SM 3259a — Energia: un racconto — 2010

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Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

L’età eotecnica

L’energia è il grande motore della vita vegetale e animale; il Sole fornisce energia per la fotosintesi e scalda la Terra in modo da tenere l’acqua allo stato liquido e da rendere abitabili le terre emerse e gli oceani. Ma quell’animale speciale che è l’uomo ha bisogno di altre fonti di energia ed è diventato, nel corso dei millenni, capace di utilizzare l’energia del Sole anche per altri fini “economici”.

Qualcuno ha, per esempio scoperto, che sulla riva del mare il Sole faceva evaporare l’acqua lasciando come residuo il prezioso sale, il prototipo della saline solari; qualcuno ha scoperto che gli incendi dei boschi dovuti a fulmini generavano il fuoco che poteva essere conservato e riprodotto e che i vegetali (di origine “solare” anch’essi) erano adatti combustibili per illuminare e scaldare le caverne Un ruolo essenziale dell’energia fu rappresentato dalla produzione della luce; le lucerne alimentate con oli e grassi hanno rappresentato la fonte di illuminazione fino al Settecento. Col “fuoco” era possibile cuocere e rendere meglio conservabili e digeribili gli alimenti.

Qualcuno ancora ha scoperto che la forza del vento (generato anche lui dal calore solare che scalda diversamente oceani e continenti) poteva essere “raccolta” dalle vele e poteva spingere una barca. L’energia del lavoro umano era comunque quella, insieme all’energia fornita dagli animali, che ha spinto avanti la “civiltà” fino all’epoca dei grandi imperi. Del resto l’energia degli schiavi era abbondante e poteva essere usata per scavare e spostare pietre e costruire gli edifici dei re e dei sacerdoti.

A poco a poco ci si è resi conto che il lavoro degli schiavi poteva essere reso più efficiente — oggi la chiamano produttività — se erano forniti di strumenti metallici e che alcuni minerali e pietre potevano essere trasformati, col calore, in metalli duri, dapprima rame e bronzo e più tardi (ma siamo ormai ai “giorni nostri”, tremila anni fa) ferro. E poi che il cibo poteva essere conservato in recipienti ottenuti trattando a caldo certe terre che oggi chiamiamo argille. La più abbondante e comoda fonte di calore per i metalli e per le ceramiche era sempre fornita dalla combustione del legname dei boschi.

Un importante passo avanti si è fatto quando qualcuno, 5000 anni fa, ha osservato che, dopo l’incendio di un bosco, restava del materiale nero che bruciava ancora, anzi bruciava meglio del legno: il carbone di legna prodotto per combustione parziale del legno si prestava meglio del legno per alcune operazioni metallurgiche e nei forni. Il carbone di legna era in  uso comune in Egitto per la produzione di metalli e del vetro.

La successiva importante fonte energetica rinnovabile fu offerta dal moto delle acque, circa 2000 anni fa; ben presto ci si è accorti che quando l’acqua supera un dislivello ha in se dell’energia che può essere utilizzata per muovere una ruota ed è nata così l’energia idraulica, rinnovabile anche lei perché legata al ciclo naturale dell’acqua.

Molto approssimativamente si può dire che i progressi nel campo dell’energia coincidono con i periodi di grande sviluppo economico, con i grandi imperi. Quello egiziano, avendo a disposizione grandi quantità di mano d’opera, energia umana praticamente gratuita, non ha avuto grandi progressi nell’uso delle altre fonti di energia. Una grande svolta si è invece avuta col fiorire quasi contemporaneo (da 2500 a 1800 anni fa) delle civiltà greca e romana nel Mediterraneo, persiana in Asia, cinese con la dinastia Han (dal 202 avanti Cristo al 220 dopo Cristo). In questo periodo, grazie al flusso di informazioni portate attraverso l’Asia da mercanti e viaggiatori, si osserva il fiorire di “macchine” alimentate dalle varie fonti di energia principalmente il calore ottenuto con la combustione del legno, l’energia idrica, l’energia del vento e del Sole.

La leggenda (o storia ?) di Archimede (287-212 avanti Cristo) che concentra i raggi solari sulle vele delle navi di Marcello che assediava Siracusa, dove Archimede era ospite del re Gerone, sta ad indicare l’attenzione per il fatto che alcuni corpi potevano concentrare l’energia solare. In particolare le sfere, di vetro o piene d’acqua, e le parabole concentravano il calore solare in un “fuoco” così chiamato perché qualsiasi corpo vi si trovasse si incendiava. Forse la prima opera sugli specchi “incendiari”, proprio col titolo ”Sugli specchi ustori”, si deve al matematico greco Diocle (circa 240-180 avanti Cristo). I greci erano affascinanti dalla scoperta di equazioni che descrivessero le proprietà delle parabole e delle sfere, un esempio delle interazioni fra scienza “pura” e applicazioni tecniche.

In questo periodo fiorirono nel Mediterraneo tre giganti: a Bisanzio Filone (280-200 avanti Cristo), autore di una “Pneumatica”, elenco di invenzioni meccaniche; un’opera con lo stesso titolo è stata scritta da Erone, un greco vissuto probabilmente nel primo secolo dopo Cristo ad Alessandria (la traduzione inglese della sua “Pneumatica” è disponibile in Internet): si tratta di una enciclopedia delle invenzioni sue o di altri e comprende macchine alimentate dal moto delle acque, dall’energia solare e del vento e una macchina capace di azionare una ruota col vapore acqueo generato in una caldaia scaldata con legna. A Roma Vitruvio (primo secolo avanti Cristo) con le sue opere offre ugualmente un quadro delle macchine alimentate dalle fonti energetiche note al suo tempo.

Risalgono più o meno a questo periodo le notizie dell’uso di una “nuova” fonte di energia, la trasformazione della forza del moto delle acque in energia meccanica mediante ruote; i mulini ad acqua vengono inventati e si diffondono con varie soluzioni tecniche; nei mulini orizzontali l’acqua può arrivare sulle pale dall’alto o può muovere le pale immerse in un fiume; l’energia viene utilizzata per azionare mulini di granaglie, magli e per soffiare aria nelle operazioni metallurgiche.

Una nuova ondata di invenzioni legate alle fonti di energia si ha con l’impero islamico da circa il 700 a circa il 1300 dopo Cristo, in corrispondenza al Medioevo mediterraneo e alle dinastie Tang (618-907) e Song (960-1279) in Cina. Gli Arabi furono affascinati dalle conoscenze dei matematici e studiosi greci e tradussero le loro opere matematiche e tecniche, ripetendo e perfezionando le invenzioni note. La conoscenza delle invenzioni di Erone, per esempio, ci è pervenuta nel Medioevo attraverso la traduzione, da parte di studiosi ebrei e cristiani, delle opere arabe. Si trattava di perfezionamenti dei motori a vento, delle ruote alimentate dall’acqua, di quelle alimentate dall’energia animale per sollevare l’acqua dai pozzi (le norie) e da alcune macchine a vapore utilizzate peraltro principalmente per azionare giochi per divertimento, ma le cui idee avrebbero ispirato le invenzioni successive in Occidente. Anche in questo periodo è tutto un andare avanti e indietro dall’estremo Oriente attraverso l’Asia e l’Africa verso l’Europa e viceversa, di conoscenze e invenzioni, via terra (le spedizioni di conquista di terre altrui o i commerci internazionali) o via mare con vascelli mossi dall’energia umana dei rematori o dal vento. I due grandi sociologi del secolo scorso, lo scozzese Patrick Geddes (“Città in evoluzione”, 1913) e l’americano Lewis Mumford (“Tecnica e cultura”, 1933), hanno descritto questa età delle società umane col termine “eotecnica”, l’inizio, appunto, della tecnica basata sulle poche fonti di energia che ho ricordato.

Col passare dei secoli le fonti di energia sono rimaste sostanzialmente le stesse, tutte rinnovabili, come si dice oggi, basate sui cicli naturali. Al declino degli imperi arabo e cinese, dal 1400 in avanti, fa riscontro un fiorire in Europa di nuovi imperi che avevano bisogno di nuova energia per muovere le macchine, per fondere i metalli necessari per i cannoni e spade in forni che utilizzavano principalmente carbone di legna. In questo periodo si diffondono in Occidente gli scritti greci e latini di tecnologia, vengono perfezionate le tecniche dei mulini ad acqua e a vento e aumenta la curiosità per l’uso dell’energia solare per concentrazione; i disegni che immaginano come avrebbero potuto essere gli specchi ustori di Archimede appaiono in molte opere rinascimentali e diventano un logo che accompagnerà tutta la storia dell’energia solare.

Lo studio delle macchine e delle invenzioni impegnano giganti del Rinascimento come Leon Battista Alberti (1404-1472) e Leonardo da Vinci (1452-1519); il napoletano Giovan Battista Della Porta (1535-1615), nella sua “Magia naturale”, altra enciclopedia di invenzioni e macchine, descrive un distillatore alimentato dall’energia solare.

Dal 1500 in avanti il mondo appare diviso in tre parti; gli imperi europei con le loro nuove colonie “americane”, l’Asia centrale dominata dall’impero Ottomano e la lontana Cina che attraversa un periodo di declino sotto la dinastia Qing al potere dal 1644 in avanti. In vari modi, ma soprattutto in Europa, si moltiplicano le invenzioni e le “macchine”, ma le fonti di energia restano praticamente quelle “eotecniche” rinnovabili: Sole, vento, legna, carbone di legna, moto dell’acqua. Questa fase stava per finire ad opera di una pietra combustibile, che era nota ai Cinesi da duemila anni ma di cui si scoprirono delle grandi riserve in Inghilterra nel 1600: stava per nascere l’età del carbone e la nuova età dell’energia diventa principalmente europea.

