L’energia. 2. Energia ed economia

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Benito Leoci

la prima parte di questo post è leggibile qui.

Il 19° e il 20° secolo sono stati caratterizzati da un fenomeno del tutto particolare, senza precedenti in tutta la storia dell’uomo, che continua tuttora: la sostituzione crescente del lavoro animale con quello prodotto dalle macchine. Questo processo, iniziato per la verità già nel secolo 18° (1), non si è evoluto con lo stesso ritmo in tutti i Paesi: in alcuni, quelli cosiddetti ad economia avanzata, il lavoro animale è stato quasi completamente sostituito, in altri, nei Paesi più poveri, il processo è stato (ed è) più lento, sicchè convivono ancora le due forme, con prevalenza di quello animale. Comunque sia, ciò vuol dire utilizzo crescente di energia (o consumo di exergia, come vedremo più avanti) e quindi consumo di fonti di energia “non rinnovabile”. E’ da considerare dunque il ruolo giocato dall’energia nell’economia dei vari Paesi. Ruolo che, stranamente, non è mai stato valutato con esattezza.

Farmer_plowing_in_Fahrenwalde,_Mecklenburg-Vorpommern,_Germany

Fino al 1970, in pratica, non vi era mai stato alcun problema, in quanto l’energia nelle varie forme era ottenuta facilmente e a basso costo, sicchè gli economisti, per valutare il costo di gestione di una macchina (un trattore, un autocarro, ecc.), usavano conteggiare quasi esclusivamente i costi di capitale, gli ammortamenti, le manutenzioni, trascurando quelli energetici. A partire dall’estate del 1973, quando quasi improvvisamente il prezzo del petrolio subì una brusca impennata, la maggior parte dei Paesi industrializzati, grossi divoratori di energia nelle varie forme (specialmente termica ed elettrica), fu colta di sorpresa. La crisi del ’73 illuminò la scena con luce diversa e molti aspetti, trascurati o sottovalutati, assunsero un’importanza insospettata. Si cominciò a notare per prima cosa che per la “merce energia” è molto difficile prevedere il prezzo futuro. Si notò anche che nei cicli produttivi l’energia non può essere sostituita, al contrario di altre materie prime (l’alluminio può sostituire il rame, la plastica il legno, ecc.). E’ pur vero che si possono sostituire le fonti di energia ma il cambio è molto viscoso e lento oltre che costoso. All’indomani della crisi del ’73 molti economisti credettero che l’aumento del prezzo del petrolio, voluto dall’OPEC, avrebbe incentivato l’uso di altre fonti come il carbone, gli scisti bituminosi, ecc. Alcuni arrivarono ad ipotizzare un “prezzo soglia” per il barile di petrolio al di sopra del quale la sostituzione sarebbe avvenuta.

Gli avvenimenti degli anni successivi smentirono clamorosamente tutte le previsioni. La sostituzione è un processo poco elastico e richiede tempi lunghi: non si può sostituire il combustibile e il relativo bruciatore di una centrale termoelettrica da un giorno all’altro perché bisogna attendere l’avvio o l’incremento della produzione del nuovo combustibile disponibile nei vari giacimenti, occorre organizzare i trasporti (si pensi alle pipeline, alle navi idonee, ecc.), approntare i depositi di stoccaggio e così via. Non solo. In alcuni casi la spinta al risparmio energetico, che è l’unica risposta nei tempi brevi all’aumento dei prezzi di una fonte, può provocare addirittura un incremento dell’uso della stessa fonte. Un esempio di questo fenomeno si è avuto nel settore della produzione delle autovetture. Per ridurre il consumo di carburante si è fatto maggiore ricorso all’uso di materie plastiche, più adatte per ridurre i pesi. Siccome dette materie derivano tutte da alcuni componenti del petrolio, alla fine quest’ultimo ha subito una crescita dei consumi non compensata dalla riduzione del carburante.

sorrynopetrol crisi1973

I calcoli necessari per la misura dei vantaggi o svantaggi energetici derivanti dalle sostituzioni (per esempio del lamierino di ferro con manufatti di plastica), non sono semplici e spesso impossibili da svolgere perché è necessario conoscere con esattezza le quantità di energia impiegate nei vari processi produttivi per ottenere le diverse merci. Ricordiamo ancora che dopo l’uso di un prodotto, alla fine del suo ciclo di utilizzazione, diverse materie prime componenti possono essere recuperate e riciclate … se si dispone di sufficiente energia. L’energia invece è l’unica merce che non può essere riciclata. Riteniamo sia utile approfondire questi aspetti, ma occorre anche fare un piccolo passo indietro.

Abbiamo accennato, in precedenza, alle difficoltà che hanno caratterizzato l’individuazione dei vari aspetti dell’energia. Solo da relativamente poco tempo si è compreso il principio di conservazione e che l’energia si presenta a noi sotto forme diverse (meccanica, elettrica, termica, chimica, ecc.), che non sono perfettamente equivalenti fra di loro in quanto suscettibili di trasformarsi l’una nell’altra con rendimenti diversi. Per l’economista questa caratteristica riveste un’importanza fondamentale perché la forma diventa per lui sinonimo di qualità e quindi suscettibile di influenzare i costi.

Con una approssimazione accettabile, trascurando il fenomeno dell’attrito, si può dire che le varie forme di energia, salvo una, sono identiche tra di loro ovvero si convertono una nell’altra (con l’uso di macchine che gli ingegneri, con l’aiuto dei chimici o viceversa, hanno approntato nel tempo), con un rendimento vicino al 100%. Unica eccezione è il calore, considerato dai termodinamici come energia di seconda specie ossia di qualità inferiore. Il secondo Principio ci avverte, infatti, che la quantità di lavoro che si ottiene dal calore, al meglio in condizioni ideali, dipende dalle temperature del processo ovvero dal rapporto ben noto di (T1 – T0)/T1. Questo significa che anche il calore possiede a sua volta una qualità (e quindi un costo) che dipende dalla temperatura. Per semplificare i conteggi si è introdotto il concetto di esergia o exergia che sta ad indicare quella parte di energia che può essere trasformata senza perdite in qualsiasi altra forma. (T1 – T0)/T1 sta appunto ad indicare l’exergia del calore ove To è la temperatura dell’ambiente circostante.

sadicarnot

L’exergia

Zoran_Rant_1964Nel 1956 lo Sloveno Zoran Rant (2) proponeva il termine exergia (in tedesco Exergie) per indicare “la capacità di lavoro tecnico” che può essere fornito da un sistema. Il concetto era però stato suggerito molti decenni prima da Gibbs (3), come effetto delle intuizioni di Sadi Carnot (già ricordato nella nota I), che aveva toccato tutti i punti nevralgici della questione, ovvero gli aspetti termodinamici, quelli relativi di chimica-fisica e di meccanica statistica. Fra le tante definizioni dell’exergia ricordiamo anche quella di Sciubba e Wall (4) secondo i quali la stessa si configura come “il massimo lavoro teorico utile ottenibile, se un sistema S è messo in equilibrio termodinamico con l’ambiente per mezzo di processi in cui S interagisce solo con questo ambiente”. Evidenziano ancora i due studiosi, che se “il sistema S si trova allo stato “0” (vale a dire, tutti i suoi parametri rilevanti prendono lo stesso valore di quelli dell’ambiente di riferimento), la sua exergia è uguale a zero; l’exergia è un potenziale termodinamico, una misura generale, di ‘differenza’, e richiede due diversi stati per la sua definizione”. Baehr (5), nel 1962, a sua volta dava la seguente definizione, ancora ampiamente utilizzata soprattutto nelle applicazioni di conversione di energia: l’exergia è la parte di energia che è interamente convertibile in tutte le altre forme di energia.

Forse è bene approfondire questo concetto e alcuni aspetti dell’exergia. L’energia, come abbiamo ricordato nella Nota I, non si distrugge durante un processo. Essa cambia semplicemente di forma da un processo all’altro (Prima legge della termodinamica o primo Principio). Al contrario l’exergia rappresenta l’irreversibilità di un processo dovuto all’aumento dell’entropia del sistema (Seconda legge della termodinamica o secondo Principio). L’exergia ha la caratteristica di conservarsi solo quando tutti i processi del sistema e dell’ambiente sono reversibili. Al contrario si distrugge quando si svolge un processo irreversibile e quando comporta variazioni di temperature. Questa distruzione è proporzionale all’aumento di entropia del sistema insieme con l’ambiente circostante. L’exergia distrutta viene chiamata anergia. Ne deriva che l’energia totale di un sistema è composto da due parti additive, una “convertibile” (exergy) e una “non convertibile” (anergy). Questo comporta la necessità di formulare meglio il primo Principio: “in ogni trasformazione la somma dell’exergia e dell’anergia rimane costante”. Tenendo conto dell’exergia, dal secondo Principio derivano i seguenti corollari:

1) In tutti i processi irreversibili si ha trasformazione di exergia in anergia;

2) Solo nei processi reversibili l’exergia si conserva;

3) E’ impossibile trasformare anergia in exergia.

exergia

Dincer e Cengel (6), dal canto loro, considerando quanto suddetto, hanno elencato le seguenti ovvie conseguenze o chiarimenti:

  • Un sistema che è in totale equilibrio con il suo ambiente non possiede alcuna exergia; non essendoci differenze fra le temperature, le pressioni, le concentrazioni, ecc., non è possible attivare alcun processo.
  • Più un sistema si differenzia dall’ambiente circostante, più exergia possiede. L’acqua bollente presenta un maggiore contenuto di exergia d’inverno che durante una calda giornata estiva. Un blocco di ghiaccio presenta maggiori difficoltà a fornire exergia d’inverno che d’estate.
  • Quando si reduce la qualità dell’energia, allo stesso tempo si reduce la quantità di exergia. Essendo utile alla società l’exergia ha un valore economico e perciò vale la pena prendersi cura della stessa.
  • Quasi tutta l’energia, che interessa un fascia sottile della superficie della terra, dove si sviluppa la vita, deriva dal sole. La luce solare, ricca in exergia, raggiunge quotidianamente la terra. Una parte viene riflessa nello spazio, mentre un’altra parte viene convertita e alla fine lascia la terra sottoforma di radiazioni termiche a exergia zero rispetto alla stessa terra. L’exergia assorbita dalla terra viene gradualmente distrutta dal sistema acqua/vento e dallo sviluppo e dai cambiamenti di tutte le forme di vita. Le piante verdi assorbono l’exergia delle radiazioni solari e la convertono, per effetto della fotosintesi, in energia chimica. Questa passa attraverso le varie catene alimentari degli ecosistemi. Ad ogni livello tropico l’exergia viene consumata, permettendo la vita anche dei microrganismi che si trovano nell’ultimo livello della catena alimentare. Non si formano rifiuti.
  • Un deposito concentrato di minerale ‘interferisce’ con l’ambiente e questo effetto aumenta con la concentrazione del minerale, che si configura in tal modo come un vettore di exergia. Quando un minerale viene estratto il suo contenuto di exergia non cambia. Si avrà un aumento di exergia quando lo stesso viene concentrato. Un deposito povero di minerali ovvero a bassa concentrazione contiene poca exergia e può essere sfruttato solo apportando exergia esterna. Attualmente questa deriva dal carbone o dal petrolio. Quando un minerale ad alta concentrazione viene disperse nell’ambiente, il suo contenuto di exergia decresce.
  • Una difficoltà apparente per definire l’exergia è quella di determinare i parametri dell’ambiente, per loro natura continuamente variabili. Questa difficoltà può essere risolta definendo, attraverso convenzioni, uno “standard ambientale” caratterizzato da una data composizione chimica e determinati valori della pressione e temperatura. Un possibile standard ambientale per uso globale potrebbe essere composto da una atmosfera standard, un mare standard e un letto roccioso standard. Questi sistemi però non sono in equilibrio tra di loro sicchè le difficoltà permangono, in quanto occorrerebbe utilizzare, in addizione, l’uso di standard locali riferiti ad ogni stagione.
  • Un tecnico che progetta un sistema deve considerare la necessità di assicurare la più alta efficienza tecnica al costo più basso possibile, a certe condizioni poste dalle tecnologie disponibili oltre che economiche e legali, considerando anche le conseguenze etiche, ecologiche e sociali. L’exergia consente di raggiungere più facilmente detti obiettivi. L’exergetica offre una visione unica, d’insieme, per determinare le eventuali perdite e i possibili miglioramenti, mentre l’analisi del Ciclo di Vita dell’Exergia (LCEA) è un utile strumento per considerare le condizioni poste dall’ambiente.

