martedì 18 giugno 2013

Nel centenario della morte di Antonio Pacinotti -- 2012

La Gazzetta del Mezzogiorno, giovedì 29 marzo 2012

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

« QUI, SULLE RIVE DEL MINCIO, AGLI ALBORI DEL NAZIONALE RISCATTO, TRA LE ASPRE FATICHE DI GUERRA, DURANTE LA CAMPAGNA DEL 1859, IL SERGENTE VOLONTARIO ANTONIO PACINOTTI DIVINAVA L'ANELLO ELETTROMAGNETICO CHE TRASFORMANDO L'ENERGIA MECCANICA IN ENERGIA ELETTRICA A CORRENTE CONTINUA APPORTAVA PROGRESSO E CIVILTÀ NEL MONDO. GOITO NEL CENTENARIO DI S.MARTINO E SOLFERINO PERCHÉ L'UMANITÁ SI RICORDI »

Il sergente Pacinotti era uno degli studenti universitari pisani (Pisa era ancora parte del Granducato di Toscana) che raggiunsero l’esercito piemontese nella battaglia di Solferino e San Martino, nella seconda guerra di indipendenza. Nel 1859 aveva diciotto anni ed era figlio di un professore di fisica della stessa Università di Pisa.

Cadono quest’anno 2012 cento anni dalla morte di questo studioso che ebbe davvero un ruolo fondamentale nella storia della tecnica. Se la vostra lavatrice vi permette senza fatica di fare il bucato, se la forza del vento e delle acque trasformano questa energia in elettricità, se riuscite ad avviare il motore dell’automobile con un semplice click della chiave di accensione e se riuscite ad illuminare la vostra casa, lo dovete alla dinamo intuita da Pacinotti in quel 1859 e poi perfezionata negli anni successivi. L’ingegnosa idea di generare elettricità in un filo avvolto su un corpo metallico esposto al campo di un magnete rotante o, in alternativa, in un filo avvolto su una ruota che gira davanti ad un magnete (dinamo), e l’applicazione dello stesso principio per far girare una ruota (motore elettrico), sono state alla base di tutta l’elettrotecnica. Cioè, davvero, del progresso e della civiltà moderni.

sabato 1 giugno 2013

SM 1447 -- Il Sole come amico. Quale e quanta energia per uno sviluppo sostenibile -- 1997

Colloqui di Dobbiaco 1989 - "La svolta ecologica. Per un futuro nel futuro"
I-39034 Toblach-Dobbiaco, 14-16 Settembre 1989


Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

Nella prolusione all'anno accademico 1903-1904 dell'Università di Bologna, Giacomo Ciamician, professore di chimica in quella Università, disse: "Il problema dell'impiego dell'energia raggiante del Sole si impone e s'imporrà anche maggiormante in seguito. Quando un tale sogno fosse realizzato, le industrie sarebbero ricondotte ad un ciclo perfetto, a macchine che produrrebbero lavoro colla forza della luce del giorno, che non costa niente e non paga tasse !". E, vorrei aggiungere, non ha padrone ! Pochi anni dopo, nel 1912, in una conferenza tenuta negli Stati Uniti, lo stesso professore affermava: "Se la nostra nera e nervosa civiltà, basata sul carbone, sarà seguita da una civiltà più' quieta, basata sull'utilizzazione dell'energia solare, non ne verrà certo un danno al progresso e alla felicità umana !".

Quando sono state pronunciate queste parole il consumo totale mondiale annuo di energia era di poco più di un miliardo di tonnellate equivalenti di petrolio (circa 45 esajoule); esso era salito a circa 2 miliardi di tep/anno (circa 90 EJ/anno) nel 1950 ed è oggi, nel 2004, di 10 miliardi di tep/anno (circa 420 EJ/anno).

L'odierno consumo di energia --- e la produzione e il consumo delle macchine che divorano questa energia e delle merci fabbricate trasformando le risorse naturali con questa energia --- sono accompagnati da conseguenze che si riconoscono non più soltanto a livello locale --- la "nera e nervosa civiltà" --- ma che si fanno sentire a livello planetario.

Le riserve di fonti di energia, di minerali, di foreste, la perdita di fertilità delle terre coltivabili, l'inquinamento dell'aria e delle acque, inducono a chiederci se è possibile continuare su questa strada senza compromettere le condizioni di vita e di salute delle generazioni future. Sempre piu' spesso ci si interroga sulla possibilità di realizzare una societa', uno sviluppo sostenibili. Per definizione uno sviluppo umano sostenibile deve essere capace di soddisfare i bisogni di alimenti, abitazioni, energia, beni materiali, ma anche salute, liberta', dignita', indipendenza, bellezza, della nostra generazione attraverso un uso delle risorse naturali --- minerali, combustibili fossili, acqua, foreste, terreno coltivabile, ecc. --- che lasci alle generazioni future condizioni tali da assicurare loro una vita dignitosa e soddisfacente.

Benche' molti auspichino l'avvento di una organizzazione sociale capace di svilupparsi in modo sostenibile, le attuali tendenze dei consumi di risorse naturali sono tali da far pensare che le generazioni future dovranno far fronte ad un impoverimento dei "beni ambientali" e addirittura a disastri ecologici di dimensioni non immaginabili. Al fianco delle possibili crisi ambientali se ne prospettano altre, di carattere politico e sociale, dovute alla maniera ineguale e ingiusta con cui l'energia è usata nel mondo. Circa 1500 milioni di terrestri consumano circa 5,5 miliardi di tep/anno e ai restanti circa 4500 milioni di abitanti della Terra rimangono a disposizione circa 4,5 miliardi di tep/anno.

Sembra quindi abbastanza ragionevole che i paesi che finora hanno avuto a disposizione pochissima energia reclamino una proporzione maggiore dell'energia consumata complessivamente nel mondo. E' possibile tracciare vari scenari di tale più giusta distribuzione, ma tutti inevitabilmente portano ad un aumento dei consumi totali di energia attraverso l'uso di crescenti quantità di combustibili fossili. Allo stato attuale delle conoscenze l'energia nucleare non solo non è destinata a giocare un ruolo importante nel futuro energetico, ma è destinata ad un inarrestabile declino, e già così lascia una drammatica eredità di scorie e residui radioattivi con cui dovranno fare i conti le generazioni future.