L’età del carbone

Alla fine della lunga notte eotecnica del Medioevo le principali risorse energetiche, costituite dalle foreste, si stavano impoverendo; le attività minerarie richiedevano combustibili, le città stavano aumentando di estensione e di abitanti; nuovi imperi stavano sorgendo e la legna era l’unica fonte di calore, diretta o previa trasformazione in carbone di legna, per una popolazione europea in continuo aumento. Dal Seicento in avanti gli europei si sono resi conto che esisteva del legno fossile, il carbone, e che questo poteva essere usato come combustibile, simile al carbone di legna già noto e usato anche in metallurgia.

I primi usi del carbone — anzi dei carboni, perché ne variavano e variano le qualità da luogo a luogo, dalla Renania all’Inghilterra, alla Polonia, eccetera — sono stati come combustibile nei forni e nei processi di trattamento dei metalli.

A mano a mano che ne cresceva l’uso commerciale, cresceva anche la curiosità per capire come era fatto questa specie di legno fossile; era pratica comune ai chimici di cercare di comprendere la natura dei prodotti naturali scaldandoli ad alta temperatura, per distillazione secca. Questo procedimento, applicato al carbone, mostrò che il carbone fossile, scaldato in assenza di aria, si trasformava in un prodotto carbonioso duro e spugnoso, che fu chiamato coke, con liberazione di sostanze volatili. Il carbone coke si prestava meglio del carbone fossile per la produzione del ferro, avendo un minore contenuto in zolfo rispetto al carbone fossile ed essendo più resistente meccanicamente.

La prima produzione industriale di carbone coke e il suo impiego in siderurgia si ebbero nel 1709 nelle fonderie di Abraham Darby (1677-1717). In seguito all’impiego del coke fu possibile costruire altoforni più grandi ed aumentare la produzione di ferro diminuendo i costi.

Il carbone ha anche avuto un ruolo importante nella nascita dell’industria chimica. Nel Settecento il carbonato di sodio richiesto per il lavaggio dei tessuti e nella fabbricazione del vetro, era ottenuto dalle ceneri di piante e alghe ed era costoso, per cui molti, fra il 1770 e il 1790, si dedicarono alla ricerca di qualche metodo di produzione della soda artificiale.

Il medico francese Nicola Leblanc (1742 o 1753-1806), fondendo esperienze e osservazioni precedenti, nel 1791 dette unità al processo di produzione prima del solfato di sodio da acido solforico e sale e poi al trattamento del solfato di sodio con calcare e carbone per ricavarne carbonato di sodio.

Lo sviluppo dell’industria siderurgica portò ben presto ad osservare che, nella distillazione secca del carbon fossile, effettuata per produrre il coke, si formavano dei prodotti volatili. A partire dal 1770, prima in Germania e poi in Inghilterra, si cominciò a raccogliere il catrame che si separava da questi prodotti volatili. I principali contributi alla conoscenza e all’uso del catrame e dei gas di distillazione del carbone, furono dovuti ad Archibald Cochrane, nono conte di Dundonald (1749-1831), che, a partire dal 1782, realizzò su scala commerciale la produzione di catrame mediante distillazione secca del carbon fossile. Previa purificazione, i gas che si formano insieme al catrame si rivelarono utili combustibili che bruciavano con fiamma luminosa.

William Murdoch (1754-1839) nel 1792 illuminò la propria casa col gas di carbone prodotto a 25 metri di distanza. Nel 1805 fu illuminata a gas una fabbrica a Manchester; nel dicembre 1807 una parte della strada Pall Mall di Londra fu illuminata con lampioni a gas; nel 1815 la rete di distribuzione del gas illuminante a Londra era lunga 25 chilometri e nel 1819 era di 350 chilometri.

A differenza delle lanterne a olio e delle candele, la lampada a gas poteva essere accesa facilmente e riempiva di luce strade, edifici e città, segno del progresso e dell’ingegno umano. Anche le fabbriche potevano essere illuminate, la giornata lavorativa poteva essere allungata,  le macchine potevano lavorare a turni sempre più lunghi, liberate finalmente dal vincolo che ne legava l’uso alla disponibilità della luce naturale; la luce del gas illuminante entrava anche nelle biblioteche e nelle case e si può ben dire che ha dato un contributo fondamentale alla nascita della società moderna.

Il catrame di carbon fossile venne usato per impermeabilizzare le corde, per la pavimentazione stradale e, a partire dal 1830, per impregnare le traversine ferroviarie che erano così protette dalla decomposizione, offrendo la base per la diffusione delle ferrovie e per un nuovo modo di comunicare, ma anche il mezzo per invadere e sfruttare nuove terre, come quelle dell’Ovest americano.

Nella purificazione del gas illuminante si raccoglievano anche dei liquidi ammoniacali, dai quali, a partire dal 1840, furono recuperati il solfato di ammonio, impiegato come concime, e dei solventi.

Il catrame, a sua volta, poteva essere frazionato in vari costituenti destinati a diventare importanti materie prime. Nel decennio 1840-1850 il chimico londinese Charles Beachford Mansfield (1819-1855), per distillazione del catrame di carbon fossile separò benzolo, toluolo e xilolo. Lo stesso Mansfield brevettò nel 1847 la preparazione del nitrobenzolo per azione dell’acido nitrico e dell’acido solforico sul benzolo e nel 1854 Pierre Jacques Antoine Bechamp (1816-1908) descrisse la riduzione del nitrobenzolo ad anilina con tornitura di ferro ed un acido, scoperta che stava alla base della nuova chimica dei coloranti. Le sintesi effettuate nel decennio che stiamo considerando offrivano le materie intermedie che sarebbero state alla base della chimica organica industriale capace di “copiare” dalla natura le molecole dei coloranti, delle fibre naturali, della gomma, di medicinali, e di riprodurre tali molecole per sintesi nelle fabbriche. Con queste scoperte i paesi industrializzati potevano — lentamente  dapprima, sempre più rapidamente nel corso del 1800 — liberarsi dalle importazioni, dai paesi coloniali, di molti materiali strategici e merci essenziali.

Tutto il 1800, la prima fase della società paleotecnica, fu caratterizzato dall’uso del carbone come combustibile nelle fabbriche, nelle città e nelle centrali termoelettriche; l’elettricità entrò così di prepotenza fra le fonti di energia e contribuì allo sviluppo della metallurgia e della chimica moderna; la luce elettrica già nell’Ottocento sostituì la luce a gas. L’elettricità entrava anche nell’industria chimica e ancora una volta il carbone si rivelò indispensabile. Il chimico canadese Thomasn L. Willson (1860-1915) scoprì, si dice quasi per caso, che per reazione del carbone con calce viva in un forno elettrico, si formava il carburo di calcio da cui era possibile ottenere, per reazione con acqua, un nuovo importante prodotto, l’acetilene, il primo gas industriale; una delle sue prime applicazioni fu nelle lampade “a carburo” nelle quali l’acetilene brucia, con una fiamma luminosa, Le lampade a acetilene rappresentarono una comoda forma di illuminazione trasportabile. L’acetilene trovò ben presto applicazione anche come materia prima per molte sintesi organiche di solventi, materie plastiche e del butadiene a sua volta materia prima per la gomma sintetica.

Nello stesso tempo il carburo di calcio fu utilizzato per la produzione del primo concime azotato artificiale. L’unico concime azotato disponibile nella seconda metà dell’Ottocento era il nitro del Cile, importante anche per l’industria chimica e per la produzione degli esplosivi; l’Europa aveva bisogno di liberarsi da una fonte di azoto così lontana e costosa e, almeno per quanto riguardava i concimi, l’elettricità e il carbone offrirono la soluzione per la “fissazione” dell’azoto atmosferico. Nel 1899 Adolph Frank (1834-1916) e Nikodem Caro (1871-1935) scaldando in un forno elettrico il carburo di calcio con l’azoto separato dall’aria ottennero la calciocianammide che trovò ben presto impiego in agricoltura.

L’agricoltura e l’industria chimica avevano però bisogno di azoto sotto forma di acido nitrico e per liberarsi definitivamente dalle importazioni del nitrato cileno furono messi a punto i processi di sintesi dell’ammoniaca e di trasformazione dell’ammoniaca in acido nitrico. La sintesi dell’ammoniaca, scoperta da Fritz Haber (1868-1934) nel primo decennio dell’Ottocento e realizzata su scala industriale da Carl Bosch (1874-1940) nel 1914, consisteva nel combinare sotto pressione l’azoto separato dall’aria con l’idrogeno che, in questa prima fase, venne ottenuto trattando il carbone ad alta temperatura con vapore d’acqua: si ottiene una miscela di ossido di carbonio e idrogeno, il gas d’acqua, da cui è possibile separare l’idrogeno. La sintesi poteva anche essere effettuata usando la miscela di azoto e idrogeno che si ottiene, sempre dal carbone, trattandolo ad alta temperatura con una miscela di aria ed acqua (il gas d’aria o gas povero, usato anche come carburante per motori).

Si stavano affacciando nel mercato mondiale gli idrocarburi derivati dal petrolio, necessari per azionare i nuovi veicoli, l’automobile, e gli aerei. La Germania negli anni venti e trenta del Novecento non aveva giacimenti di petrolio ma grandi giacimenti di carbone e incoraggiò, soprattutto nel periodo nazista, la ricerca di idrocarburi sintetici ottenuti dal carbone. Ancora una volta la soluzione fu cercata partendo dal gas d’acqua; Franz Fischer 1877-1947) e Hans Tropsch (1889-1935) misero a punto un processo di trasformazione della miscela di ossido di carbonio e idrogeno in idrocarburi simili a quelli del petrolio. Processo oggi in gran parte abbandonato.

A partire dalla fine della seconda guerra mondiale i combustibili e le materie industriali derivate dal carbone persero importanza davanti al successo dei prodotti petroliferi. Il consumo del carbone non è cessato, naturalmente; il carbone è ancora indispensabile in siderurgia, nelle centrali termoelettriche, in molte industrie, ma la sua crescita è rallentata sotto la concorrenza dei prodotti petroliferi; intorno al 1970 la produzione, espressa in unità di energia, del carbone fu superata da quella del petrolio.

