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ENERGIA RINNOVABILE. COSA SONO LE FONTI RINOVABILI, IL POTENZIALE GLOBALE, GLI IMPIANTI MIGLIORI

di Stefano Carnazzi

Le enormi riserve di combustibili naturali formatisi nel corso dell’evoluzione del nostro pianeta, che si sono conservate sedimentate nelle profondità della crosta terrestre per milioni di anni, le stiamo bruciando tutte in un secolo.

Petrolio, carbone e gas metano coprono oggi l’80% del fabbisogno energetico mondiale; un altro 6% circa è coperto da materiale fissile (essenzialmente uranio 235, ricavato dall’uranio naturale) in centrali nucleari. Il che vuol dire che i nove decimi del fabbisogno energetico globale sono tuttora coperti da fonti sporche, vecchie, esauribili e che solo la quota restante viene già da fonti di energia rinnovabili (idroelettrico circa 6%, biomasse, geotermico ed eolico assieme coprono il 5% circa). Il Key World Energy Statistics annualmente diffuso dalla IEA – International Energy Association – restituisce i termini di una questione di cui rendersi conto con una certa urgenza. Le fonti fossili sono destinate ad esaurirsi. Questo accadrà in un tempo, in scala storica, relativamente breve.

Quanto dureranno ancora le fonti fossili

Per esempio, ai ritmi attuali il carbone potrebbe durare ancora per un secolo. Forse il metano per due. Attualmente è previsto che il picco di produzione del petrolio arriverà in un lasso di tempo che va da 5 anni a 30 anni, se non è già stato sorpassato, dopo di che il suo prezzo comincerà a salire fino a diventare economicamente insostenibile. Per il carbone di qualità inferiore e per gli avanzi bituminosi ci sono tempi di approvvigionamento nell’ordine di uno o due secoli ma con maggiori problemi di rendimento energetico e di immissioni inquinanti in atmosfera già oggi scandalosamente problematiche.

Nel mondo, la domanda di energia cresce in continuazione. Al tempo stesso cresce anche la necessità di ridurre la CO2, combattere l’effetto serra e diminuire le emissioni in atmosfera di sostanze dannose per la salute, l’ambiente, e che alterano il clima. Due esigenze che sembrano difficilmente conciliabili.

Una possibile soluzione è la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.

Cos’è l’energia rinnovabile, cosa significa fonti rinnovabili

L’era dei combustibili fossili è al tramonto. Sta nascendo un regime energetico capace di incanalare la civiltà verso una strada radicalmente nuova”, afferma Jeremy Rifkin, presidente della Foundation on Economic Trends di Washington e docente alla Wharton School.

Si chiama energia rinnovabile l’elettricità prodotta con tutte le fonti alternative rispetto ai tradizionali combustibili fossili (petrolio, olio combustibile, carbone). Le fonti si chiamano rinnovabili perché si rinnovano, hanno la connaturata caratteristica di rinnovarsi, ovvero di non esaurirsi a causa delle loro trasformazione da parte nostra in energia fruibile. A ben vedere, il termine “energie alternative” è ingiusto, visto che nella storia è sempre stata l’energia del vento a sospingere le navi, l’energia dell’acqua a far girare i mulini, l’energia del sole a mettere in moto nuvole, piogge e venti, e la Terra a far crescere piante e alberi per il nostro nutrimento e per costruire case e rifugi, per darci cibo e legna da ardere.

Le rinnovabili sono fonti energetiche diffuse, sparse, insite nella forza degli elementi, nell’acqua dei fiumi e degli oceani, nel vento e nel sole. Sono fonti di energia anche il calore del sottosuolo, le colture agricole, le correnti sottomarine e i venti d’alta quota, le onde del mare. Sono inesauribili, oltre a richiedere processi di generazione elettrica con basso impatto ambientale e produrre emissioni di CO2 minime o nulle.

