E' la grandezza fisica la quale misura la capacità di un sistema, fisico o chimico o di altra natura, atto a produrre lavoro. Le grandezze di energia e lavoro sono state definite rigorosamente tra la fine del XVIII secolo e la metà del XIX quando, con l'introduzione della macchina a vapore, era divenuto importante calcolare e misurare in termini quantitativi, specificatamente per fini economici, che cosa si otteneva dalle macchine in proporzione al combustibile utilizzato. L'uscita dalle macchine è composta dal lavoro meccanico, misurato come "prodotto di una forza per uno spostamento", ottenuto a spese d'una eguale quantità d'energia consumata.

TIPI DI ENERGIA

La primissima forma di energia impiegata dall'uomo fu, ovviamente, l'energia muscolare prodotta dal proprio corpo. In seguito l'uomo utilizzò l'energia termica, generata dal fuoco, per cuocere i propri cibi. Poi si impiegò l'energia muscolare degli animali (bestie da soma), per il lavoro e per il trasporto di persone e merci. L'energia del vento, o energia eolica, fu in seguito impiegata per la navigazione, mentre l'energia idraulica per sollevare acqua e altri materiali, oltre che per azionare i mulini ad acqua e così via sino all'avvento delle prime macchine a vapore.
Quest'ultime producevano lavoro, cioè energia meccanica, a in cambio dell'energia chimica della legna e del carbone fossile, trasformati in energia termica (in pratica calore) dalla loro combustione. Il progresso della tecnica, legato alla "rivoluzione industriale", richiese sempre maggiori quantitativi d'energia e quindi l'avvento di nuove macchine, come la turbina a vapore e il motore a scoppio.
All'inizio del secolo scorso l'aumento della produzione industriale si legò all'uso sempre più vasto d'una nuova forma di energia: l'energia elettrica. Oggigiorno essa viene prodotta nelle centrali elettriche a spese di altre forme di energia, principalmente energia di caduta dei salti d'acqua (energia idroelettrica), energia termica prodotta dalla combustione di carbone o oli combustibili (energia termoelettrica) o dalla fissione dell'uranio o di altri elementi radioattivi (energia elettronucleare).
La maggior parte dell'energia disponibile sulla Terra sarebbe di origine solare, ad eccezione dell'energia che si estrae dai combustibili nucleari (uranio e torio), dell'energia geotermica, dovuta al raffreddamento del nucleo terrestre e dell'energia delle maree, dovuta all'attrazione lunare sull'acqua del mare.
Il Sole rappresenta la fonte di energia per eccellenza della Terra e degli altri pianeti. La sua energia ha origine nel nucleo come energia di fusione termonucleare e, alla fine, viene emessa per la maggior parte per irraggiamento nello spazio sotto forma di energia elettromagnetica, che per la maggior parte è energia luminosa. E sotto questa forma, come luce e calore, che essa raggiunge i pianeti, i satelliti e tutti i corpi minori del Sistema Solare. Tramite l'azione di fotosintesi della luce solare, le piante cambiano l'energia prodotta dalla nostra stella, trasformandola da energia chimica in materiale vegetale, la quale, in tempi geologici, si trasforma in combustibile fossile solido (carbone), liquido (petrolio), gassoso (metano). L'energia del Sole, attraverso l'evaporazione di grandi masse d'acqua e la successiva precipitazione e raccolta in bacini, è alla base dello sfruttamento dell'energia potenziale e cinetica dell'acqua dei bacini montani o dei corsi d'acqua: energia idraulica in questo caso si trasforma successivamente in energia idroelettrica nelle centrali ideolettriche. Ed è ancora l'energia raggiante del Sole che fa muovere le grandi masse d'aria dell'atmosfera, chiamata energia eolica.
Come accennato in precedenza, il Sole sostiene pure il ciclo organico attraverso i processi di fotosintesi clorofilliana dei vegetali, rendendo così possibile l'alimentazione degli animali e dell'uomo, consentendo in questo modo l'assunzione di energia chimica attraverso il cibo in modo da sostituire regolarmente l'energia muscolare consumata nell'attività umana.
Inoltre il Sole controlla pure le condizioni climatiche, in particolare la temperatura superficiale dei pianeti. Sul nostro pianeta esso controlla sia la temperatura dell'atmosfera sia quella della superficie (mari e terra), le quali hanno permesso l'instaurarsi e permettono la prosecuzione della vita. L'energia raggiante solare che raggiunge la Terra rappresenta una fonte primaria di energia, che ha il vantaggio di essere praticamente inesauribile, almeno per il metro umano. Si tratta pertanto di un'energia rinnovabile.
Infine si deve sottolineare la classificazione delle fonti di energia in fonti rinnovabili e fonti non rinnovabili.

