La società in cui viviamo dipende totalmente dall'energia necessaria per far funzionare i mezzi di trasporto, per riscaldare le case e per produrre beni e servizi da consumare ogni giorno.
Per poter gustare una bibita in lattina, ad esempio, è necessaria tantissima energia, che serve per estrarre l'alluminio dalla roccia, trasformarlo in lattina, colorare e decorare la lattina, prelevare l'acqua, produrre lo zucchero e i coloranti da aggiungere all'acqua, inserire la bibita nella lattina, confezionarla, imballarla assieme ad altre, trasportarla nei grandi depositi, farla ritirare dai negozianti, metterla in vendita, acquistarla, portarla a casa e, finalmente, gustarla!
Questo esempio si può applicare a qualsiasi bene e attività .
Ma dove si prende questa energia?
Le fonti principali per produrre l'energia sono le sostanze naturali combustibili e, in particolare, i carboni fossili che, una volta bruciati, hanno alte rese energetiche.
I fossili sono prodotti da resti di piante e animali morti centinaia di milioni di anni fa, quando il genere umano non era ancora comparso sulla Terra. Quelle piante e quegli animali, esattamente come accade oggi, hanno accumulato l'energia proveniente dal Sole e, dopo la loro morte, sono rimasti sepolti per milioni di anni. La torba, ad esempio, è il carbone più giovane e con alto contenuto di acqua, l'antracite ha invece un alto contenuto di carbonio e alto potere calorifico, mentre la grafite è un minerale costituito da solo carbonio.
Gli idrocarburi (gas, petrolio e carbone), i combustibili più utilizzati in assoluto, sono un tipo particolare di rocce organogene e derivano dalla decomposizione dei resti di organismi in assenza di ossigeno. Queste sostanze si accumulano nelle rocce porose e si presentano in forma solida (bitume), in forma liquida (petrolio) e in forma aeriforme (gas naturale). Sono materiali molto leggeri che si muovono verso l'alto attraverso strati di roccia permeabile e, quando incontrano uno strato di rocce che ne impediscono il movimento, si accumulano e formano un giacimento.
Le piante e gli animali preistorici ci hanno proprio fatto un bel regalo, restituendoci, sotto forma di calore ed energia elettrica, l'energia solare accumulata che ci serve per vivere bene oggi. Ma, non c'è dubbio, è un dono destinato ad esaurirsi nel tempo: ecco perchè queste forme di energia si chiamano "esauribili". Inoltre, alcune sostanze liberate nell'aria per effetto della combustione come, ad esempio, l'anidride carbonica, provocano gravi problemi di inquinamento; sono tra i principali responsabili dell'effetto-serra, cioè di quel fenomeno per cui un eccessivo accumulo di questo e di altri gas "imprigiona" a terra il calore e trasforma la terra in una gigantesca serra, con conseguenti cambiamenti di clima e disastri naturali (piogge frequenti, alluvioni, siccità , innalzamento dei livelli dei mari).
Un motivo in più per non sprecare queste risorse e riflettere sull'utilizzo di altre forme di energia.
Il gas naturale
Ciò che resta è prevalentemente metano, l'idrocarburo gassoso più semplice e quello con la molecola più piccola, formata da un atomo di carbonio e quattro di idrogeno (CH4). E' più leggero dell'aria, non ha colore nè odore e non è tossico. Il caratteristico odore di gas che si avverte è dovuto ad un odorizzatore, che viene aggiunto al metano per avvertirne la presenza da parte dell'uomo.
Diffusissimo nell'atmosfera primordiale della Terra, il metano ha probabilmente contribuito alla sintesi dei primi amminoacidi e alla nascita della vita sul nostro pianeta.
Miscelato con l'aria, il metano è infiammabile solo se la sua concentrazione è compresa tra il 5% e il 15%, mentre diventa liquido a una temperatura critica di -83 gradi centigradi. A 15 gradi di temperatura ed alla pressione atmosferica, 1 metro cubo di metano sviluppa oltre 8.000 chilocalorie, cioè un contenuto energetico pari a quello di 1,2 chilogrammi di carbone e di 0,83 chilogrammi di petrolio.