Lo sviluppo degli impianti da fonti rinnovabili consentirebbe di ridurre la dipendenza dai Paesi produttori di petrolio, di smettere di generare rifiuti pericolosi o difficili da smaltire, di dimenticare incidenti petroliferi, disastri in mare, rotture di piattaforme, oleodotti e condutture. La presenza diffusa delle fonti rinnovabili permette di pensare a un reticolato di generazione distribuita, che consente a sua volta di ridurre i costi per il trasporto dell’energia, di mantenere la ricchezza della produzione locale, e di non esportare capitali in Paesi lontani, in Medio Oriente o, peggio, nei Paesi che ospitano movimenti di terrorismo internazionale.

Secondo le previsioni IEA le rinnovabili arriveranno a fornire il 13,7% dell’energia primaria nel mondo per il 2030. Se i governi attueranno forme di incentivazione, arriveranno al 16%.

Il sole: fotovoltaico, solare a concentrazione, solare termico

Il sole è una stella G2 – un po’ più grande di una stella media. Nel suo nucleo, ogni secondo, 700 milioni di tonnellate di idrogeno si convertono in elio con reazioni di fusione nucleare, rilasciando un’energia pari a 386 miliardi di miliardi di megaWatt.

Il sole potrebbe rispondere in pieno alle esigenze energetiche dell’umanità? “Certo – rispose Hermann Scheer, l’artefice della politica energetica tedesca ai microfoni di LifeGate Radio – il sole proietta sulla terra ogni giorno 15.000 volte tanta l’energia che noi produciamo con il nucleare e con le altre fonti non rinnovabili”.

La superficie della Terra viene raggiunta da 170.000 TW (1 TeraWatt = 1milione di milioni di Watt) di energia solare.

Di questi 170.000 TW:

50.000 TW vengono riflessi dagli strati superiori dell’atmosfera;

30.000 TW vengono assorbiti dall’atmosfera;

90.000 TW arrivano alla superficie terrestre. Di questi 90.000 TW, la maggior parte viene riflessa dalla superficie oppure viene assorbita e riemessa. Una porzione invece si trasforma:

400 TW sollevano l’acqua dei mari sino alle nubi,

370 TW mettono in moto il vento,

80 TW vengono trasformati dalla fotosintesi delle piante.

Insomma, un immenso flusso di energia avvolge la Terra, si modifica e si trasforma. Raccogliere questa fonte di energia rinnovabile è la sfida, imparare ad intercettare almeno parte di questa cascata d’oro.

Il sole, dalla fonte rinnovabile all’energia elettrica

Oggi sono almeno quattro i sistemi per farlo:

– fotovoltaico, in cui la radiazione solare viene trasformata direttamente in energia elettrica mediante “celle solari al silicio”.

– solare termico, per riscaldare un liquido sia direttamente (i pannelli scalda-acqua diffusi nei Paesi mediterranei) che con pompa di calore;

– solare a concentrazione, termoelettrico-dinamico, con specchi che concentrano il calore su caldaie che vaporizzano l’acqua inviandola al turbogeneratore;

– solare passivo, in architettura, con la razionalizzazione delle forme, della struttura, dei materiali e degli orientamenti degli edifici per catturare e trattenere la maggior quantità di luce solare e di calore, o regolare il caldo e il freddo.

Sono in arrivo nuove centrali solari a concentrazione, celle fotovoltaiche più efficienti, versatili e colorate, moduli solari fotovoltaici trasparenti da incorporare nelle finestre e nei vetri degli edifici.

Il potenziale del fotovoltaico per la produzione mondiale di energia

Secondo la Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation, il 4% della superficie del Sahara coperto di pannelli fotovoltaici soddisferebbe i consumi energetici dell’intero globo.

Il vento: eolico ed eolico off-shore

Ne abbiamo 5,2 milioni di miliardi di tonnellate sopra e tutt’intorno a ognuno di noi. È aria. Un’inimmaginabile quantità d’aria che si muove in continuazione, circola, si riscalda e si raffredda in un rapporto di interscambio dinamico con gli oceani e le terre emerse in perpetuo.

