini idrici, per cui sfruttando principalmente questa fonte non si incorrerebbe nei problemi politici che abbiamo già incontrato. Considerando infine che i costi per una centrale idroelettrica sono molto più accessibili di quelli della trivellazione richiesta per le centrali geotermoelettriche, possiamo concludere   che l'Energia Idroelettrica sia alla portata di qualunque paese che controlli sufficienti risorse idriche.

Energia Solare

 Confesso che non vedevo l'ora di arrivare a calcolare quanta dell'incredibile potenza erogata dal Sole è a nostra disposizione. Si tratta di un conto relativamente semplice, che affrontiamo per punti:
  1. La temperatura superficiale del Sole è di 5777 gradi Kelvin.
  2. Possiamo trattare in buona approssimazione il Sole come se fosse un corpo nero. Ciò ci consente di sfruttare la Legge di Stefan-Boltzmann (presente nell'articolo linkato) per calcolare la potenza per metro quadro emessa dalla stella. Questa risulta essere pari a circa 63 milioni Watt per metro quadro, che moltiplicata per la superficie solare (6 miliardi di miliardi di metri quadrati) permette di ottenere la potenza totale emessa dalla nostra stella: circa 380000 miliardi di TeraWatt!
  3. A questo punto dobbiamo stimare quanto viene dispersa questa potenza prima di raggiungere la Terra. Anche qui si tratta di un conto piuttosto semplice: basta confrontare la superficie illuminata della Terra con quella della sfera che ha come centro il Sole e come raggio la distanza Terra-Sole (infatti la potenza erogata dalla stella si distribuisce uniformemente su questa sfera immaginaria). La superficie della Terra illuminata è pari a metà della crosta terrestre: circa 250 milioni di kilometri quadrati. La sfera con cui va confrontata ha invece l'incredibile superficie di 282600000000 milioni di kilometri quadrati.
  4. Per trovare la potenza per metro quadro che arriva sulla Terra è sufficiente moltiplicare la potenza per unità di superficie emessa dal Sole per il rapporto tra le due superfici appena calcolate. Quello che si scopre è che sul pianeta arrivano più di 30 000 TeraWatt!
  5. Di questi un buon 30% viene assorbito dall'atmosfera **(sono in fase di progettazione delle centrali solari orbitanti, non soggette a due di questi problemi, ma particolarmente costose da realizzare) , ma si capisce al volo che la potenza fornita dal Sole è incommensurabilmente più elevata di tutte le altre forme di Energia Pulita che abbiamo trattato.

I problemi a cui è soggetta l'Energia Solare sono principalmente tre:
  • Per quanto abbondante, l'Energia Solare non è affatto economica da sfruttare, ma richiede un importante investimento nella costruzione delle strutture adatte a convertirla in energia utilizzabile.
  • Non è uniforme, in quanto l'intensità ***(e quindi la potenza) dei raggi solari è maggiore all'equatore e minore ai poli.
  • Non è sempre sfruttabile. Come accade per l'Energia Eolica, ci sono momenti in cui il Sole non fornisce energia (come di notte) o ne fornisce troppo poca (quando il cielo è coperto).
 Insomma, anche se estremamente abbondante, l'Energia Solare è soggetta a vincoli non indifferenti.

  Ed eccoci alla fine di questo articolo sulle Energie Pulite. In realtà varrebbe la pena di analizzare altre due forme di Energia Pulita e Rinnovabile: l'Energia Marina (la cui potenza è davvero interessante) e quella estraibile dalle Biomasse. Tuttavia, abbiamo già tutto quello che ci occorre per rispondere alla nostra domanda iniziale: è possibile continuare a campare con le sole Energie Pulite? Quindi non appesantiamo ulteriormente l'articolo!

Conclusioni

 Oggi ci siamo occupati di rispondere a una domanda precisa: è possibile mantenere il nostro stile di vita facendo affidamento solo sulle Energie Pulite? Per risponderci abbiamo individuato un valore di riferimento: 15 TeraWatt, ovvero la potenza media consumata dall'umanità nel 2004. Delle fonti energetiche che abbiamo considerato possiamo riassumere:
  • L'Energia Geotermica è ampiamente in grado di soddisfare il nostro fabbisogno energetico, ma richiede costi notevoli e non è a disposizione di tutti.
  • L'Energia Eolica non può essere la principale fonte di energia di un paese, in quanto estremamente variabile. Tuttavia può essere comunque utilizzata per fornire un sostanzioso apporto energetico.
  • L'Energia Idroelettrica è certamente in grado di garantire un sostegno energetico costante. Tuttavia è difficile stabilire se possa da sola soddisfare il fabbisogno energetico dell'umanità. Ad ogni modo, questa si è dimostrata in grado di poter fornire dal 60% al 100% dell'energia elettrica di diversi paesi sviluppati e ricchi di risorse idriche.
  • L'Energia Solare è così abbondante da ridicolizzare gli sforzi fatti per stimare l'energia estraibile dalle altre fonti rinnovabili. Tuttavia questa non è esente da problemi - in primis economici - che la rendono difficilmente accessibile ai paesi meno abbienti.
 In definitiva? È realmente possibile campare solo con l'Energia Pulita e Rinnovabile?

Assolutamente sì

 Se è pur vero che nessuna delle quattro fonti rinnovabili che abbiamo considerato si è rivelata in grado di soddisfare il fabbisogno energetico dell'umanità, è evidente che una loro combinazione può riuscirci senza difficoltà. 
Grazie per aver letto fin qui,
Giulio 



Immagini tratte da:
www.iferronline.com
blog.zingarate.com
www.copenaghen.net
www.rinnovabili.it 
www.nationalgeographic.it 

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