Già conosciuto dai Cinesi come "lo strano gas che illumina", due secoli fa Alessandro Volta notò il suo potenziale energetico: avvicinando un fiammifero acceso al gas, quest'ultimo alimentava una fiamma bluastra. A metà dell'Ottocento l'illuminazione a gas divenne comune in molte città americane ed europee, a tal punto da modificare gli stili di vita dei cittadini: le strade, ben illuminate anche di sera, scoraggiarono i ladruncoli, fiorirono sale da ballo e luoghi d'incontro anche per la gente meno abbiente (dato il minore costo dell'illuminazione a gas rispetto a quella a candele). Lo sfruttamento diffuso del metano, però, è cominciato in Europa solo poco più di 50 anni fa, con lo sviluppo di tecnologie che ne rendessero economicamente vantaggiosa l'estrazione e una rete di metanodotti (le condutture che portano il metano dal luogo di estrazione a quello di consumo) per una distribuzione più agevole.
L'Italia è uno dei pochi Paesi dove il metano è stato valorizzato come risorsa energetica, fin dai primi anni della scoperta dei giacimenti in Valle Padana e nel Mare Adriatico, dando un notevole contributo allo sviluppo industriale del Paese negli anni Cinquanta e Sessanta. Nel nostro Paese arrivano ben tre metanodotti, provenienti dall'Olanda, dalla Siberia e dall'Algeria. Quest'ultimo è il Transmed, il primo metanodotto transmediterraneo che inizia al confine tra Algeria e Tunisia, e si snoda per 370 chilometri in Tunisia e oltre 1400 chilometri in Italia, passando con tubazioni sottomarine attraverso il canale di Sicilia.
L'uso più comune del gas naturale è quello residenziale (cucina, riscaldamento, acqua calda), in quanto è il più pulito e più conveniente di tutti i combustibili fossili. Le industrie fanno ricorso al gas naturale non solo per scaldare o rinfrescare gli ambienti, ma anche per rendere più efficienti, economici ed ecologici i processi di produzione. I più importanti impieghi produttivi sono nell'industria alimentare, metallurgica, dei laterizi e ceramica, tessile e cartaria. Il consumo commerciale del gas riguarda il raffreddamento (condizionamento e refrigerazione), i servizi di ristorazione (nella cucina), i motel e gli hotel (riscaldamento di ambienti), gli ospedali, i cantieri edili pubblici e le vendite al dettaglio. Il gas naturale, infine, conosce un sempre crescente successo anche come combustibile per gli autoveicoli. Oggi nel mondo circolano oltre un milione di vetture a gas naturale e le case automobilistiche investono sempre maggiori risorse nella progettazione di nuovi modelli con questo tipo di alimentazione. Il gas naturale presenta un certo numero di vantaggi rispetto agli altri combustibili per autotrazione: brucia in modo pulito, costa meno, ha un indice di sicurezza provato, è una fonte di energia abbondante e sicura, pur se classificabile come "fonte esauribile".
Grazie ai suoi numerosi benefici economici e ambientali, negli ultimi anni il gas naturale si è trasformato nel combustibile fossile preferito per la produzione di elettricità . Negli anni Settanta e Ottanta la produzione energetica era orientata verso il carbone e le centrali nucleari, ma una combinazione di fattori economici, ambientali e tecnologici ha provocato uno spostamento verso il gas, che può essere utilizzato come combustibile nelle centrali elettriche a vapore e a turbogas, per produrre energie elettrica. Lo svantaggio è il basso rendimento: circa il 40% nelle centrali a vapore e il 30% a turbogas. Ciò significa che, fatta 100 l'energia in ingresso nelle centrali, più di 50 viene dispersa nel processo e, pertanto, i costi di produzione sono alti e l'efficienza bassa.