In pratica, tenendo conto di questi “ritocchi” o aspetti si può rivedere da un’angolazione diversa l’Energetica che si presenta sempre più come il capitolo più importante della Termodinamica.

Le attività che rendono possibile la vita su questo pianeta, quali l’alimentazione, il riscaldare o refrigerare, la produzione di beni, il trasporto di merci, materie prime, persone, ecc., richiedono energia o meglio lavoro utile ovvero exergia, che viene fornita dall’industria energetica. Questa preleva dalle fonti energetiche naturali (petrolio, carbone, bacini idrici, minerali di uranio, ecc.) tale exergia e la distribuisce agli ”utilizzatori”, per lo più come energia elettrica, che la trasformano in anergia. Le fonti di energia sono dunque in realtà fonti di exergia, se si considera l’ambiente. Se si considera l’utilizzo, il concetto tecnico di energia dal punto di vista tecnico ovvero della produzione e uso corrisponde al concetto di exergia e non a quello di energia disciplinato dal primo Principio, che, come ben si sa, non può essere né prodotta, né consumata.

Un ultimo aspetto. La storia dell’exergia, che inizia come ricordato con Sadì Carnot, passa per Gibbs, Gouy (7) e altri, si è sviluppata come scienza applicata solo recentemente, a partire dalla guerra del Kippur (1973), che diede l’avvio alla prima imprevista crisi petrolifera, con la conseguenza di svegliare l’attenzione delle agenzie governative e delle industrie dei paesi industriali, divoratori di petrolio, sulla necessità di concentrare gli studi e le ricerche sul “risparmio energetico”. Questo campo di ricerca ha quindi avuto solo negli ultimi decenni, un notevole sviluppo. Non vi è dubbio che l’analisi exergetica riguarderà sempre di più la nostra vita quotidiana, in quanto soggetti consapevoli delle crescenti conseguenze che il soddisfacimento dei nostri bisogni ha sulle risorse e sull’ambiente. Estendendo l’utilizzo dell’analisi exergetica, limitata attualmente al calcolo dell’efficienza degli impianti, allo studio dell’efficienza complessiva dei sistemi socio-economici di intere regioni se non dell’intero pianeta, sarà possibile valutare meglio l’incidenza dei flussi di materie, prodotti ed energia derivanti dalle attività antropiche, ai fini della sostenibilità (8).

La Termoeconomia

Le analisi e i conti che si fanno con l’analisi exergetica, il più importante strumento della Termoeconomia, consente, come abbiamo visto, di misurare le varie forme di energia in relazione alla loro capacità di produrre la stessa quantità di lavoro. L’applicazione pratica di questi concetti è fonte, oltre che di molte speranze, anche di molte sorprese. Facciamo alcuni esempi.

Supponiamo che una persona voglia riscaldare fino a 60°C, col proprio lavoro, 50 litri di acqua che si trovano a 10°C (per esempio agitandola con delle pale mosse manualmente). Il calore da produrre sarà pari a 2.500 kcal. Poiché le persone sono capaci di sviluppare circa 0,2 CV (149W) lavorando per un’ora, con semplici calcoli, sapendo che 1 kcal = 1,558 x 10-3 CVh, si ottiene che la persona considerata dovrà lavorare per 19,47 ore per riscaldare l’acqua di cui si tratta. E’ necessario dunque molto lavoro per ottenere piccole quantità di calore. Ciò è una conseguenza del primo Principio della termodinamica e del livello di exergia.

Nei mari, come è ben noto, è contenuta una enorme quantità di energia, sotto forma di calore, che è però difficile da utilizzare, in quanto l’exergia contenuta è molto bassa. Considerando il Mar del Nord (fra i più freddi dei mari), che si estende per circa 570.000 kmq con una profondità media di 55 m, alla temperatura media di 7°C, la quantità di energia, sotto forma di calore, posseduta è di circa 2 x 1013 GJ, da confrontare con il calore sviluppabile dalla combustione completa dei giacimenti di petrolio esistenti all’interno dei suoi fondali (6 miliardi di barili), pari a non più di 4,5 x 1010 GJ. Per utilizzare questo calore occorre trovare un refrigerante avente una temperatura inferiore ai 7°C. Quello più economico è rappresentato dagli strati inferiori dello stesso mare che si trovano in media ad una temperatura di circa 6°C. E’ facile calcolare che una macchina funzionante con quelle temperature avrebbe un rendimento massimo, in condizioni ideali, di appena l’1%. Questo è un esempio di applicazione del secondo Principio della termodinamica. L’energia, sotto varie forme, è ovunque, ma non sempre è conveniente trasformarla e utilizzarla, in quanto dipende dal livello di exergia.

L’analisi exergetica può dare interessanti risultati utilizzando varie grandezze di uso corrente fra i termodinamici. Semplificando al massimo, ricordiamo l’entalpia o calore totale:

dH = dU + pdv.

In pratica poiché le variazioni di volume dv sono trascurabili, si può considerare l’entalpia coincidente con il calore interno. Come è poi ben noto, il calcolo di quanto lavoro utile Wu ovvero totalmente utilizzabile si può ricavare da una certa quantità di calore, può essere semplificato con l’uso dell’entropia S. In particolare per una reazione di combustione si può ricorrere alla seguente equazione :

Wu = ΔH – T0ΔS + Σi μi

ove T0 è la t ambiente, μi è il potenziale chimico della specie i. Poiché Σi μi è nullo all’equilibrio (che in una combustione è lo stato finale) e se si considera che la temperatura ambiente si aggira in media sui 20°C, si avrebbe:

Wu =ΔH – 293ΔS (=ΔG)

che è una delle forme della ben nota equazione di Gibbs, che designa l’energia utilizzabile (o meglio l’exergia) nelle condizioni considerate (9) (in questo caso l’energia libera di Gibbs e l’exergia sono sostanzialmente equivalenti). Del calore totale ΔH, ΔG è l’exergia ovvero quella parte utile per produrre lavoro. L’exergia ci consente dunque di considerare l’energia sotto una nuova luce. Essa ci dice per esempio che il calore prodotto non è una caratteristica sufficiente per valutare un combustibile. E’ necessario soprattutto considerare l’exergia e cioè il fattore temperatura e il valore dell’entropia. Se ora consideriamo come combustibili l’idrogeno e il carbonio allo stato puro e si calcolano sia il calore di combustione che l’entalpia libera si noterà che il risultato migliore, ovvero la maggiore quantità di energia utilizzabile, si ottiene dalla combustione del carbonio (portato a CO2) e non da quella con l’idrogeno e ciò contrariamente a quanto si potrebbe pensare nel caso si fosse considerato solo il potere calorifico. A parte le considerazioni ambientali, si dovrebbe abbandonare l’idea di utilizzare l’idrogeno per pensare solo al carbone (o gli altri idrocarburi).

Note

  • L’inizio della diffusione delle macchine viene correntemente fatto coincidere con la messa a punto di una macchina a vapore da parte di James Watt (1736-1819), che, come è noto, era un fabbricante di strumenti di precisione di Glascow. In realtà Watt aveva ricevuto, dalla locale università, l’incarico di riparare una macchina a vapore rudimentale a basso rendimento lì esistente, inventata il 1705 da un certo Newcomen, un ingegnoso fabbro che a sua volta aveva migliorato una macchina a vapore ancora più rudimentale, inventata il 1698, da T. Savery, ingegnere inglese. Watt, il 1765, riuscì a migliorare la funzionalità e il rendimento termico aggiungendo, in particolare, un meccanismo biella-manovella e un condensatore separato, contribuendo notevolmente alla diffusione del sistema, prima ristretto a usi sporadici. Il primo uso di queste macchine, che avevano dimensioni gigantesche (quanto una odierna palazzina di un paio di piani), era quello di aspirare l’acqua dalle miniere di carbone. La macchina di Watt, dopo una serie di miglioramenti, fu utilizzata per realizzare la prima locomotiva a vapore in Inghilterra ai primi dell’800, idonea per trasportare il carbone dalle miniere.
  • Rant (1956), “Exergie, Ein neues Wort für «technische Arbeitsfähigkeit»”, Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurswesens, 22: 36–37.
  • W. Gibbs (1873). “A method of geometrical representation of thermodynamic properties of substances by means of surfaces”, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 2: 382–404.
  • Per approfondire la conoscenza della storia dell’evoluzione dell’exergia si rimanda a E. Sciubba and G. Wall (2007), “A brief Commented History of Exergy. From the Beginnings to 2004”, International Journal of Thermodynamics, 10 (1): 1-26. Alcuni aspetti di questo articolo, corredato da oltre 2600 annotazioni bibliografiche, furono poi commentati criticamente da G. Tsatsaronis nello stesso International Journal of Thermodynamics, 10 (4): 187-190.
  • D. Baeher (1962), Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlage und ihre technischen Anwendungen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (Exergie ist der Unbeschränkt, d. h. in jede andere Energieform umwandelbare Teil der Energie). Da alcuni questa definizione viene ritenuta fuorviante, perché porta a ritenere che l’energia totale di un sistema è composta dalla somma di due parti, una “convertibile” (exergy) e l’altra non convertibile (anergia). Ma vi sono diversi esempi di sistemi con una anergia negativa (solidi al di sotto di To, gas in alcuni intervalli di T <To e p <po, ecc) che pongono in crisi la definizione.
  • Dincer and Y. A. Cengel (2001), “Energy, Entropy and Exergy Concepts and Their Roles in Thermal Engineering”, Entropy, 3: 116-149.
  • G. Gouy (1889), “Sur les transformations et l’equilibre en thermodynamique”, Comptes Rendus Paris, 108: 507-509.
  • Per approfondimenti si rinvia, fra i tanti, a M. Gonga and G. Wall (2001), “On exergy and sustainable development — Part 2: Indicators and methods”, Exergy, An International Journal, 1(4): 217–233.
  • Per approfondimenti si rinvia alle seguenti opere ove le grandezze citate sono esposte con maggiori particolari: I. N. Levine (2008), Physical Chemistry, McGraw-Hill; K. Denbigh (1977), I principi dell’equilibrio chimico, Casa Editrice Ambrosiana, Milano; S. Kjelstrup Ratkje and J. De Swaan Arons (1995), “Denbigh revisited: reducing lost work in chemical processes”, Chemical Engineering Science, 50 (10): 1551-60; H. DeVoe, Thermodynamics and Chemistry, University of Maryland (USA), pp. 134-143. Quest’ultimo volume è scaricabile gratis da internet. (http://www2.chem.umd.edu/thermobook/v6-screen.pdf).