Ma il consumo di combustibili fossili produce gravi effetti ambientali, in parte locali (inquinamento dovuto a varie sostanze nocive, piogge acide con danni alla salute e alla vegetazione, inquinamento termico, ecc.), in parte planetari, soprattutto mutamenti climatici dovuti all'aumento della concentrazione dell'anidride carbonica atmosferica ("effetto serra"). Già al livello degli attuali (2004) consumi di "appena" 10 miliardi di tep/anno vengono immessi ogni anno nell'atmosfera circa 25 miliardi di tonnellate di anidride carbonica; anche considerando i meccanismi di autodepurazione dell'atmosfera si osserva un aumento della concentrazione dell'anidride carbonica atmosferica di oltre una parte per milione in volume all'anno: da circa 315 a 400 parti per milione in volume (micromoli per mole) nel periodo dal 1958 al 2013. Come è noto, un ulteriore aumento di questa pur piccolissima concentrazione dell'anidride carbonica nell'atmosfera comporta una modificazione del delicato equilibrio fra energia solare che raggiunge la Terra e calore re-irraggiato dalla Terra, con conseguente aumento del calore trattenuto dentro l'atmosfera e della temperatura media della Terra.

Per la definizione di sviluppo sostenibile il pianeta non può sopportare le alterazioni climatiche ed ecologiche corrispondenti ad un sensibile aumento (per esempio ad un raddoppio) dell'uso di combustibili fossili. Tanto più che tale aumento porterebbe ad un rapido impoverimento delle riserve di idrocarburi con conseguenti crisi economiche e politiche e comunque in contrasto con gli interessi delle generazioni future. Ci sono gia' dei tentativi di far risuscitare l'energia nucleare come possibile mezzo per ottenere energia senza immissione di anidride carbonica nell'atmosfera, ma si e' gia' ricordato che l'eredita' di residui radioattivi che tale soluzione lascerebbe e' in contrasto con il carattere sostenibile dello sviluppo umano futuro. Uno sviluppo umano può essere sostenibile soltanto ricorrendo in maniera crescente e determinante alle fonti di energia rinnovabili che tutte dipendono dal Sole; per essere sostenibile una societa' deve essere almeno in gran parte solare. Dal punto di vista energetico e tecnico-scientifico l'avvento di una societa' solare e' del tutto possibile, come mostrano poche cifre. L'intensità della radiazione solare che arriva ogni anno sulla superficie della Terra equivale a circa 80.000 miliardi di tep, ed è quindi diecimila volte superiore a quella consumata ogni anno nel mondo e superiore anche a tutte le riserve di carbone, petrolio, gas naturale e uranio messe insieme.

Di questi 80.000 miliardi di tep/anno circa 25.000 raggiungono le terre emerse e circa 55.000 raggiungono gli oceani. L'energia solare tiene in moto il grande ciclo dell'acqua: una parte dell'acqua in circolazione scorre sulle terre emerse e ritorna al mare; questo flusso ha un "contenuto" potenziale medio di circa 10 miliardi di tep/anno, anche se solo una parte limitata puo' essere ricuperata come energia idroelettrica e solo una parte minima (circa 0,15 miliardi di tep/anno, pari a circa 2000 miliardi di kilowattore/anno) e' attualmente in effetti ricuperata come tale. La seconda grande funzione "naturale" dell'energia solare e' la "fabbricazione" per fotosintesi di biomassa vegetale: circa 100 miliardi di tonnellate/anno negli oceani e circa 100 miliardi di t/anno sulle terre emerse a spese di circa 400 miliardi di t/anno di anidride carbonica tratta dall'atmosfera; tale anidride carbonica quasi totalment e ritorna nell'atmosfera in breve tempo, nel corso del ciclo del carbonio.

Ai fini dell'utilizzazione "umana" dell'energia solare va notato subito che l'intensità della radiazione solare e' maggiore nei paesi meno abitati e in quelli sottosviluppati che sarebbero quindi favoriti da un crescente ricorso a questa fonte di energia: una società solare contribuirebbe quindi a ristabilire una forma di giustizia energetica fra i diversi paesi della Terra. Come affermò già nel 1912, nella conferenza già ricordata, il prof. Giacomo Ciamician dell'Universita' di Bologna, "i paesi tropicali ospiterebbero di nuovo la civilta' che in questo modo tornerebbe ai suoi luoghi di origine". Immaginiamo di progettare una societa' tutta solare con gli attuali consumi di energia. Calcolando una intensita' media della radiazione solare di circa 100.000 tep/anno per km2, l'attuale consumo globale di energia equivale all'energia solare raccolta da una superficie di circa 100.000 km2. La superficie effettiva di raccolta dovre ÿÿbbe essere almeno dieci volte superiore perche' l'efficienza di trasformazione di molti dispositivi solari e' abbastanza basso.ƒƒA prima vista si tratta di superfici enormi, ma non e' cosi'.