I sistemi a ciclo combinato e quelli di cogenerazione sono le tecnologie più efficienti per produrre l'elettricità da gas naturale. Entrambi utilizzano il calore che normalmente viene perso, facendo così aumentare il rendimento fino al 60%. La cogenerazione - che significa produzione combinata di energia elettrica e calore - è fondata sul recupero e sull'uso dei residui di calore prodotti durante la generazione di elettricità che nelle altre centrali elettriche sarebbero perse. In pratica, un motore alimentato a metano produce elettricità e i fumi di scarico sono poi impiegati come fonte termica, ad esempio per riscaldare l'acqua. Si tratta quindi di un processo che ottimizza l'impiego delle risorse energetiche con notevoli benefici economici e ambientali.
Le riserve mondiali di gas naturale di cui si è a conoscenza (Medio Oriente e Paesi dell'ex Unione Sovietica ne possiedono circa il 73%) contengono circa 180.000 miliardi di metri cubi. Esse non rappresentano tutte le risorse effettivamente esistenti nel sottosuolo, ma possono dare un'utile indicazione della velocità con cui si stanno sfruttando (ed esaurendo) queste risorse. Se dividiamo il livello delle riserve oggi conosciute per il consumo mondiale annuo di gas, otteniamo che, mantenendo questo ritmo di sfruttamento, le riserve si esauriranno nel giro di circa 70 anni. Il gas naturale, come il petrolio, è una risorsa destinata a finire.
Il petrolio
In assenza d'aria e trattando a caldo il petrolio (questo processo si chiama cracking), è possibile rompere i legami chimici tra carbonio e ossigeno e ottenere molecole più leggere e versatili, con le quali si compone l'infinita gamma dei prodotti petrolchimici.
Gli ambienti più favorevoli alla formazione di idrocarburi sono le aree marine con scarsa circolazione sui fondali e continui apporti di detriti da parte dei fiumi. Qui vivono numerosi organismi, che dopo la morte si depositano sul fondo e vengono continuamente ricoperti da detriti terrosi e minerali. Gli strati di fango ricchi di sostanza organica (roccia-madre) sprofondano lentamente sotto il peso di nuovi sedimenti. A determinate profondità e temperature la materia organica "matura", trasformandosi prima in "kerogene" e poi in idrocarburi veri e propri, in un processo che può durare anche 100 milioni di anni.
Una volta formato, il petrolio si raccoglie in giacimenti, grandi serbatoi naturali di rocce impermeabili.
Il petrolio, prima di diventare benzina e plastica, deve subire un processo produttivo molto complesso da parte dell'uomo, che parte dalla ricerca dei giacimenti e, attraverso le fasi di estrazione, lavorazione e trasporto (spesso svolte in Paesi lontani migliaia di chilometri tra loro), arriva a portarci la benzina al distributore sottocasa o il tubo di gomma nel negozio all'angolo.
La perforazione dei pozzi è il solo modo di accertare il valore di un giacimento. Ogni giorno, per circa 20-30 anni, un pozzo produce da 500 a 1.000 tonnellate di petrolio (qualche migliaio di barili) e qualche centinaio di migliaia di metri cubi di gas naturale. Circa un quinto della produzione mondiale di petrolio viene dal mare, una quota che è destinata ad aumentare nei prossimi anni. Appena estratto, il greggio è costituito da una miscela di gas e liquidi che devono essere separati e purificati prima di essere immessi negli oleodotti e nei gasdotti.
Il petrolio è presente, in quantità apprezzabili per poterne avviare la produzione, solo in alcune zone della Terra. Pertanto la maggior parte di esso deve essere trasportato per raggiungere le raffinerie e i luoghi di consumo (l'Europa importa il 71% del petrolio che consuma, mentre l'Italia arriva al 95%), tramite gli oleodotti o le petroliere.
5000 anni fa, gli egizi scoprirono le virtù terapeutiche del petrolio, utilizzandolo per curare reumatismi e disturbi circolatori, oltre che per favorire il processo di conservazione dei cadaveri (mummificazione). D'altra parte, persiani e romani impiegarono il petrolio per l'illuminazione e la costruzione di armi incendiarie. Per molti secoli, gli utilizzi di petrolio sono rimasti episodici e di scarsa importanza economica, fino al XVII secolo, quando in Inghilterra l'eccessivo utilizzo del legname come combustibile aveva fatto salire i prezzi. E' a questo punto che si scoprono le potenzialità energetiche del carbone fossile, che l'Inghilterra stessa possiede in gran quantità . La "Rivoluzione Industriale" comincia proprio a partire dal 1709, anno in cui Abraham Darby utilizza per la prima volta il carbone fossile al posto del carbone da legna.