FONTI DI ENERGIA NON RINNOVABILE

Energia primaria
A differenza dell'energia solare, la quale raggiunge quotidianamente il nostro pianeta, sono fonti di energia primaria non rinnovabile: l'energia chimica immagazzinata per l'azione del Sole nei milioni d'anni trascorsi immagazzinata combustibili fossili; l'energia nucleare immagazzinata nei materiali radioattivi fissili (uranio e torio). Tra le fonti primarie di energia un posto a sé viene attribuito all'energia di fusione nucleare la quale potrà essere ottenuta in futuro da una miscela di deuterio e trizio, due isotopi dell'idrogeno contenuti nell'acqua di mare in misura praticamente inesauribile. L'energia delle fonti primarie non può generalmente venire utilizzata immediatamente, ma dev'essere trasformata in altre forme di energia quali costituiscono le cosiddette fonti secondarie di energia. Energia secondaria
La fonte secondaria di energia maggiormente impiegata è l'energia elettrica, nella quale si trasforma l'energia della maggior parte delle fonti primarie. L'energia chimica dei combustibili fossili, solidi o liquidi, viene preliminarmente trasformata in energia termica mediante combustione e successivamente in energia elettrica, nelle centrali termoelettriche. Queste comprendono: una o più caldaie per la produzione di vapore, con re-lativi sistemi di combustione, un condensa-tore di vapore, un sistema di afflusso e di deposito del combustibile. Se il combustibi-le è carbon fossile, esso perviene attraverso un raccordo ferroviario a un deposito e suc-cessivamente viene ridotto in polverino per essere bruciato nella caldaia. Se il combu-stibile è liquido, esso giunge mediante car-ri cisterna, o navi, o mediante un oleodotto e viene accumulato in serbatoi. Se è gas-soso (metano o altri idrocarburi), giunge at-traverso un gasdotto e viene accumulato in serbatoi. Il calore prodotto nelle caldaie aziona le turbine che sono accoppiate ai relativi alternatori per la produzione di energia elettrica. Energia nucleare
L'energia nucleare dei combustibili nucleari viene trasformata in energia elettrica nelle centrali elettronuclea-ri. In queste, il calore prodotto nella fissione nucleare all'interno di reattori nucleari viene sottratto da un fluido di raffreddamento (ac-qua, sodio fuso ecc.) che circola in un cir-cuito primario. Il calore viene quindi ceduto all'acqua di un circuito secondario che si trasforma in vapore che azionale turbine della centrale. I problemi relativi al funziona-mento di queste centrali e quindi all'utilizzo di questa forma di energia sono sostanzial-mente i seguenti: inquinamento termico dei bacini nei quali viene immessa l'acqua calda di raffreddamento; rischi di fughe radioattive legate a incidenti provocati dall'uomo, da di-sastri naturali o malfunzionamento degli im-pianti; problemi non risolti e incognite relati-vi allo smaltimento dei rifiuti e delle scorie. il

ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI

La prospettiva realistica di un esaurimento del-le fonti energetiche tradizionali (carbone, petrolio, metano, uranio) unita all'impossibi-lità di allargare il ricorso all'energia idrica (fiumi e bacini montani) ha portato al for-marsi di un vivo interesse nei confronti di una serie di fonti energetiche rinnovabili un tempo completamente trascurate a causa dell'abbondanza di carbone e di petrolio. A ciò va aggiunto il fatto che nel mondo si è accresciuta notevolmente una tendenza contraria all'utilizzo del carbone in centrali altamente inquinanti e che le centrali elet-tronucleari, dopo il disastro di Cernobyl, su-scitano diffidenze in settori sempre più am-pi della popolazione mondiale. Tra queste fonti rinnovabili hanno particolare interesse quelle relative all'energia raggiante solare e all'energia geotermica. Sono fonti di ener-gia primaria rinnovabile: l'energia raggiante solare; l'energia idraulica; l'energia dei ven-ti; l'energia delle maree; l'energia chimica delle sostanze organiche continuamente prodotte sulla Terra (biomasse); l'energia termica derivante dal gradiente di tempera- -tura della Terra (energia geotermica). Energia raggiante solare. L'energia solare presenta il grande vantaggio di essere pulita (non inquinante) e disponibile gratuitamente in quantità praticamente illimitata nel tempo. Inoltre essa è distribuita uniformemente nel territorio e vi arriva in quantità considerevoli anche in valore assoluto. L'energia raggiante che raggiunge annualmente il suolo italiano equivale a 200-250 volte il fabbisogno nazio-nale attuale. Gli svantaggi principali sono co-stituiti da un Iato dalla bassa densità energe-tica e dall'altro dalla sua grande variabilità. La quantità di energia raggiante solare c,he raggiunge l'unità d'area della superficie ter-restre dipende dalle condizioni meteorologi-che, dalla latitudine, dall'awicendarsi delle stagioni e del giorno e della notte. Le princi-pali applicazioni nel campo dello sfruttamen-to dell'energia raggiante solare sono sostan-zialmente tre. 'a) Conversione in energia ter-mica mediante processi a bassa temperatu-ra, cioè a meno di 100°C, soprattutto per ri-scaldare acqua e ambiente. b) Conversione in energia termica ad alta temperatura per la produzione di elettricità. c) Conversione di-retta in energia elettrica per mezzo di dispo-sitivi a effetto fotovoltaico. Processi a bassa temperatura. I processi termici a bassa temperatura sono basati su impianti a pannelli solari, o collettori solari, usati per il riscaldamento e la climatizzazione di abitazioni e per il riscaldamento di acqua (a 50-60°C) per uso domestico o industria-le. Possono essere usati anche per impianti di medie e grandi dimensioni. Un pannello solare è sostanzialmente costituito da una piastra generalmente di rame o di alluminio che colpita dalla radiazione solare si riscalda e trasmette il calore prodotto a un fluido (ter-movettore) che circola in un'intercapedine dietro la lastra. Il calore del termovettore vie-ne poi scambiato con il liquido utilizzatore. I processi termici a media temperatura non sono sostanzialmente diversi da quelli a bas-sa temperatura, ma ì pannelli solari sono for-niti di specchi parabolici per concentrare la radiazione e sono comandati da sistemi elet-tromeccanici di inseguimento automatico del Sole nell'arco della giornata. Processi ad alta temperatura. La conver-sione dell'energia solare in energia termica ad alta temperatura per la produzione di elettricità è utilizzata nelle centrali solari a torre e specchi (centrali solari di prima ge-nerazione). Tali centrali sono formate da un sistema di specchi che riflettono l'energia solare su una grande caldaia in cima a una torre contenente acqua o un altro fluido. Si raggiungono temperature di 5.000-6.000 °C e il vapore prodotto viene convogliato su turbine a vapore di grande potenza che azionano ì generatori per la produzione di energia elettrica. Conversione diretta dell'energia raggiante. La conversione diretta dell'energia raggian-te in energia elettrica è realizzata in impianti solari cosiddetti di seconda generazione. Tali impianti sono basati sulla proprietà di al-cuni materiali, soprattutto il silicio, di gene-rare elettricità quando vengono colpiti dalla radiazione solare (effetto fotovoltaico). Cen-trali solari di questo tipo sono usate comu-nemente per l'alimentazione dei satelliti arti-ficiali (batterie solari). Per uso terrestre trova-no applicazione nell'alimentazione di ponti radio, di rifugi alpini e di boe marine. Rispet-to alle centrali tradizionali hanri'ò il grande vantaggio di poter essere distribuite su grandi territori in centrali di piccola e media potenza senza essere concentrate in cen-trali di grande potenza. Questo fatto è mol-to importante dal punto di vista del rispar-mio energetico in quanto il trasporto dell'e-nergia a grande distanza implica grandi sprechi di energia per effetto di dissipazione termica. L'uso generalizzato di questa fonte di energia è legato alla possibilità futura di abbassare il costo del silicio, o di altre so-stanze sostitutive, a prezzi competitivi ri-spetto ad altri sistemi di produzione di ener-gia elettrica. Per II futuro sono previste an-che grandi centrali di questo tipo (centrali di terza generazione) montate su satelliti in or-bita geostazionaria in grado di trasmettere alla Terra energia sotto forma di microonde. Energia idraulica. L'energia viene prodotta dal salto d'acqua lungo un fiume o dall'alto di un bacino artificiale creato mediante una diga. L'energia dell'acqua, che prima del salto è potenziale, si trasforma integralmen-te in energia cinetica alla fine della caduta dove viene ceduta ai motori primi (turbine o ruote idrauliche) della centrale idroelettrica. Gli alternatori trasformano poi l'energia for-nita dai motori primi in energia elettrica che viene quindi trasportata mediante linee elet-triche dove deve essere utilizzata. Energia dei venti o eolica. È sfruttata nelle centrali eoliche in regioni in cui il vento soffia con sufficiente regolarità. L'optimum in que-sto campo sarebbe di costruire centrali sin-gole di bassa potenza collegate a catena in modo da formare centrali elettriche sino a qualche centinaio di megawatt. Il problema principale per lo sviluppo di questo tipo di centrali è quello dell'immagazzinamento dell'energia. Quando il vento è forte l'ener-gia in sovrappiù può essere utilizzata per pompare acqua in bacini di una certa altez-za. L'energia può essere resa successiva-mente in carenza di vento. Energia delle maree. Viene sfruttata nelle centrali mareomotrici costruite in zone in cui il dislivello delle maree supera i 10m. Que-ste centrali sono costituite da una diga con incorporati gruppi formati da una turbina Kaplan e un alternatore. Gli estuari dei fiumi sono le località più adatte. Energia chimica da biomasse. Il principio attraverso il quale l'energia raggiante del Sole si trasforma in energia contenuta in masse biologiche, o biomasse, è quello stesso che, nel lontano passato, è stato alla base della produzione delle immense mas-se che attualmente costituiscono i combu-stibili fossili: attraverso la fotosintesi l'ener-gia raggiante del Sole permette di trasfor-mare negli organismi vegetali acqua e ani-dride carbonica in ossigeno e materiale or-ganico\combustibiiè) ad alto contenuto energetico. Esiste una ricca serie di vegetali che, per fermentazione e distillazione, può dar luogo a gas ed etanolo. Per esempio la barbabietola e la canna da zucchero forni-scono al col per fermentazione; i rifiuti ani-mali e il giacinto d'acqua possono fornire biogas (metano) se sottoposti a fermenta-zione mediante particolari microrganismi. Una seconda via per sfruttare l'energia sola-re attraverso l'utilizzo di biomasse consiste nel far produrre idrogeno gassoso, combu-stibile ad alto valore energetico. Ciò si po-,trebbe ottenere o inducendo cellule viventi a operare la fotolisi dèll'acqua sotto l'azione della radiazione solare o utilizzando coltiva-zioni di batteri per metabolizzare rifiuti orga-nici. Nel primo caso la fonte da cui verrebbe estratto l'idrogeno è l'acqua, sostanza che nella Terra è praticamente inesauribile; nel secondo caso è costituita da rifiuti organici ed è quindi una fonte rinnovabile. Energia geotermica. Deriva dal vapore ad alta temperatura che fuori esce in corrispon-denza dei campi geotermici, cioè di zone del sottosuolo in cui circola acqua caldissima. Normalmente la temperatura aumenta scen-dendo nel sottosuolo di circa un grado ogni 30 m, ma nei campi geotermici si raggiungo-no alte temperature a profondità relativa-mente basse. Le centrali geotermiche (le pri-me del mondo sono state costruite in Italia a Larderello) sono molto economiche e hanno le caratteristiche delle centrali termoelettri-che tradizionali tranne il fatto che non neces-sitano di caldaie e che le turbine devono re-sistere a composti chimici attivi, come quelli presenti nei soffioni boraciferi di Larderello. Una conoscenza delle risorse energetiche geotermiche nazionali è molto importante in quanto la maggior parte di esse non è an-cora sfruttata. Per esempio, le acque calde a bassa temperatura non utilizzabili per là produzione di energia elettrica sono però sfruttabili per sistemi di riscaldamento cen-tralizzati.

