L’energia dell’acqua, o idrica è stata usata in passato solo per azionare i mulini e altre semplici macchine, attualmente è utilizzata nelle centrali idroelettriche per produrre energia elettrica.

Com’è fatta una centrale idroelettrica?

Una centrale idroelettrica ( 4 ) richiede la costruzione di una diga ( a ) per sbarrare le acque di un fiume o di sorgenti che possano alimentare un bacino artificiale ( b ). L’energia che viene trasformata è l’energia potenziale dell’acqua di tale bacino, che deve perciò essere posto in un luogo elevato; l’acqua viene incanalata nelle condotte forzate ( c ), grosse tubature che la trasportano più in basso, dove è situata la centrale. Qui l’energia cinetica dell’acqua fa ruotare le pale delle turbine ( d ) e si trasforma in energia meccanica che viene poi trasformata in energia elettrica dall’alternatore ( e ). Per essere trasportata senza grandi dispersioni, l’energia elettrica deve essere portata a una tensione molto elevata da un trasformatore ( f ). Prima di entrare nelle nostre case, poi, un altro trasformatore riduce la tensione a quella usata dagli apparecchi domestici.

L’energia dovuta alla radiazione del Sole è praticamente inesauribile e non inquinante, si tratta cioè di energia “pulita”. Purtroppo la distribuzione dell’energia solare sulla Terra dipende dalla latitudine, dalle stagioni, dalle ore di luce della giornata.

Come viene catturata e trasformata l’energia solare?

I pannelli solari ( 5 ) sono il sistema più semplice per catturare la radiazione solare. Sono costituiti da una piastra metallica di colore scuro ricoperta da una lastra di vetro; all’interno contengono delle serpentine in cui circola l’acqua. L’energia solare assorbita dalla piastra riscalda l’acqua che, alla temperatura di 70-80 °C, va a finire in un serbatoio da cui viene prelevata per il riscaldamento e altri usi domestici. Le centrali solari funzionano attraverso le celle fotovoltaiche o gli specchi solari.

Le celle fotovoltaiche ( 6 ) trasformano l’energia del Sole direttamente in energia elettrica, sfruttando il movimento degli elettroni dei materiali di cui sono costituite (derivati dal silicio e dal gallio). I pannelli fotovoltaici, posti sul tetto degli edifici, possono fornire energia elettrica sufficiente alle necessità domestiche. Quelli più innovativi possono orientarsi a seconda della posizione del Sole come “girasoli tecnologici”.

Gli specchi solari ( 7 ) seguono la posizione del Sole nel cielo, ne riflettono le radiazioni e le concentrano su una caldaia contenente acqua posta sopra una torre. L’energia solare viene quindi trasformata prima in energia termica e poi in energia elettrica. L’energia solare è anche economica e può essere prodotta da chiunque sul tetto della propria casa. I costi di installazione sono ancora alti, ma nel tempo si hanno notevoli risparmi sulla bolletta energetica.

Com’è fatta una centrale mareomotrice?

L’energia mareomotrice è l’energia che sfrutta il moto ondoso o il diverso livello dell’acqua del mare durante le maree. Per produrre energia sfruttando le maree è necessario che la differenza tra il livello raggiunto dell’acqua durante l’alta marea e quello raggiunto durante la bassa marea sia di almeno 10 metri; tale fenomeno si verifica solo in poche località della Terra, per cui sono poche le centrali di questo tipo. A Saint Malò, nel nord della Francia, è in funzione dal 1966 la centrale alla foce del fiume Rance, dove il dislivello di marea è di 13 metri. Qui è stato costruito uno sbarramento che ha creato una baia separata dal mare. Nello sbarramento esistono dei tunnel che contengono turbine collegate ad alternatori. L’acqua passa attraverso le turbine sia con l’alta, sia con la bassa marea: durante la bassa marea, l’acqua del fiume fluisce nell’oceano, durante l’alta marea il flusso dell’acqua avviene in senso contrario ( 8 ).

L’energia del vento o eolica era sfruttata nell’antichità per generare energia e far funzionare semplici macchine per la macina dei cereali e per pompare l’acqua. Anche al giorno d’oggi esistono i mulini a vento ma l’energia eolica viene sfruttata soprattutto per produrre elettricità.

In quale modo l’energia del vento genera energia elettrica?