Prendiamo il caso dell'Italia, con la sua superficie di 300.000 km2. Il fabbisogno energetico italiano attuale, poco piu' di 150 milioni di tep/anno, corrisponde all'energia solare che raggiunge circa 1500 km2. La superficie di raccolta, calcolando una resa di trasformazione del 10 %, dovrebbe essere circa 15.000 km2; la sola superficie delle terre coltivate in passato e ora abbandonate ammonta a circa 4000 km2. Per ottenere da cellule fotovoltaiche tutta l'elettricita' usata attualmente in Italia (circa 210 miliardi di kilowattore/anno, di cui pero' 40 di origine idroelettrica) occorrerebbero circa 2000 km2 di campi di fotocelle, circa la superficie della Murgia in Puglia. Non si tratta di superfici enormi neanche per un paese industrializzato e ad alta densita' di popolazione come l'Italia. Piu' in generale si vede che esistono sul pianeta ampi spazi disabitati, con alto irraggiamento solare, che potrebbero essere utilizzati per la trasformazione della radiazione solare nelle forme di energia utili per fini umani e trasportabile nelle zone di utilizzazione. La radiazione solare, e le fonti di energia da essa derivate, si prestano a fornire energia in tutte le forme a cui siamo abituati: si puo' ottenere calore a bassa, media e alta temperatura direttamente dal Sole; con questo calore e' possibile scaldare l'acqua, le abitazioni, e' possibile azionare frigoriferi e condizionatori d'aria, e' possibile distillare l'acqua di mare per ottenere acqua dolce, con un contributo decisivo, cosi', del Sole alla sconfitta della sete che affligge molte zone tropicali e equatoriali costiere.

Ancora l'energia solare, mettendo in moto il ciclo dell'acqua e scaldando diversamente le varie parti del pianeta, crea le condizioni per cui e' possibile ottenere energia meccanica e elettrica utilizzando lo scorrere delle acque sulla superficie terrestre; o utilizzando le differenze di temperatura fra gli strati superficiali caldi e quelli profondi freddi dei mari tropicali; o utilizzando la forza del vento o il conseguente moto ondoso, anch'essi alimentati dalle differenze di temperatura provocate dal Sole sulle varie parti della Terra. E' possibile con i sistemi fotovoltaici ottenere energia elettrica direttamente dalla radiazione solare; e' possibile trasformare l'energia elettrica di origine solare in altre forme, per esempio in idrogeno utilizzabile come combustibile o come materia prima per prodotti chimici. La radiazione solare, attraverso la fotosintesi, produce nella biomassa sostanze chimiche utili come materie prime o carburanti. 

La letteratura su queste utilizzazioni dell'energia solare è sterminata; molte invenzioni risalgono a decenni fa e vanno dissepolte dall'oblio e sperimentate di nuovo alla luce dei progressi nei materiali e nelle tecniche.ƒƒSe il Sole e' davvero il nostro grande amico e alleato verso uno sviluppo sostenibile, i nemici della transizione stanno nella pigrizia delle idee correnti. L'energia solare ha comunque vari limiti; è distribuita irregolarmente nelle varie parti della Terra, nella varie parti del giorno e dell'anno, e' molto diluita rispetto alla concentrazione delle attuali societa' industriali.

Ma proprio qui sta anche la sua forza: e' ormai chiaro che molti squilibri ecologici derivano proprio dalla concentrazione in spazi ristretti delle attivita' umane, dal superamento violento della "carrying capacity" di molti territori, per cui una societa' solare comporta una ridistribuzione e diffusione delle a ttivita' umane, un uso piu' razionale dei grandi spazi che pure il pianeta Terra ancora offre. La piu' facile fra le forme di utilizzazione dell'energia solare e' sotto forma di calore e la produzione di calore col Sole e' stata la prima e la piu' sperimentata applicazione. Una piastra metallica di colore nero, coperta con una lastra di vetro ed esposta al Sole raccoglie la parte visibile della radiazione solare e la trasforma in radiazione infrarossa che resta "intrappolata" al di sotto del vetro, sulla piastra. Questo "effetto serra" consente di portare la piastra, d'estate, a temperatura fino a 80 o 90 gradi Celsius; con particolari accorgimenti è possibile scaldare un collettore solare anche a temperatura un po' superiore a 100 gradi Celsius. Se il calore della piastra nera viene trasferito ad una massa di acqua, che, per esempio, viene fatta circolare entro tubi appoggiati sulla piastra stessa, d'estate è possibile, con ogni metro quadrato di superficie del collettore solare, scaldare 100 litri di acqua da 20 a 45 gradi, oppure 50 litri di acqua da 20 a 70 gradi Celsius. D'inverno il riscaldamento ottenibile è molto più modesto.

Per il riscaldamento dell'aria all'interno degli edifici piu' che i sistemi "attivi" come quelli basati su collettori solari, si prestano bene i sistemi "passivi" realizzati progettando gli edifici in modo da massimizzare la quantita' di radiazione solare che, anche d'inverno, entra nell'edificio, facendola eventualmente assorbire da speciali materiali capaci di immagazzinare calore anche a bassa temperatura. Una società solare dovrà inventare nuovi modi di progettazione degli edifici; con una appropriata espoisizione al Sole, con la creazione di spazi esposti al Sole e di spazi in ombra, e' possibile ottenere spazi ventilati d'estate e caldi d'inverno, e' possibile migliorare molto l'illuminazione dei locali. Gli alti sprechi di elettricita' per l'illuminazione e di elettricita' e di combustibili per il riscaldamento sono il risultato di una scadente progettazione. Il passaggio ad una societa' solare si traduce quindi anche in una diminuzione degli sprechi di energia, a parita' di servizi, e comporta una revisione della diffusione nel territorio e della tipologia degli spazi di abitazione e di lavoro.

Con la radiazione solare e' possibile trasformare per distillazione l'acqua del mare in acqua potabile. Milioni di kilometri di coste sono toccate dall'acqua dei mari e non hanno acqua dolce e in generale la situazione e' tanto peggiore quanto piu' ci si trova nella fascia centrale della Terra dove e' maggiore l'energia solare disponibile. I distillatori solari sono dispositivi relativamente semplici nei quali, in uno spazio chiuso coperto da lastre trasparenti, l'acqua marina viene esposta alla radiazione solare e evapora, condensandosi poi sotto forma di acqua priva di sali che viene ricuperata. I distillatori solari hanno il vantaggio di utilizzare il calore solare a mano a mano che diventa disponibile e, nei dispositivi piu' efficienti, e' possibile utilizzare il 50 per cento di tale calore per far evaporare l'acqua. Con un distillatore solare della superficie di un metro quadrato e' possibile ottenere circa 1000 litri di acqua dolce all'anno. Meno favorevole si presenta, invece, la possibilita' di ottenere calore ad alta temperatura con sistemi a specchi per la concentrazione del calore solare; i tentativi di far funzionare delle centrali termoelettriche con collettori a specchi non hanno finora avuto successo; il Sole da' il massimo di se se gli si fanno fare su scala umana le cose che sa gia' fare bene su larga scala e male si adatta alle dimensioni e ai caratteri delle macchine (per esempio le centrali termoelettriche) sviluppate per forme piu' concentrate di energia, come sono i combustibili fossili.