FONTI ALTERNATIVE

A breve termine, le uniche alternative realistiche al petrolio sono il carbone, l'energia nucleare e, per i Paesi in cui questa fonte è ancora disponibile, l'ener-gia idrica. Per i medi e lunghi periodi è invece molto importante la ricerca di fonti alternative. Per l'Italia questo è un problema importan-te in quanto il nostro Paese dipende per l'e-nergia di cui ha bisogno per più dell'80% dall'estero; 1'82% del totale dell'energia consumata deriva inoltre dal petrolio. La ri-cerca di fonti alternative si è rivolta princi-palmente verso le seguenti direzioni. a) Uti-lizzazione dei rifiuti solidi urbani pretrattati nella combustione in grandi generatori di vapore per la produzione di energia ter-moelettrica. Utilizzazione in agricoltura me-diante fermentazione anaerobica in apposi-ti impianti. b) Utilizzazione del metanolo (al-col metilico) sia nell'autotrazione sia nel ri-scaldamento. Nell'autotrazione la miscela metanolo-benzina resta stabile anche a bassa temperatura, permette di ridure il te-nore in piombo a parità di numero di ottani e non comporta grandi rischi di infiammabi-lità. c) Utilizzo del carbone Sulcis attraverso la sua liquefazione diretta o indiretta. Que-sto carbone, una lignite particolare, è l'uni-co tipo di carbone disponibile in enormi quantità in Italia, ma è altamente inquinante e pertanto non può essere usato diretta-mente nelle centrali termoelettriche. Gli stu-di per la gassificazione del carbone sono in fase molto avanzata in tutto il mordo e nu-merosi impianti sono già in funzione. d) Ri-sparmio energetico. Non è una vera e pro-pria fonte di energia, ma ha importanza equivalente a una nuova fonte.

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