L’età del petrolio

Il 27 agosto 1859 Edwin Drake (1819-1889), che si spacciava per “colonnello”, stava scavando, per cercare sale, nel sottosuolo di Titusville, una cittadina della Pennsylvania, quando incontrò, a una ventina di metri di profondità, un deposito di un liquido nero destinato a rivoluzionare il mondo. L’esistenza di depositi di idrocarburi petroliferi era nota da tempo in Mesopotamia, in Palestina, in Russia, in Romania, perfino nella Valle Padana, ma si trattava di materiali untuosi, di limitata utilità. Comunque già agli inizi dell’Ottocento alcuni giacimenti di petrolio erano sfruttati su piccola scala in Romania e Russia. La scoperta di Drake del petrolio abbondante e facilmente trasformabile in altri prodotti indusse a perfezionare le tecniche di estrazione e si vide così che il petrolio era presente nel sottosuolo di molti altri stati degli Stati Uniti e di tanti altri paesi della terra. Il Nordamerica era alla vigilia della guerra di secessione (1861-1865) e la successiva fame di ricostruzione, di merci e di energia, avrebbe scatenato la corsa al petrolio.

Così come esce dai pozzi il petrolio è una miscela di molte sostanze, alcune volatili, a bassa temperatura di ebollizione, altre più “dense”, altre infine catramose. Quel che è peggio è che non esiste “il” petrolio, ma ciascun giacimento, che può trovarsi a molte migliaia di metri di profondità, fornisce una miscela di idrocarburi diversa e contenente anche altre sostanze come zolfo, metalli, eccetera, a seconda della storia geologica della formazione del petrolio stesso. Sulla base delle esperienze che già l’industria aveva accumulato con la distillazione frazionata del catrame di carbon fossile, vennero avviate iniziative per la separazione delle varie frazioni petrolifere per distillazione frazionata, appunto. Una prima raffineria era già stata costruita a Jaslo, allora nell’Impero austroungarico, oggi in Polonia, da Ignacy Lukasiewicz (1822-1882) negli anni 1854-1856, prima ancora della scoperta di Drake; un’altra grande raffineria di petrolio era stata costruita a Ploiesti, in Romania, nel 1856. Il principale prodotto era il petrolio da illuminazione (cherosene) che sostituiva l’olio di balena usato in quel tempo per le lampade e sempre più costoso per la caccia indiscriminata che stava riducendo la popolazione delle balene; in un certo denso il petrolio ha quindi avuto una funzione “ecologica” salvando le balene dall’estinzione.

Per molti anni la frazione di cherosene da illuminazione e una frazione usata come lubrificante furono i principali derivati del petrolio; la frazione leggera aveva un ristretto mercato fino alla fine del 1800 quando divenne il carburante per le automobili che nascevano in quel periodo, funzionanti col motore a scoppio inventato mezzo secolo prima dai toscani Eugenio Barsanti (1821-1864) e Felice Matteucci (1898-1887). Le scoperte rivoluzionarie, sul piano tecnico-scientifico, economico e politico, arrivarono ben presto. La nascente industria automobilistica determinò una crescente richieste di prodotti petroliferi in seguito all’invenzione e al perfezionamento dei motori a combustione interna del tipo Otto (dal nome dell’inventore Nicolaus Otto, 1832-1891) che richiedevano carburanti più “leggeri”, più fluidi, e Diesel (dal nome dell’inventore Rudolph Diesel, 1858-1913) che accettavano anche  carburanti “più densi”. Nel 1910 circolavano nel mondo circa 500.000 automezzi fra automobili, trattori e camion.

Una rapida crescita della domanda di petrolio si ebbe con la prima guerra mondiale e con la diffusione degli aeroplani, delle automobili, dei carri armati. Dopo la fine della prima guerra mondiale l’ulteriore diffusione delle automobili fece crescere la richiesta di benzina e quindi di petrolio; la benzina per autotrazione fu ben presto richiesta in quantità superiore a quella che poteva essere fornita dai processi di distillazione del tempo. Alcuni inventori lungimiranti cercarono allora di aumentare la produzione di benzina partendo dalle frazioni più pesanti, a più alto peso molecolare, del petrolio.

L’osservazione che per riscaldamento ad alta temperatura le molecole di idrocarburi ad alto peso molecolare si trasformavano in idrocarburi “leggeri” risale agli esperimenti, condotti nel 1855, dal professore americano Benjamin Silliman (1816-1885); nel 1891 l’ingegnere russo Vladimir Shukhov (1853-1939) inventò il primo vero e proprio metodo di cracking: la “frantumazione” delle molecole più pesanti degli idrocarburi del petrolio in idrocarburi, ma a più basso peso molecolare come, appunto, quelli della benzina. Nel 1913 William Burton (1865-1954) perfezionò il processo di cracking ad alta temperatura degli idrocarburi ad alto peso molecolare, ma i primi tentativi furono poco soddisfacenti e si rivelarono troppo costosi.

Intervenne a questo punto William Houdry (1892-1962), un ingegnere francese emigrato negli Stati Uniti, che aveva impiegato dei catalizzatori per ottenere benzina dalla lignite; Houdry applicò lo stesso processo al cracking degli idrocarburi petroliferi, con difficoltà perché in quegli anni venti del Novecento la scienza della catalisi era ancora nella sua infanzia ed era applicata soltanto per l’idrogenazione dei grassi vegetali da trasformare in margarina e per la sintesi dell’ammoniaca.

Nel frattempo era sorto un altro problema: le benzine disponibili agli inizi degli anni venti erano insoddisfacenti perché nel cilindro di molti motori a scoppio, i migliori e più veloci, la miscela di benzina e aria si accendeva durante la compressione, prima che scoccasse la scintilla, e “detonava” con danni al motore stesso. Per risolvere tale problema bisognava prima di tutto conoscere la struttura e le proprietà delle varie molecole di idrocarburi presenti nel petrolio e fu avviato un grande sforzo scientifico che ha coinvolto, negli Stati Uniti, il National Bureau of Standards (oggi National Institute of Standards and Technology), l’American Petroleum Institute (API) e l’industria automobilistica: il progetto NBS/API n° 6 . Furono così isolati e caratterizzati idrocarburi con un numero di atomi di carbonio fino ad alcune diecine; poi si è visto che ad ogni formula CxHy corrispondeva un gran numero di composti con la più varia, tutta quella resa lecita dalle regole della valenza, disposizione degli atomi di carbonio e idrogeno, in gran parte con struttura ramificata; alcuni idrocarburi avevano gruppi aromatici o gruppi ciclici idrogenati. Di centinaia di molecole sono state descritte le caratteristiche chimiche e fisiche e il comportamento nei motori a scoppio. Ai petroli greggi fu possibile assegnare un indice di qualità merceologica: il numero API che è tanto più alto quanto è minore la “densità” e maggiore il pregio commerciale.

Intanto nel 1920 Thomas Midgley (1889-1944), che lavorava nel laboratorio del favoloso inventore Charles Kettering (1876-1958), si era messo in testa di trovare un additivo che impedisse la detonazione della miscela aria-benzina; le benzine venivano provate in un motore a scoppio standard, con rapporto di compressione variabile. Dopo aver provato oltre trentamila sostanze, finalmente nel 1921 Midgley scoprì che il migliore composto antidetonante era il piombo tetraetile, un poco noto derivato organico del piombo che cominciò ad essere prodotto industrialmente; si osservò però subito che, durante la combustione della benzina, il piombo si trasformava in ossido di piombo che incrostava le “candele” e i cilindri del motore, un inconveniente che poteva essere evitato se si usava piombo tetraetile miscelato con bromuro di etile. Per produrre il bromuro di etile occorreva estrarre il bromo dall’acqua di mare e nacque così una nuova industria. Ben presto però si è anche scoperto che il piombo tetraetile è altamente tossico e che provoca inquinamento da piombo nell’atmosfera, tanto che, molti anni dopo, dal 1970 in avanti, ne è stato vietato l’uso nella maggior parte dei paesi. Il povero Midgley non vide il declino di quella che era stata salutata come una delle grandi invenzioni del secolo scorso; malato di poliomielite era morto nel 1944.

Gli anni fra le due guerre furono l’età dell’oro del petrolio. L’atmosfera è rievocata nel film “Il gigante” (1956), interpretato da James Dean: nella trama del film, ispirata ad una storia vera del 1930, un povero garzone scava un pozzo nel Texas, trova il petrolio e diventa ricchissimo: è celebre la scena in cui il protagonista, per la felicità, si lascia annaffiare dal primo petrolio che sgorga dal suo pozzo.

L’importanza del petrolio è riflessa da poche cifre; la sua produzione mondiale nel 1900 era di 25 milioni di t/anno, nel 1920, dopo la prima guerra mondiale, era salita a 70 milioni di t/anno; nel 1940, alla vigilia della II guerra mondiale era di poco più di 200 milioni di tonnellate che diventarono 500 nel 1950, dopo la II guerra mondiale.

Per far fronte alla richiesta di benzine ad alto numero di ottano per l’aviazione e le automobili, nel 1950 fu inventato il processo di reforming con il quale, sempre per via catalitica, si possono “risistemare” gli atomi di carbonio e di idrogeno degli idrocarburi in modo da ottenere delle frazioni di idrocarburi ramificati e aromatici ad alto numero di ottano.

Di conseguenza la produzione di petrolio è salita a 2300 milioni di t/anno, alla vigilia della prima crisi petrolifera degli anni settanta del Novecento, per raggiungere i 3000 milioni di t/anno nel 1990 e gli oltre 4200 milioni di t/anno nel 2008. A tale aumento ha contribuito la rapida crescita della “popolazione” di autoveicoli, da 50 milioni nel 1950, a 500 milioni nel 1990, a 800 milioni nel 2008. La richiesta di petrolio continuerà a crescere ? Nel 1956 il geologo King Hubbert (1903-1989) pubblicò un articolo sostenendo che le conoscenze delle riserve di petrolio nei vari paesi e nel mondo indicavano che la produzione di petrolio è destinata a raggiungere un massimo — il “picco di Hubbert” — per poi declinare. La produzione di petrolio negli Stati Uniti ha già raggiunto il “picco di Hubbert” nel 1975, quella del Mare del Nord e di molti altri paesi sta declinando.