La maniera migliore per ottenere elettricita' dal Sole e' quella basata sulle celle fotovoltaiche che consentono di produrre da 100 a 150 kilowattore di elettricita' all'anno per ogni metro quadrato di superficie di fotocelle esposte al Sole; ogni anno nel mondo aumenta il numero di impianti fotovoltaici e la loro potenza. Sono ormai normali centrali di decine di migliaia di kilowatt di potenza e il costo di tali centrali sta continuamente diminuendo, avvicinandosi al costo della centrali tradizionali. E, a differenza di queste ultime, le centrali fotovoltaiche solari non hanno bisogno di combustibili e non producono effetto serra o scorie radioattive.

La cosa comunque che il Sole sa già fare bene, senza macchine, su larga scala e con notevole efficienza, è "fabbricare" materia organica attraverso i processi di fotosintesi: la materia organica e' costituita da zuccheri, amido, cellulosa, lignina, sostanze proteiche, grassi, eccetera, una straordinaria varietà di molecole su molte delle quali abbiamo ancora conoscenze appena approssimative e quasi nulle per quanto riguarda le potenziali applicazioni umane. La biomassa vegetale ha dentro di se, "incorporata", l'energia che il Sole ha messo a disposizione per la sua sintesi e tale energia restituisce bruciando.

Nei climi temperati si può stimare che da un ettaro di foresta o di terreno coltivato e' possibile ricavare ogni anno l'equivalente di oltre 10 tep sotto forma di sostanza organica - e senza alcuna macchina. Ciascuna delle sostanze presenti nella biomassa e' utilizzabile direttamente come combustibile o trasformabile in fonti di energia commerciali (come gas o liquidi combustibili) e sempre piu' spesso si parla di coltivazioni o piantagione energetiche, progettate proprio per ottenere combustibili o materie alternative a quelle ricavate dal petrolio, anche se questi progetti vanno sottoposti ad attento scrutinio per verificarne la compatibilità ecologica.

Il vento rappresenta un'altra delle fonti di energia derivate dal Sole. L'energia solare riscalda le varie parti delle terre emerse e dei mari in maniera disuguale che dipende dalle stagioni, dalla latitudine, dalle condizioni della superficie del terreno. Le masse d'aria che sovrastano territori a differenti temperature scorrono da una zona all'altra e generano i venti che si possono cosi' considerare l'effetto meccanico del funzionamento di giganteschi collettori solari.

Un'elica o un sistema di pale rotanti esposti al vento si mettono in moto quando la velocita' del vento supera un valore minimo, in genere di una decina di kilometri all'ora. Da questa velocita' in avanti un motore a vento ricupera l'energia del vento con un rendimento che dipende dalla superficie delle pale e dalla terza potenza della velocita' del vento. I motori eolici possono andare da delicate macchine con eliche di grande diametro, a piccoli rotori fabbricabili con tecnologie intermedie. La forza del vento si manifesta non soltanto come moto di grandi masse d'aria, ma anche come moto di grandi masse d'acqua superficiali sotto forma di onde derivanti anche'esse, quindi, dall'energia solare.

La quantità di energia ricuperabile dipende dalla differenza di altezza fra la cresta e l'avvallamento dell'onda: nelle coste di fronte ai grandi oceani si ha un moto ondoso ampio e regolare la cui forza può essere "catturata" con vari dispositivi, alcuni dei quali stanno gia' superando il collaudo dell'applicazione industriale.

Si è già detto che il piu' grande collettore solare e' costituito dagli oceani; in molte zone della Terra la radiazione solare scalda la superficie dei mari al punto da determinare una differenza di temperatura, che puo' arrivare anche a 20 gradi Celsius, fra gli strati superficiali caldi e quelli freddi profondi. Sono già stati costruiti dispositivi nei quali l'acqua fredda viene sollevata dagli strati profondi degli oceani e portata a contatto con l'acqua superficiale piu' calda in una macchina termica capace di trasformare, con un rendimento del 2 - 3 per cento, questo piccolo salto termico in energia elettrica.

Si e' gia' detto che il calore solare fa evaporare e condensare ogni anno 500.000 miliardi di tonnellate di acqua dalla, e sulla, superficie dei mari e dalle terre emerse. 100.000 miliardi di tonnellate ricadono sulle terre emerse e circa 35.000 miliardi di metri cubi scorrono sulla superficie dei continenti nel loro ritorno al mare superando talvolta grandi dislivelli. Piu' volte si e' pensato di ricuperare una parte dell'energia meccanica incorporata nel moto delle acque sotto forma di energia idroelettrica, rinnovabile.

In genere i grandi fiumi e le grandi montagne sono nelle zone disabitate come le zone tropicali e equatoriali, la Groenlandia, l'Asia centrale. Una parte dell'energia di queste risorse potrebbe essere trasformata in energia elettrica che potrebbe essere trasportata nelle zone dove e' maggiore la richiesta, o potrebbe essere trasformata per elettrolisi in idrogeno da trasportare con condotte, o che potrebbe essere utilizzata sul posto attraendo nuove attivita' dai paesi gia' oggi congestionati. Anche in questo caso si puo' andare da grandi impianti al ricupero dell'energia da piccoli salti di acqua con turbine idrauliche relativamente semplici. Finora spesso l'energia elettrica e' stata ricuperata con interventi sul territorio sconsiderati dal punto di vista ecologico. Le proposte dalla societa' solare presuppongono di utilizzare il Sole in maniera compatbile con i suoi caratteri e con le grandi leggi della n atura. Per la maggior parte dei problemi tecnico-scientifici associati alla transizione ad una societa' solare esiste gia' una risposta: altre possono essere pensate e inventate. Alle proposte di costruzione di una societa' solare viene obiettato sempre che il calore, o l'elettricità, o i combustibili ottenuti dal Sole e dalle fonti rinnovabili hanno un costo eccessivo rispetto a quello delle corrispondenti forme di energia ricavate dalle fonti non rinnovabili, scarse, esauribili.