In poco più di un secolo, questa risorsa diventa la fonte di energia più utilizzata e nuove tecnologie ne rendono più facile l'estrazione.
Dal petrolio si possono ottenere molti prodotti, da alcuni dei più diffusi combustibili (la benzina, il gasolio e altre sostanze dette derivati del petrolio) a molte delle materie plastiche utilizzate dall'uomo. I quattro idrocarburi più usati sono l'etilene, il propilene, il butadiene e il benzene. L'etilene è la sostanza di partenza più utilizzata al mondo (5 milioni di tonnellate all'anno). Da solo viene usato per far maturare la frutta più rapidamente e per produrre detergenti con poca schiuma. Il polietilene (PE) è presente in numerosi imballaggi, oggetti stampati e rivestimenti. Combinando l'etilene con acqua si ottiene l'alcol etilico, un solvente per profumi, cosmetici, pitture, saponi, coloranti, fibre tessili e materie plastiche. Combinandolo con il benzene, si ottiene il polistirolo (PS), usato come isolante in edilizia, nonchè materia prima per imballaggi delicati e giocattoli. Combinandolo con il cloro si ottiene il polivinilcloruro (PVC), anch'esso molto utilizzato nel settore edile e per realizzare tessuti impermeabili.
Il propilene, invece, è il punto di partenza per numerose sostanze chimiche, tra cui l'isoprene, la glicerina, l'acetone e il polipropilene (PP), ideale per imballaggi, mentre il butadiene viene usato nella preparazione di gomme sintetiche. Infine è da citare il benzene, dal quale si ricavano importanti prodotti intermedi utilizzati per coloranti, fibre, resine, materie plastiche, gomme sintetiche, prodotti farmaceutici, insetticidi, detersivi, fibre tessili.
I derivati del petrolio sono poi utilizzati come combustibili nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica, nonchè in impianti di riscaldamento domestico e di produzione di acqua calda.
Attualmente, la produzione di petrolio copre circa il 37% dei consumi mondiali di energia (una percentuale che, se si considera anche il gas, sale al 61%). Le riserve di questa fonte sono concentrate in alcuni Paesi: il solo Medio Oriente ne possiede il 66%, l'America del Sud il 10%, l'Europa e l'Africa rispettivamente il 7 e l'8%.
Confrontando i livelli annuali di produzione del petrolio con quelli relativi alle riserve attualmente accertate si scopre che, mentre il Medio Oriente produce poco rispetto alle sue potenzialità , Stati Uniti ed Europa Occidentale sfruttano le loro riserve a un ritmo elevato. Mantenendo l'attuale livello di produzione e in assenza di nuove scoperte, Europa e America del Nord termineranno le loro riserve nel giro di pochi anni e dovranno utilizzare solo il petrolio importato. A livello mondiale, le riserve finora accertate si esauriranno tra 40 anni, se saranno mantenuti invariati gli attuali consumi annuali.
I principali inquinanti prodotti dalla combustione del petrolio e contenuti nei fumi delle centrali termoelettriche sono l'anidride solforosa (SO2), che può provocare irritazioni e malattie dell'apparato respiratorio ed è responsabile delle piogge acide; gli ossidi di azoto (NOX), che provocano irritazione delle vie aeree e sono tra i gas responsabili dell'effetto serra e delle piogge acide); le polveri, che provocano danni all'apparato respiratorio, favoriscono la formazione di nebbie e nuvole e possono poi depositarsi sulle foglie delle piante formando una patina opaca che, schermando la luce, ostacola il processo della fotosintesi; il biossido di carbonio (anidride carbonica, CO2), uno dei gas maggiormente responsabili dell'effetto serra. Ovviamente, gli effetti sull'ambiente delle sostanze citate dipendono dal valore della concentrazione che le stesse raggiungono al suolo.
