Forme di energia, conversione ed efficienza

di Marco Rocchetto

Come è ben noto l’energia non si crea e non si distrugge, si può solo trasformare: è la prima legge della termodinamica, uno dei fondamenti della fisica moderna. La dinamo di una bicicletta per esempio – ma anche la turbina di una centrale idroelettrica – produce energia elettrica tramite campi magnetici variabili che inducono cariche elettriche a muoversi, generando elettricità. Elettroni in movimento possono illuminare una lampadina: l’attrito dei singoli elettroni che si crea all’interno del filamento di tungsteno genera calore che a sua volta genera luce.

Per chiarire il concetto di energia dobbiamo definire il significato di forza.  Una forza è in grado di mettere in moto un oggetto, può fermarlo, rallentarlo o accelerarlo. Essa può agire a distanza come la forza di gravità o quella magnetica (pensate alle calamite), oppure a contatto (come la spinta del pedale di una bicicletta). Prendiamo la forza di gravità come esempio. Punta sempre verso il centro della terra e genera sempre la stessa accelerazione su qualsiasi massa come Galileo dimostrò lanciando due oggetti di diverso peso dalla torre di Pisa. Un corpo che si trova ad una certa altezza rispetto al suolo ha energia potenziale, perchè se il corpo viene privato di qualsiasi vincolo esso cadrà verso il centro della terra, guadagnando energia cinetica e perdendo allo stesso tempo energia potenziale. Energia potenziale che si trasforma in energia cinetica. L’acqua contenuta nei ghiacciai rappresenta l’energia potenziale che verrà poi trasformata in energia cinetica quando i ghiacci si scioglieranno, formando torrenti. Questa energia cinetica potrà poi essere nuovamente trasformata in energia elettrica tramite le turbine di una centrale idroelettrica per esempio. Questo è un processo ad impatto ambientale quasi nullo, che sfrutta il ciclo dell’acqua per generare energia elettrica, senza danneggiare direttamente l’ecosistema.

Ma ci sono altre forze, e altri tipi di energia. C’è per esempio l’energia chimica contenuta in ogni molecola che corrisponde all’energia necessaria per creare (o distruggere) i legami tra atomi. Ci sono molecole che contengono legami più o meno energetici e che se distrutte possono generare più o meno energia. Il petrolio, il carbone, e i combustibili fossili in generale sono delle ottime fonti di energia perché quando vengono fatti reagire con l’ossigeno producono  un’immensa quantità di calore. In una centrale a carbone per esempio, il calore prodotto viene utilizzato per riscaldare l’acqua, trasformarla in vapore e mettere in moto una turbina che genera elettricità. Tuttavia come ben sappiamo il calore non è l’unico risultato della combustione di questi materiali, la combustione di petrolio e carbone produce infatti diversi gas serra dannosi per l’ambiente.

Un’altra importante fonte di energia è la radiazione elettromagnetica, e in particolare quella che arriva dal sole. Essa è sicuramente la fonte primaria di energia quando si guarda il nostro pianeta dall’esterno, come sistema isolato. Senza il sole l’unica forma di energia su cui la Terra potrebbe contare è il calore contenuto al suo interno, che sicuramente non basterebbe a mantenere la vita sulla terra. L’energia contenuta nei corsi d’acqua è in realtà energia rubata al sole: l’acqua evapora dagli oceani grazie alla radiazione solare e risale nell’atmosfera, per poi precipitare nelle montagne e ridiscendere a valle.

L’uomo ha imparato a trasformare l’energia a proprio vantaggio da millenni, quando ha iniziato ad utilizzare mulini e altri strumenti per produrre una quantità di lavoro equivalente all’energia di decine di uomini messi insieme. Ma è con la rivoluzione industriale e con la nascita della termodinamica come scienza teorica che si è iniziato a studiare i processi di trasformazione dell’energia.

I primi studi sulla termodinamica e su come sfruttare il calore per generare lavoro risalgono all’Ottocento, il secolo della rivoluzione industriale. Saudi Carnot (1769-1832) è uno dei padri fondatori della termodinamica ed è stato tra i primi a formalizzare il concetto per la quale qualsiasi processo di trasformazione di energia ha un’efficienza limitata, ossia inferiore al 100%. Egli ha sviluppato una macchina teorica che trasforma calore in lavoro con un’efficienza massima. Il teorema di Carnot ci dice che qualsiasi macchina termica non può avere un’efficienza maggiore della macchina di Carnot.  In altre parole trasformare energia ha un costo. Non esiste alcun processo di trasformazione che abbia un’efficienza pari al 100%, perchè parte dell’energia trasformata viene inevitabilmente dispersa nell’ambiente sotto forma di calore. Ogni processo di trasformazione non può quindi essere completamente invertito, a meno che non si spenda più energia di quanta ne venga prodotta. Questo significa che qualsiasi processo di trasformazione di energia ha un costo.

Il seguente grafico ci mostra come le diverse fonti energetiche primarie (nucleare, onde, maree e vento, carbone, petrolio, gas, biocombustibili e idrogeno, solare) vengono convertite nelle diverse forme di energia utili, o meglio “utilizzabili” (energia termica, meccanica ed elettrica).

efficienza1

Per ottenere elettricità dal petrolio per esempio (ma anche dal carbone, metano o biocombustibili) è dunque necessario bruciarlo, ottenendo energia termica. Il 10% di energia verrà disperso nell’ambiente, mentre il restante 90% potrà essere immagazzinato in una turbina che trasformerà il calore in energia meccanica, con un’efficienza del 60%. Infine, l’energia meccanica deve essere trasformata in elettricità tramite dei generatori elettrici, che hanno un’efficienza del 90%. Ne consegue che meno del 50% dell’energia primaria è effettivamente convertito in elettricità, mentre l’energia restante viene dispersa nell’ambiente sotto forma di calore.

Una delle soluzioni che avrebbero effetti immediati nella riduzione del consumo medio globale di energia sta nel migliorare l’efficienza delle centrali energetiche. In alcuni paesi per esempio si fa largo uso della cogenerazione, normali centrali elettriche a carbone (o altri combustibili) che riutilizzano il calore disperso nelle varie fasi per il riscaldamento di aree metropolitane circostanti.