Il futuro del petrolio angoscia le economie del mondo: le riserve mondiali (stimate intorno a 150-200 miliardi di tonnellate, una quarantina di volte superiori agli odierni (2008) consumi mondiali annui) sono concentrate in pochi paesi:Arabia Saudita, Canada (ma sotto forma di scisti bituminosi), Iran, Iraq, Kuwait, eccetera. La domanda di prodotti petroliferi sta aumentando con la rapida crescita economica di grandi paesi come India e Cina. Si potrà pensare di produrre benzina sintetica dal più abbondante carbone come facevano i nazisti durante la seconda guerra mondiale ? In molti usi il petrolio potrà essere sostituito dal gas naturale le cui riserve, peraltro, sono anch’esse limitate ? Si dovrà andare a cercare petrolio nel sottosuolo dei ghiacci polari ?

Domani

Il XXI secolo si è aperto con quattro grandi protagonisti energetici: il “re carbone”, che ha dominato per tutta l’Ottocento e la prima metà del Novecento, è stato scavalcato dal petrolio, la cui produzione nel mondo nel 2008 è stata di circa 4,1 miliardi di tonnellate con un ”contenuto energetico” di circa 172 exajoule (EJ). Il carbone è al secondo posto con circa 5 miliardi di t, maggiore del petrolio come massa, ma minore come contenuto energetico, solo 140 EJ; poi viene il gas naturale con circa 3.050 miliardi di m3, circa 2500 miliardi di tonnellate (117 EJ); seguono l’energia idroelettrica con 3.200 miliardi di chilowattore (TWh)(circa 30 EJ) e l’energia nucleare con circa 3.000 TWh (26 EJ). Più distanziate le fonti di elettricità rinnovabili come il vento (circa 300 TWh), la geotermia (circa 70 TWh) e altre minori, fra cui il Sole, le biomasse, eccetera.

E domani ? Come diceva, non ricordo se il solito saggio cinese o Mark Twain, le previsioni sono difficili soprattutto se riferite al futuro.

Rispetto ad una produzione energetica totale odierna (2009) di circa 500 EJ/anno per una popolazione di 6800 milioni di persone, si può stimare, per un vicino orizzonte del 2025 (fra appena quindici anni), un fabbisogno di energia, per una popolazione di circa 8.000 milioni di persone, di circa 600 EJ/anno. E’ prevedibile un aumento della domanda di energia, da parte dei paesi emergenti e poveri, sotto forma di combustibili per i trasporti e le industrie e di elettricità per i servizi. Un crescente uso dei combustibili fossili (nell’ordine: petrolio, carbone, e gas naturale) è destinato a scontrarsi con due freni; il graduale impoverimento delle riserve di petrolio e gas naturale e comunque un aumento, o un aumento delle bizzarrie, dei prezzi di questi due combustibili, e crescenti vincoli “ecologici” soprattutto dovuti alla necessità di diminuire l’inquinamento associato a tutti e tre i combustibili fossili.

Particolare attenzione viene e sarà in futuro rivolta alle modificazioni climatiche dovute all’aumento della concentrazione nell’atmosfera dei vari ”gas serra”, principalmente anidride carbonica, la cui immissione nell’atmosfera è inevitabilmente legata alla combustione di tali combustibili fossili e che solo per la metà sono eliminati dall’atmosfera attraverso il contatto con gli oceani e altri meccanismi di depurazione “naturali”.

Le uniche riserve abbondanti sono quelle del carbone che è anche la fonte di energia meno costosa, ma l’eliminazione delle emissioni di gas inquinanti e la sistemazione delle scorie di ceneri e fanghi di combustione sono destinate a far crescere i costi anche del carbone. D’altra parte le promesse di “carbone pulito” sembrano difficili da mantenere per i caratteri chimici, fisici e merceologici del carbone stesso, anzi dei tanti “carboni” (antracitie, litantraci, ligniti) che la natura offre con così diverse proprietà.

Le speranze riposte mezzo secolo fa nell’energia nucleare stanno svanendo, anche in questo caso per ragioni chimiche e fisiche; inevitabilmente la produzione di calore dalla fissione dei nuclei “naturali” di uranio e torio e di quelli “artificiali” di plutonio, è accompagnata dalla formazione di atomi radioattivi degli elementi noti, sia nel combustibile irraggiato, sia nelle strutture dei reattori e dei contenitori. Nessuno sa dove mettere queste “scorie” che cominciano a diventare ingombranti e che richiedono sistemi di immagazzinamento e conservazione garantiti (ma come ?) per evitare fuoriuscita di questi stessi atomi e danni alla vita umana e non-umana. Inoltre esiste sempre lo spettro che aumenti la produzione di armi nucleari utilizzando i sottoprodotti delle attività nucleari “commerciali”.

La massima attenzione viene perciò rivolta, nei paesi di vecchia industrializzati, in quelli di nuova industrializzazione e soprattutto in quelli sottosviluppati, verso due strade; la prima è quella della razionalizzazione e del contenimento dei consumi di energia, e la seconda è quella delle fonti energetiche rinnovabili.

L’energia, sotto forma di calore e di elettricità “serve” agli esseri umani per ottenere, appunto, dei servizi che a loro volta sono forniti attraverso macchine e prodotti. La combustione dei prodotti petroliferi e del gas naturale “serve” per fornire il calore richiesto per fabbricare metalli e materie plastiche e per soddisfare i bisogni delle abitazioni case e di mobilità; prodotti petroliferi e carbone “servono” a produrre elettricità; l’elettricità serve per soddisfare i bisogni di luce e di calore. Probabilmente bisogna partire dai servizi per capire come possono essere soddisfatti con minori richieste di energia. Qualcosa si sta muovendo, ma lentamente. Il ”servizio” illuminazione può essere soddisfatto con lampade che forniscono la stessa quantità di luce con minore consumo di elettricità; sta diminuendo, insomma, il “costo energetico” del servizio “luce”.

Il servizio ”mobilità” potrebbe essere soddisfatto con mezzi di trasporto, dagli autoveicoli privati, ai mezzi di trasporto stradali e ferroviari di persone e merci con minori “costi energetici” intesi come consumo di energia per chilometro percorso da una persona o da una tonnellata di merce, e con minori “costi ambientali”, intesi, nel caso delle fonti energetiche, come grammi di anidride carbonica o di polveri, eccetera, sempre per km per persona o per tonnellata di merce.

Anche la ricerca dell’”efficienza energetica” non è una novità; in tutta la storia dell’industrializzazione i “consumatori” di energia hanno cercato di consumare meno energia a parità di servizio, principalmente per risparmiare soldi. Il grande James Watt (1736-1819) ha scoperto le “leggi” dell’energia non per arricchire i trattati di fisica, ma alla ricerca di qualche macchinario che consentisse di far girare le ruote delle macchine con “meno” carbone e facesse arricchire di più gli imprenditori del suo tempo.

Qualcosa si sta lentamente muovendo; sotto la spinta di leggi o anche di incentivi finanziari pubblici. Alcuni mezzi di trasporto vengono venduti con la promessa di fornire il servizio mobilità con un consumo di meno “litri di benzina per chilometro” (col vantaggio anche di emettere meno gas inquinanti come la CO2 per chilometro). Peraltro, veramente, conta il costo energetico (o il costo ambientale) per chilometro per persona, e questo varia a seconda che un autoveicolo porti una sola persona o due o tre o quattro. Cominciano ad affacciarsi proposte di usare in più persone lo stesso veicolo per lo stesso trasporto, di migliorare il fattore di utilizzazione dei trasporti collettivi stradali e ferroviari. Il costo energetico (in elettricità, in Italia) del percorso Roma-Milano è lo stesso se un treno trasporta cento viaggiatori o mille, ma il costo per km per persona è, nel primo caso, dieci volte superiore.

Non sarebbe difficile, volendo, incentivare la diminuzione dei “costi energetici per unità di servizio”. Energia occorre per produrre le merci e il costo energetico dipende dalla qualità delle merci (dalla qualità dei frigoriferi e delle caldaie) e dalla durata di ciascuna merce. Il continuo ricambio di oggetti nelle case e negli uffici comporta non solo distruzione di materia, e quindi creazione di rifiuti solidi, ma aumento dei consumi di energia. Il rapido ricambio di automobili, di frigoriferi e mobili aiuta l’occupazione dei rispettivi settori produttivi ma comporta aumenti dei consumi e dei costi dell’energia, e più elevati costi dell’energia comportano perdite di occupazione in altri settori.

Un capitolo meno esplorato riguarda il costo energetico dei prodotti alimentari per l’energia “consumata”, direttamente e indirettamente, nell’agricoltura e nei processi di conservazione, imballaggio e trasporto degli alimenti; anche le mele e la conserva di pomodoro hanno un costo energetico.

Sarebbe possibile orientare i consumi verso merci e oggetti a più lunga durata, calcolando di quanto la diminuzione dei consumi degli oggetti nuovi fa diminuire l’occupazione in un settore e lo fa aumentare in altri. Le tavole intersettoriali dell’economia spiegano come circola il denaro fra i vari settori di produzione e consumo, ma occorrono oggi tavole intersettoriali in cui siano spiegate la distribuzione sia dell’energia, sia dell’occupazione fra i vari settori economici.

