Sappiamo che l’energia necessaria per la vita biologica delle donne e degli uomini che vivono in un paese industrializzato è ormai solo una piccola parte rispetto a quella che viene «consumata» per riscaldarsi, lavorare, spostarsi da un luogo a un altro, usare gli elettrodomestici, godersi il tempo libero, eccetera.

Inoltre occorre tener presente che anche per produrre i beni di consumo, cioè gli oggetti che usiamo quotidianamente, viene consumata energia. Per esempio, per produrre questo libro è stato necessario impiegare una notevole quantità di energia: energia per coltivare le piante da cui si è ricavata la cellulosa della carta, energia per la composizione e la stampa, energia per la distribuzione e altro ancora.

Fino alla Rivoluzione industriale, la quasi totalità dell’energia era fornita dalle piante, dagli animali e dagli uomini stessi e serviva per disporre di cibo e di energia meccanica. L’impiego di altre fonti, come quelle del vento per le barche a vela o quella dell’acqua o del vento per i mulini, rimase molto limitato.

A partire da circa due secoli fa il fabbisogno di energia è enormemente cresciuto, almeno in quella parte di umanità che ha prodotto la Rivoluzione industriale, con il progressivo affrancamento dalla fatica muscolare, lo sviluppo della scienza e della tecnica, la meccanizzazione di molti settori produttivi, i profondi cambiamenti economici e sociali (figura ►21). 

Questa grande trasformazione è stata possibile proprio grazie alla capacità di sfruttare in modo economicamente conveniente l’enorme disponibilità di energia chimica immagazzinata nel carbone e nel petrolio.

Oggi però il nostro pianeta sta entrando in una fase cruciale del suo sviluppo dovuta anche alle ricadute negative sul delicato equilibrio ecologico che lo sfruttamento intensivo di questi materiali ha provocato. Pensiamo che sia importante soffermarci su questo argomento anche nel contesto di un libro scolastico, perché il problema dell’energia rappresenta senz’altro uno dei nodi che l’umanità dovrà affrontare e risolvere nei prossimi anni. Per fare tutto questo sarà sempre più indispensabile ricorrere anche al lavoro di ricerca e di studio di fisici e chimici. 

La fonte più importante dalla quale oggi attingiamo per soddisfare i bisogni di energia è rappresentata dai combustibili fossili, veri e propri magazzini di energia chimica: il petrolio, il carbone e il gas naturale. Parliamo di combustibili perché questi materiali sono in grado di liberare grandi quantità di energia attraverso reazioni di combustione. I giacimenti di combustibili fossili, nonostante le ricerche continuino in ogni parte del mondo, sono destinati prima o poi a esaurirsi; per esempio, è stato stimato che le riserve di petrolio si esauriranno nel giro di alcuni decenni. Per questo motivo i combustibili fossili sono un esempio di fonti di energia non rinnovabili o esauribili (figura ►22).

La natura ha impiegato milioni di anni per accumulare l’energia chimica nei combustibili fossili. Infatti questi materiali si sono formati in seguito alla lenta decomposizione di sostanze contenute negli organismi viventi, soprattutto vegetali, vissuti alcune centinaia di milioni di anni fa. La decomposizione di questi organismi, avvenuta in assenza di ossigeno, ha consentito di creare sostanze particolarmente ricche di energia chimica: l’energia che ricaviamo oggi dai combustibili fossili non è altro che l’energia di origine fotosintetica immagazzinata nelle piante milioni e milioni di anni fa. Per esempio, l’era geologica nella quale si è formata la maggior parte dei depositi di carbone è stata denominata appunto Carbonifero (360-290 milioni di anni fa). Possiamo quindi dire che la nostra vita «biologica» dipende dal Sole di oggi, ma gran parte dell’energia che usiamo per far fronte ai nostri bisogni quotidiani proviene dal Sole di ieri!

Come sappiamo, per utilizzare il contenuto di energia chimica dei combustibili fossili è necessario convertire questa energia in altre forme. Il modo più rapido è quello di bruciare i combustibili e ottenere così energia termica (figura ►23). Purtroppo le reazioni di combustione di questi materiali hanno sempre creato anche molti problemi a causa del loro non trascurabile impatto ambientale. Questa espressione significa che i prodotti della reazione di combustione sono sostanze che hanno effetti negativi sull’equilibrio ambientale. E ancora oggi, nonostante i progressi della scienza e della tecnologia, questi problemi permangono, anzi, alcuni di essi si sono aggravati.