Per approfondire vedi anche:

Chemical Engineering Science, Vol. 50, No. 10, pp. 1551 1560, 1995

DENBIGH REVISITED: REDUCING LOST WORK IN CHEMICAL PROCESSES

SIGNE KJELSTRUP RATKJE and JAKOB DE SWAAN ARONS

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http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/dat1/Chemical%20exergy.pdfhttp://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/dat1/Chemical%20exergy.pdfAKOB DE SWAAN ARONS

L’energia. 1.Evoluzione storica del concetto

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Benito Leoci

Cominciamo col ricordare che l’energia è anche una merce, sebbene molto strana e atipica. C’è chi la produce nelle varie forme utili, chi la vende e chi l’acquista. E che sia una merce atipica, indefinibile, in altre parole strana, ancora non vi sono dubbi. Infatti non c’è nessuno che la possa produrre, nessuno che la possa consumare, come è ben noto. Tutto ciò che si può fare e si fa in pratica è cercare una fonte bella e pronta (un lago in alto in montagna, un giacimento di petrolio o di gas o di carbone o semplicemente le radiazioni solari, i venti e così via) e utilizzare delle macchine per trasformare la forma energetica individuata (calore, movimento, radiazioni, ecc.) nella forma desiderata atta alla vendita o all’uso. E’ ben noto come l’uso dell’energia, nelle sue varie forme, è indispensabile per svolgere qualsiasi ciclo produttivo. La stessa vita degli organismi viventi, animali o vegetali che siano, non sarebbe possibile senza l’utilizzo di energia. Si può dire quindi che si è in presenza di una merce che può essere considerata la “madre di tutte le merci”. Se poi la vogliamo raffigurare nella nostra mente, l’impresa è impossibile, al contrario di quanto accade per altre merci.

Ma cos’è dunque l’energia? Questa è forse la domanda più insidiosa fra quelle che si possono formulare circa l’energia, alla quale si usa dare una risposta fuorviante che sollecita altri interrogativi: “capacità di un sistema a compiere un lavoro..” Ma da dove viene questa capacità? Siamo al punto di partenza! Le ambiguità connesse con questa “definizione” sono ben note e furono espresse brillantemente più di cento anni fa da Poincarè (1): “Il ne nous reste plus qu’un énoncé pour le principe de la conservation de l’énergie; il y a quelque chose qui demeure constant. Sous cette forme, il se trouve à son tour hors des atteintes de l’expérience et se réduit à une sorte de tautologie.” A complicare le cose ci pensò Albert Einstein con la famosa equazione dell’equivalenza massa–energia (1905), ovvero E = mc2, che, come è noto, non significa che la massa può essere convertita in energia, ma semplicemente che l’energia totale di un sistema può essere calcolata moltiplicando la sua massa per una costante. Qualche anno prima Planck (2) aveva collegato un’altra costante h al valore dell’energia E dell’onda elettromagnetica con la sua frequenza v (E = hν), esposta però per la prima volta dallo stesso Einstein (3). Non ci soffermeremo su questi ultime implicazioni dell’energia in quanto per i nostri scopi è sufficiente il ricorso al concetto classico prima ricordato, sebbene contestato e respinto (4), emerso come conseguenza della scoperta del “principio di conservazione” che può essere considerato come una fondamentale pietra miliare da porre fra le maggiori conquiste del pensiero umano. Una vetta raggiunta solo il 1847, dopo un faticoso, lungo e difficile cammino che aveva visto l’impegno delle menti migliori del genere umano: da Aristotele a Leonardo da Vinci, da Cartesio a Leibniz, a Huygens, a Carnot e così via, via, fino a Helmholtz. Prima di esaminare le implicazioni economiche dell’energia (con le Note 2 e 3) sarà conveniente dare una rapida occhiata allo sviluppo storico dell’idea connessa. Non sarà possibile seguire un preciso ordine cronologico perché, come si sa, le varie scoperte e le diverse teorie spesso si accavallano in un complesso intrigo di avvenimenti che, nell’insieme, formano un quadro eccezionalmente disordinato, molto distante da quello raffigurato sui libri di testo, utilizzati nelle aule scolastiche.

Andiamo indietro nel tempo perché il termine ha radici molto antiche e diamo uno sguardo al movimento filosofico che nel VII e VI secolo a.C. esplose nell’antica Grecia, sulle coste orientali del Mediterraneo. Fino allora, in Europa, in Asia, nelle Americhe, qualsiasi avvenimento naturale (dal fulmine alla pioggia, dai terremoti alle alluvioni, alle eclissi e così via) veniva attribuito alla volontà capricciosa di numerosi Dei. Fra il VII e il VI secolo a.C. invece un piccolo gruppo di persone, aderenti alla cosiddetta Scuola ionica (fra cui Talete, Anassimandro e Anassimene, tutti di Mileto), si mise a pensare in modo diverso e ad esaminare il mondo circostante con uno scopo ben preciso: cercare nel caos apparente un filo conduttore (l’unità nel molteplice, il permanente nel cangiamento). Pensavano costoro che dovevano esserci delle ragioni precise, delle leggi che regolavano i fenomeni naturali, che forse non avevano niente a che fare con gli Dei. In quei luoghi e in quel periodo, con quei primi pensatori nasceva dunque la Scienza moderna.

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Talete di Mileto

Per gli antichi greci la parola energheja (ἐνέργεια) significava, come è ben noto, “in azione” (εν-ἐργον) e come tale venne utilizzata dai diversi filosofi, dai presocratici fino ad Aristotele. Quest’ultimo, con energheja voleva intendere la “realizzazione di un certo stato di potenzialità”. Il termine gli serviva per chiarire che la praxis ha caratteristiche ontologiche diverse sia da quelle della kinensis che da quelle dell’attività di Dio che è “energheja pura” (5). Per Aristotele, dunque, è bene ricordarlo, tutto nella natura “è moto e ogni moto presuppone un motore come causa: niente può muovere se stesso. Ciò che si muove è mosso a sua volta e così via via indietro fino al πρῶτον κινοῦν ἀκίνητον (primo motore o motore immobile)” (6). Aristotele poi al termine energia contrapponeva un altro termine, quello di Δύναμις (potenza), altrettanto carico di conseguenze e di significati fisici per noi del XX e XXI secolo. Ora ci si chiede, Aristotele aveva o non aveva dato al termine energheja il significato attribuito successivamente, circa 22 secoli dopo? Non sembra, anche se la tentazione di sostituire la parola “moto” con la parola “energia”, si fa irresistibile, con risultati stupefacenti: vorrebbe dire che tutti i concetti moderni di energia, conservazione della stessa, di entropia, ecc. erano già chiari ad Aristotele. Non sappiamo. Forse hanno ispirato Helmholtz, ma non sappiamo nemmeno questo. Questo gioco delle sostituzioni però non è nuovo ed è stato ripetuto anche per le affermazioni di altri filosofi. Il più noto riguarda Empedocle, per il quale, come è noto, le radici di tutto erano rappresentate dalla terra, l’acqua, l’aria e il fuoco, unificando così il pensiero di altri filosofi (Talete, Anassimene ed Eraclito). Effettuando le sostituzioni opportune e ribattezzando gli elementi in base alle loro caratteristiche scopriremmo che già i presocratici avrebbero classificato la materia secondo i suoi tre stati fondamentali (solido, liquido e gassoso), così come si ritiene attualmente. Anzi, se pensiamo che con la parola “fuoco” volessero intendere “energia”, le idee di Empedocle sarebbero di un’attualità impressionante. Ma non è così. L’analisi approfondita del pensiero e delle opinioni dei vari filosofi dell’antica Grecia porta alla conclusione che le idee possedute sull’argomento erano vaghe e molto lontane da quelle attuali.

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Statua di Aristotele a Calcide

L’esame di tutti i filosofi dei secoli successivi non ci rivela nulla di più a questo riguardo anche perché le idee di Aristotele dominarono incontrastate per oltre un millennio. Per trovare le prime novità dobbiamo dunque risalire nel corso dei secoli, per giungere fino all’età rinascimentale (15-16° secolo d. C.), caratterizzato, come è noto, da una forma di indagine che andava sotto il nome di “magia”, connessa con l’alchimia e l’astrologia. Naturalmente nel Rinascimento l’indagine della natura era sollecitata anche dai bisogni sociali e politici. L’attività industriale e l’uso delle risorse naturali iniziava a svilupparsi senza soste, spinte dall’aumento delle popolazioni e dalle grandi scoperte geografiche. In questo clima si sviluppò l’opera di Leonardo da Vinci, di Galileo, di Cartesio e di altri.

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Leonardo da Vinci (1452-1519) era convinto, in piena conformità con quella che era l’intuizione centrale del meccanicismo, che “il moto è la legge universale della natura e che al moto è riconducibile ogni manifestazione delle energie fisiche, della luce, del suono, del magnetismo”. Del principio di inerzia diede un’enunciazione assai vicina a quella moderna (“ogni moto naturale e continuo desidera conservare suo corso per la linea del suo principio …”) (7). Le osservazioni di Leonardo rappresentano un altro passo verso l’intuizione dell’esistenza di “una qualche cosa” chiamata poi energia.

galileoCon Galileo Galilei (1564-1642), come è ancora ben noto, la meccanica diventa la scienza tipica, la “nuova scienza”, sicchè la realtà naturale viene assimilata ad un vasto meccanismo. L’universo viene concepito come un’immensa macchina il cui funzionamento si doveva scoprire attraverso il calcolo (8). Un altro piccolo passo verso il concetto unificante dell’energia.

descartesRené Descartes (1596-1650) a sua volta fece derivare i principi generali della fisica dai principi metafisici ovvero dall’idea di Dio e dei suoi attributi. Poiché Dio è immutabile deriva che la quantità della materia esistente nell’universo è costante, non può aumentare, né diminuire. Poiché i mutamenti del mondo fisico sono tutti dovuti al movimento che Dio impresse alla materia nell’atto della creazione, la quantità di movimento è immutabile. La costanza dell’azione divina si manifesta nel permanere d’una cosa nel suo stato di quiete o di moto, sicchè non intervenga una causa esterna a modificarlo (ancora il principio di inerzia) (9). Il moto, dunque, deve essere uno “stato”, anziché un processo e si inizia a credere che il moto, conservandosi, possa essere convertito in calore. Per il lettore di Cartesio il gioco delle sostituzioni si fa di nuovo allettante. Se invece di Dio si pone la parola energia, si ottengono concetti molto vicini a quelli attuali.

leibnitz

L’idea di Cartesio circa il movimento furono ben presto revisionate da Leibniz (1646-1716) che sostituì ad esso il concetto di forza. Non è la quantità di moto che nel mondo rimane costante, bensì la quantità di “forza viva” che è conatus o tendenza all’azione, possibilità di produrre un determinato effetto e quindi mancante al movimento che è semplice spostamento nello spazio (10). La forza viva è la vera realtà dei corpi. Dobbiamo ricordare che a Leibniz (e a Huygens) si usava attribuire il merito di aver introdotto in fisica il concetto di energia in senso moderno. La forza viva sarebbe l’energia cinetica. Questa tesi da tempo non viene più accettata. Per la verità Leibniz usa nei suoi scritti il termine energia ma in contesti totalmente diversi, avendo sempre in mente il significato aristotelico di energheja. Lo stesso può dirsi di Huygens (1629-1695) che si occupò a lungo del problema della conservazione della forza viva, applicando poi il principio alla risoluzione del problema dell’urto (11). Chi si avvicina maggiormente al concetto di energia è Thomas Young (1773-1829), che nel 1807, nelle Lectures on Natural Philosophy, affermava testualmente: “The product of the mass of a body into the square of its velocity may properly be termed its energy. … This product has been called the living or ascending force …(12)”. Young però non aveva, né poteva averla, alcuna idea di conservazione. Ma è evidente che un altro passo importante veniva compiuto.Young

Quasi contemporaneamente, negli stessi anni, un altro vecchio problema veniva definitivamente affrontato e risolto. Ci riferiamo all’impossibilità del “Perpetuum mobile”, già affermata da Leonardo da Vinci e confermata da Cardano e da Stevinus. Nel 1775 dunque l’Académie des Sciences di Parigi, dopo l’ennesimo esame di numerosi congegni costruiti con la speranza di ottenere lavoro dal nulla, dichiarava ufficialmente ed in maniera definitiva che tali tentativi erano inutili (13). E’ curioso ricordare il testo emesso in quell’occasione: “l’Académie ha approvato quest’anno la risoluzione di non esaminare alcuna soluzione di problemi sui seguenti argomenti: la duplicazione del cubo, la trisezione dell’angolo, la quadratura del cerchio (14) o alcuna macchina per dimostrare il moto perpetuo”.. Secoli di tentativi per realizzare il sogno del moto perpetuo venivano dunque ufficialmente sconfessati per sempre. Non tutti però conoscono questa bocciatura, sicchè i tentativi di preparare macchine che producono movimento dal nulla proseguono ancora.

