Le energie rinnovabili

di Marco Rocchetto

La principale fonte di energia rinnovabile e sostenibile presente sulla terra è senza dubbio quella solare. L’energia incidente sulla superficie terrestre è infatti circa 8000 volte superiore al fabbisogno energetico mondiale (l’equivalente di 120 mila miliardi di Kilowatt!). La stragrande maggioranza di energie rinnovabili deriva direttamente o indirettamente dall’enorme quantità di energia che ci arriva dal sole. Il problema, come sempre, è trasformare questa forma di energia che ci arriva sotto forma di radiazione e calore in elettricità.   Ci sono diversi metodi per estrarre questa energia:

  • Sfruttando il calore diretto del sole e utilizzando panelli termosolari per generare calore
  • Utilizzando la radiazione solare e trasformandola in elettricità tramite pannelli fotovoltaici.
  • L’acqua evaporata dagli oceani grazie al riscaldamento solare ritorna in superficie tramite precipitazioni.  L’energia contenuta nei corsi d’acqua può essere trasformata in elettricità tramite impianti idroelettrici.
  • Il sole riscalda anche l’atmosfera, generando correnti. Le correnti d’aria sono inoltre la principale causa nella formazione di onde marine. L’energia eolica può facilmente essere estratta tramite pale eoliche, mentre l’energia contenuta nelle onde e nelle correnti può essere sfruttata utilizzando turbine sottomarine.
  • I biocombustibili vegetali, costituiti da materiale organico, racchiudono energia solare acquisita tramite fotosintesi clorofilliana (vedi articolo)

Altre fonti energetiche sostenibili includono le forze gravitazionali terra-sole e terra-luna, che provocano lo spostamento delle maree e l’energia termica contenuta all’interno del pianeta, chiamata geotermica. In questo articolo verranno esaminate le principali fonti di energia sostenibile, le principali tecniche di estrazione e l’effettiva efficienza e convenienza di questi metodi.

 

Energia idroelettrica

Come descritto nell’introduzione, l’energia idroelettrica è una forma indiretta di energia solare.  L’energia incidente riscalda ed evapora l’acqua del mare (ma anche di laghi e valli) che risale nell’atmosfera. Risalendo l’acqua si raffredda e condensa in nuvole per poi precipitare a valle. Parte di quest’acqua ricadrà negli oceani, parte in pianura e una parte negli altipiani e nelle montagne. In questo ciclo, l’acqua che ricade nelle montagne ha guadagnato energia potenziale. Gli impianti idroelettrici utilizzano questa energia potenziale intercettando i flussi d’acqua che ricadono verso il mare. In questi impianti l’acqua dei corsi d’acqua viene solitamente incanalata in bacini o serbatoi e fatta fuoriuscire in maniera controllata in turbine collegate a generatori elettrici.

La quantità di energia idroelettrica disponibile dipende evidentemente dalla presenza o meno di catene montuose e altipiani e dalla quantità di precipitazioni. In alcuni paesi montuosi dove le precipitazioni annuali sono elevate l’energia idroelettrica è una delle forme di energia più economiche. Molte industrie che richiedono grandi quantità di energia sono spesso locate in questi paesi per questa ragione.

Il principale vantaggio delle centrali idroelettriche a bacino è rappresentato dal fatto che lo stoccaggio di acqua consente di modulare facilmente la generazione di energia a seconda della domanda. Inoltre complicati algoritmi ottimizzano al massimo il funzionamento della centrale basandosi su previsioni metereologiche.

 

Energia eolica

Il vento è causato dallo spostamento di grandi masse di aria. Questi spostamenti sono a loro volta generati dal riscaldamento irregolare dell’atmosfera da parte del sole. L’aria presente nelle zone equatoriali è più calda rispetto a quelle presenti nelle alte (o basse) latitudini così che dall’equatore l’aria tenderà ad alzarsi nell’atmosfera e fluire verso nord (o sud) dove l’aria è più fredda. Prima di raggiungere i poli, all’altezza di circa 30 gradi Nord o Sud, l’aria comincia a raffreddarsi e ridiscendere verso la superficie. Le zone in cui l’aria ridiscende verso superficie sono zone di alta pressione, mentre le quelle in cui l’aria risale verso l’atmosfera sono zone di bassa pressione. Questo fronte di alta-bassa pressione determina l’iniziale forza e direzione del vento. Maggiore è la differenza tra le regioni ad alta e bassa pressione, maggiore è la forza che il fronte ad alta pressione genera sull’altro fronte, e maggiore è la forza e la velocità del vento.  La rotazione della terra interviene poi sull’evoluzione della direzione di moto del vento tramite la forza di Coriolis, creando i tipici flussi rotatori visti spesso nelle previsioni metereologiche.