Secondo le regole della contabilita' tradizionale ciò in genere è oggi vero, ma dipende dal fatto che nell'analisi dei costi delle fonti energetiche attuali non viene contabilizzato ne' il costo dell'inquinamento per la nostra generazione, ne' il costo, per le generazioni future, dell'impoverimento delle riserve di combustibili fossili. Inoltre non si tiene conto che quanto maggiore sara' la diffusione delle tecnologie solari, quanto minore sara', per effetto di scala, il loro costo e il costo dell'energia. L'avvento di una "neoeconomia" capace di integrare la contabilita' monetaria con quella "naturale", mostrerà che esiste una convenienza anche in termini contabili a ricorrere alle fonti di energia derivate dal Sole. La transizione ad una società solare, inoltre, è la grande occasione per razionalizzare macchinari, processi, mezzi di trasporto, strutture urbane, in modo che siano meno consumatori e distruttori di energia, a parita' di servizio "umano" fornito.

Vi è una sola osservazione importante che deve guidare i progettisti della futura inevitabile societa' solare: proprio per il carattere diffuso e diluito della fonte di energia, le opere di raccolta dell'energia in forma utile su scala umana sono destinate ad avere superfici molto grandi e possono provocare anch'esse effetti ambientali negativi. Molti sostenitori dell'energia solare --- ed io stesso mi metto fra questi --- pensano alla possibilità di regolare il corso dei grandi fiumi con la creazione di laghi artificiali, dighe, centrali idroelettriche; tali opere, coerenti con il progetto solare, possono peraltro avere effetti disastrosi --- come è già avvenuto --- sugli equilibri delle foreste pluviali o delle valli montane se non sono progettate in maniera del tutto diversa da quella finora seguita per le grandi centrali idroelettriche. E' possibile utilizzare la forza del moto ondoso con opere di captazione negli estuari o lungo le coste, ma tali opere possono provocare effetti erosivi e alterazioni ambientali quando la loro dimensione diventa molto grande ed estesa, come e' richiesto dalla bassa densità dell'energia del moto ondoso per kilometro di costa. E' possibile trarre carburanti e materie prime per l'industria chimica dalla biomassa e da colture "energetiche", ma sarebbe un errore pensare a tali colture con i criteri della agricoltura intensiva, o a spese delle foreste, come si propone oggi; e' possibile coltivare i deserti, dove e' elevata la radiazione solare, ma occorre evitare gli effetti ecologici negativi che si sono gia' osservati nell'introduzione di monocolture "economiche" al margine dei deserti.

Distruggere le foreste per creare coltivazioni di canna da zucchero da cui trarre alcol etilico carburante sarebbe una vera follia ! Se da una parte occorre preparare l'avvento di uno sviluppo sostenibile basato sul crescente ricorso all'energia solare, attraverso perfezionamenti e innovazioni tecnico-scientifici sui processi e sui materiali, occorre far crescere una cultura ecologica e territoriale capace di verificare e anticipare i danni che alcuni di tali processi possono arrecare al pianeta nel suo complesso.

Anche nel caso del Sole e delle fonti energetiche non rinnovabili, il criterio della corsa al minore costo monetario o al successo tecnico-commerciale o consumistico può far cadere in trappole che venificano il progetto guida che deve essere quello del carattere sostenibile dello sviluppo umano.

Nel 1934, nel suo libro "Tecnica e cultura", Lewis Mumford ha descritto tre "ere" della societa' umana. La prima durata molti secoli, era l'epoca eotecnica, nella quale lo sviluppo era basato sull'uso delle fonti energetiche e dei materiali da costruzione offerti dalla natura: il legno, il moto delle acque, la forza del vento. Nel corso del 1600-1700 si e' affermata una societa' paleotecnica --- estesa fino al suo, e al nostro attuale, tempo --- di cui Mumford denunciava gli aspetti negativi, una societa' basata sulla rapina delle risorse non rinnovabili, sul carbone e sul petrolio, sui metalli, caratterizzata dalla bruttura e dalla sporcizia, l'"impero del disordine". Mumford auspicava l'avvento di una societa' neotecnica, diversa e nuova, caratterizzata da un ambiente pulito e non inquinato, da citta' piu' ordinate e meno violente, da un uso piu' razionale delle risorse naturali; la transizione dalla societa' paleotecnica a quella neotecnica sarebbe stato possibile attraverso l'utilizzazione delle fonti di energia naturali, rinnovabili e non inquinanti, come l'energia del Sole, del vento, delle acque, che avrebbero reso possibile anche un crescente ricorso all'energia elettrica. Lo sviluppo sostenibile sara' possibile soltanto adottando nuovi rivoluzionari tipi e forme di nuove energie, di nuove merci, di nuovi consumi, di nuove citta', di nuove regola economiche, secondo il progetto "neotecnico" di cui Mumford parlava, inascoltato, oltre mezzo secolo fa !       

SM 2666 -- Dai pionieri dell’energia solare i possibili insegnamenti per il futuro -- 2005

In: “Incontri sul tema: ‘Le storie dei pionieri dell’energia solare per uno sguardo al futuro’”, Genova, Festival della Scienza, 3 novembre 2005

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

In questi primi anni del XXI secolo la società umana si trova di fronte a vari vicoli ciechi: nel 2005 la popolazione mondiale ha raggiunto i 6.400 milioni di persone che diventeranno nel 2025 (non mi azzardo a spingere lo sguardo più in là) circa 8.000 milioni di persone. La popolazione terrestre “usa” oggi, complessivamente, circa 400 EJ (corrispondenti a circa 10 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio) di energia, nelle varie forme di petrolio, carbone, gas naturale, energia idroelettrica, energia nucleare, con grandissime differenze da paese a paese che oscillano (sempre medie grossolane), fra oltre 300 GJ/anno.persona negli Stati Uniti, a poche diecine o poche unità di GJ/anno per persona nei paesi più poveri

La domanda di energia usata nel mondo aumenterà probabilmente intorno a 550 EJ/anno nel 2025, più o meno con le stesse differenze di domanda pro capite, fra paesi avanzati e paesi arretrati.