Consideriamo per esempio il gasolio, un combustibile ottenuto dalla lavorazione del petrolio; il gasolio è una miscela di idrocarburi utilizzata come carburante per molte automobili e autocarri e per alimentare impianti di riscaldamento e centrali termoelettriche. La combustione di uno dei tanti idrocarburi presenti nel gasolio può essere rappresentata con la seguente equazione:

Come si vede, per ogni molecola di idrocarburo che brucia si formano ben 15 molecole di anidride carbonica, una sostanza gassosa che, come sappiamo, contribuisce al cosiddetto effetto serra dell’atmosfera.

Il gasolio (e ancora di più il carbone) contiene anche piccole quantità di zolfo, perciò nei prodotti della combustione è presente anche l’anidride solforosa (SO₂). L’anidride solforosa può ossidarsi ad anidride solforica ed entrambi questi composti, a contatto con l’acqua presente nell’atmosfera, formano sostanze acide.

Inoltre durante la combustione, a causa dell’elevata temperatura, avvengono la reazione di sintesi tra l’azoto e l’ossigeno presenti nell’aria e una successiva reazione di ossidazione:

I prodotti di queste ossidazioni, l’ossido e il diossido di azoto, sono talvolta indicati genericamente con la formula NO_x. Queste sostanze, oltre a essere tossiche e a provocare disturbi all’apparato respiratorio anche in basse concentrazioni, formano sostanze acide con l’acqua presente nell’atmosfera.

Gli ossidi di azoto e gli ossidi di zolfo sono dunque responsabili delle cosiddette piogge acide, i cui effetti corrosivi risultano particolarmente evidenti sulla vegetazione, sui manufatti di ferro e sui monumenti ed edifici di pietra calcarea.

Occorre ricordare che oggi carbone e derivati del petrolio vengono «desolforati», e ciò consente di ridurre sensibilmente le emissioni di SO₂. Maggiori difficoltà si riscontrano nell’eliminazione degli ossidi di azoto, che si producono sempre durante la combustione.

Preoccupano, inoltre, altri fattori inquinanti associati alla combustione dei materiali fossili. La combustione, infatti, ben difficilmente avviene in modo completo, cioè non si arriva mai a trasformare tutto il combustibile in acqua e diossido di carbonio. In particolare nei motori a scoppio la reazione di combustione avviene in modo esplosivo ed è quindi troppo rapida per poter arrivare a completarsi: tra i prodotti della reazione sono presenti quindi anche ossido di carbonio (sostanza tossica), gli idrocarburi che non hanno reagito completamente (i cosiddetti incombusti) e il particolato. Si tratta di materiali inquinanti che, diversamente da CO₂ e H₂O, possono provocare danni immediati per la salute, in particolare quella degli anziani e dei bambini.

L’ossido di carbonio è una sostanza tossica perché si può legare saldamente agli atomi di ferro dell’emoglobina riducendo la capacità del sangue di trasportare ossigeno.

Gli idrocarburi incombusti, combinandosi con gli ossidi di azoto, possono dare luogo allo smog fotochimico, un particolare inquinamento dell’aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione. I principali effetti sono una forte irritazione agli occhi e difficoltà nella respirazione.

Il particolato è costituito da minuscole particelle solide e liquide sospese nell’aria. Si tratta soprattutto di particelle carboniose impregnate di idrocarburi e di sottoprodotti della combustione (tra i quali il benzopirene), di acqua, di ruggine, di solfati e molte altre sostanze ancora (figura ►24). Queste particelle sono classificate in base alla loro dimensione, che determina la loro pericolosità: più sono piccole più sono penetranti e quindi dannose. Esse vengono indicate con la sigla PM (Particulate Matter), seguita dal diametro massimo espresso in micrometri (μm) (tabella ►7).

Oltre agli effetti negativi sull’ambiente, occorre sempre tener presente il problema di fondo, relativo al fatto che i combustibili fossili sono esauribili e non si possono ripristinare in tempi rapidi. Di conseguenza, per soddisfare il crescente fabbisogno mondiale di energia, le nazioni devono prendere con urgenza provvedimenti che vanno nel senso della ricerca di una maggiore efficienza nell’utilizzo delle risorse, di una politica di risparmio energetico, dello sviluppo di una pluralità di fonti alternative. Occorre cioè immaginare e costruire un nuovo modello di sviluppo.

Il fatto che le riserve dei combustibili fossili si stiano esaurendo e che il petrolio in particolare si trovi in aree circoscritte e politicamente instabili ha portato a incrementare negli ultimi decenni la ricerca, lo sviluppo e il recupero di fonti alternative. La caratteristica che accomuna alcune di queste fonti alternative è che esse sono potenzialmente inesauribili e quindi sono chiamate fonti di energia rinnovabili (figura ►25).