Ci sono inoltre numerosi effetti locali che influiscono sulla velocità e direzione del vento. Uno degli effetti più importanti è quello che si incontra nelle coste, dove la differenza di temperatura tra la terra e il mare genera cambiamenti nel flusso dell’aria. Infine montagne, colline, foreste o deformazioni locali del terreno incidono in maniera notevole sulle caratteristiche del vento.

Il vento viene rallentato verso la superficie terrestre a causa delle forze di attrito presenti nel terreno. Dunque la velocità del vento aumenta con l’altezza rispetto alla superficie, raggiungendo il massimo a circa mille metri. Pale eoliche più alte riusciranno quindi ad estrarre più energia. Inoltre l’estrazione di energia può essere massimizzata in impianti posizionati fuori dalle coste (offshore), dove l’attrito del vento con la superficie è minore.

L’energia eolica è senza dubbio la più sviluppata e promettente forma di energia alternativa e rinnovabile.  Una singola turbina eolica moderna è in grado di produrre 180 volte più elettricità e a costo dimezzato rispetto all’energia prodotta dal suo equivalente di 20 anni fa. [1] L’Europa inoltre leader nello sviluppo delle tecnologie necessarie ad estrarre energie dal vento. Dal 1994 al 2005 l’energia estratta dal vento nell’unione europea è aumentata di 24 volte, passando dai 1,6 GW ai 40 GW del 2005, costituendo il 2,8 % dell’energia totale prodotta in UE. Il 69% degli impianti eolici installati nel mondo sono prodotti e costruiti da aziende europee.

Al giorno d’oggi gli impianti eolici offshore rappresentano una minima parte del mercato nonostante stiano iniziando a ricevere interesse negli ultimi anni. La maggiore quantità di energia estraibile fuori costa, dove il vento fluisce con più forza, sta spingendo i vari governi europei ad investire in questo campo, che rimane tuttavia tecnologicamente indietro rispetto agli impianti costruiti a terra.

 

Fotovoltaico e termoelettrico

La quantità di energia solare media incidente nella superficie terrestre è di circa 200 Watt per metro quadrato. Una quantità di energia relativamente bassa, così che per sfruttare in maniera sostenibile l’energia solare diretta è necessario costruire vasti impianti, in grado di raccogliere più radiazione possibile. Per generare 2,5 GW di energia per esempio, che equivale all’energia prodotta da una tipica centrale nucleare francese, sarebbe necessario costruire un impianto fotovoltaico di circa 12 km^2. Per l’ovvia variabilità dell’incidenza solare a seconda della regione terrestre, della stagione e delle condizioni atmosferiche, non tutti i luoghi sono adatti all’installazione di grandi impianti solari. Nelle zone ad alte latitudini, come il nord America o il nord Europa, l’irradiazione solare può scendere a 100 W medi al metro quadro. In questi luoghi l’utilizzo di piccoli impianti, installati nei tetti delle abitazioni, risultano più convenienti.

Ad oggi esistono due tecnologie per convertire la luce solare in energia. Il fotovoltaico usa semiconduttori per la conversione diretta di energia solare in energia elettrica. L’efficienza è tuttavia molto bassa, 12-18% utilizzando le celle attualmente in commercio. La seconda tecnologia è rappresentata dal solare termico, in cui l’energia solare viene prima trasformata in energia termica, solitamente in forma di vapore acqueo, e poi in elettricità tramite turbine e generatori di corrente. Per ottenere temperature adeguate, è necessario collimare i raggi solari. La collimazione può avvenire tramite singoli specchi parabolici che focalizzano la luce su un ricevitore (solitamente un condotto contente olio termico) che trasferisce il calore ad una centrale. In questo caso ogni specchio parabolico nella centrale funge anche da ricevitore. In alternativa è possibile utilizzare un’unica torre di ricevimento circondata da specchi che riflettono la luce solare concentrandola sull’unico ricevitore posto sulla torre.  Entrambe le tecnologie, fotovoltaico e solare termico, sono tuttavia ancora molto costose.