Per alleviare i costi dovuti all’esaurimento delle riserve di combustibili fossili e all’inquinamento del loro uso viene sempre più spesso proposto il ricorso alle fonti rinnovabili di energia, tutte legate alla fonte prima e gratuita di tutta l’energia, che è il Sole. Si stanno moltiplicando anche in Italia gli impianti che producono energia dal Sole sotto forma di elettricità direttamente mediante impianti fotovoltaici e forse in futuro termoelettrici per effetto Peltier, o sotto forma di calore a bassa temperatura (soprattutto per riscaldamento di acqua e di edifici) e ad alta temperatura, mediante concentrazione, per ottenere vapore con cui alimentare centrali termoelettriche tradizionali. Il principale inconveniente sta nel fatto che occorrono grandi superfici per ottenere rilevanti quantità di energia commerciale e che l’energia solare è intermittente e variabile nei vari mesi dell’anno. Come ordine di grandezza si può stimare che si ottengano circa 1000 chilowattore/anno di elettricità, o l’equivalente di calore, da una superficie di 10 m2; sembrerebbe poco, ma è tantissimo se si pensa a tutte le superfici terrestri esposte al Sole e inutilizzate, dai deserti ai tetti degli edifici … e delle automobili. Solo in Italia un solo metro quadrato di celle fotovoltaiche sul tettino di 40 milioni di autoveicoli in cammino o in sosta potrebbe fornire ogni anno 5 miliardi di kWh di elettricità, una piccola ma non trascurabile frazione dei 300 miliardi di kWh/anno della richiesta di elettricità italiana. Eppure l’elettricità solare in Italia è appena, nel 2008, di circa 0,05 miliardi di kWh/anno. Il vento, la forza dello spostamento delle masse d’aria dalle zone scaldate dal Sole verso le zone fredde e viceversa, già fornisce in Italia circa 4 miliardi di kWh di elettricità all’anno (2008).

Ma altre strade porrebbero essere battute nel mondo. Il moto delle acque sulla superficie delle terre emerse ha “dentro di se” un contenuto energetico di diecine di migliaia di miliardi di kWh/anno, ma solo 13.000 miliardi di kWh /anno sono recuperati nel mondo come energia idroelettrica.

Nelle zone vicine agli oceani il vento tiene in moto le onde che scaricano una parte dell’energia ricevuta dal vento, e quindi ancora dal Sole, sulle coste con una potenza stimata, in molte delle migliaia di chilometri di coste, di alcuni megawatt (di alcuni milioni di kWh/anno) per chilometro di costa..Ma soprattutto l’energia del Sole genera, attraverso la fotosintesi, circa 100 miliardi di tonnellate ogni anno di biomassa vegetale con un “contenuto energetico”, di oltre 1.000 EJ/anno (1 EJ = 1018 J) il doppio di tutta l’energia usata nel mondo ogni anno. E’ vero che la maggior parte di questa biomassa si trova nelle foreste e nei vegetali usati come alimenti animali (umani compresi) e per fini economici, ma il ciclo Sole-vegetali-animali mette a disposizione a fini energetici commerciali una rilevante massa di materiali suscettibili di trasformazione in combustibili liquidi o gassosi.

Le poche precedenti considerazioni mostrano quanto lavoro ci sia ancora da fare per comprendere e governare il flusso di energia sul pianeta e il suo uso a fini umani e di sviluppo economico.

La forza del vento

Le fonti di energia rinnovabili, derivate direttamente o indirettamente dal Sole, stanno attirando crescente attenzione davanti ai problemi di aumento del prezzo del petrolio, ai mutamenti climatici dovuti all’uso dei combustibili fossili, all’improbabile resurrezione dell’energia nucleare. A ben guardare tutta la società umana è andata avanti per millenni usando le fonti di energie e le materie rinnovabili fino al 1700, quando il carbone, e poi più tardi il petrolio e il gas naturale, hanno segnato quella che si chiama “rivoluzione industriale”.

Ma ci sono state altre “rivoluzioni industriali”, anche nel passato, quando i nostri antenati hanno imparato a usare le “forze” del vento, del Sole, del moto delle acque, fonti rinnovabili per eccellenza, per azionare macchine o per scaldare e raffreddare edifici. Lewis Mumford, in un celebre libro scritto nel 1933 e intitolato “Tecnica e cultura”, ha chiamato “età eotecnica” la lunga stagione in cui gli esseri umani hanno realizzato innovazioni “tecniche”, talvolta molto raffinate, utilizzando i “beni” rinnovabili offerti dalla natura: il legno (oggi lo chiamano biomassa) come combustibile e materiale da costruzione e, appunto, la forza del vento o del moto delle acque. Alcuni dei successi tecnici del passato nel campo delle fonti di energia possono forse nascondere innovazioni e “furbizie” che presentano qualche interesse ancora oggi.

Prendiamo il caso del vento, una delle forme di energia derivate dal Sole; la radiazione solare, infatti, scaldando in modo diverso le varie parti della Terra, provoca spostamenti di grandi masse d’aria, il vento, appunto, il cui moto sugli oceani e sulle terre emerse ha un contenuto potenziale di energia di mezzo milione di miliardi di chilowattore all’anno. La prima utilizzazione “umana” del vento è stata per far muovere delle zattere o navi mediante vele. Si trattava di forze così importanti da far attribuire la loro origine al dono di un dio, Eolo, che il vento possedeva e governava. E’ ben da Eolo che viene ricevuto Ulisse nel suo viaggio di ritorno verso Itaca, ed Eolo, nella sua benevolenza, gli regala un otre pieno dei venti che lo potranno aiutare nel suo viaggio. Gli invidiosi compagni di viaggio, quando ormai la nave è in vista di Itaca, vogliono guardare quale “tesoro” il dio avesse regalato a Ulisse e così, aprendo l’otre, fanno sfuggire tutti i venti che respingono la nave ancora al largo, fino alla perdizione di tutto l’equipaggio, escluso Ulisse.

La prima utilizzazione ingegneristica del vento viene attribuita ad Erone, il fisico e inventore alessandrino del primo secolo dopo Cristo, che avrebbe inventato un organo meccanico azionato dal vento; ci sono pervenuti i disegni dell’organo ma non si sa se è mai stato costruito e se funzionava. Funzionavano invece certamente, come mostrano i ruderi, i primi motosi eolici veri e propri costruiti intorno nell’VIII o IX secolo nelle ventose valli del Seistan, una regione al confine fra l’attuale Iran e l’attuale Afghanistan. Si trattava di motori ad asse verticale: ad un palo verticale erano unite delle “vele” rettangolari; il vento provocava la rotazione dell’asse che era collegato ad una ruota che azionava un qualche meccanismo per sollevare l’acqua dai pozzi o per macinare cereali. E’ difficile ricostruire esattamente il cammino percorso dall’invenzione dei motori eolici attraverso i secoli e i continenti, una affascinante pagina della storia delle fonti energetiche rinnovabili e della circolazione delle idee.

Motori eolici ad asse verticale erano noti in Cina, non si sa se “importati” dall’Asia o inventati in maniera autonoma. Si sa di certo che intorno al 1200 alcuni viaggiatori cinesi che hanno visitato l’Asia centrale e la bella Samarcanda, nell’attuale Uzbekistan, che fece parte dell’impero islamico fino alla conquista mongola agli inizi del 1200, hanno visto dei motori eolici e ne hanno riferito nei resoconti redatti in Cina al loro ritorno. Alla conoscenza e diffusione dei motori eolici in Cina è dedicato un lungo capitolo del volume sull’ingegneria meccanica della grande storia: “Scienza e civiltà in Cina”, di Joseph Needham. La prima testimonianza di motori eolici in Cina risale al 1219.

Altrettanto certamente i motori eolici, ad asse verticale erano noti nel mondo islamico e si sono diffusi dall’Asia al vicino Oriente, al Nord Africa, alla Spagna e alla Sicilia occupate dagli Arabi. C’è un vasto movimento di ricostruzione dell’”eredità dell’Islam”, con speciale riferimento agli aspetti tecnico-scientifici, ormai disponibile in Internet, da cui appare che nell’Islam medievale c’era un notevole fermento di inventori e studiosi; attraverso di essi ci sono pervenute le traduzioni in arabo di opere dei matematici e fisici greci, alcune delle quali perdute nell’originale. Molti scritti arabi e persiani descrivono specchi ustori che utilizzano l’energia del Sole, macchine idrauliche e motori a vento.

La prima notizia di un mulino a vento in Francia risale ai primi anni del 1100 e i primi disegni di mulini a vento in Europa risalgono al 1260; i motori eolici europei erano costituti da un asse rotante orizzontale alla cui estremità erano poste delle pale, più o meno come i motori eolici attuali. Lynn White Jr. nel suo libro “Tecnica e società nel Medioevo”, sostiene che l’invenzione dei motori eolici ad asse orizzontale è stata fatta in maniera autonoma in Europa.

Nei secoli successivi i motori a vento, per lo più mulini per macinare cereali, si diffondono in Danimarca, Olanda,.Francia, Italia, Spagna — i famosi mulini a vento contro cui si accaniva, nella sua dolce follia, il povero Don Chisciotte che credeva di vedere, in queste grosse strutture tecnologiche, enormi cavalieri che sfidavano il suo coraggio. Fortunatamente ci sono pervenuti, talvolta in buono stato di conservazione, mulini a vento con gli edifici che li contenevano, oggetto di studi di archeologia industriale e di ricerche di storia della tecnica. Esiste addirittura una disciplina, la “molinologia”, che trova spazio in molte associazioni e anche in qualche insegnamento universitario.

Nel loro lungo cammino dal Medioevo all’età contemporanea i motori e vento sono stati usati, oltre che nei mulini, come macchine per azionare segherie e magli per i metalli, per follare i tessuti e per sollevare l’acqua dai pozzi. Questa applicazione, in particolare, si è diffusa nel corso del 1800 sotto forma di piccoli motori eolici, della potenza di qualche frazione di chilowatt, montati su tralicci, utilizzati soprattutto nelle zone agricole prive di elettricità. Trattandosi di motori di grande semplicità costruttiva si sono moltiplicate le ditte che li costruivano e negli Stati Uniti nell’Ottocento si calcola che i motori a vento fossero centinaia di migliaia. I motori e vento per sollevare l’acqua dai pozzi erano diffusi anche nelle campagne italiane, specialmente nelle zone delle riforme fondiarie, e la società Vivarelli di Grosseto li produceva su scala industriale. Motori eolici di maggiori dimensioni erano utilizzati nelle saline in Sicilia; ce ne sono ancora alcuni, molto belli.