Joseph_Louis_LagrangeNel frattempo vedevano la luce gli studi di Lagrange (1736-1813), matematico italiano, che pubblicava, nel 1788, la fondamentale Mécanique analytique (15), ove riporta le leggi dell’equilibrio e del movimento attraverso una formulazione matematica. Appronta un sistema di equazioni, che posseggono alcune proprietà notevoli (per esempio la loro invarianza rispetto a trasformazioni puntuali arbitrarie), oltre a rappresentare un principio differenziale di energia. Da queste si può dedurre il principio di conservazione della forza viva. Da non sottovalutare l’opera di Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843) che introduceva il fattore ½ nel calcolo della forza viva e definiva il lavoro come il prodotto di una forza per una distanza (16). Occorre anche ricordare le opere di ingegneria teorica di Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753-1823), padre di Sadi Carnot, ove cerca di applicare i concetti di forza viva e di lavoro per spiegare il funzionamento di macchine, considerate come mezzi per la trasmissione dell’attività meccanica (per noi da intendersi come energia) da un corpo all’altro (17). E’ stato messo in evidenza come Lazare Carnot si sia avvicinato molto al principio della conservazione dell’energia e alla definizione del lavoro, pur senza toccarli. Un altro che sfiorò la comprensione del principio di conservazione, senza coglierlo, fu Henry Cavendish (1731-1810), nel momento in cui stava elaborando una formulazione della teoria cinetica del calore. Occorre ricordare a questo proposito che il concetto di energia è anche collegato alla natura del calore che è stata svelata dopo secoli di studi e intuizioni.

Per diversi secoli due teorie, quella dinamica e quella materiale, si erano fronteggiate per spiegare la natura del calore che si sprigiona durante alcune operazioni: segando o perforando un metallo, battendo un chiodo con un martello, nel corso di alcune reazioni chimiche e naturalmente durante le combustioni. Era anche noto che il calore, quasi fosse un fluido, si propagava lungo i metalli ma non lungo altri materiali (legno, vetro, ecc.). La prima teoria, quella dinamica, vedeva come sostenitori Bacone (18), Boyle (19), Bernoulli (20), Sadi Carnot (25), Hooke e Locke, la seconda, quella materiale, annoverava come sostenitori Gassendi (22), Black (21), Laplace, Lavoisier (23), Davy (24). Fino a tutto il settecento entrambe godettero di uguale credito e bisogna giungere a Clausius per vedere trionfare la teoria dinamica in grado di spiegare qualsiasi aspetto o comportamento del calore. Non vi è dubbio che il grande Lavoisier, con l’idea del suo fluido, ovvero il calorico, contribuì non poco a mettere fuori strada gli altri sostenitori. Fra questi certamente Sadi Carnot, fondatore del 2° principio della termodinamica, che si riferì al calore in termini di calorico. Carnot morì comunque molto giovane (durante un’epidemia di colera), sicchè, si pensa, non ebbe il tempo di riflettere. Negli ultimi anni sembra infatti si fosse convertito alla teoria dinamica.

La scoperta del principio di conservazione

220px-SS-jouleSiamo dunque giunti agli anni 1840-50 e le idee per pervenire alla scoperta del principio di conservazione dell’energia e quindi al concetto di energia erano finalmente mature. Nel 1841 J. P. Joule (1818-1889) esponeva la legge che porta il suo nome, sulla produzione di calore sviluppato dal passaggio della corrente in un conduttore. Nel 1843 determinava l’equivalente meccanico della caloria ed enunciava il principio di conservazione dell’energia meccanica, introducendo il concetto di energia cinetica. Joule però, e questo è accertato, non si rese mai conto di aver scoperto il principio della conservazione dell’energia ovvero il fatto che la somma di tutti i tipi di energia in un sistema è costante. Joule a quanto pare sfiorò la vera e propria definizione del principio durante una conferenza dal titolo On Matter, Living force and Heat tenuta nella sala di lettura della chiesa di S. Anna a Manchester, il 18 aprile 1847 (26). In quell’occasione affermava, tra l’altro, che “you see, therefore, that living force may be converted into heat, and that heat may be converted into living force…”. “the same quantitative of heat will always be converted into the same quantity of living force”.

Hermann_von_HelmholtzSiamo dunque al 1847 quando la meta venne raggiunta, in maniera del tutto imprevedibile, da un altro giovane scienziato che in quel periodo si occupava prevalentemente di medicina. Il principio venne infatti descritto in tutto il suo significato, in termini matematici, da un medico tedesco, Herman von Helmholtz (1821-1894), in un saggio che è poi passato alla storia (27). Gli studi, le scoperte e le invenzioni di Helmotz, per la loro vastità e versatilità, non mancano di stupire chiunque abbia l’avventura o l’occasione di esaminarli (28). Fra le prime sue intuizioni, aveva solo 26 anni, fu appunto la descrizione del principio di conservazione dell’energia. Principio individuato quando era chirurgo presso lo squadrone degli Ussari a Potsdam e quindi distratto da altri compiti e afflitto da condizioni economiche poco floride. Si ritiene che, al contrario di molte altre scoperte e intuizioni di altri scienziati, questa non fu casuale. Helmholtz si trovava in quel momento ad essere l’unico studioso che combinava in sé tutti i requisiti necessari per pervenire alla formulazione del principio: profonda conoscenza della meccanica, possesso dei principi riduzionistici in fisiologia, abilità matematica, influenza della filosofia di Kant ovvero fede nell’esistenza di forse unificatrici in natura. Studiando, come fisiologo, il metabolismo muscolare, ebbe modo di verificare come durante la contrazione non si ha dispendio di energia, ma solo una sua trasformazione. Da qui l’origine dei suoi studi teorici sulle forze fisiche e la conseguente ben nota formulazione matematica (dUA = dQ – dW).

La legge si applica, come è noto, ai processi relativistici oltre a quelli descritti dalla meccanica quantistica. Si applica ai processi possibili in natura ma anche a quelli impossibili. Nel decennio 1850-60 questa consapevolezza fece del principio di Carnot, l’altra legge, la 2a della Termodinamica (che ebbe però anche altre formulazioni equivalenti). La prima legge implica l’impossibilità del moto perpetuo e la reciproca convertibilità di ogni forma di energia ma che non esclude processi impossibili in natura (macchine del moto perpetuo di secondo tipo). In breve non tiene conto che i processi naturali e spontanei presentano proprietà direzionali. Di quest’ultima si tiene conto in una delle altre formulazioni della 2a legge (quella di William Thomson, noto anche come Lord Kelvin).

Riassumendo, fino alla seconda metà del 19° secolo i concetti fondamentali della fisica erano lo spazio, il tempo, la massa e la forza. Da allora in poi diventano lo spazio, legato in maniera indissolubile al tempo, la massa e l’energia. La formulazione del principio della conservazione condusse alla scienza dell’energetica, ricca di tonalità metafisiche e persino religiose. Al meccanicismo tradizionale, che risolveva ogni fenomeno come forme speciali di movimento, si sostituisce l’energetismo che respinge il concetto di materia, prima contrapponendolo a quello di energia e poi assorbendolo e che guarda tutti i fenomeni fisico-chimici come variazioni di energia e tutte le realtà come manifestazioni di energia. Le masse inerti non sono altro che energia latente. In parole povere, la sensazione di solido che si prova toccando un corpo nasce in realtà dalle forze di repulsione che si manifestano. Nella materia, costituita da atomi, prevale il vuoto, ove agiscono forze di attrazione e repulsione in costante equilibrio. E da ricordare che anche le attività produttive, la stessa economia vengono reinterpretate in chiave energetica, come vedremo nelle prossime note.

Bibliografia

(1) J. H. Poincarè (1902), La Science et l’Hypothèse, Flammarion, Paris.

(2) K. E. L. M. Planck (1900), “Ueber die Elementarquanta der Materie und der Eletricität”, Annalen der Physik, vol. 2.

(3) A. Einstein (1905), “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”, Annalen der Physik, vol. 17.

(4) Si veda R.L. Lehrman (1973), “Energy is not the ability to do work”, The Physics Teacher, 1: 15-18. Secondo questo studioso una definizione accettabile, che asseconda contemporaneamente i primi due principi della termodinamica sarebbe: “Energy is a quantity having the dimensiono of work which is conserved in all interactions”.

(5) Si rimanda fra i tanti a F. Rivetti Barbò (1994), Lineamenti di antropologia filosofica, Editoriale Jaca Book Spa, Milano, p. 38 e segg.

(6) Si legga: Aristotele, Metafisica, a cura di C.A. Viano,Torino, Utet, 1974, p. 509 e segg.

(7) M. De Micheli (2008), Leonardo da Vinci. L’uomo e la natura, Feltrinelli, Milano.

(8) Galileo Galilei (1623), Il Saggiatore. Nel quale con bilancia squisita e giusta si ponderano le cose contenute nella Libra, Cap. VI, in Roma appresso Giacomo Mascardi.

(9) “Ciascuna cosa, in quanto è semplice rimane per quanto è in sé, sempre nel medesimo stato, e non è mai mutata se non da cause esterne.” Si veda: R. Descartes (1629-1633), Le Monde ou le traité de la lumière et des autres principaux objects des sens, pubblicato postumo il 1644 ad Amsterdam: Louis Elzevir. Gli studiosi sono concordi nell’affermare che non si può attribuire solo a Cartesio la paternità della scoperta del Principio di Inerzia.

(10) G. W. Leibniz (1686), “Essay de dynamique sur les loix du mouvement, où il est monstrè, qu’il ne se conserve pas la meême quantite de mouvement, mais la même force absolue, ou bien la même quantité de l’action motrice”, Mathematische Schriften, ed. C. I. Gerhardt, 9 vols. in 5 (Halle, 1860), Ser. II, Vol. II, pp. 215-231.

(11) C. Huygens (1667), “De motu corporum ex percussione”, “Appendice I”, in OC, XVI, p. 103 [Hug. 26A, f. 13v] (pubblicata postuma nel 1703).

(12) T. Young (1807), Course of lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts, volume II, printed for J. Johnson by W. Savage, 1897, London, p. 52.

(13) Cfr. The Sciences in Enlightened Europe a cura di William Clark, Jan Golinski, Simon Schaffer (1999), The University of Chicago Press, Chicago, p. 254; R. Hahn (1969), Anatomie d’une institution scientifique, l’Académie royale des sciences de Paris, Archives contemporaines, Paris, 1969.

(14) La duplicazione del cubo, la trisezione dell’angolo e la quadratura del cerchio, utilizzando solo righello e compasso, costituirono, come è noto, i tre problemi classici della geometria greca. Nel 18° secolo, per risolvere il problema della quadratura del cerchio si era perfino istituito un premio, per cui l’Académie ritenne utile intervenire: “…l’Académie ayant été aux voix il a été décidé que désormais l’Académie ne recevrait ni n’examinerait aucun mémoire qui ait pour objet la quadrature du cercle”. Si veda per maggiori particolari: M. Jacob (2005), “Interdire la quadrature du cercle à l’Académie: une décision autoritaire des lumiéres ?”, Revue d’histoire des mathématiques, 11: 89–139.

(15) J.L Lagrange (1788), Mécanique analytique, Mme Ve Courcier, Paris.

(16) Coriolis introdusse i termini lavoro ed energia cinetica, attribuendo loro un significato simile a quello moderno, nella sua opera maggiore (Du calcul de l’effet des machines, Carilian-Goeury, Paris, 1829, ripubblicato postumo come Traité de la Mécanique des corps solides il 1844”).