 

Energia mareomotrice

Finora abbiamo analizzato energie rinnovabili derivate direttamente o indirettamente dal sole. L’energia ricavabile dalle maree è invece determinata dai campi gravitazionali esistenti tra la terra,  il sole e la luna. Quest’ultima gioca il ruolo principale nello spostamento delle maree (più del doppio rispetto al sole) poiché si trova molto più vicina alla terra rispetto al sole.

Chiaramente la quantità di energia estraibile dai flussi di marea dipende dalla differenza di altezza tra alta e bassa marea e quindi questa risorsa energetica è principalmente accessibile dai paesi europei del nord – Inghilterra e Francia.

Il principale metodo di estrazione consiste nel creare dei bacini in cui l’acqua viene intrappolata nei periodi di alta marea tramite delle chiuse e fatta fuoriuscire in maniera controllata nei periodi di bassa marea. Maggiore è la differenza di altezza tra alta e bassa marea, maggiore sarà l’energia che è possibile estrarre tramite delle turbine quando l’acqua viene fatta fuoriuscire dal bacino.

La prima e forse più nota centrale mareomotrice a bacino si trova in Francia, a Rene, ed ha una capacità di 240 Megawatt. Gli enormi investimenti necessari per costruire questi impianti e i pesanti interventi ambientali necessari, rendono tuttavia difficile lo sviluppo di questo genere di impianti.

Una seconda e innovativa possibilità a minore impatto ambientale consiste nel sfruttare le correnti causate dalle maree, estraendo direttamente energia da questi flussi utilizzando delle turbine simili a delle pale eoliche sottomarine. Nonostante la velocità media di queste correnti sia molto bassa (circa 1 m/s), in presenza di stretti le velocità possono raggiungere 2-3 m/s e poiché le maree sono regolari e facilmente prevedibili, è facile prevedere l’energia media estraibile in un determinato luogo. Nonostante la velocità della corrente sia relativamente bassa rispetto a quella eolica, la maggiore densità dell’acqua rispetto all’aria permette di estrarre più energia dal flusso di marea che dal vento, a parità di dimensione della turbina.

 

Energia del moto ondoso

Il moto ondoso è principalmente causato dal trasferimento di energia dal vento alla superficie del mare. L’energia estraibile dalle onde è quindi di nuovo una forma indiretta di energia solare, e dunque sostenibile.

Una tipica onda racchiude una grande quantità di energia, con densità di circa 50kW per metro di fronte d’onda. La conversione di questa energia in elettricità richiede una struttura stabile che incorpora degli elementi in grado di muoversi relativamente ad essa sotto le forze esercitate dalle onde, producendo energia meccanica.

 

Energia geotermica

L’ultima forma di energia presa in analisi in questo articolo è unica nel suo genere e deriva dalla differenza di temperatura che c’è tra la superficie terrestre e gli strati più profondi del nostro pianeta.

La temperatura al centro della terra è infatti di diversi ordini di grandezza più elevata rispetto alla superficie, superando i 5000 °C. Questa energia termica deriva in larga parte dal decadimento radioattivo dei minerali (80%) e in piccola parte dal calore rimanente dalla formazione del pianeta (20%). Queste elevate temperature fanno sì che la roccia sia liquefatta creando un magma che riscalda le rocce e l’acqua nella crosta terrestre, con temperature che possono arrivare a 370 °C.  L’energia geotermica viene estratta utilizzando pompe di calore, in grado di trasferire energia termica dalla profondità alla superficie.

L’energia geotermica può essere sfruttata in modo diretto, soprattutto quando le temperature sono inferiori a 150 °C, come nei casi di riscaldamento di quartieri o piccole città, serre e stabilimenti industriali ittici, tramite tubazioni che trasferiscono il calore dal sito di estrazione al luogo di utilizzo.

È inoltre possibile convertire l’energia geotermica in elettricità, utilizzando tecniche simili alle normali centrali termiche a combustibile fossile, tramite turbine a vapore.