L’Energia

Qualunque organismo ha bisogno di energia per vivere. 
L’energia è legata a tutte le attività umane: quando pensiamo o ci muoviamo utilizziamo energia immagazzinata nel nostro corpo e tutti gli oggetti che ci circondano o di cui facciamo uso hanno bisogno di energia per funzionare o ne hanno avuto bisogno per essere costruiti; l’energia illumina e riscalda le nostre case, ci permette di spostarci, alimenta gli strumenti con i quali produciamo il cibo e così via.
Tutto ciò che produce energia è una "fonte di energia". Il Sole è la principale fonte di energia della Terra. 
La Terra riceve dal Sole un flusso ininterrotto di energia che, oltre ad alimentare tutti i processi vitali, vegetali e animali, scioglie i ghiacci ed alimenta il ciclo dell’acqua tra mare e atmosfera, produce i venti, fa crescere le piante che nel corso di milioni di anni si sono trasformate, insieme ai resti di organismi animali, in combustibili fossili, petrolio, carbone e gas naturale.
In generale tutta l'energia disponibile sul nostro pianeta deriva direttamente o indirettamente dal Sole: l'energia idrica, l'energia eolica, l'energia chimica dei combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) e delle biomasse (per esempio la legna), persino l'energia delle onde. Dai campi gravitazionali del Sole, della Luna e della Terra deriva l'energia delle maree. 
Risalgono alla formazione della Terra, invece, l'energia geotermica e quella nucleare .

Le numerose fonti energetiche esistenti possono essere classificate in diversi modi.  Si dicono primarie se sono utilizzabili direttamente, così come si trovano in natura. Sono fonti primarie il carbone, il petrolio, il gas naturale, la legna, i combustibili nucleari (uranio), il sole, il vento, le maree, i laghi montani e i fiumi (energia idroelettrica) e il calore della Terra che fornisce energia geotermica. 
Sono secondarie quelle che derivano dalla trasformazione di fonti d'energia primaria: ad esempio, la benzina, che deriva dal trattamento del petrolio grezzo e l'energia elettrica ottenuta dalla conversione di energia meccanica (centrali idroelettriche, eoliche) o chimica (centrali termoelettriche) o nucleare (centrali nucleari). L’energia elettrica viene prodotta attraverso le centrali elettriche, appositi impianti in grado di convertire energia primaria (cioè non trasformata) in energia elettrica.

Alcune fonti sono rinnovabili, cioè forniscono energia che si rigenera in continuazione mediante trasformazioni chimiche (come le biomasse) o fisiche (come l'energia idrica, solare, eolica, ecc). In particolare il sole, il vento, il ciclo dell’acqua, le maree, il calore della Terra sono fonti inesauribili, sempre disponibili e che non finiranno mai. Le biomasse, invece, sono in grado di rigenerarsi in tempi confrontabili con quelli della vita dell’uomo. Nel caso della legna, per esempio, è possibile avere sempre a disposizione del combustibile, pur di consumarne solo una quantità limitata e di preoccuparsi di riforestare laddove sono stati abbattuti gli alberi. Le cosiddette fonti non rinnovabili, invece, hanno tempi di rigenerazione lunghi, talmente lunghi (milioni di anni) che una volta sfruttate si considerano esaurite. Sono quelle che si sono formate nel corso di milioni di anni, come i combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale) o addirittura al momento della formazione del nostro pianeta, come l’uranio. La disponibilità di queste fonti, per quanto grande, è limitata ed esse costituiscono una sorta di magazzino energetico della Terra.
Attualmente, solo il 14% dell'energia consumata nel mondo è prodotta da fonti rinnovabili. Tutto il resto deriva da fonti non rinnovabili, perlopiù da combustibili fossili (78%).