(17) Lazare Carnot, Essai sur les machines en géneral, par un officier du Corps Royal du Géne, A. M. Defay, Dijon, 1783. Successivamente, il 1803, estese l’argomento intitolandolo Principes fondamentaux de l’Equilibre et du mouvement.

(18) F. Baconis (1650), De Verulamio, Summi Angliae Cancellarij, Novum Organum Scientiarum, LVGD. BATAV., Ex Officina Adriani Wyngaerden, Anno 1650.

(19) R. Boyle, De Mechanica Caloris, et Frigoris Origne. Experimenta, et Notae Circa Mechanicam caloris Et Frigoris originem, Seu Productionem, LONDINI. Impensis Samuelis Smith ad Insignia. Principis in Coemiterio D. Pauli. (Pubblicato postumo nel 1692).

(20) D. Bernoulli (1738), Hydrodynamica, sive De Viribus et Motibus Fluidorum Commentarii, Opus Academicum, I edition,, Johann Reinhold Dulsseker, Strasbourgh, 1738.

(21) J. Black (1803), Lectures on the Elements of Chemistry delivered in the University of Edinburgh, J. Robison, 2 vols., Edinburgh.

(22) P. Gassendi (1658), Opera omnia, Lyons.

(23) A.-L. Lavoisier, P.-S. La Place (1783), “Mémoire sur la chaleur”, lu à l’Académie royale des sciences, le 28 juin 1783, Gauthier-Villars, Paris.

(24) H. Davy (1799), On Heat, Light and the Combinations of Light, with a new Theory of Respiration and Observations on the Chemistry of Life, Beddoe’s West Country Collections, Bristol.

(25) Nicolas L. Sadi Carnot (1824), Réflexions sur la puissance motrice du feu, Mallet-Bachelier, Parigi.

(26) J. Prescott Joule (1847), “On Matter, Living Force, and Heat”, a Lecture at St. Ann’s Church Reading-Rom, pubblicato nel “Corriere” di Manchester (Manchester “Courier” newspaper), il 5 e 12 maggio 1847.

(27) Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1847), Über die Erhaltung der Kraft, eine physikalische Abhandlung, Druck und Verlag von G. Reimer, Berlin.

(28) Si occupò di acustica, ottica, fisiologia e matematica. Studiò il moto dei fluidi, l’elettromagnetismo, la percezione dei suoni e dei colori, la velocità di propagazione degli impulsi nervosi, i moti dell’atmosfera, pose le fondamenta dell’idrodinamica e svolse persino ricerche sulle trombe d’aria, temporali e ghiacciai. Formulò la teoria (detta appunto di Young-Helmholtz) secondo la quale le sensazioni cromatiche possono essere ricondotte alla combinazione di tre colori fondamentali (rosso, verde e blu ovvero oggi noti come RGB, iniziali dei corrispondenti termini inglesi) ciascuno dei quali risulta dalla stimolazione di tre differenti recettori. Sulla stimolazione da parte di elettroni di composti diversi in grado di provocare l’emissione di radiazioni RGB e delle loro combinazioni, si fondano attualmente tutti i monitor dei computer, TV, ecc

L’impronta dei mondiali

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Marco Taddia

mondi1mondi2Il clamore e il tifo sportivo che in Italia e in altri Paesi suscitano le partite per la conquista della Coppa del Mondo di calcio 2014 non può farci dimenticare la realtà brasiliana. Non è un mistero che da settimane, in molte città, si svolgono manifestazioni per protestare contro le ingenti spese sostenute dal Governo Brasiliano per organizzare il Campionato 2014 e costruire dodici stadi, un terzo dei quali, sostengono i critici, non sarà in pratica sfruttato una volta terminato il Mundial. Gli organizzatori delle proteste chiedono alle autorità di destinare maggiori investimenti al sistema sanitario, all’istruzione, alla sicurezza e alle infrastrutture di cui necessita il Paese. Importanti agenzie di stampa internazionali come The Associated Press hanno fornito informazioni sui costi delle opere gonfiati in corso d’opera a causa della corruzione, nonché sui disordini in atto (http://bigstory.ap.org/article/high-cost-corruption-claims-mar-brazil-world-cup). Apprendiamo, ad esempio, che il costo dello stadio di Brasilia è praticamente triplicato, giungendo a 900 milioni di dollari. Secondo l’agenzia Reuters U.S. (http://www.reuters.com/article/2014/06/13/us-brazil-worldcup-megaevents-analysis-idUSKBN0EO0CJ20140613) il costo totale dell’evento è valutabile in ben 11,3 miliardi di dollari. I ricavi dovuti al turismo e al resto si vedranno in seguito. Sono cifre che destano impressione e sfuggono, in pratica, al metro dell’uomo comune. Detto ciò, bisogna chiedersi anche quale sarà il costo ecologico dell’evento per il nostro fragile pianeta. In pratica cosa significherà in termini di CO2 emessa in atmosfera. Cerchiamo di capire come stanno le cose, tentando di districarci tra previsioni, annunci e critiche di vario genere. Un importante documento che riguarda l’impronta di “carbonio”, emesso dalla Fédération Internationale de Football Association (FIFA) è disponibile da tempo, anche in rete (http://www.mgminnova.com/web/summaryofthe2014fwccarbonfootprint_neutral.pdf).

mondi3

S’intitola “Summary of the 2014 FIFA World Cup Brazil™ Carbon Footprint”. A p. 15 c’è una tabella, molto dettagliata, da cui risulta una previsione di ben 2,7 milioni di tonnellate di CO2 (tCO2e), comprendente non solo l’evento in sé ma anche i preparativi, i trasporti ecc.. Nel testo si legge: “The carbon footprint for the 2014 FWC Brazil shows that the overall event is expected to generate just over 2.7 million tCO 2e, inclusive of Preparation, FCC Staging, and FWC Staging. FWC Staging accounts for the vast majority (90.8%), followed by FCC Staging, which contributes a significant fraction (7.8%), as well.

   Pochi giorni fa, il Ministro brasiliano per l’Ambiente Izabella Teixeira ha tenuto una conferenza stampa per dimostrare invece che si tratta della Coppa del Mondo più verde in assoluto. I dubbi rimangono e un illuminante articolo di Fiona McDonald (ABC Environment – Australian Broadcasting Company), pubblicato online il giorno 12 giugno, li elenca insieme alle fonti d’informazione (http://www.abc.net.au/environment/articles/2014/06/11/4023378.htm). Il Ministro ha dichiarato che l’evento in sé scaricherà in atmosfera 59.000 tonnellate di CO2 specificando che il tutto è stato ampiamente compensato dai “crediti” in CO2 ceduti da aziende che otterranno in cambio pubblicità. Coppa verdissima quindi? Mah… Il Ministro ha convenuto che la stima effettiva rimane di 1, 4 milioni di tonnellate, inferiore comunque a quella della FIFA. Comprende i viaggi e la sistemazione di atleti, staff, spettatori e le trasmissioni televisive delle partite. Chissà se il sistema dei “crediti” compenserà, almeno in parte, anche questo? Altro discorso riguarda gli sforzi che il Brasile ha fatto per rendere più sostenibile l’evento con il ricorso alle energie rinnovabili, in primo luogo al solare. Si calcola che i pannelli fotovoltaici della ricopertura dei due stadi interessati, totalmente alimentati con questi sistemi, produrranno circa 2,5 MW. Qualcuno ha fatto notare che il valore è addirittura superiore alla potenza nazionale fotovoltaica di 11 delle 32 nazioni partecipanti. E’ stato un investimento gigantesco che indubbiamente ha giovato allo sviluppo dell’industria locale e al PIL ma a che pro? Nei giorni scorsi ci sono stati tumulti in appoggio a 200 professori scesi in sciopero contro gli stipendi troppo bassi. In un mese guadagnano meno del costo del biglietto per la partita inaugurale. Questo la dice lunga sulle contraddizioni in cui si dibatte il Brasile. Ma rispetto ai grandi eventi sportivi del passato come stanno andando le cose? Il bravo Stefano Cosimi lo ha spiegato per www.wired.it. I Mondiali del Sud Africa sono stati fra i peggiori da questo punto di vista perché spararono in cielo 900.000 tonnellate di anidride carbonica ma, come ricorda lui, “nel conteggio sudamericano sono invece state inserite, oltre al mese di partite, anche i lavori realizzati negli anni precedenti”. Concordiamo con Cosimi che quello del Brasile è un risultato migliore anche se, “solo il traffico aereo sprigionerà l’equivalente di 560mila automobili in viaggio costante per un anno. E dunque i conti andranno fatti alla fine, come sempre”. Le emissioni sudafricane furono dieci volte superiori a quelle della precedente manifestazione che si tenne in Germania, inferiori comunque a quelle delle Olimpiadi di Londra che in sette anni produssero un impatto da 3,4 milioni di tonnellate di CO2.

Ci si può chiedere allora se, nonostante gli sforzi fatti, il pianeta pagherà un costo troppo alto in termini di diossido di carbonio. É un bilancio complesso e le semplificazioni non sono utili alla verità. Come riportato in uno degli interventi registrati da Fiona: “il calcio è un gioco da cui la gente si attende piacere e gioia”. Si può aggiungere che l’incontro di tanti popoli diversi, nel nome della passione e degli ideali sportivi, può favorire la convivenza pacifica tra le nazioni. Pensate che basti per un pareggio fra costi e benefici?

Articolo ripreso, con lievi modifiche, da www.galileonet.it

Video da vedere: http://video.corriere.it/brasile-muntari-distribuisce-soldi-strada/cb66fec2-fa04-11e3-88df-379dc8923ae4

Energia, Risorse, Ambiente.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di C. Della Volpe

Balzani_copertinaRecensione di

Energia, risorse, ambiente.

Vincenzo Balzani e Margherita Venturi

Ed. Zanichelli 2014

240 pagine, 20 euro

Due chimici che parlano del nostro pianeta in 16 densi capitoli; si presenta così, come un libro scolastico ma in realtà lo definirei un testo di cultura generale indispensabile nella biblioteca e nella cultura di un cittadino informato.

Gli danno l’aspetto di libro scolastico gli esercizi, qualche breve pezzo di approfondimento in inglese (che a scuola va bene ma rischierebbe di allontanare la casalinga di Voghera), ma tutto il resto, dall’apparato iconografico di prim’ordine, alle notizie aggiornate fino a quelle di pochi giorni o settimane fa, dall’analisi attenta dei concetti chiave, a partire dall’EROEI a finire alle mappe delle concessioni fossili nel Nord dell’Adriatico ci dà invece una immagine diversa: un testo necessario a capire il nostro tempo, utile a scuola ma anche all’Università, penso per esempio ai corsi di Economia o di Ingegneria che trattano di energia e materiali e della loro geografia ma anche del loro ciclo di vita, ma come dicevo prima indispensabile nellla biblioteca del cittadino informato, e chi non è informato oggi rischia di non sapere cosa fare quando deve prendere decisioni importanti.

Si parte dall’energia e dalla sua definizione e dalla sua storia per cercare di prevederne gli sviluppi; si guarda poi alla biosfera ed ai suoi limiti; e vivaddio un libro di testo che parli dei limiti è certamente una mosca bianca, ma assolutamente benvenuta; a rompere il tabù di richiamare i limiti dello sviluppo (nei capitoletti si fa riferimento più correttamente alla crescita tout court) è dedicato un intero capitolo!

Si affrontano quindi i problemi base: il cibo, la sua produzione e il suo spreco, l’acqua, e il suo legame forte all’energia, un legame cui il libro dedica un grande spazio ma fa indovinare che se ne potrebbe dedicare ancor più. Qui abbiamo l’unica per me imprecisione lessicale; un richiamo ad un famoso testo di Primo Levi in cui l’acqua invece che viscosa viene definita “densa” nel titoletto*. Beh, l’unica concessione al linguaggio comune in 240 pagine di analisi appassionata e informatissima!