Il primo motore a vento utilizzato per produrre elettricità fu costruito dall’inventore americano Charles F. Brush (1849-1929) nel 1888 a Cleveland nell’Ohio; aveva un rotore del diametro di 17 metri e una potenza di 12 chilowatt. Poco dopo, nel 1891, l’inventore danese Poul La Cour (1846-1908) costruì un altro motore eolico collegato con una dinamo con la quale pensò di immagazzinare l’energia ricavata dal vento sotto forma di idrogeno prodotto per elettrolisi; La Cour perfezionò la forma delle pale mediante esperimenti in una galleria del vento e la successiva turbina eolica, costruita nel 1897, produsse elettricità per trenta anni.

I progressi nel campo dell’aerodinamica, richiesti per il perfezionamento delle eliche degli aeroplani, hanno permesso di migliorare la progettazione delle eliche anche per motori eolici che hanno così potuto essere realizzati di maggiori dimensioni e con potenze elevate. Fra i motori più grandi della prima metà del Novecento si possono ricordare quello costruito a Balaclava, in Crimea, nell’Unione Sovietica, nel 1931, della potenza di 100 chilowatt. Il più grande motore eolico di questo periodo fu costruito nel Vermont da Palmer Cosslett Putnam (1900-1984); aveva una potenza di 1250 chilowatt e restò in funzione dal 1941 fino al 1945, quando una delle pale si ruppe; i materiali usati non erano ancora adatti per la produzione di pale per grandi turbine eoliche

In questa evoluzione i motori eolici ad asse verticale sono rimasti abbastanza dimenticati fino a quando, nell’Ottocento, il fisico tedesco Heinrich Magnus (1802-1870) ha osservato che il flusso dell’aria intorno ad un corpo provoca lo spostamento e la rotazione di tale corpo; è lo stesso effetto per cui un calciatore che colpisce il pallone “di taglio” gli imprime una rotazione che provoca la curvatura della sua traiettoria.

Utilizzando questo principio negli anni trenta del Novecento l’ingegnere aeronautico e inventore tedesco Anton Flettner (1885-1961) ha costruito una nave azionata da un cilindro verticale che veniva tenuto in rotazione dal vento. Un passo avanti importante è stato fatto nel 1922 dall’inventore finlandese Sigurt Savonius (1884-1931) che ha costruito un motore eolico costituito da due pale semicilindriche, unite in modo da formare una “esse”, saldate ad un asse verticale, un dispositivo di grande semplicità che si mette in moto anche con vento poco veloce.

Il passo successivo fu fatto nel 1927 dal francese Georges Darrieus (1888-1979) che brevettò un motore eolico ad asse verticale in cui la parte rotante è costituita da sottili strisce metalliche ripiegate a semicerchio intorno all’asse rotante, come i frullini usati in cucina per preparare la panna montata.  I motori a vento verticali si mettono in rotazione quando la velocità del vento supera i dieci chilometri all’ora, raggiungono la massima potenza quando il vento ha una velocità di circa 40 chilometri all’ora e devono fermarsi, per ragioni di stabilità, quando il vento supera i 70 chilometri all’ora.

Varie società italiane e straniere sono impegnate nella costruzione di motori eolici ad asse verticale che possono anche essere di piccole dimensioni, che sono eleganti, silenziosi, non hanno bisogno di essere orientati quando cambia la direzione del vento e hanno un rendimento, a parità di intensità del vento, superiore a quella dei motori ad elica ad asse orizzontale. Motori Darrieus, collegati ad una dinamo, cominciano a comparire anche sulle terrazze in alcune nostre città: sollevati da terra di alcuni metri, in condizioni di vento favorevoli possono fornire ad una famiglia una frazione apprezzabile dell’elettricità necessaria. I motori eolici verticali si presentano con diverse soluzioni meccaniche e sono suscettibili di perfezionamenti ulteriori, possono essere fabbricati con tecnologie “intermedie” relativamente semplici, in qualche caso adatte ai paesi in via di sviluppo dove mancano altre fonti di energia, utilizzando anche materiali disponibili sul posto.

In anni recenti un ingegnere russo, emigrato negli Stati Uniti, Alexander Gorlov, ha applicato lo stesso principio dei motori Darrieus ad una turbina sottomarina azionata dal moto delle onde o delle maree.

La forza dellè’acqua

Noi crediamo sempre di essere i primi a scoprire qualche cosa fino a quando non guardiamo la storia. Questo è particolarmente vero quando esaminiamo la diffusione e l’evoluzione delle fonti energetiche rinnovabili, tutte derivate dal Sole, come la possibilità di trarre dal Sole calore a bassa o alta temperatura, o elettricità, di usare il vento, generato dalla diversa distribuzione dell’energia solare sulle varie parti dei continenti e degli oceani, o il moto delle onde, anch’esse provocate dal vento, o l’uso della biomassa vegetale come combustibile, direttamente o indirettamente, o dell’energia ricavabile dal moto delle acque, o dal flusso delle acque calde e fredde degli oceani, assicurato dal ciclo di evaporazioni e condensazioni dell’acqua planetaria provocato dal Sole. Per non parlare della forza del Sole nelle operazioni di “chimica industriale” come la produzione del sale per evaporazione dell’acqua di mare nelle saline. Un esame delle basi storiche e culturali delle fonti energetiche rinnovabili offre interessanti occasioni anche per lo studio della circolazione delle idee e delle invenzioni da un continente all’altro, su scala globale anche quella, dal momento che la furbizia umana nell’osservare i fenomeni della natura e terne vantaggio non è legata ad una particolare società o civiltà. Lo si era già visto a proposito dell’energia del vento, e questo vale ancora di più per la possibilità di “estrarre” energia dal moto dell’acqua dei fiumi o dal moto delle maree.

Il Sole fa evaporare ogni anno dai continenti e dagli oceani circa 500.000 miliardi di metri cubi di acqua che ricadono sotto forma di pioggia o di neve per circa 110.000 miliardi di m3 sulle terre emerse; la differenza fra tali precipitazioni e i 40.000 miliardi di m3/anno delle evaporazioni dai continenti rappresenta il flusso di acqua sulle terre emerse nei torrenti, fiumi, canali. Se si immagina che tale massa di acqua superi, in media, ogni anno un dislivello di 500 metri, si vede che l’energia potenziale del moto dell’acqua sui continenti equivale a circa 50.000 miliardi di chilowattora all’anno: di questi nel 2009 sono stati recuperati sotto forma di energia idroelettrica soltanto circa 3.200 miliardi di kWh. Ci sono, insomma, nel moto delle acque, risorse energetiche potenziali ancora molto grandi. La maggior parte di tali risorse si trova nei grandi fiumi tropicali e equatoriali e nelle terre polari, ma molta energia idrica rinnovabile, che ritorna disponibile ogni anno, potrebbe ancora essere utilizzata in tanti paesi.

Fin dai tempi più antichi chi ha osservato la “forza” con cui il moto delle acque nei fiumi e nei torrenti è capace di spostare pietre e sabbia, ha certo pensato di utilizzare la stessa forza per lavori utili, soprattutto per muovere le ruote, in sostituzione della forza degli schiavi o degli animali. Le prime ruote mosse dall’acqua si sono forse ispirate alle ruote a tazze, antichissime, con cui veniva sollevata, col lavoro animale, l’acqua dai pozzi. La rotazione di tali ruote ad opera del moto delle acque correnti poteva essere utilizzato per muovere direttamente le macine di cereali, o, più tardi, per altre operazioni in precedenza ottenute col lavoro umano.

Probabilmente la prima notizia dell’esistenza di una ruota ad acqua risale ad un testo greco di Filone di Bisanzio scritto in Asia Minore intorno al III secolo avanti Cristo; altre tracce di motori ad acqua si trovano in pitture nell’Egitto Tolemaico, ancora di cultura greca, nel II secolo avanti Cristo. L’esistenza di notizie di ruote mosse dalle acque di un fiume nel trattato sull’architettura di Vitruvio, scrittore romano del primo secolo e quasi contemporaneamente in testi indiani fa pensare ad una diffusione della tecnologie delle ruote ad acqua dall’Asia Minore verso l’Egitto e Roma, e dall’Asia Minore verso l’Asia centrale e l’India e ancora più a oriente se è vero che le ruote ad acqua sono citate in un testo cinese dello scrittore Du Shi dei primi decenni dopo Cristo. In questi stessi secoli subito prima e dopo Cristo dal mondo romano la tecnologia delle ruote idrauliche è certamente passato in tutta Europa centrale e orientale, come dimostrano testimonianze archeologiche anche in Romania.

Nel mondo islamico, dal VII secolo in avanti, la conoscenza delle ruote ad acqua arriva attraverso l’osservazione di tali macchinari nelle terre occupate nello loro espansione in Africa e Asia e dalla traduzione di testi greci. Ruote ad acqua funzionavano a Baghdad, mosse dall’acqua del fiume Eufrate e a Bassora, alla foce dei fiumi Tigri e Eufrate, addirittura esistevano ruote azionate dal moto delle maree. Ma la vera esplosione della diffusione delle ruote ad acqua si ha dal Medioevo in avanti in tutti i paesi e poi anche nelle nuove terre americane; qualsiasi comunità nel cui territorio fosse disponibile un corso d’acqua o un torrente costruiva un proprio mulino principalmente per la macina dei cereali, ma anche per la follatura dei tessuti, per muovere i magli o le soffianti dell’aria per la fusione dei metalli, per le segherie di legno e pietre, e dovunque occorresse energia meccanica. Soltanto adesso, con il crescere dell’attenzione per la storia della tecnica e per l’archeologia industriale, si stanno scoprendo sempre nuove tracce e resti di ruote ad acqua, alcune ancora funzionanti e si comincia a distinguerne i vari caratteri.