Il primo vicolo cieco riguarda l’approvvigionamento dei due principali combustibili fossili, petrolio e gas naturale, le cui riserve mondiali non sono illimitate, anzi tendono a diminuire, il che fa prevedere non solo aumenti del costo dell’energia e delle merci derivate, ma crescenti conflitti fra e con i paesi che possiedono le riserve.

Per uscire da questo vicolo cieco probabilmente sarà necessario imboccare l’altro, quello del crescente uso di carbone e lignite, le cui riserve mondiali sono molto più grandi ma il cui uso comporta problemi di sicurezza umana e di inquinamento. I due vicoli ciechi confluiscono comunque in un terzo vicolo cieco che è quello delle modificazioni climatiche dovute alla crescente immissione nell’atmosfera, da parte di tutti e tre i combustibili fossili, di gas che alterano l’equilibrio fra energia solare incidente e energia che la Terra irraggia negli spazi interplanetari.

Un vicolo alternativo è rappresentato dall’energia nucleare, ma è un vicolo cieco anche quello sul piano della sicurezza, del costo, della mancanza di prospettive di sistemazione delle scorie provenienti sia dal ciclo di fissione, sia dall’ipotetico successo del ciclo di fusione, delle inevitabili connessioni fra attività nucleari commerciali e tentazioni di costruzione di armi nucleari

Nell’orizzonte dei prossimi pochi decenni, dove abbiamo spinto lo sguardo, la società umana dovrà continuare a percorrere i quattro vicoli ciechi delle fonti energetiche fossili e nucleare, vicoli irti di conflitti sia economici, sia ambientali, sia politici.

L’invito a cambiare viene da lontano; già nell’Ottocento e nel Novecento, quando le prospettive energetiche erano scure ma non quanto oggi, vari studiosi hanno invitato la società umana a rivolgersi ad altre fonti energetiche, non soggette al vincolo della scarsità, meno inquinanti e pericolose; le quali sono una sola: l’energia che, proveniente dal Sole, si manifesta sulla Terra in diversissime forme, pur con diversa intensità alle varie latitudine, nei vari mesi dell’anno e nelle varie ore del giorno.

Si tratta comunque di circa 3.500.000 EJ/anno sull’intera superficie terrestre, di circa 1.000.000 EJ/anno sui continenti; quest’ultimo valore corrisponde a circa 2.000-2.500 volte l’energia usata dagli esseri umani in questi primi decenni del XXI secolo. La grande importanza dell’energia solare è che essa arriva sulla superficie terrestre e si manifesta come calore, vento, moto ondoso, produzione di vegetali, sempre nella stessa maniera, è, cioè una fonte di energia rinnovabile e tale resterà almeno nell’orizzonte temporale in cui, come umani, possiamo spingere lo sguardo. Una energia che, per ragioni geografiche, è più abbondante nei paesi oggi poveri

Per l’uso dell’energia solare --- attualmente meno di una diecina di EJ/anno sotto forma di calore, vento, fotoelettricità, combustione di vegetali --- sono state imboccate finora varie strade che stanno rivelando alcuni limiti. Il principale è l’idea che si possa usare il Sole e le energie derivate per ottenere le stesse cose che finora abbiamo ottenuto dal petrolio e dal nucleare: elettricità in grandi centrali, riscaldamento di grandi condomini, carburanti per le attuali automobili, biomassa vegetale con le attuali colture, metalli con gli attuali minerali, eccetera.

Se si guarda alla storia, ogni volta che c’è stato un cambiamento delle fonti di energia c’è stato anche un cambiamento dei mezzi di trasporto, della struttura delle città, dell’occupazione del territorio. Ciò è spiegato bene in un celebre e dimenticato libro, “Tecnica e cultura” (1933), dell’urbanista e sociologo Lewis Mumford, il quale descrive la transizione dalla società paleotecnica basata sul carbone e sul petrolio (la nostra), ad una società neotecnica e poi biotecnica basata sulle fonti e sulle materie rinnovabili.

Il calore e le forze del Sole, del vento, del moto delle acque possono fornire energia e beni materiali per soddisfare i bisogni degli abitanti del Nord e del Sud del mondo a condizione che si sia disposti ad esaminarne con fantasia e lungimiranza prospettive e limiti.

La storia mostra che innumerevoli soluzioni scientifico-tecniche “solari” sono state studiate e inventate nel corso dell’ultimo secolo e mezzo --- e poi sono state dimenticate perché non competitive, come comodità e costi, con lo strapotere delle fonti energetiche fossili; da qui la grande importanza di un lavoro di ricerca storica, che non è poi solo pura e semplice ricerca di storia dei dispositivi solari, ma anche riscoperta di fenomeni, di innovazioni, di persone, di imprese, di lavoro umano. Da questo patrimonio sepolto negli archivi e nelle biblioteche è possibile, con le conoscenze che nel frattempo abbiamo acquisito, imboccare una nuova via di perfezionamenti, macchine, imprese, occasioni di lavoro, aperta al futuro e al servizio dei bisogni della maggior parte dell’umanità.

Il successo dipende dalla capacità di vedere in un quadro unitario le diverse forme in cui il Sole può fornire energia per gli esseri umani; finora vari gruppi di studiosi e di interessi economici si sono polarizzati soltanto su uno o pochi aspetti delle grandi risorse del Sole. I limiti di questa frammentazione degli interessi appare anche guardando i contributi presentati negli innumerevoli congressi sul solare e branche affini che si susseguono senza tregua nel mondo, ciascuno dedicato ad un settore particolare, a differenza dei primi congressi di cinquant’anni fa, caratterizzati da uno spirito ben più profetico.