A questo punto è  opportuno introdurre la nozione di rendimento. Le risorse energetiche, infatti, sono beni preziosi che vanno usati in modo efficace ed efficiente. Un concetto centrale per valutare la qualità e gli sprechi di ogni attività umana è il rendimento. Il rendimento indica quanta parte di energia e di materiali immessi in ogni azione e in ogni processo è andata a buon fine e quanta invece è andata persa. Anche le trasformazioni di energia comportano sempre alcune perdite. Il rendimento di una trasformazione energetica si misura dividendo l'energia utile (la differenza tra energia immessa e l'energia dissipata o sprecata) per l'energia immessa. Se il rendimento di una trasformazione energetica è pari al 60% significa che di 100 unità di energia immesse in un processo, 60 sono state trasformate in forme di energia utilizzabili, mentre le altre 40 sono andate disperse in forme di energia non utilizzabili.
Possono farsi due esempi significativi in relazione al rendimento della benzina che immettiamo nella nostra auto e alle trasformazioni termiche che avvengono in una centrale termoelettrica. Quando viaggiamo in automobile meno di un quinto dell'energia chimica contenuta nella benzina si trasforma in energia meccanica di movimento. La parte rimanente si trasforma in calore, non più utilizzabile, che viene disperso attraverso il radiatore o finisce nei gas di scarico o riscalda l'abitacolo. Un'altra parte dell'energia prodotta si trasforma in calore a causa degli attriti tra gli ingranaggi e viene dispersa. La quantità totale di energia all'inizio e alla fine del processo di trasformazione non cambia, ma cambia la forma in cui si presenta (da chimica in movimento e calore) e generalmente degrada verso forme non più utilizzabili per compiere lavoro.
Nelle centrali termoelettriche (dove i combustibili fossili sono bruciati per produrre energia elettrica, più facilmente trasportabile e utilizzabile dal consumatore finale) il rendimento medio è pari al 40%. Questo significa che di 100 unità di energia contenute in carbone, petrolio o gas, solamente 40 si trasformano in energia elettrica, mentre le rimanenti 60 si trasformano in calore a bassa temperatura spesso inutilizzabile. Nelle più moderne centrali termoelettriche a gas le nuove tecnologie consentono di raggiungere rendimenti più elevati, pari a circa il 65%.

La storia dell'uomo è stata sempre caratterizzata dalla ricerca di nuove fonti d'energia: inizialmente per garantirsi la sopravvivenza, poi per migliorare il proprio tenore di vita. In origine l'energia era costituita dal lavoro muscolare, spesso fornito dagli schiavi e dagli animali da soma; successivamente venne sfruttata l'energia eolica (mulini a vento) e idraulica (ruote ad acqua e macchine similari).  Verso la fine dell'Ottocento, con lo sviluppo della civiltà industriale, il fabbisogno energetico fu soddisfatto grazie all'utilizzo intensivo del carbone. Sotto il profilo tecnologico costituì un notevole passo avanti l'aver capito che il calore, attraverso la produzione di vapore, poteva essere trasformato in energia meccanica. La prima applicazione di questa nuova fonte di energia fu la macchina a vapore inventata da Watt, che sostituì i tradizionali cavalli con dei più moderni "cavalli-vapore".
Nei primi decenni del Novecento, dopo un avvio promettente dell'energia idroelettrica, grandi giacimenti di petrolio vennero scoperti in Medio Oriente: la corsa all' "oro nero" era cominciata.
Negli anni '60, dopo mezzo secolo di dominio incontrastato del petrolio, il gas naturale si è dimostrato una valida alternativa, soprattutto per quanto riguarda gli impieghi domestici (cottura e riscaldamento), grazie al suo minore impatto ambientale.
All'inizio degli anni '70 in alcuni Paesi ha cominciato a farsi avanti l'energia nucleare, principalmente nell'ambito della produzione di elettricità. Lo sviluppo dell'energia nucleare, così come quello di altre fonti energetiche alternative, si spiega con i forti incrementi del prezzo del greggio provocati dalle "crisi petrolifere" verificatesi del '74 e del '79, e da quella del 1990, durante la Guerra del Golfo.
Il serbatoio delle fonti di energia attualmente disponibili, è costituito da petrolio, gas naturale, carbone, energia idroelettrica ed energia nucleare in percentuali variabili da nazione a nazione. A queste fonti principali se ne aggiungono altre, anche se in quantità ancora poco significative, ma dotate della caratteristica di essere rinnovabili: l'energia geotermica, l'energia solare, l'energia eolica, l'energia da rifiuti, l'energia da biomasse.
L'Agenzia Internazionale dell'Energia (uno dei più importanti istituti di ricerca che si occupa di studi sull'energia) prevede che da qui al 2020 il consumo mondiale di energia del mondo aumenterà di circa il 65% rispetto ai livelli attuali. Quali fonti forniranno tutta questa energia all'uomo?