Cosa ci aspetta nel futuro del pianeta, cosa è l’Antropocene, quali forme di energia e quali problemi per il futuro, ma anche quali materiali rischiamo di non trovare più. Si affronta la descrizione dei cicli degli elementi; questo è un argomento complesso e in questa descrizione si sarebbe potuto volare più alto solo se il libro fosse stato apertamente dedicato a studenti universitari o allo studioso; condivido invece la scelta di rimanere nell’alveo della tradizione dato che il target scelto più che dagli autori, direi, dall’editore, appare diverso. Di innovativo abbiamo qui una descrizione centrata sul fatto che gli uomini hanno messo in crisi TUTTI i cicli importanti. Si toccano perfino altri argomenti tabù come gli OGM; mentre leggevo ero un po’ in attesa di vedere quali posizioni la coppia di autori avrebbe preso su questo come su altri temi caldi, e non sono rimasto mai deluso; anche io considero gli OGM una questione aperta: potenzialmente utile, ma da considerare con attenzione, così come tante altre tecnologie moderne non è, non può essere di per se un modo di salvare il mondo.

I rifiuti, il buco dell’ozono e le sostanze radioattive e il loro uso costituiscono altrettanti capitoli a parte di analisi.

Anche l’effetto serra e i cambiamenti climatici vengono trattati in un capitolo a parte, anche se devo dire che forse si sarebbe potuto dire di più su questo tema perchè il capitolo in questione appare il meno esteso di tutti.

Ed infine negli ultimi due capitoli, dopo aver condotto una analisi estesa, ricca, densa ed appassionata ci si pone il problema di cosa fare; qui si riprendono ed approfondiscono alcuni dei temi: il concetto di tipping point per esempio o la definizione di EROEI vengono dati proprio qui in questi ultimi due capitoli, nei quali si richiama il libro di McKibben, e si affronta il problema di come definire e misurare la sostenibilità.

Custodire il Pianeta!

Bellissima frase con cui avrei dato titolo a tutto il libro, custodirlo per le generazioni future che ce lo hanno imprestato.

E’ la parte più radicale del libro; si denuncia senza mezzi termini la insostenibilità “tecnica” dell’attuale modello economico basato sullo spreco e le incredibili stratificazioni sociali.

Si danno qui indicazioni concrete sull’uso dell’energia e sul cibo , ma anche sul fatto che le disuguaglianze non possono esser risolte con la carità, ma cambiando il modo di produrre e di consumare; sono cose difficili da dire e da far accettare, in un mondo dell’insegnamento, non solo universitario, dominato dal modello unico della “crescita infinita”. E della tecnologia “asettica”. Le tecnologie non sono asettiche e la crescita infinita non esiste: il libro è chiaro! E rompe vari tabù.

copj13asp1Vincenzo e Margherita (spero gli autori non me ne vorranno , ma mi ricorda il titolo di un diabolico libro di Bulgakov che pure fece scandalo) ci provano e dicono in questi due capitoli finali cose “di rottura” si sarebbe detto una volta; cose che fanno pensare, ma che sono certo stimoleranno come minimo la discussione; un libro didattico e scientifico, ma attenzione, proprio per questo non asettico, ma schierato decisamente a favore di una concezione del mondo; d’altronde non è la prima volta che gli scienziati “concerned”, impegnati, preoccupati dicono e fanno cose radicali. Hansen si è fatto arrestare per denunciare la situazione climatica; Vincenzo e Margherita fanno scandalo contro il pensiero unico della “crescita infinita”.

Completano il testo box di citazioni letterarie, non solo di approfondimento tecnico, il che è una ottima scelta didattica e culturale; e un indice analitico molto utile.

In definitiva venti euro ben spesi, ma consiglierei caldamente l’editore di spingere non solo il libro come scolastico o universitario, ma come libro di cultura generale per le casalinghe di Voghera (e i pensionati di Rimini) di cui l’Italia abbonda. Abbiamo bisogno di questa visione ampia lungimirante e spesso radicale ma che gli occhiali della scienza moderna ci consentono di giustificare saldamente: la scienza si sa è rivoluzionaria!

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* Ringrazio il collega Stefano Siboni di UniTn per la segnalazione.

La Società Italiana di Fisica (SIF) sulla SEN.

Nota del blogmaster: Accolgo volentieri l’idea di pubblicare sul blog un documento sulla strategia energetica nazionale scritta da un’altra Società scientifca italiana, la SIF. Come molti altri scienziati considero l’opzione nucleare non sostenibile oltre che fortemente limitata nel tempo al livello attuale di tecnologia; essa è stata rifiutata dalla maggioranza del nostro paese e da molti altri nel mondo; ma  apprezzo molto che  una società scientifica abbia sentito l’esigenza di pronunciarsi nel merito della SEN e mi auguro che nel futuro la SCI senta la medesima esigenza. Buona lettura.

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OSSERVAZIONI DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA IN MERITO AL DOCUMENTO DI CONSULTAZIONE PRESENTATO DAL GOVERNO SULLA “STRATEGIA ENERGETICA NAZIONALE: PER UN’ENERGIA PIÙ COMPETITIVA E SOSTENIBILE”
Bologna 30 novembre 2012
Presentazione
La Società Italiana di Fisica (SIF) è un’Associazione non profit che ha lo scopo di promuovere, favorire e tutelare lo studio e il progresso della Fisica in Italia e nel mondo. La SIF rappresenta la comunità dei fisici italiani, dal mondo della ricerca e dell’insegnamento a quello professionale, pubblico e privato, in tutti i campi fondamentali e applicativi della fisica.
Tra le sue molte attività la SIF si è occupata con continuità e grande interesse delle questioni energetiche. In particolare, nel 1987 ha promosso e organizzato il primo Convegno nazionale sul tema “Energia, Sviluppo e Ambiente“, di notevole risonanza per gli argomenti discussi e la dichiarazione, firmata da un panel significativamente rappresentativo e sottoscritta da mille fisici italiani, per un Piano Energetico Nazionale aperto ad un mix di fonti per uno sviluppo sostenibile senza discriminazioni, che non rinunciasse all’opzione nucleare.
Più recentemente la SIF, all’inizio del 2008, ha pubblicato il Libro Bianco “Energia in Italia; problemi e prospettive (1990-2020)”, che fotografa la situazione degli anni 90 e le prospettive delle varie fonti di energia nel nostro Paese, suggerendo alcune possibili linee guida. In esso viene in primo luogo segnalata l’esigenza di un Piano Energetico Nazionale redatto in armonia con il contesto europeo e, soprattutto, con il coinvolgimento di un arco di forze politiche il più ampio possibile, in modo da rendere trascurabile il rischio di ripensamenti di parte o a livello locale. Viene poi presentato, come proposta percorribile nel decennio in corso, uno scenario articolato in cui trovano spazio un aumento consistente delle fonti energetiche rinnovabili e delle importazioni di energia elettronucleare, un utilizzo contenuto delle fonti fossili, intese soprattutto come carbone e gas, e una convinta riapertura all’opzione nucleare. Si tratta di una ipotesi equilibrata e lungimirante, basata sullo sviluppo delle tecnologie innovative che consentono all’industria italiana di recuperare posizioni a livello internazionale.
Attualmente la SIF ha in corso un’impegnativa ed efficace attività di formazione e di informazione sulle tematiche dell’energia. In particolare la SIF cura la pubblicazione, per le scuole secondarie superiori, di una collana di fascicoli tematici sulle più importanti e promettenti fonti energetiche, le loro potenzialità e i loro problemi. Lo scopo di tale iniziativa è di presentare le idee fondamentali e gli aspetti tecnologici della questione energetica in modo comprensibile agli studenti e a tutti coloro che, benché privi di una certa cultura scientifica, possiedono tuttavia la curiosità e l’interesse per la conoscenza ai fini di una maggiore consapevolezza.
La SIF ha inoltre costituito, in collaborazione con l’European Physical Society (EPS), l’International School on Energy per promuovere la conoscenza delle tematiche dell’energia a livello universitario e post dottorato. I corsi della Scuola, iniziati quest’anno in agosto, si svolgono con cadenza biennale a Varenna, sul lago di Como, presso la Villa Monastero, sede della Scuola Internazionale di Fisica “Enrico Fermi” della SIF.
La SIF partecipa anche all’Energy Group dell’EPS per discutere e promuovere strategie europee atte ad affrontare l’attuale sfida energetica ed ambientale, il futuro dell’energia nucleare e delle energie rinnovabili, il risparmio di energia e l’efficienza energetica.

Osservazioni sul Documento di consultazione
La SIF ritiene il documento emanato dal Governo un significativo passo avanti rispetto alla carenza, ormai pluridecennale, di un Piano Energetico Nazionale. Una strategia energetica che contempli, da una parte, la necessità di un piano di sviluppo atto a superare l’impasse tecnologico nell’innovazione dei mezzi di produzione di energia e, dall’altra, il superamento delle cause legate alla crisi economica che impediscono un serio e corretto confronto delle varie opzioni energetiche, è quanto mai opportuna. La SIF sottolinea l’esigenza di coniugare la sostenibilità ambientale con la necessità di un mix di fonti di energia affidabili, non aleatorie, non sbilanciate economicamente e fondate su una corretta valutazione tecnico-scientifica.
La SIF ritiene che il documento in oggetto possa fornire una base di discussione ampia e documentata che, tuttavia, a suo parere dovrebbe portare ad una più rigorosa e realistica valutazione delle possibilità offerte dalle varie opzioni, sia a breve che a medio e lungo termine. La SIF indica, pertanto, i punti salienti che, a suo avviso, in base alle indicazioni del documento governativo meritano un approfondimento.
1) Giustamente il documento richiama gli aspetti peculiari e le criticità dell’attuale assetto energetico del nostro Paese, rilevando, in particolare, la debolezza del sistema nazionale legata alla forte dipendenza energetica dall’estero, alla elevata incentivazione a certe fonti rinnovabili, che forse richiederebbero una più attenta valutazione, e all’eccessivo costo della bolletta elettrica, la più elevata in sede europea (cfr. “svantaggio rispetto a concorrenti internazionali”).
A tale riguardo, il confronto con le realtà di altri Paesi dell’Unione Europea rende esplicito un rilievo sottinteso e, cioè, la mancanza di una politica energetica di ampio respiro che avrebbe dovuto considerare più attentamente la necessità di un più equilibrato mix energetico che includa, in modo sia pur oculato e con criteri programmatici chiari, anche l’opzione nucleare.
2)    Delle priorità segnalate, l’efficienza energetica è certamente importante e da migliorare rispetto agli standard attuali (peraltro già significativi), così come lo sviluppo delle infrastrutture e del mercato elettrico. Più problematici appaiono, nel breve-medio termine, lo sviluppo sostenibile delle energie rinnovabili, da una parte, e la produzione sostenibile di idrocarburi nazionali, dall’altra.
Per il raggiungimento di obiettivi quali, nel primo caso, il superamento degli obiettivi europei 20-20-20, a parte l’apprezzamento per un miglior bilanciamento a favore delle rinnovabili termiche, una riduzione dei costi di incentivazione è sicuramente necessaria per una sostenibilità economica ragionevole, anche per evitare una forzatura costosa di una concorrenza artificialmente introdotta. Nel secondo caso, relativo alla produzione di idrocarburi nazionali, i vincoli imposti da ragioni di sicurezza e ambientali sembrano costituire una barriera difficilmente superabile nel nostro Paese.
3)    L’enfasi data alla ricerca, in particolare per ciò che riguarda lo sviluppo delle fonti rinnovabili innovative e gli studi relativi ai materiali e all’efficienza energetica, dovrebbe evidenziare l’importanza di una maggiore attenzione e di un pianificato coinvolgimento delle risorse materiali ed umane dell’Univerità e degli Enti di Ricerca. In questo contesto la ricerca, a livello accademico e industriale, relativa a tutte le opzioni, inclusa l’energia nucleare (reattori a fissione di IV generazione, tecnologie innovative della fissione nucleare, fusione nucleare) dovrebbe essere considerata tra le priorità essenziali per una corretta impostazione della strategia energetica anche a lungo termine. Il rafforzamento delle risorse pubbliche ad accesso competitivo atto a favorire il partenariato università-centri di ricerca-imprese, nonché la razionalizzazione dell’attuale segmentazione delle iniziative dei vari Enti di Ricerca, previsti nel documento, sono certamente validi strumenti allo scopo. Resta da meglio definire, in termini quantitatvi e distributivi, l’insieme dei criteri e delle azioni per concretizzare tali intenti e dare al mondo della ricerca un segnale che porti ad un coinvolgimento esplicito degli esperti e dei giovani che si avviano al perfezionamento degli studi universitari.
4) Un punto essenziale, che in qualche modo viene evidenziato nel documento, riguarda la compartecipazione dei vari elementi interessati (amministrazioni locali, stakeholder nazionali, istanze istituzionali, coinvolgimento territoriale, ecc. ) nel sistema di governance, che tuttavia dovrebbe tener presente due fattori importanti: la ridefinizione del rapporto Stato-Regioni (positivo il disegno di riportare allo Stato le competenze in materia di energia), e il coinvolgimento coordinato di Enti di ricerca e rappresentanze tecnico-scientifiche adeguate e non condizionabili. E, parte non trascurabile, il fattore informazione non disgiunto da una organica operazione di acculturamento dell’opinione pubblica, cui istanze come quelle della SIF potrebbero dare un valido contributo.
5) Il merito dell’iniziativa strategica non può prescindere, a nostro avviso, dal metodo di consultazione. Qui si avverte ancora una volta una lacuna già presente in altre occasioni e in altre consultazioni. Gli incontri con le principali istituzioni e associazioni di categoria interessate, come recita il documento nella parte dedicata al percorso di consultazione, ci si augura che possano essere estesi, per esempio, alle Associazioni Scientifiche che, come la SIF, dispongono di un patrimonio di competenze e rappresentano comunità tecnico-scientifiche non subordinate a specifici interessi economici e politici.
Tali incontri avrebbero potuto (potrebbero) essere utili rilevando e tenendo nel debito conto le analisi e gli studi già effettuati (cfr. le pubblicazioni della SIF) in merito a realistiche strategie energetiche basate su possibili ed equilibrati mix delle varie fonti per le quali i criteri di scelta siano non soltanto di tipo economico-ambientale ma anche supportati da rigorose valutazioni tecnico-scientifiche.
6) Il percorso individuato per la consultazione non è stato, a nostro parere sufficientemente pubblicizzato rendendo di difficile e tempestiva predisposizione le analisi e le osservazioni di istanze competenti e consapevoli tra la platea di consultati. Si rende perciò necessaria un’azione informativa più ampia e mirata e l’organizzazione di una Conferenza Nazionale sull’Energia, che non sia una semplice rassegna di pareri e posizioni spesso poco incisivi e pertinenti.