Secondo la normativa di riferimento italiana (D.L. 16 marzo 1999/n. 79, art. 2 comma 15), vengono considerate fonti rinnovabili:

[…] il sole, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici.

Inoltre, un’importante caratteristica delle fonti rinnovabili è che esse presentano un ridotto impatto ambientale per quanto riguarda il rilascio di inquinanti nell’ambiente. Le fonti energetiche rinnovabili sono quindi fonti di energia che possono permettere all’umanità uno sviluppo sostenibile, che non danneggi in modo irreparabile la natura e l’ecosistema.

Come sappiamo, l’energia idroelettrica viene generata dal movimento dell’acqua che scende a valle da un bacino posto in alto (figura ►26). Sempre per produrre energia idroelettrica possono essere utilizzati anche i movimenti delle acque del mare, come i movimenti delle onde, delle maree e delle correnti oceaniche. 

Per energia solare si intende l’energia irraggiata dal Sole verso la Terra. La quantità di energia radiante che arriva sul suolo terrestre è enorme, tanto che da sola equivale a circa 15000 volte il consumo energetico mondiale.

Purtroppo, gran parte di essa attualmente non viene sfruttata, anche perché è molto difficile convertirla in modo continuativo ed efficiente in altre forme di energia, soprattutto in quella elettrica. Oltre che dai vegetali, l’energia solare viene sfruttata dall’uomo attraverso i pannelli solari (dispositivi in grado di trasformare l’energia radiante direttamente in energia termica che scalda l’acqua a temperature sufficientemente alte per l’uso civile) e attraverso i pannelli fotovoltaici (dispositivi in grado di convertire l’energia solare direttamente in energia elettrica mediante l’effetto fotoelettrico).

In genere con i pannelli fotovoltaici si ottengono piccole quantità di energia elettrica, di bassa potenza, utili soprattutto per fornire elettricità nelle zone isolate.

Per costruire una vera e propria centrale elettrica basata sulle radiazioni solari è necessario raccogliere energia da aree molto vaste (figura ►27). 

L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento e si può sfruttare attraverso impianti a pale. Il mulino eolico o aerogeneratore converte direttamente, tramite l’alternatore, l’energia cinetica del vento in energia elettrica. Molti mulini collocati a distanza ravvicinata possono determinare un certo impatto ambientale: in questo caso i danni possono riguardare la rumorosità del movimento delle pale oppure possono essere di natura estetica per l’alterazione del paesaggio (figura ►28).

L’energia geotermica è l’energia generata da fonti geologiche di calore dovute al fatto che in particolari zone la temperatura del sottosuolo è più alta della media. Il vapore naturale proveniente dal sottosuolo può essere utilizzato nelle centrali geotermiche, tramite la turbina e l’alternatore, per la produzione di energia elettrica oppure direttamente per il riscaldamento civile o industriale.

Un interessante campo di fonti rinnovabili è costituito dai combustibili alternativi a quelli di origine fossile.

I biocombustibili sfruttano l’energia chimica di composti ottenibili da materiali vegetali, che sono rinnovabili in tempi rapidi. Essendo di origine vegetale, i biocombustibili quando bruciano immettono nell’atmosfera una quantità di anidride carbonica uguale a quella assimilata dalle piante durante la fotosintesi clorofilliana, quindi non contribuiscono ad aumentare l’effetto serra. Sono privi di zolfo e inoltre, contenendo ossigeno nelle loro molecole, garantiscono una ossidazione completa degli atomi di carbonio e quindi consentono una significativa riduzione delle emissioni di CO e di incombusti. Inoltre sono totalmente biodegradabili.

Il biodiesel è un carburante simile al gasolio ed è ottenuto, attraverso un processo chimico, da fonti rinnovabili quali oli vegetali vergini (per esempio, oli di colza e di soia), oli vegetali di scarto e grassi animali.

Il bioetanolo è un combustibile che viene ottenuto mediante un processo di fermentazione di materiali rinnovabili come i prodotti agricoli ricchi di glucidi (cereali, colture zuccherine, amidacei, vinacce), i residui di coltivazioni agricole e forestali, i residui di lavorazioni delle industrie agrarie e agroalimentari, i rifiuti urbani.