La disponibilità  di combustibili fossili sarà sempre più ridotta con il passare del tempo (a causa dell'esaurimento dei giacimenti) e per poter soddisfare la crescente domanda di energia, sarà necessario avvalersi di nuove fonti, in particolare di quelle rinnovabili e a minore impatto ambientale. Il problema delle fonti rinnovabili è che ancora hanno tutte  o quasi un basso rendimento e occorrerebbero investimenti importanti nella ricerca per potere arrivare ad un loro utilizzo efficiente.  Una delle possibili alternative al petrolio è rappresentata dall'idrogeno. L'idrogeno è un elemento contenuto in molte sostanze (dall'acqua al metano) ed è disponibile sulla Terra in enormi quantità. Esso si può utilizzare, per esempio, nella cella a combustibile: un apparecchio in grado di attivare un processo elettrochimico che trasforma l'energia contenuta nell'idrogeno in elettricità e calore evitando la combustione, causa di numerose emissioni di inquinanti dell'aria. Le celle a combustibile possono essere impiegate in diversi settori: dai trasporti (autobus e automobili), all'edilizia (produzione d'acqua calda riscaldamento e condizionamento) e all'elettronica (cellulari e computer). Attualmente però le tecnologie a disposizione per la produzione, la conservazione, il trasporto e l’utilizzo dell’idrogeno devono essere ulteriormente testate e migliorate prima che tale risorsa possa essere usata su vasta scala.  L'energia è ormai diventata una compagna inseparabile dell'uomo, che la utilizza in ogni momento della sua giornata e in tutte le sue attività. Per assicurarsi la possibilità di usufruire di questa risorsa in modo semplice, stabile e continuo l'uomo ha dovuto applicarsi in studi e ricerche per molto tempo, e solo negli ultimi decenni del diciannovesimo secolo è riuscito, in molte nazioni ma non in tutte, a predisporre "sistemi energetici" che assicurano la qualità e le quantità di energia necessaria allo sviluppo.
Con il termine "sistema energetico" si è soliti indicare l'insieme dei processi di produzione, trasformazione, trasporto e distribuzione di fonti di energia. I sistemi energetici sono normalmente estremamente complessi e richiedono competenze in tutti i campi della scienza per poter essere costruiti e gestiti. Infatti, tanto è semplice utilizzare l'energia che ci viene messa a disposizione in casa (premiamo un pulsante e si accende una luce), quanto è difficile e complesso produrre quell'energia e portarla fin dentro le nostre case.
Le difficoltà e la complessità in merito alla produzione e alla distribuzione dell'energia, nascono principalmente da tre fattori.

 Distribuzione non omogenea delle fonti primarie


La produzione delle fonti fossili attualmente più utilizzate (i combustibili fossili) è concentrata nel sottosuolo di pochi Paesi, molto spesso distanti dai Paesi che la consumano. E' necessario quindi trovare e portare in superficie la fonte di energia, e stabilire opportuni accordi tra Paesi produttori e consumatori di energia in modo da assicurare a questi ultimi una fornitura stabile e duratura delle fonti fossili. Infine è necessario provvedere al trasporto fisico delle fonti di energia dai Paesi produttori a quelli consumatori.

Necessità di trasformare le fonti primarie per ricavarne energia


Non sempre le fonti di energia sono da noi utilizzabili come si trovano in natura (le fonti primarie). E' spesso necessario trasformarle al fine di renderne più facile e più efficiente l'impiego presso le utenze finali (si pensi all'energia elettrica ottenuta dalla combustione del carbone, oppure alla benzina ottenuta dalla raffinazione del petrolio greggio). Queste fonti di energia prodotte artificialmente dall'uomo sono dette fonti secondarie, e sono quelle da noi maggiormente conosciute poiché vengono utilizzate quotidianamente.
Anche i processi di trasformazione delle fonti primarie in fonti secondarie e l'organizzazione della loro distribuzione ai consumatori finali sono complessi, e richiedono molte persone e competenze per poter essere  gestiti nel migliore dei modi.

La sicurezza


Il problema della gestione "nel migliore dei modi" introduce il terzo fattore di complessità: la sicurezza. Infatti, tutte le attività che compongono il sistema energetico devono essere svolte in condizioni di sicurezza per l'uomo e per l'ambiente. Se si perde il controllo delle fonti energetiche, infatti, si possono causare danni molto gravi alla salute dell'uomo e dell'ambiente (si pensi all'inquinamento del mare provocato da una petroliera in avaria oppure alle terribili conseguenze della perdita di materiale radioattivo da una centrale nucleare in caso di incidente). Per questo motivo l'uomo deve studiare e applicare continuamente tecnologie che rendano più sicure le operazioni nelle diverse fasi di produzione, trasporto, trasformazione e distribuzione di energia agli utenti finali. Molto é già stato fatto rispetto ai primi anni di utilizzo intensivo delle fonti di energia, ma molto si potrà ancora fare, utilizzando le nuove scoperte scientifiche.