Citerò solo pochi esempi di nuove strade da percorrere, ricordando l’uso dell’energia solare nel passato. .

Fin dall’alba dell’umanità i nostri predecessori hanno riconosciuto che l’esposizione al Sole assicura calore e luce e che una superficie di acqua marina esposta al Sole lascia come residuo, in seguito all’evaporazione dell’acqua, la prima importante merce industriale, il sale. Le saline solari sono state i primi esempi di impiego ”industriale” della radiazione solare; le società più antiche hanno imparato a costruire edifici con finestre capaci di far entrare luce abbondante e calore d’inverno e capaci di sfruttare la ventilazione spontanea generata dalla creazione di spazi esposti al sole e in ombra.

A tempi antichissimi risale l’osservazione che il calore solare è trattenuto in uno spazio coperto da una superficie trasparente, quello che noi chiamiamo effetto serra perché è stato utilizzato da secoli per far crescere d’inverno vegetali che richiedono calore per la loro formazione.

La forma più facile di utilizzazione della radiazione solare è quella con superfici piane, con o senza copertura trasparente, che ”catturano” la radiazione sia solare sia diffusa sotto forma di calore a bassa temperatura e che possono essere integrate con sistemi di conservazione e immagazzinamento dello stesso calore. Rientrano in questo campo i riscaldatori di acqua che consentono di risparmiare combustibili fossili e elettricità, cioè le forme di energia che sono usati nella maniera peggiore proprio quando vengono impiegate per scaldare l’acqua a poche diecine di gradi Celsius.

La radiazione solare a bassa temperatura è utilizzata per scaldare l’acqua o l’aria o l’interno degli edifici; per la migliore utilizzazione dell’energia solare come calore in inverno e per la ventilazione estiva è necessario riprogettare gli edifici “copiando” esperienze offerte dalla edilizia di paesi aridi. Un efficace accumulo del calore a bassa temperatura può essere realizzato provocando la fusione di adatti composti che restituiscono il calore latente di fusione ricevuto tornando allo stato solido quando non c’è più Sole. Un’idea proposta dalla fisica americana Maria Telkes negli anni quaranta del Novecento.

Un’altra efficace utilizzazione a bassa temperatura dell’energia solare sia diretta sia diffusa, come calore a bassa temperatura  è rappresentata dai distillatori solari, dispositivi molto semplici che sono in grado di trasformate l’acqua salina in acqua dolce, potabile; la distillazione ha luogo continuamente, a mano a mano che arriva, entro una adatta “serra”, la radiazione solare, la quale fornisce il calore latente di evaporazione dell’acqua, che subito condensa in forma liquida sulla parete della “serra” a contatto con l’aria esterna fredda. I primi distillatori solari sono stati costruiti nel Cile negli anni ottanta dell’Ottocento; successivamente decine di altri modelli sono stati sperimentati; ricerche sui distillatori solari sono state fatte anche nell’Università di Bari negli anni 50 e sessanta del Novecento.

Anche qui molti hanno considerato troppo “semplici” i distillatori solari a semplice effetto, ora descritti, e hanno proposto di usare il calore solare o l’elettricità solare per alimentare distillatori di acqua tradizionali, con prevedibile insuccesso perché i distillatori tradizionali sono progettati per utilizzare calore e energia diversi da quelli che il Sole fornisce.

Ma il più grande collettore di energia solare è il mare; in certe condizioni geografiche la superficie del mare è scaldata dalla radiazione solare a d alcune diecine di gradi Celsius (è tale riscaldamento localizzato che genera i tornado quando una parte del calore superficiale è trasferito all’aria sovrastante) e si vengono così a creare differenze di temperatura fra gli strati superficiali e quelli profondi degli oceani. C’è stato in passato (già ottant’anni fa) e ritorna adesso) l’interesse per la progettazione di macchine che sfruttino la differenza (alcuni diecine di gradi Celsius) fra le grandi masse superficiali e profonde degli oceani per ricavarne energia meccanica. Gli “stagni solari” sono grandi vasche in cui lo stesso fenomeno di stratificazione di acqua calda e fredda è creata artificialmente (una invenzione del fisico israeliano Harry Tabor nel 1950) per azionare motori.

E ancora: proprio sul modello dei tornado è possibile scaldare una estesa superficie di terreno o di acqua col calore solare, in  un dispositivo rivestito da una copertura trasparente; l’aria sovrastante, all’interno del dispositivo, si scalda e si sposta in un “camino” e aziona una turbina dentro il camino. Un modello di “camino solare” è stato sperimentato in Spagna, un “camino solare” con funzione di distillatore di acqua è stato costruito nel Politecnico di Milano nel 1960 su idea del prof. Bozza.

Sempre per ricavare energia meccanica il calore solare a bassa temperatura, raccolto senza concentrazione, può alimentare motori molto semplici e adatti anche a paesi con limitata disponibilità di conoscenze tecniche e di manutenzione. Un esempio è offerto dalle pompe Somor, costruite in Italia intorno al 1950, che riscossero grande interesse internazionale; un esemplare è stato donato, per iniziativa dell’ing. Silvi, dagli eredi del costruttore ing. Grassi, al Museo della Tecnica e dell’Industria della Fondazione Micheletti di Brescia. Il modello originale è suscettibile di perfezionamenti. Semplici motori solari possono essere utilizzati per azionare frigoriferi; frigoriferi possono essere costruiti anche con sistemi ad assorbimento, pure alimentati da energia solare. Non c’è bisogno di dire l’importanza di frigoriferi anche piccoli, molto semplici e solari, per la conservazione degli alimenti e di medicinali, specialmente nei paesi isolati e poveri.