Commenti alla SEN.

Nota del blogmaster: SEN vuol dire Strategia Energetica Nazionale; con questo nome il Governo sta sviluppando un piano energetico nazionale sul quale ha invitato ogni cittadino ad inviare commenti e suggerimenti. Vincenzo Balzani, emerito dell’Università di Bologna e membro dei Lincei,  ha seguito scrupolosamente l’indicazione del Ministro Passera, e ci ha inviato copia della sua proposta; leggete e meditate.

a cura di Vincenzo Balzani

Commenti sul documento di consultazione pubblica

Strategia Energetica Nazionale (SEN)

per un’energia più competitiva e sostenibile

Premessa

Il problema di un futuro energetico sostenibile, legato alla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica per contenere i cambiamenti climatici, è al centro dell’attenzione in tutto il mondo e in modo particolare nei paesi occidentali. Ad esempio, il Ministro dell’Energia USA, Steven Chu, in un recente articolo ha riassunto così i termini del problema [1]: la transizione dai combustibili fossili alle energie rinnovabili (i) è inevitabile, (ii) richiederà circa 50 anni, (iii) sarà ostacolata come accade a tutte le innovazioni, (iv) è urgente metterla in atto anche per evitare i danni causati da un numero crescente di eventi climatici estremi, (v) deve essere accelerata mediante scelte politiche opportune.

eventiestremi

L’Unione Europea (UE), di cui il nostro paese è membro, ha già da tempo individuato e messo in atto una strategia ben definita che si può riassumere in tre azioni da portare avanti in modo integrato [2]:

a) progressiva diminuzione dell’uso di combustibili fossili, con conseguente riduzione di emissioni di CO2;

b) sviluppo delle energie rinnovabili;

c) riduzione dei consumi energetici.

emissioninox

Questa strategia porterà l’Unione Europea a raggiungere nel 2020 tre obiettivi fondamentali: riduzione del 20% nei consumi di energia, riduzione del 20% nella produzione di CO2, aumento del 20% della quantità di energia prodotta con fonti rinnovabili. Ogni paese membro dovrà rispettare le quote ad esso assegnate. Per il 2050, l’UE si prefigge poi di ridurre le emissioni di CO2 del 80-95% rispetto alle emissioni del 1990 seguendo una Roadmap ben pianificata [3,4].

Alcuni paesi Europei, segnatamente la Germania che pure sta abbandonando il nucleare, sono addirittura in vantaggio rispetto agli obiettivi intermedi della Roadmap europea.

Sembra logico che ogni decisione strategica riguardo il settore energetico in Italia debba essere coerente con la Roadmap prevista dalla Unione Europea. Tanto più che l’Italia non ha carbone, ha pochissimo petrolio e gas, non ha uranio, ma ha tanto sole. Quindi può trarre vantaggio dalla strategia europea, cogliendo anche le opportunità di sviluppo che offrono le energie rinnovabili per un rilancio dell’occupazione e delle esportazioni.

Il graduale passaggio dall’uso dei combustibili fossili alle energie rinnovabili (che in gran parte sono, direttamente od indirettamente, energia solare) rappresenta una transizione epocale sia dal punto di vista materiale che da quello culturale. Questa transizione riguarda infatti non solo le imprese attive nel settore energetico, ma anche le amministrazioni pubbliche e, praticamente, tutti i cittadini.

1. S. Chu, A. Majumdar, Nature, 2012, 488, 294.

2. Energy strategy for Europe: http://ec.europa.eu/energy/index_en.htm

3. Roadmap 2050: http://www.roadmap2050.eu/

4. Climate Action: http://ec.europa.eu/clima/policies/roadmap/index_en.htm

Esame del documento e commenti

La Strategia Energetica Nazionale (SEN) è esposta in modo dettagliato nel documento Strategia Energetica Nazionale: per un’energia più competitiva e sostenibile(114 pagine)

http://www.sviluppoeconomico.gov.it/images/stories/documenti/20121016SEN-Documento-di-consultazione-vOnlinexxx.pdf

E’ riassunta in modo schematico nel documento, più facile da leggere, Strategia Energetica Nazionale: per un’energia più competitiva e sostenibile, Sintesi degli elementi chiave del documento di consultazione pubblica, Ottobre 2012

http://www.governo.it/GovernoInforma/documenti/slide_strategia_en_naz_20121016.pdf

e comprende un questionario:

http://adisurv.sviluppoeconomico.gov.it/limesurvey/index.php?sid=94726&lang=it

Questi documenti identificano sette priorità per la SEN:

  1. Efficienza energetica
  2. Sviluppo mercato competitivo e HUB del gas sud-europeo
  3. Sviluppo sostenibile delle energie rinnovabili
  4. Sviluppo della infrastruttura elettrica
  5. Ristrutturazione della raffinazione e della rete di distribuzione dei carburanti
  6. Produzione sostenibile di idrocarburi nazionali
  7. Modernizzazione del sistema di governance

E’ difficile entrare nei dettagli delle singole priorità, particolarmente da un punto di vista tecnico, e forse non è molto utile dare risposte ai singoli quesiti del questionario, riguardanti temi a volte molto tecnici e a volte troppo generici.

E’ però possibile dare una valutazione delle proposte avanzate esaminandone (i) la congruenza con  la strategia della UE, riassumibile nei punti a), b), e c)  della premessa, (ii) la compatibilità con la salvaguardia del territorio e dell’ambiente e, infine, (iii) la sostenibilità dal punto di vista economico.

1. Efficienza energetica

Sarebbe stato preferibile aver intitolato questa sezione Riduzione dei consumi energetici, obiettivo fondamentale che deve essere perseguito non solo mediante un aumento dellaefficienza energetica, ma soprattutto col risparmio energetico. Mentre l’aumento dell’efficienza energetica è collegato a interventi tecnici (ad esempio, produzione di lampade a più basso consumo), il risparmio energetico è un problema culturale (ad esempio, nei trasporti l’uso di mezzi pubblici anziché della propria auto).

bokderekIl cittadino deve essere indotto a consumare di meno non solo per i vantaggi economici che possono derivargli, ma soprattutto mediante un salto culturale: deve capire che attualmente nei paesi occidentali viviamo sopra le nostre possibilità. La riduzione dei consumi, non l’aumento di efficienza, deve essere il cardine della odierna strategia energetica.  La storia dell’energia dimostra che l’aumento di efficienza, da solo, può addirittura portare all’aumento dei consumi (paradosso di Jevons).

Gli obiettivi e gli interventi indicati nel documento SEN riguardo l’aumento della efficienza energetica sono condivisibili. Il settore dove si possono ottenere i risultati più importanti è quello dei consumi termici, partendo dalla riqualificazione energetica degli edifici.

casapassiva

E’ però necessario intervenire sui vincoli che spesso frenano le azioni di risparmio ed efficienza. Ad esempio, non ha senso che oggi gli investimenti in efficienza energetica dei Comuni, anche nella forma di contratti di leasing con Esco, siano equiparati all’indebitamento e ricadano nei vincoli di bilancio del patto di stabilità, mentre le bollette energetiche sono pagate a piè di lista come spese correnti. Per incentivare l’efficienza  energetica si possono prendere altri provvedimenti oltre a quelli indicati in SEN, come stanno facendo certi paesi. In Scozia, per esempio, dal 2018 non sarà più possibile dare in affitto abitazioni o uffici che non raggiungano standard minimi di efficienza energetica.

2. Sviluppo mercato competitivo e HUB del gas sud-europeo

E’ ovviamente importante il pieno utilizzo dell’esistente capacità di trasporto dall’Europa e verso l’Europa, la diversificazione delle fonti e una revisione dei contratti per ridurre i prezzi inspiegabilmente alti del gas nel nostro paese ed aumentare la sicurezza di approvvigionamento. L’Italia ha già una sovra capacità di importazione dai paesi produttori. Pertanto la realizzazione di altre infrastrutture (con garanzia di copertura dei costi a carico del sistema), se proprio necessaria, dovrebbe però essere limitata al minimo indispensabile, anche in previsione della progressiva diminuzione dei consumi. Questo vale anche per i rigassificatori.

Ricordiamo che di fronte ad una domanda elettrica di picco che da anni non supera  i 55-60 GW, tempo fa un decreto permise la costruzione di centrali a gas per una potenza installata di oltre 130 GW, più del doppio di quella necessaria. Non bisogna assolutamente ripetere un simile errore del quale scontiamo oggi le conseguenze in quanto queste centrali contribuiscono a tenere alto il prezzo dell’elettricità e frenano la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabili.