Il vento è proprio questo. È il moto delle masse atmosferiche che vorticano incessantemente a livello planetario tra i dislivelli (il “gradiente”), dai campi d’alta pressione verso quelli a bassa pressione.

Lo strumento per trasformare in energia elettrica la “potenza nel vento” (i cui fattori sono la densità dell’aria, l’area intercettata dal vento, la velocità istantanea del vento) è l’aerogeneratore: la turbina eolica. Ne esistono di piccole, da mezzo metro di diametro (che possono generare 20 W, come la Marlec 500) e di grandi, fino a quelle di dimensioni gigantesche (un modello della Vestas che sprigiona 1650 kW ha un rotore di ben 120 metri di diametro, così come un modello della tedesca Repower).

I progressi nel disegno delle turbine eoliche degli ultimi vent’anni permettono a queste di operare anche a velocità del vento inferiori, imbrigliando una quantità maggiore di energia e raccogliendola ad altezze maggiori, aumentando la quantità di energia eolica sfruttabile e riducendo la velocità di rotazione, il rumore, l’impatto paesaggistico. Moltissimi territori potrebbero essere utilizzati per generare energia eolica in aree scarsamente popolate, regioni ventose come le grandi pianure del Nord America, il nord-ovest della Cina, la Siberia Orientale e le regioni argentine della Patagonia, oltre all’enorme potenziale degli impianti offshore. Uno dei massimi studiosi mondiali di scienze ambientali, Lester Brown, è convinto che sia suo il prossimo futuro energetico: “il vento è abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non danneggia il clima ed è pulito”.

Il vento, dalla fonte rinnovabile all’energia elettrica

Le diversissime tipologie di impianti eolici corrispondono alle necessità di adattamento al territorio:

– impianti eolici di terraferma, con filari di turbine su terreni e dorsali lievemente sopraelevate;

– impianti eolici offshore, su cui si è spostata l’attenzione perché il vento in mare è più intenso e meno turbolento che sulla terra, con effetti vantaggiosi sia sulla energia prodotta, che è l’aspetto più importante, sia sulla durata delle turbine… E le prospettive future fanno prevedere nei prossimi anni installazioni poggiate sui fondali fino a qualche centinaio di metri di profondità (oggi si arriva ad alcune decine di metri) e, successivamente, centrali eoliche su piattaforme ancorate al fondo marino;

– mini-turbine, integrate architettonicamente negli edifici o in strutture portuali (su cui si sono impegnati grandi architetti da Dubai a Londra, da Philippe Starck a Renzo Piano).

Il potenziale dell’eolico per la produzione mondiale di energia

Secondo gli esperti del World Watch Institute, i soli venti di terraferma sistematicamente e strategicamente sfruttati potrebbero già fornire energia pari al quadruplo del fabbisogno energetico globale.

Cioè, il vento, da solo, può dare al mondo tutta l’energia che oggi consumiamo, e ne avanzerebbe tre volte tanta. Senza contare i venti d’alto mare, che sono ancor più forti, stabili e promettenti.

In uno studio per quantificare le risorse d’energia eolica mondiali chiamato Wind Force 12 la European Wind Energy Association conclude che il potenziale mondiale d’energia generabile dal vento sarebbe addirittura il doppio della domanda d’elettricità mondiale prevista per il 2020.

L’acqua: idroelettrico e mini-idro

L’acqua copre il 71% della superficie della Terra e occupa un volume enorme, impossibile persino da immaginare. Un miliardo e mezzo di chilometri cubi.

Tutte le acque del pianeta, degli oceani, dei fiumi, del sottosuolo e dell’atmosfera, sono connesse tra loro. Ovunque le acque circolano e si rinnovano nel tempo. I tempi medi di questo scorrere sono davvero diversi. Una singola molecola d’acqua permane nelle più profonde falde sotterranee in media per millenni; negli oceani si prolunga per centinaia d’anni; in atmosfera non supera i 4 giorni.

La complessa dinamica che connette tutti i 1.400 miliardi di chilometri cubi di acque del pianeta si chiama ciclo idrogeologico.