Alcune ruote mosse dalle acque erano orizzontali, con l’asse verticale; sono quelle meno diffuse, anche perché meno efficienti, spesso utilizzate in presa diretta sulle pesanti macine di pietra dei cereali. In genere le ruote ad acqua sono verticali, con asse orizzontale; il moto è trasmesso a macchinari rotanti o trasformato in moto lineare mediante pulegge o ingranaggi che consentono di aumentare la velocità di lavorazione. Delle ruote verticali esistono vari modelli. In alcuni l’acqua, derivata dal fiume o dal torrente mediante canalette, cade dall’alto sulle pale che girano in senso orario; talvolta al posto delle pale orizzontali venivano usate delle tazze. In altri casi dalla canaletta l’acqua scende al di sotto della ruota attraverso uno scivolo determinando una rotazione in senso antiorario.In altri casi, in genere nei fiumi in cui è abbondante una corrente di acqua veloce, la ruota è immersa in un fiume le cui acque spingono le pale facendole ruotare in senso antiorario. Lo studio della distribuzione nei vari paesi e nei vari territori delle varie forme di ruote di mulini fornisce interessanti notizie sulla diffusione di tale tecnologia. Le ruote erano in generale di legno (solo molto tardi é stato usato il ferro) così come erano di legno gli ingranaggi e le pulegge che trasformavano il moto rotatorio della ruota nel movimento richiesto dalle varie operazioni. Molti mulini erano, montati su barche; ad uno di questi è dedicata la trilogia di Riccardo Bacchelli (1891-1985), “Il mulino del Po” (1938-1940), che ha avuto anche una trasposizione cinematografica diretta da Lattuada (1949) ed una televisiva (1963).

Lo studio dei vari tipi di mulini e ruote ad acqua forma l’oggetto di una speciale disciplina, la molinologia, che ha addirittura una associazione internazionale, www.timsmills.info. In Italia la diffusione della molinologia si deve principalmente al Museo degli Usi e Costumi della Gente Trentina, di San Michele all’Adige www.museosanmichele.it, soprattutto per merito dello scrittore Giuseppe Šebesta (1919-2005) al quale si deve, fra l’altro, una monografia “La via dei Mulini”, 1992. Così come è intesa, la molinologia si occupa non solo dei mulini ad acqua, ma anche di quelli a vento e delle tecniche di macinazione.

L’avventura culturale dei motori ad acqua si è attenuata, dopo oltre duemila anni, con l’avvento della macchina a vapore, nella metà del 1700, con la quale è stato possibile ottenere un moto rotatorio sotto la pressione del vapore, anziché sotto la pressione dell’acqua in movimento. Con l’invenzione della dinamo nel 1866 e del motore elettrico si sono diffuse le centrali elettriche a vapore, a partire dagli anni Ottanta dell’Ottocento.

A questo punto si ha una specie di resurrezione dell’interesse per l’energia idrica; quelle ruote che azionavano i mulini e le segheria con il moto dell’acqua possono essere applicate ad azionare dinamo e a produrre energia idroelettrica. Dove esistevano fiumi con grandi portate d’acqua o torrenti, come nelle valli alpine e appenniniche italiane, avrebbero potuto essere costruite centrali idroelettriche col contributo di una industria meccanica capace di costruire turbine in grado di estrarre la massima quantità di energia dal moto delle acque dei fiumi, sia direttamente, sia incanalata in condotte, per superare una maggiore dislivello. Tre importanti figure di inventori e scienziati figurano nel perfezionamento delle turbine che portano i rispettivi nomi: l’americano Lester Pelton (1829-1908), l’inglese James B. Francis (1815-1892) e l’austriaco Viktor Kaplan (1876-1934) che nel 1913 ha inventato la turbina usata ancora oggi.

A quanto pare la prima centrale idrica generatrice di elettricità fu costruita nel 1880 negli Stati Uniti, nel Michigan, ed era capace di accendere 16 lampade ad arco. In Italia probabilmente la prima centrale idroelettrica italiana è stata quella di San Martino, sul Sile, alle porte di Treviso, entrata in funzione nel 1886, dove nel 1200 sorgeva un mulino con 23 ruote. Dal 1895 in avanti sono sorte le centrali idroelettriche sull’Adda e da quel momento le centrali idroelettriche si sono moltiplicate, prima come piccole centrali private al servizio delle comunità locali, poi aggregate in società più grandi, con l’abbandono di alcune delle centrali più piccole, fino alla nazionalizzazione dell’energia elettrica nel 1963 quando praticamente tutte le centrali sono state incorporate nell’Enel.

Per aumentare la portata dell’acqua alle turbine e le differenze di livello sono stati creati dei laghi artificiali attraverso lo sbarramento delle valli mediante dighe, sempre più grandi, usando tecniche note da molti millenni e utilizzate dalle società più antiche per regolare il moto dei fiumi e creare delle riserve di acqua. La prima diga costruita per alimentare una centrale idroelettrica fu costruita intorno al 1880 in Inghilterra; da allora le dighe ei i bacini per centrali idroelettriche si sono moltiplicate in tutto il mondo e anche in Italia, a partire dal 1899. Alcune centrali idroelettriche abbandonate sono state restaurate. La centrale di Cedegolo in Val Canonica, funzionante dal 1910 al 1962 è diventata un Museo e Laboratorio didattico dell’elettricità per iniziativa della Fondazione Museo dell’Industria e del Lavoro MusIL di Brescia (www.musil.bs.it). La stessa Fondazione ha restaurato un maglio ad energia idraulica sul fiume Garza a San Bartolomeo (Brescia) http://www.musil.bs.it/web/leSedi/sanBartolomeo/

Il crollo della diga del Vajont nel 1963, la disponibilità di petrolio a basso prezzo e il dogma che ormai tutte le risorse idriche “economiche” italiane erano state utilizzate, hanno segnato praticamente la fine della crescita della diffusione dell’idroelettricità in Italia. La produzione di energia idroelettrica si è stabilizzata da anni intorno a circa 35-45 miliardi di kWh/anno, anche se il potenziale di energia idrica italiana è molto maggiore, stimata in grado di fornire almeno il doppio di elettricità.

Una nuova resurrezione dell’energia idroelettrica è prevedibile adesso nel quadro della politica di incentivazione delle fonti energetiche rinnovabili, fra le quali, al fianco dell’energia solare ed eolica, è indicata la generazione di elettricità con minicentrali capaci di utilizzare piccoli salti di acqua e piccole portate, proprio come facevano i vecchi mulini ad acqua, ma oggi con moderne turbine e dinamo. L’elettricità delle minicentrali idriche può essere immessa nelle reti di distribuzione come avviene per l’elettricità ottenuta dagli impianti fotovoltaici ed eolici. Il successo di queste iniziative, che godono di contributi statali, sarà tanto maggiore quanto migliore sarà la conoscenza di dove si trovavano le ruote ad acqua di mulini e segherie, esistenti a migliaia in tutte le valli italiane e i corsi d’acqua, spesso distrutte o abbandonate o dimenticate, tanto che è auspicabile un inventario nazionale dei vecchi mulini e ruote ad acqua ancora esistenti o di cui si ha memoria. Ancora una volta la storia del passato può aprire le porte ad un futuro meno dipendente dalle fonti di energia fossili e inquinanti.

Le ricchezze del ventre

 

Cerchiamo tanto delle fonti di energia non inquinanti e non esauribili ma ci ricordiamo troppo poco che siamo seduti su una gigantesca caldaia posta all’interno della Terra. Nel nostro pianeta, come è ben noto, a circa 5000 chilometri di profondità si trova un nucleo interno costituito da ferro-nichel solido, alla temperatura di circa 6000 gradi e con una pressione di circa 3 milioni di atmosfere. Tutto intorno, per uno spessore di circa 1300 chilometri, si trova il nucleo esterno, una massa di ferro-nichel fuso a temperatura fra 4000 e 5000 gradi e pressione inferiore, circondato a sua volta dai successivi strati della Terra; noi umani e tutte le forme di vita animali e vegetali ci troviamo in un sottilissimo, si fa per dire, straterello alla superficie del pianeta, di pochi chilometri di spessore, che riceve continuamente, per conduzione, una piccola parte del calore interno.

Piccola per modo di dire perché la quantità del calore interno che arriva e si disperde alla superficie della Terra corrisponde ad una potenza di circa 45 miliardi di chilowatt, una “perdita” reintegrata dalla continua liberazione di circa 30 miliardi di chilowatt per decadimento radioattivo nelle rocce interne; l’afflusso superficiale corrisponde quindi a circa 50-100 chilowatt per chilometro quadrato, molto variabile, che assicura comunque l’esistenza di un graduale aumento della temperatura del sottosuolo in ragione di circa 25-30°C per ogni chilometro di profondità.

Una parte delle grandissime masse calde dell’interno si “affaccia” sulla superficie esterna sotto forma di vulcani, di manifestazioni di vapore o di acque calde e provoca quei piccoli spostamenti della crosta terrestre che chiamiamo terremoti. Senza sapere niente sulla vera origine del calore interno della Terra (ma alcune cose non sono del tutto chiare neanche a noi oggi), anzi senza sapere niente di come era fatta la Terra su cui si trovavano, popoli antichi hanno utilizzato alcune manifestazioni di acqua calde a fini di bagni in Cina, presso i Romani con le “terme”, e più tardi in Francia e molti altri paesi.