Le strutture per lo stoccaggio sono più che sufficienti considerato anche che sono state già concesse numerose autorizzazioni. Non si capisce poi che bisogno ci sia di fare dell’Italia un HUB del gas-sud europeo, tanto più che l’esperienza mostra che, per varie ragioni, le grandi opere finiscono per essere uno sperpero di denaro pubblico. Con la riqualificazione energetica degli edifici e  l’auspicabile diffusione dei collettori termici il consumo di metano per riscaldamento è destinato a diminuire. La quota che risulterà in eccesso dovrebbe essere spostata nel settore trasporti, contribuendo alla riduzione dei consumi petroliferi.

3. Sviluppo sostenibile delle energie rinnovabili

efficienzaI documenti della SEN in più parti presentano le rinnovabili come un problema: troppi incentivi già concessi, troppa energia prodotta, ostacoli alla produzione di energia elettrica con centrali a gas, sbilanciato sviluppo territoriale, problemi alla rete elettrica, ecc. La prima cosa che si deve capire è invece che le rinnovabili non rappresentano un problema, bensì il contesto entro cui si deve e sempre più si dovrà operare per risolvere la crisi energetico-climatica. Non è in discussione il fatto che gli incentivi al fotovoltaico andavano ridotti per evitare di pesare eccessivamente sulle bollette elettriche e anche per evitare speculazioni, ma se c’è stata una politica schizofrenica degli incentivi non è colpa del fotovoltaico, ma di chi non è stato capace di regolarli. Va poi ricordato che gli ultimi decreti del Governo hanno introdotto nuovi vincoli burocratici che frenano lo sviluppo delle rinnovabili, mentre, come si vedrà più avanti, SEN propone di semplificare le procedure riguardanti le concessioni per estrazione  di petrolio e gas.

Lo sviluppo delle energie rinnovabili per la produzione elettrica va accompagnato verso la grid parity, ormai vicina e in taluni casi già raggiunta,  mediante:

a) lo sviluppo dei sistemi di accumulo: pompaggio idroelettrico, incominciando dalla attuale capacità di 7 GW praticamente inutilizzata, da estendere ad altri impianti; batterie sia presso il produttore che il consumatore; altre tecniche (ad esempio, Compressed Air Energy Storage, CAES) già collaudate in alcuni paesi;

b) l’ammodernamento della rete elettrica alle mutate esigenze (vedi punto 4 più avanti);

c) facilitazione normativa dell’autoproduzione anche su piccola scala per promuovere la partecipazione capillare di capitali privati con conseguente responsabilizzazione dei cittadini; è di questi giorni la notizia che una joint venture italiana è in  grado di fornire energia elettrica  fotovoltaica a prezzi competitivi con la rete;

e) una politica, da estendere alla UE, che protegga lo sviluppo di una nostra filiera industriale, come stanno facendo gli USA, rispetto a distorsioni di mercato provocate, ad  esempio, dal costo troppo basso dei pannelli cinesi; tale filiera dovrebbe estendersi a tutte le fasi dell’utilizzo delle energie rinnovabili, inclusa quella finale dell’accumulo di energia elettrica poiché nei prossimi anni è ineluttabile lo sviluppo dell’alimentazione elettrica per mezzi di trasporto.

collettoretermicoPienamente condivisibile è l’apertura di un Conto Termico, peraltro più volte promesso per far recuperare all’Italia il gap che ci separa da altri paesi (ad esempio, collettori installati: in Austria, 512 m2/1000 abitanti; in Italia, 34 m2/1000 abitanti). Importante lo sviluppo degli impianti geotermici a bassa entalpia e lo sviluppo del solare termodinamico per la produzione di energia elettrica, anche in considerazione del fatto che ha in sé la capacita di accumulo.

Per quanto riguarda le biomasse, è giusto puntare sul pieno utilizzo degli scarti agroalimentari e degli allevamenti per produrre biometano da immettere in rete. Non si capisce invece che vantaggio ambientale ed economico avrebbe la conversione del metano in combustibili liquidi. L’uso di colture agricole dedicate alla produzione di biocombustibili va attentamente valutato anzitutto per evitare competizione con la produzione di cibo, poi per capire bene se c’é effettivo guadagno energetico sull’intero ciclo produttivo e una reale riduzione della produzione di gas serra. In un paese con scarsità di territorio come l’Italia, l’uso di colture agricole per ottenere combustibili non dovrebbe essere incoraggiato.biomasse

Quanto ai rifiuti, il riciclo è di gran lunga più conveniente anche dal punto di vista energetico rispetto alla termovalorizzazione, particolarmente in un paese come l’Italia che ha scarsità di materie prime. Il riciclo  permette anche di creare nuovi posti di lavoro.

4. Sviluppo della infrastruttura elettrica

Il costo più alto della energia elettrica in Italia rispetto ad altri paesi è dovuto principalmente a problemi che si trascinano da anni: una potenza installata spropositata rispetto alla domanda, la distorsione del mercato del gas e la mancanza di collegamenti efficienti fra le varie zone del paese. Lo sviluppo delle energie rinnovabili per produrre elettricità ha messo ancor più in rilievo la criticità della situazione delle infrastrutture. Ci sono quindi molti problemi da risolvere che SEN individua, ma per i quali non propone le soluzioni giuste. Non si tratta infatti di integrare, frenandola, la produzione rinnovabile nella struttura e nel mercato elettrico esistente, ma di modificare la struttura ed il mercato elettrico per sviluppare tutto il potenziale delle rinnovabili, considerando che già nel 2020 le rinnovabili produrranno il 40% dell’energia elettrica e che nel 2050 praticamente tutta l’energia elettrica dovrà essere prodotta con energie rinnovabili.

rinnovabili1

Ad esempio, SEN propone di risolvere le situazioni di congestione ponendo preventivamente dei limiti territoriali e di potenza alla produzione di energie rinnovabili e, nella pratica, continuando, come accade oggi, nello sprecare energia distaccando la produzione di energia rinnovabile che viene comunque remunerata. Si dovrebbe invece agire rapidamente migliorando il collegamento di rete fra le varie zone e accumulando gli eccessi non utilizzabili mediante pompaggi e batterie. Alternativamente, i distacchi  dovrebbero essere compiuti sull’energia importata o su quella prodotta con impianti a gas, anche  ridimensionando il parco di generazione termoelettrico. E’ noto che la lobby degli impianti a gas si è opposta alla messa in opera di accumulatori da parte di Terna. Inoltre, in attesa di smart grid che regolino automaticamente il rapporto produzione/consumo, anziché adattare la produzione al consumo si può agire in modo opposto offrendo una maggiore riduzione di prezzo a consumatori che accettano, in caso di necessità, l’interruzione della fornitura nelle ore di punta. Bisogna anche considerare che la generazione da fotovoltaico, pur non essendo in sé programmabile, è però facilmente prevedibile grazie a previsioni meteo sempre più accurate e quindi si può inserire in un contesto di fonti diverse.

5. Ristrutturazione della raffinazione e della rete di distribuzione dei carburanti

SEN propone azioni nell’ambito delle due iniziative riportate nel titolo. Alcuni interventi, come la regolamentazione delle scorte obbligatorie di prodotti petroliferi, l’introduzione di un “green label” nell’ambito UE, la liberalizzazione e razionalizzazione del settore distribuzione dei carburanti e l’incentivazione del metano per autotrazione sono pienamente condivisibili.

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Riguardo la crisi del settore di raffinazione, l’approccio della SEN non sembra corretto. L’aumentata efficienza energetica dei motori, il passaggio da alimentazione a benzina e gasolio a metano e biocombustibili e la sostituzione del gasolio per riscaldamento col metano sono tutti eventi positivi per limitare la crisi energetico-climatica e il fatto che mettano in crisi l’industria petrolifera era del tutto prevedibile. Ristrutturazione e riconversione hanno senso solo nell’ottica di un ridimensionamento di questo settore  che, anche per altre ragioni (concorrenza internazionale), è destinato gradualmente  a ridurre la sua importanza strategica. Inutile quindi parlare di iniziative di potenziamento e di interventi di sostegno, anche se si dovrà fare ogni sforzo per salvaguardare i posti di lavoro attuali. Bisogna prendere atto che è iniziata una transizione energetica epocale e che l’abbandono progressivo dei combustibili fossili è un dato positivo oltre che inevitabile.

6. Produzione sostenibile di idrocarburi nazionali

L’Italia produce 12 Mtep di combustibili fossili all’anno, consuma 135 Mtep, e secondo le compagnie petrolifere ha 123 Mtep di riserve certe e circa 700 di riserve probabili e possibili. SEN propone di dar il via allo sfruttamento di queste riserve mediante semplificazione degli iter autorizzativi e iniziative di supporto al settore industriale.

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Questa iniziativa proposta da SEN va giudicata alla luce di quanto segue:

– le riserve certe (123 Mtep) ammontano a meno del consumo totale di un anno (135 Mtep) e, spalmate su 15 anni, ammontano al 6% del consumo totale annuale;

– le riserve probabili e possibili, anche se fossero reali, non potrebbero essere sfruttate se non nel medio-lungo termine, quando l’uso dei combustibili fossili sarà molto ridotto;

– gran parte delle perforazioni ed estrazioni andrebbero fatte on-shore e off-shore lungo la costa adriatica (in particolare l’Alto Adriatico);

– le estrazioni nell’Alto Adriatico sono già state sospese in passato a causa del fenomeno della subsidenza;

– non è possibile escludere la possibilità di incidenti;

– la tutela del paesaggio, dell’ambiente e dei beni artistici è una priorità assoluta per un paese come l’Italia;

– le spiagge adriatiche, le più affollate d’Europa, sono uno dei capisaldi dell’offerta turistica nazionale;

– nei territori interessati sono presenti città di importanza storica, culturale ed artistica universale come Venezia e Ravenna e zone  fragili e preziose come la laguna e il delta del Po;

– l’Italia è oggetto di continui fenomeni sismici.

fracking

Appare chiaro, dunque, che lo sfruttamento energetico di questa limitata riserva di combustibili fossili, quantitativamente marginale per l’economia nazionale,  potrebbe produrre danni molto più ingenti dei benefici che può apportare. In ogni caso, è molto più opportuno conservare questa nostra risorsa fossile per usarla, se sarà necessario, come materia prima dell’industria chimica.

Per diminuire le importazioni si può agire in un altro modo, senza creare problemi: cioè, diminuendo i consumi. Ad esempio, riducendo da 130 a 110 km/ora la velocità sulle autostrade, tassando maggiormente i veicoli che consumano molto (come accade in Irlanda), incentivando l’uso delle biciclette e dei mezzi pubblici nelle città, spostando parte del trasporto merci dalla strada alla rotaia o a collegamenti marittimi, e anche mediante una mirata campagna di informazione e di cultura per tutta la cittadinanza, cominciando dalle scuole, per mettere in luce i vantaggi della riduzione dei consumi rispetto ad altre azioni con cui si vorrebbe affrontare la crisi energetica.

7.  Modernizzazione del sistema di governance

Gli interventi proposti sono tutti condivisibili, valutando però con particolare attenzione quali siano le infrastrutture strategiche veramente tali da poter godere di procedure amministrative semplificate. Bisogna istituire e regolamentare il mercato del gas e rivedere le regole del mercato dell’energia elettrica.

Ricerca e sviluppo

Nella sua parte finale i documento SEN identifica aree prioritarie per la ricerca e lo sviluppo nel settore energetico. Pienamente condivisibili le proposte relative all’efficienza energetica, le smart grid, i sistemi di accumulo e le rinnovabili innovative, in particolare il solare termodinamico. Non però i progetti sui metodi di cattura e confinamento della CO2 in quanto il ruolo dei combustibili fossili sarà sempre più limitato ai trasporti, particolarmente aerei e marittimi, cioè ad usi in cui la cattura della CO2 non è possibile. Considerate le molte altre priorità, si ritiene inoltre che non valga la pena continuare la costosissima ricerca sulla realizzazione del reattore a fusione nucleare ITER, impresa che molti autorevoli scienziati giudicano impossibile e che in ogni caso non potrebbe fornire energia se non fra diversi decenni.

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