Si chiama invece ciclo idrologico la dinamica delle sole acque che circolano in atmosfera – circa 577.000 kmc, non più dello 0,000041% dell’idrosfera totale Ma sufficienti ad ammantare tutto il globo, a determinare le condizioni meteorologiche, il clima e la vita della Terra.

Le acque atmosferiche si rinnovano totalmente ogni anno ben 40 volte.

A una visuale macroscopica, è questa avvolgente, inquieta, poderosa spinta – innescata dalla radiazione solare che impedisce alle acque di rimaner stagnanti – che si canalizza in fiumi, torrenti, piogge, evaporazioni, a dover essere imbrigliata per la sua trasformazione in energia. È il perenne movimento dell’acqua che si trasforma.

Un’indicazione sommaria del suo potenziale nel mondo si può evincere dalla carta delle acque di superficie, cioè dalle masse d’acqua in circolo e in moto per precipitazioni annuali:

Nord America: 18.300 kmc

Sud America: 28.400 kmc

Europa: 8.290 kmc

Africa: 22.300 kmc

Asia: 32.200 kmc

Australia: 7.080 kmc.

Ogni continente ha migliaia di chilometri cubi d’acqua in movimento, solo sotto forma di piogge. Di queste, il run off (cioè le acque che restano, che non rientrano in circolo per evaporazione) varia dal 45% di Nord America e Asia al 20% dell’Africa (dove la quota d’evaporazione è la più alta).

L’acqua, dalla fonte rinnovabile all’energia idroelettrica

Si definisce un impianto idroelettrico l’apparato ingegneristico-costruttivo costituito dal complesso di opere idrauliche, macchinari e apparecchiature con cui si trasforma l’energia potenziale dell’acqua in energia elettrica.

Le centrali idroelettriche possono essere di due tipi: ad acqua fluente, quando sfruttano direttamente la portata di un corso d’acqua; oppure ad accumulo, quando sfruttano un bacino di raccolta a monte della centrale che permette di incanalare la portata d’acqua desiderata.

Da un dossier presentato dall’Istituto Ambiente Italia risulta che le grandi dighe nel mondo (quelle alte più di 15 metri) siano 50.000, concentrate per il 67% in Cina, Turchia, Iran e Giappone. A causa di queste dighe, tra i 40 e gli 80 milioni di persone sono state costrette all’esodo forzato, oltre 35 milioni solo in India. Praticamente una nazione più vasta dell’Italia è stata evacuata e distrutta; anzi, sommersa. La soluzione per ottenere energia idroelettrica non è quella delle grandi dighe, ma la costruzione di “mini-idro”, piccole turbine collocate ai margini dei fiumi che restano liberi di scorrere.

Il potenziale dell’acqua per la produzione mondiale di energia

Dighe e deviazioni di fiumi sono operazioni molto problematiche e a volte inaccettabili, oggi, sotto il profilo sociale e ambientale. Ma l’acqua può significare anche energia dalle onde, dalle maree, dalle correnti sottomarine. Vi sono allo studio vari sistemi – ponti sospesi sulla riva che ondeggiano, colonne di metallo infilate nel mare come giganteschi barometri, pompe, boe, catini, scivoli parabolici per intensificare i getti d’acqua – per sfruttare il moto ondoso che essendo in continuo e inquieto movimento, si ritiene possa generare energia utilizzabile. Vi sono poi enormi masse d’acqua che si muovono a velocità costante sotto i mari: lo Stretto di Messina, le Bocche di Bonifacio, lo Stretto di Gibilterra… I norvegesi e gli inglesi hanno condotto alcuni esperimenti, affondando semplicemente in acqua degli aerogeneratori modificati per resistere alla corrosione, ma una pala di derivazione aeronautica non è certo adatta allo scopo: le eliche navali sono sensibilmente diverse da quelle aeree. Qui si tratta di flussi d’acqua enormi che scorrono a bassa velocità; l’esatto opposto dell’eolico, laddove il fluido (l’aria) ha bassa densità ed alta velocità. E, per le maree, nel nord della Francia, in Bretagna, sull’estuario del fiume Rance nei pressi di Saint Malò è stata realizzata una grande centrale a energia delle maree, inaugurata nel 1966. La prima al mondo. In questa località il dislivello elevato raggiunto dalle maree consente la caduta – di alcuni metri – di grandi masse d’acqua, permettendo così di trasformare l’energia cinetica delle maree in energia elettrica.