Per concentrazione, mediante specchi, della radiazione solare è possibile ottenere calore ad alta temperatura; attualmente si pensa di utilizzare tale calore per azionare centrali termoelettriche tradizionali, una soluzione destinata all’insuccesso perché utilizza soltanto la radiazione diretta (il flusso di calore si ferma quando le nuvole “oscurano” il Sole) e richiedono complicati e inefficaci sistemi di accumulo di fluidi ad alta temperatura; i sistemi di concentrazione della radiazione solare si prestano invece nella maniera migliore per lo studio del comportamento di materiali ad alta temperatura, con esclusione di gas esterni, come non è possibile fare altrimenti.

Con modesta concentrazione, con piccole superfici riflettenti, è possibile cuocere alimenti con piccole cucine solari.

Energia meccanica può essere ottenuta dal vento, che è una delle forme in cui si manifesta l’energia solare, con motori di grande semplicità ed efficienza; per le sue caratteristiche il vento si presta meglio all’uso diretto come energia meccanica, piuttosto che per produrre elettricità mediante i grandi generatori eolici. Motori eolici per sollevare l’acqua sono stati costruiti anche in Italia per tutta la prima metà del Novecento.

A proposito di energia meccanica un esame critico delle invenzioni passate mostra che siamo appena all’inizio delle possibilità di utilizzare, in adatte condizioni geografiche, per esempio sulle coste degli oceani battute da onde regolari, la forza del moto ondoso; le poche realizzazioni passate sono state abbandonate e dimenticate, spesso per difetti di progettazione, e molto può ancora essere fatto in questo campo.

Le comunità umane hanno bisogno di elettricità; gli impianti fotovoltaici sembrano gli unici che sono passati dalla ricerca all’applicazione diffusa perché non richiedono concentrazione della radiazione solari, sono stazionari e forniscono elettricità anche utilizzando la radiazione solare diffusa; il rendimento delle fotocelle al silicio (inventate intorno al 1954) è basso anche perché non riescono a utilizzare tutta la frazione rossa vicina e infrarossa della radiazione solare. Ci sono stati in passato numerosi studi sull’effetto termoelettrico Seebeck, poi abbandonati per lo scarso rendimento delle termocoppie allora disponibili. Probabilmente si tratta di un settore da esplorare di sana pianta, alla luce delle conoscenze sui nuovi materiali. Oltre cento pagine del fascicolo del 3 ottobre 2005 della rivista Inorganic Chemistry (tutte disponibili in Internet) indicano il ruolo che la chimica sta per avere nell’uso delle fonti energetiche rinnovabili.

L’unica forma di elettricità rinnovabile attualmente usata è rappresentata dall’energia idroelettrica, solare anch’essa perché è il Sole che tiene in movimento il ciclo dell’acqua e il moto delle acque sulla superficie delle terre continenti; finora l’energia idroelettrica è stata pensata in termini di grandi laghi artificiali e grandi dighe, la cui realizzazione sarà sempre più difficile, per motivi di stabilità delle valli; e così la maggior parte della “forza” contenuta nel moto delle acque resta inutilizzata. Eppure l’utilizzazione di piccoli salti di acqua,ha permesso, per secoli, di alimentare impianti meccanici(segherie, mulini), poi le prime centrali idroelettriche, e tutto questo è stato dimenticato, sotto la pressione delle grandi società elettriche. Un progetto “solare” per il futuro farà bene ad andare a ricostruire la storia della produzione di energia meccanica ed elettrica nelle valli italiane, come sta avvenendo in altri paesi; anche in questo caso la storia delle invenzioni e delle realizzazioni del passato indica come, con le attuali migliori conoscenze, è possibile utilizzare energia potenziale dimenticata.

Infine la cosa che il Sole sa fare meglio è fabbricare per fotosintesi materia organica combustibile nei prati, nei campi coltivati, nei boschi; si calcola che sulla superficie delle terre emerse si formino per fotosintesi ogni anno 100 miliardi di tonnellate di vegetali con un “contenuto energetico” di 1.000-1.500 EJ all’anno. La recente gran passione per i “biocarburanti”, “bioetanolo”, “biodiesel”, non fa altro che appiccicare l’accattivante prefisso “bio” a carburanti utilizzati a lungo in passato. Un gran numero di trattati e scritti raccontano quanto è noto e sperimentato sulla utilizzazione dell’alcol etilico di origine agricola come carburante per autoveicoli da solo o in miscela con la benzina; una storia lunga un secolo e mezzo. L’uso dell’alcol etilico come carburante, meno inquinante, ad alto numero di ottano, è stato ostacolato in ogni modo dai potenti interessi petroliferi; adesso sta resuscitando un certo interesse come occasione per smaltire eccedenze agricole --- e per prendere soldi stanziati dalla Comunità europea per le fonti rinnovabili.

Eppure alcol etilico o gas carburanti possono essere ottenuti per trasformazione delle innumerevoli sostanze --- amidi, zuccheri, grassi, cellulose, lignine, eccetera --- presenti negli innumerevoli vegetali spontanei o coltivati, nelle foreste tropicali o nei climi temperati; addirittura si possono far crescere, in vasche esposte al Sole, alghe, come la Chlorella, ad alto rendimento, trasformabile in carburanti. I congressi solari degli anni cinquanta del secolo scorso sono ricchi di esempi e stimoli --- dimenticati.

Vorrei concludere con un invito: è certo che dovremo, volenti o nolenti, fare ricorso in maniera crescente al Sole e a tutte le forme energetiche e materiali derivati dal Sole. Si è perso finora molto tempo per scetticismo e pigrizia o per i freni frapposti da interessi particolari. Lo studio della storia dell’energia solare e delle sue applicazioni indica strade vecchie percorribili oggi con successo e che assicurano energia, ma soprattutto innovazioni tecnico-scientifiche e sociali e occasioni di creare lavoro e occupazione nei paesi industriali e di aiutare i paesi arretrati a liberarsi dall’arretratezza senza dipendere da fonti energetiche e materie altrui, ma utilizzando le forze e le materie che il Sole gli fornisce sul loro stesso posto e territorio.