Il carbone
La combustione del carbone libera, dunque, l'energia del sole immagazzinata dalle piante con la fotosintesi milioni di anni fa: per questo, è un prezioso contenitore di energia solare "fossile".
Gli ambienti favorevoli alla formazione del carbone sono le vaste pianure costiere, lagunari o paludose, dove il clima caldo-umido ha sviluppato in passato un'abbondante vegetazione. Si forma prima la torba, poi la lignite, un carbone marrone e tenero che contiene il 70% di carbonio, quindi il litantrace, il carbone più comunemente utilizzato per la produzione di energia elettrica e, infine, l'antracite, una roccia nera, lucida e compatta, che ha il più alto tenore di carbonio (dal 93% al 98%).
La formazione di giacimenti di carbone richiede da milioni fino a centinaia di milioni di anni, a seconda del tipo di prodotto finale ed il 95% dei giacimenti di carbone, si trova nell'emisfero settentrionale (quasi il 60% è ripartito tra Cina, USA ed ex URSS). In Europa, la fascia dei grandi giacimenti è localizzata in Gran Bretagna, Francia settentrionale, Belgio, Olanda, Germania, Polonia e Russia. L'Italia possiede solo piccole quantità di "carboni poveri" (lignite).
Negli impianti di produzione di energia elettrica, il carbone viene bruciato per riscaldare l'acqua fino a trasformarla in vapore che, messo sotto pressione, fa girare una turbina collegata ad un generatore. L'energia meccanica della rotazione viene così trasformata in corrente elettrica.
Il settore siderurgico, in particolare le acciaierie, utilizza il coke: un combustibile solido e compatto prodotto riscaldando il carbone ad alta temperatura. In altri processi industriali si usano i gas di carbone per produrre fertilizzanti, solventi, prodotti farmaceutici, pesticidi, ecc. Anche il catrame, utilizzato per ricoprire le strade, si ottiene dal carbone per distillazione.
Per le sue caratteristiche di abbondante disponibilità , sicurezza di approvvigionamento, competitività , e per la sua elevata sicurezza nel maneggio, trasporto ed uso (non è nè infiammabile, nè esplosivo, nè inquinante per il suolo e per l'acqua) il carbone è il combustibile primario nella generazione di energia elettrica nel mondo ed in Europa: circa il 39% dell'elettricità complessivamente prodotta si deve a questo fossile.
Negli impianti moderni il carbone viene prima macinato in polvere finissima aumentando la velocità di combustione e poi insufflato nella camera di combustione del forno, dove viene bruciato a circa 1400 gradi centigradi. L'elevata temperatura dei gas di combustione determina la trasformazione in vapore dell'acqua contenuta nei tubi della caldaia. Il vapore, attraverso grosse tubazioni, raggiunge la turbina, che trasforma il vapore in energia elettrica.
Gli idrocarburi, insieme con la diffusione dell'elettronica, hanno contribuito in maniera determinante al benessere ed allo sviluppo della civiltà umana dell'ultimo secolo ma, d'altro canto, sono stati determinanti nella grande produzione di inquinamento e rifiuti e il crescente divario nella disponibilità di materie prime ed energia tra il Nord e il Sud del mondo. Solo nell'ultima parte di questo secolo l'uomo ha cominciato a prendersi cura della salute del Pianeta, cercando di minimizzare l'impatto provocato dalla sua presenza sulla Terra. Per quanto riguarda, invece, il divario tra Nord e Sud, i Governi dei Paesi del mondo dovranno impegnarsi molto e a fondo, poichè è un problema di non facile risoluzione.
In ogni caso, resta aperto il problema che gas, petrolio e carbone sono risorse destinate a finire e la strada che occorre percorrere non può che essere fondata su almeno tre pilastri:
- migliorare l'efficienza degli impianti di produzione di energia;
- cercare forme di energia rinnovabili e meno inquinanti;
- ripensare seriamente il nostro modo di vivere, riducendo sprechi e consumi.