Occorre però ricordare gli inevitabili inconvenienti legati ai costi energetici della produzione dei biocombustibili: soprattutto occorre considerare che queste produzioni richiedono l’utilizzo di aree vastissime, aree sottratte alla coltivazione di prodotti agricoli destinati all’alimentazione umana. Inoltre permangono i problemi che derivano dalla loro combustione: emissione di polveri sottili e produzione di ossidi di azoto.

Anche i rifiuti solidi urbani possono essere utilizzati come combustibili. Pur in una situazione ideale in cui si produca una minore quantità di rifiuti e in cui si recuperi attraverso il riciclo la maggior parte dei materiali separati nella raccolta differenziata, è sempre necessario smaltire la parte di rifiuti urbani rimanente. Per questo motivo i rifiuti solidi urbani si possono considerare fonti rinnovabili e l’energia chimica in essi contenuta può essere recuperata attraverso la combustione nei cosiddetti inceneritori. Questi impianti, detti anche termovalorizzatori, producono vapore per il riscaldamento o per ottenere energia elettrica.

Naturalmente anche questi impianti presentano inconvenienti per l’ambiente e per la salute degli esseri umani. Occorre ricordare infatti che i rifiuti, anche se inceneriti, producono, in base alla legge di Lavoisier, una uguale massa di prodotti: i fumi costituiti da sostanze gassose e polveri fini (circa il 4% della massa dei rifiuti), che devono essere trattati per ridurre l’immissione di sostanze inquinanti nell’atmosfera, e le ceneri (circa il 30% della massa dei rifiuti), che devono essere in qualche modo stoccate o utilizzate.

Tra i combustibili alternativi può essere inserito anche l’idrogeno, una sostanza che bruciando non produce inquinanti e quindi potrebbe sostituire gli attuali combustibili di origine fossile utilizzati nei motori dei veicoli.

Si stanno già realizzando prototipi di auto elettriche che utilizzano l’energia elettrica prodotta da una pila a combustibile in cui viene fatto affluire proprio l’idrogeno (figura ►29). 

Si deve ricordare però che l’idrogeno non si trova in natura, per cui è necessario ricavarlo da altre sostanze (per esempio, acqua o metano) con notevole dispendio di energia.

L’energia nucleare prodotta attraverso le reazioni di fusione è la sfida del terzo millennio. È una via pulita per ottenere energia, senza rischio di esplosioni devastanti o di irraggiamento da scorie radioattive. È ancora in fase sperimentale e persegue l’obiettivo di riprodurre il medesimo processo che avviene sulle stelle e sul Sole.

Nelle reazioni di fusione i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l’idrogeno, si uniscono per dare origine ad atomi con nuclei più pesanti; la massa di questi ultimi è minore della somma delle masse di quelli originari e a questa differenza di massa corrisponde una grande quantità di energia che viene emessa sotto forma di raggi γ ad alta frequenza e perciò pericolosi.

Per fare avvenire la fusione occorre però superare la forza repulsiva tra i nuclei, che hanno carica positiva; occorre pertanto operare a temperature elevatissime (dell’ordine di milioni di gradi Celsius) affinché alcuni nuclei acquistino energia cinetica sufficiente per innescare la reazione di fusione. A causa di queste difficoltà, a tutt’oggi non si è ancora riusciti a far avvenire la fusione in modo controllato e affidabile (quello incontrollato esiste già: la bomba atomica termonucleare).

In attesa che le nuove tecnologie di sfruttamento delle fonti di energia rinnovabile si sviluppino, è indispensabile limitare i consumi di energia sia modificando in parte le nostre abitudini di vita sia costruendo macchine (per esempio elettrodomestici e automobili) e anche abitazioni che comportino un minor consumo di energia.

Possiamo ben dire che il risparmio energetico è una considerevole fonte di energia rinnovabile «virtuale», ed è anche la più immediata e accessibile a tutti.

Il risparmio può essere ottenuto sia modificando i processi di produzione dei beni di consumo, in modo che ci siano meno sprechi, sia utilizzando tecnologie in grado di convertire l’energia da una forma all’altra in modo più efficiente.

Già da adesso, grazie a nuove modalità costruttive, vengono introdotte classificazioni di prodotti basate sul criterio dell’efficienza energetica: per esempio negli elettrodomestici, nelle lampadine e persino negli edifici.

Il consumo energetico di una abitazione può essere valutato e in questo senso è previsto che le nuove abitazioni abbiano l’attestato di certificazione energetica, cioè il documento che descrive nel dettaglio i consumi dell’immobile. Il risparmio può essere ottenuto usando specifici materiali e particolari criteri costruttivi: per esempio, la giusta esposizione solare, l’isolamento termico e la ventilazione consentono un risparmio energetico del 20-25%.