Il dispositivo che sfrutta l’energia è l’aerogeneratore, dotato di una o più pale che, mosse dal vento, funzionano come una turbina ( 9 ). L’energia meccanica delle pale viene trasformata in energia elettrica da un alternatore posto all’interno dell’aerogeneratore. Gli impianti eolici devono essere installati in zone ventose e funzionano se la velocità del vento è di almeno 10 km/h; per motivi di sicurezza devono essere spenti quando tale velocità supera i 90 km/h. Poiché per generare la quantità di energia necessaria occorre installare un gran numero di aerogeneratori, il loro impatto visivo sull’ambiente è decisamente forte. Da poco tempo si sono costruiti impianti eolici direttamente in mare aperto (eolico off-shore) per poter sfruttare venti più forti e costanti; con tale sistema si ha anche un minor impatto visivo nel paesaggio.

L’energia geotermica è dovuta al calore naturale della Terra. In alcune zone, il magma presente negli strati profondi della crosta terrestre, può risalire in superficie ad altissime temperature e pressioni, riscaldare l’acqua delle falde acquifere e originare sorgenti termali, geyser, soffioni o fumarole.

Come viene sfruttato il calore della Terra per la produzione di energia?

In una centrale geotermica ( 10 ) il vapore caldo proveniente dal sottosuolo viene convogliato in tubature, chiamate vapordotti, raggiunge e mette in moto una turbina; l’energia meccanica della turbina viene trasformata in energia elettrica da un alternatore. Il vapore usato è raffreddato in una torre di raffreddamento e si trasforma in acqua che viene restituita al sottosuolo. L’energia geotermica può essere usata anche per fornire di acqua calda intere città; è ciò che accade ad esempio in Islanda, la grande isola vulcanica del Nord-Atlantico. In Italia la disponibilità di energia geotermica è elevata ma viene sfruttata solo in Toscana dove, dal 1904, i vapori provenienti dai soffioni boraciferi di Larderello sono convertiti in elettricità ( 11 ).

La biomassa è l’insieme dei prodotti derivati da organismi vegetali e animali provenienti dall’agricoltura, dagli allevamenti, ma anche dalla parte organica dei rifiuti domestici urbani. In queste sostanze si è accumulata l’energia del Sole, trasformata in energia chimica. Tale energia può essere liberata attraverso la combustione o la fermentazione ad opera di batteri anaerobi , che vivono in assenza di ossigeno. Naturalmente durante tali processi si produce (CO2) la maggior responsabile dell’effetto serra, tuttavia la stessa quantità di CO2 viene prelevata dall’atmosfera durante la fotosintesi che permette la crescita delle biomasse vegetali. L’immissione in atmosfera di CO2 sarà quindi nulla fino a quando le biomasse sfruttate saranno sostituite piantando nuove biomasse.

Com’è fatto un impianto per lo sfruttamento delle biomasse?

Le biomasse possono essere sfruttate per ottenere il biogas, una miscela contenente in gran parte gas metano. Gli impianti per la produzione di biogas ( 12 ) sono diffusi soprattutto nelle aziende agricole e sono costituiti da un digestore dove i rifiuti organici e gli scarti agricoli, chiusi ermeticamente, sono sottoposti alle fermentazioni; nella parte superiore del digestore si raccoglie il biogas che viene convogliato in un recipiente esterno, il gasometro, e poi utilizzato come combustibile o per produrre energia elettrica.

Altri tipi di combustibili si ottengono dalla fermentazione di piante come la canna da zucchero, le barbabietole e il mais, che sono ricche di zuccheri, o da piante come la colza ( 13 ), la soia, il girasole, che sono ricche di oli. La coltivazione intensiva di tali piante, un tempo nate solo per l’alimentazione, potrebbe portare però a uno sfruttamento eccessivo del suolo e a un suo impoverimento ed erosione.

L’idrogeno è un elemento molto abbondante sulla Terra; legato all’ossigeno forma l’acqua e legato ad altri atomi forma tutti i componenti organici; è un ottimo combustibile perché reagisce con l’ossigeno liberando energia e producendo come prodotto di scarto l’acqua. L’idrogeno, però, per essere utilizzato deve essere separato dagli altri elementi con cui forma composti, poiché non si trova allo stato libero: si può ottenere dall’acqua attraverso l’elettrolisi o a partire da combustibili fossili come il metano. I costi di produzione sono ancora molto elevati anche se molto probabilmente sarà l’energia del futuro, anche per il funzionamento delle automobili ( 14 ).