Una utilizzazione commerciale del calore terrestre, della “energia geotermica”, si è avuta in tempi relativamente recenti. Le manifestazioni geotermiche sono accompagnate anche dalla presenza di materiali di interesse commerciale: pomice, ossidiana, allume, alcuni noti da tempi antichissimi, e poi acido borico, quest’ultimo divenuto importante per merito di Francesco Larderel (1798-1848) che, venuto in Toscana nel 1814 ai tempi di Napoleone, aveva cominciato ad interessarsi agli strani fanghi biancastri che si formavano intorno ai soffioni di vapore. Nel 1777 il chimico tedesco Francesco Höfer, direttore delle farmacie del Granducato di Toscana aveva riconosciuto che la polvere bianca di questi fanghi era acido borico, trascinato dal vapore geotermico, che si condensava in grande quantità nella valle di Montecerboli, vicino Pisa; questo acido borico era noto e raccolto fin dai tempi degli Etruschi e trovava impiego nella preparazione di smalti e vernici e anche in medicina come disinfettante. Nel 1818 Francesco Larderel decise di ampliare e razionalizzare la produzione e la vendita di acido borico; il granduca di Toscana Leopoldo II, che aveva apprezzato l’iniziativa industriale, nominò Larderel conte di Montecerboli e nel 1846 il villaggio di Montecerboli assunse il nome di Larderello.

Fino al 1827 l’acido borico veniva ottenuto facendo evaporare con forni a legna l’acqua dei fanghi, ma nel 1827 de Larderel ebbe l’idea di utilizzare per l’evaporazione il calore dello stesso vapore geotermico, prima utilizzazione industriale ed economica di questa fonte energetica. Con l’acido borico la famiglia de Larderel fece una grande fortuna, come testimonia, fra l’altro un bel palazzo a Livorno, ora proprietà comunale; a Francesco successe il figlio Federigo e poi il figlio di quest’ultimo Florestano; Adriana, figlia di Florestano, sposò nel 1894 Piero Ginori Conti (1865-1940), figlio di una nobiltà fiorentina che si era guadagnata fama e quattrini negli affari internazionali, orgogliosa della propria tradizione e nello stesso tempo attenta alla cultura e alle innovazioni che attraversavano l’Europa dell’Ottocento.

Fra queste novità un ruolo speciale aveva l’elettricità; la dinamo, la macchina capace di trasformare un moto rotatorio in elettricità, era stata inventata da Antonio Pacinotti (1841-1912). Negli ultimi anni dell’Ottocento l’elettricità, usata per la fabbricazione dei primi prodotti chimici — carburo di calcio e calciocianammide a Bussi, in Abruzzo, idrato sodico e cloro, alluminio —  era ottenuta nelle centrali idroelettriche o in centrali termiche alimentate col costoso carbone; Piero Ginori Conti pensò di utilizzare quel vapore che la Terra offriva gratis nei suoi soffioni per produrre elettricità. Il 4 luglio 1904 Ginori Conti alimentò col vapore geotermico di Larderello un motore a pistoni collegato con una dinamo da 10 kilowatt, la cui elettricità accese “cinque lampadine”, un evento considerato il primo nella storia della energia elettrica di origine geotermica.

Nel frattempo la produzione italiana di acido borico aveva cominciato a subire la concorrenza dell’acido borico ricavato dai giacimenti di borati californiani, scoperti negli anni ottanta dell’Ottocento a Death Valley e a Boron. La produzione toscana di acido borico, che con alterne vicende era arrivata a 6.500 tonnellate all’anno negli anni fra il 1910 e il 1940, declinò nel dopoguerra fino a cessare nel 1965-1967. Si calcola comunque che la quantità di acido borico estratto complessivamente dai campi geotermici di Larderello sia arrivata a poco meno di mezzo milione di tonnellate.

La produzione di elettricità geotermica andò invece aumentando fino alla seconda guerra mondiale, quando le centrali furono distrutte. Dopo la Liberazione le centrali furono ricostruite e la società di Larderello fu incorporata nell’Enel. L’iniziativa di Larderello attrasse enorme attenzione in tutto il mondo e Larderello e la vicina Pisa divennero un centro di ricerca e consulenza avanzata per tutti coloro che avevano a disposizione manifestazioni geotermiche nel mondo. Tali manifestazioni erano presenti nei paesi industrializzati, come gli Stati Uniti o l’Islanda, ma anche in paesi arretrati in cui la nuova fonte di energia diede un contributo essenziale allo sviluppo economico; anche se dopo alcuni anni di sfruttamento in alcuni campi geotermici si osserva un declino della portata del vapore, la produzione del vapore può essere tenuta elevata iniettando acqua nel sottosuolo.

Nel mondo l’elettricità geotermica è oggi (2010) ottenuta con centrali che hanno una potenza di circa 10.000 megawatt con una produzione di circa 60.000 miliardi di chilowattore all’anno; l’Italia, con una potenza installata di circa 800 megawatt e una produzione di oltre 5,5 miliardi di chilowattore all’anno, è al terzo posto dopo Stati Uniti e Filippine. Il calore geotermico è usato come fonte di calore sia utilizzando il vapore che arriva spontaneamente sulla superficie terrestre, sia scavando dei pozzi fino a raggiungere giacimenti sotterranei di vapore o di acque calde.

Infatti a mano a mano che sono aumentate le conoscenze geologiche si è visto che molti luoghi della Terra hanno, nel sottosuolo, delle fonti di calore di interesse pratico. Con le acque calde sotterranee è possibile azionare dispositivi adatti al riscaldamento estivo e al raffreddamento invernale di abitazioni, di serre, di piscine ricorrendo a vari metodi per utilizzare il calore geotermico, anche di acque a basse temperature.

Nel 1852 Lord Kelvin (1824-1907) aveva descritto il principio della pompa di calore, il sistema con cui è possibile ottenere calore ad alta temperatura, adatto ad azionare una macchina termica, da una fonte di calore a bassa temperatura mediante energia meccanica. Nel 1912 l’ingegnere svizzero Heinrich Zoelly (1862-1937) aveva brevettato l’idea di utilizzare una pompa di calore alimentata dal calore di una sorgente di acqua calda sotterranea, ma si è dovuto aspettare gli anni 40 del Novecento per le prime applicazioni pratiche. Si ritiene che Robert C. Webber sia stato il primo ad azionare una macchina di 2 chilowatt con una pompa di calore azionata dal calore geotermico; nel 1946 J. Donald Kroeker con lo stesso sistema riuscì a scaldare un grande edificio a Portland nell’Oregon (Stati Uniti). Nel 1948 il prof. Carl Nielsen riscaldò la propria abitazione nell’Ohio con una pompa di calore geotermica. Da allora le innovazioni si sono susseguite e nel 2006 in Alaska un generatore elettrico è stato azionato con acqua calda sotterranea ad appena 57°C.

Un importante passo avanti si è avuto a partire dagli anni settanta del secolo scorso con lo studio dell’estrazione del calore delle “rocce calde secche”, complessi geologici caratterizzati da un’elevata temperatura e da bassa permeabilità, privi perciò di acqua. A fini energetici le rocce vengono dapprima fratturate per iniezione di acqua sotto pressione, con mezzi meccanici o chimici: nelle rocce fratturate viene poi iniettata acqua che vaporizza e ritorna in superficie calda in grado di scaldare a sua volta un fluido che aziona un normale motore. La profondità a cui si trovano le rocce calde secche varia da luogo a luogo; in genere è possibile il loro uso energetico dove esistono valori di gradiente geotermico e di flusso di calore superiori a quelli medi terrestri: 30°C per chilometro e 60 chilowatt per chilometro quadrato. In questa direzione sono in corso esperimenti in Alsazia, nella Valle del Reno, al confine fra Francia e Germania; nel Cooper Basin in Australia; vicino Basilea, in Svizzera; e nel campo geotermico Coso in California, ricordati in varie pubblicazioni di Raffaele Castaldi, vicepresidente dell’Unione Geotermica Italiana http://www.unionegeotermica.it/

In alcune città, anche in Italia, sono stati costruiti impianti per il riscaldamento e il condizionamento dell’aria utilizzando pompe di calore alimentate da acque calde sotterranee, anche a bassa temperatura, che si trovano spesso anche a bassa profondità.

Un’altra furbizia con cui è possibile spostare il calore di una fonte calda sotterranea, come quello geotermico, ad uno spazio freddo è rappresentata dai “condotti termici” (heat pipes); la forma più semplice è quella di un tubo contenente una piccola quantità di un fluido allo stato liquido; se si immerge in uno spazio caldo l’estremità contenente il liquido, questo evapora e sale nello spazio vuoto sovrastante; quando incontra una zona fredda si condensa, cedendo il calore assorbito nell’evaporazione e ridiscende nell’estremità calda. I tubi possono essere di vari materiali, non corrosivi nel caso del calore geotermico, e la loro superficie interna deve essere trattata in modo da agevolare la discesa del fluido condensato verso la parte inferiore.

L’idea di questi “condotti termici” è venuta a Richard S. Gaugler che l’ha brevettata nel 1942; è stata poi perfezionata e brevettata da George Grover nel 1963. In questo modo, senza motori o parti in movimento, è possibile spostare grandi quantità di calore anche quando le differenze di temperatura sono piccole. I “condotti termici” hanno avuto varie applicazioni, dai satelliti artificiali per raffreddare la parte del veicolo esposta al Sole, all’oleodotto dell’Alaska per dissipare il calore del petrolio che scorre nei tubi e evitare che faccia fondere i circostanti ghiacci permanenti su cui sono appoggiati i piloni della tubazioni. I “condotti termici” possono essere anche molto piccoli, adatti per esempio a raffreddare i computers o altre apparecchiature elettriche ed elettroniche.

Più interessanti sono le applicazioni energetiche nel campo della geotermia in quanto consentono di catturare e trasferire il calore geotermico anche quando si trova sotto forma di acque calde a relativamente basse temperature.

Un qualche interesse per l’utilizzazione dell’energia geotermica, considerata una fonte energetica rinnovabile, è dimostrata dal recente decreto legislativo 22 del 2010, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 24 febbraio, che modifica il quadro normativo delle risorse geotermiche, abrogando la vecchia legge 896/1986 e introducendo una semplificazione delle procedure amministrative relativi sia agli impianti ad alta entalpia, definiti di interesse nazionale, sia a quelli a medio e basso “contenuto” energetico che sono invece definiti di interesse locale.