La terra: geotermico

Se potessimo fare un pozzo profondo 6.400 km verso il centro della Terra, troveremmo un nucleo di ferro e nichel di circa 6.000° C. Eccolo, il calore delle acque termali e dei geyser. Il termine geotermia deriva dal greco “gê” e “thermòs”: il significato letterale è dunque calore della Terra. Per energia geotermica s’intende quella racchiusa, sotto forma di “calore”, all’interno della Terra.

L’origine di questo calore è in relazione alla natura intima e recondita del nostro pianeta e ai processi fisici che vi hanno luogo. Un calore presente in quantità enorme, incalcolabile, inesauribile.

Il calore interno si propaga con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 Watt per metro quadrato. Il gradiente termico, cioè questo scalar progressivo di temperatura, è in media di 3° C ogni 100 m di profondità, ossia 30° C ogni km. Se si perfora per un km, là sotto ci sono 30° C in più.

Dai suoi strati più profondi sale in superficie un lento, continuo calore. Il suo strato superficiale, fertile, alimenta raccolti agricoli il cui impiego a fini energetici è divenuto oggi una sfida, a tratti problematica.

La Terra è ammantata di foreste, fa nascere piante che ci alimentano e ci danno materiali per costruire. Ci dà calore. Un ambiente vitale che produce e riproduce, da milioni di anni, piante, alberi, vita. Ma solo un uso molto più attento, razionale, intelligente, “distillato” di queste risorse può assicurare un futuro sostenibile.

Le centrali geotermiche trasformano questo calore in elettricità in diversi modi, riassumibili nel processo di spinta del vapore verso turbine generatrici.

Il calore della Terra: dalla fonte rinnovabile al riscaldamento domestico

Oggi si contano in 22 Paesi del mondo molti impianti geotermici di dimensioni rilevanti – per una potenza complessiva di quasi 10.000 MW, con una produzione di energia elettrica di oltre 50 TWh. In posizioni di preminenza USA, Nuova Zelanda, Italia, Islanda, Messico, Filippine, Indonesia e Giappone.

Per l’uso finalizzato alla produzione d’elettricità è stimato un potenziale 10 volte superiore all’attuale.

La geotermia porta con sé però la necessità di impianti ingegneristicamente complessi e impattanti. Anche qui, la soluzione sembra essere nella parola mini. La tecnologia delle pompe di calore e del teleriscaldamento potrebbe portare nelle case di molti Paesi del mondo acqua calda e tepore domestico evitando la necessità di caldaie, di impianti di riscaldamento e di climatizzazione. Il potenziale energetico delle acque calde per usi termici è assai ampio e diffuso in Europa, in Asia, nell’America Centrale e Meridionale. Cioè, a parte la produzione di elettricità, a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili diversi impieghi, serre in agricoltura (38-80 °C), teleriscaldamento (80-100 °C), usi industriali (almeno 150 °C), termali.

C’è energia geotermica solo dove soffiano geyser o campi boraciferi? No. La temperatura della terra aumenta con la profondità indipendentemente dal luogo. Si tratta di avere un impianto per portare questo calore in superficie. Il calore accumulato nel terreno può essere “portato su” con una pompa di calore, all’interno delle case, a mo’ di riscaldamento.

A una pompa di calore possono allacciarsi più unità abitative. Più edifici si allacciano allo stesso sistema, più si dividono i costi della pompa (la cui grandezza dev’essere scelta in base al numero di chi ne usufruisce) e più si risparmia, nel caso “terra-acqua”, sui costi di trivellazione per la sonda che viene mandata sotto terra a 30-50 metri, dove si hanno temperature costanti.

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