Quali sono le principali fonti di energia sulla Terra?

Contenuto

• I combustibili fossili hanno alimentato la rivoluzione industriale
• I fiumi e i torrenti sono un'importante fonte di energia
• Gli oceani sono anche importanti risorse energetiche
• La tecnologia sfrutta l'energia solare ed eolica
• Alternativa alla generazione di energia nucleare ai combustibili fossili
• Energia geotermica
• Gli umani devono fare una scelta

Ci vuole molta energia per coltivare una specie come homo sapiens. Negli ultimi secoli questa specie è emersa come una presenza globale interconnessa in un modo che, per quanto ne sa la scienza, non si è mai verificato prima sul pianeta.

I tipi di energia di cui gli esseri umani hanno bisogno includono elettricità per alimentare le loro case e industrie, energia biochimica per alimentare i loro corpi e risorse combustibili per il calore, i trasporti e la produzione industriale.

Su vasta scala, la capacità della terra di fornire ciò di cui gli esseri umani hanno bisogno dipende da cinque fonti principali:

Inoltre, un importante apporto energetico per l'uomo deriva dai corpi in decomposizione degli organismi che sono fioriti e sono morti durante gli eoni. A differenza delle risorse sopra elencate, tuttavia, questa offerta è limitata.

I combustibili fossili hanno alimentato la rivoluzione industriale

I combustibili fossili, che includono petrolio, gas naturale e carbone, sono in realtà un'altra forma di energia solare. Eoni fa, gli organismi viventi hanno convertito la luce e il calore del sole in molecole a base di carbonio che hanno formato i loro corpi. Gli organismi morirono e i loro corpi affondarono in profondità nel terreno e sul fondo degli oceani. Oggi, l'energia bloccata in quei legami di carbonio può essere rilasciata recuperando ciò che i loro resti si sono trasformati e bruciandoli.

Petrolio e gas naturale provengono dal microscopico plancton marino vissuto milioni di anni fa. Sono morti e sono affondati nel fondo degli oceani, dove la decomposizione e altri processi chimici li hanno trasformati in cerosi kerogen e aspro bitume. I fondali oceanici alla fine si seccarono e questi materiali furono sepolti sotto roccia e terra. Sono diventati le materie prime per la fabbricazione, benzina, gasolio, cherosene e una miriade di altri prodotti petroliferi.

Il modo tradizionale per recuperare petrolio greggio da terra è mediante perforazione, ma fratturazione idraulica, o fracking, è diventata un'alternativa moderna spesso usata. In questo processo, una miscela di sabbia, acqua e sostanze chimiche potenzialmente pericolose viene forzata nel terreno per spostare il petrolio. Il fracking è un processo costoso e ha una serie di effetti deleteri sulla roccia fresca, la falda freatica e l'aria circostante.

Il carbone proviene da piante terrestri che si insediarono in paludi e paludi e si trasformarono in torba. La torba si solidificò mentre il terreno si asciugava e alla fine fu coperto da rocce e altri detriti. La pressione lo trasformò nella sostanza nera e rocciosa bruciata in molti impianti industriali e centrali elettriche. Tutto ciò ha avuto inizio circa 300 milioni di anni fa, quando i dinosauri vagavano per la terra, ma contrariamente al mito popolare, il carbone non è un dinosauro decomposto.

I fiumi e i torrenti sono un'importante fonte di energia

Per millenni, gli esseri umani hanno sfruttato l'energia idrica per eseguire il lavoro e, in fisica, il lavoro è sinonimo di energia. Le ruote idrauliche posizionate vicino a un ruscello o una cascata hanno utilizzato l'energia generata spostando l'acqua per macinare il grano, irrigare le colture, vedere la legna e svolgere una serie di altre attività. Con l'avvento dell'elettricità, le ruote idrauliche sono state trasformate in centrali elettriche.

La turbina ad acqua è il cuore di una centrale idroelettrica e funziona a causa del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto dal fisico Michael Faraday nel 1831. Faraday ha scoperto che un magnete rotante all'interno di una bobina o filo conduttore genera una corrente elettrica nel bobina, e meno di 100 anni dopo, il primo generatore di induzione è arrivato online alle Cascate del Niagara.

Oggi le centrali idroelettriche forniscono circa il 6 percento dell'elettricità consumata in tutto il mondo. La combustione di combustibili fossili per generare turbine a vapore e spin, d'altro canto, genera quasi il 60 percento dell'elettricità mondiale. La maggior parte dell'energia idroelettrica è generata dalle dighe, non dalle cascate.

Una diga, come un ruscello o una cascata, dipende dalla gravità. L'acqua entra in un passaggio nella parte superiore della diga, scorre attraverso un tubo che ingrandisce la sua energia e gira una turbina prima di uscire vicino alla base della diga. Due delle più grandi dighe idroelettriche del mondo sono la diga delle Tre Gole in Cina, che genera 22,5 gigawatt di energia e la diga di Itaipu sul confine Brasile / Paraguay, che genera 14 GW. La più grande diga del Nord America è la Grand Coulee Dam nello stato di Washington, che genera solo circa 7 megawatt.

Gli oceani sono anche importanti risorse energetiche

Gli oceani sono una delle risorse energetiche più importanti del mondo per due motivi. Il primo è che hanno correnti che, insieme ai venti, formano onde. Le onde possono essere trasformate in elettricità. Poiché sono il risultato dei differenziali di temperatura causati dal calore del sole, le onde e le correnti che li formano sono tecnicamente una forma di energia solare.

L'altra risorsa energetica negli oceani sono le maree, che sono causate dalle influenze gravitazionali della luna e del sole, nonché dai movimenti della terra stessa. Esistono anche tecnologie per convertire l'energia delle maree in elettricità.

Le stazioni di generazione delle onde non sono ancora mainstream e il prototipo, che è stato distribuito al largo della costa scozzese, genera solo 0,5 MW. Le tecnologie d'onda disponibili includono:

Le centrali elettriche di marea possono utilizzare la potenza delle maree in entrata e in uscita per far girare direttamente le turbine. L'acqua è circa 800 volte più densa dell'aria, quindi se una turbina viene posizionata sul fondo dell'oceano, i movimenti delle maree generano una potenza significativa per farle girare. Tuttavia, i sistemi di sbarramento delle maree sono più comuni.

Una diga di marea è una barriera eretta attraverso una conca di marea che consente all'acqua della marea crescente di entrare, quindi chiude e controlla il deflusso sulla marea di riflusso. Il più grande generatore di questo tipo è la centrale elettrica di marea del lago Sihwa in Corea del Sud. Genera circa 254 MW.

La tecnologia sfrutta l'energia solare ed eolica

Due dei modi più noti per generare elettricità in modo da non fare affidamento sulla scomparsa dei combustibili fossili e non creare inquinamento sono l'impiego di turbine eoliche o pannelli fotovoltaici. Poiché il sole è responsabile dei differenziali di temperatura che creano il vento, entrambi sono, a rigor di termini, forme di energia solare.

I generatori eolici funzionano proprio come quelli idroelettrici o alimentati da onde. Quando il vento soffia, gira un albero che è collegato da ingranaggi a una turbina a induzione in grado di generare energia. Le moderne turbine sono calibrate per fornire corrente alternata alla stessa frequenza della corrente alternata convenzionale, che la rende disponibile per l'uso immediato. I parchi eolici di tutto il mondo forniscono quasi il 5 percento dell'elettricità mondiale.

I pannelli solari si basano sull'effetto fotovoltaico, per cui la radiazione solare crea una tensione in un materiale semiconduttore. La tensione crea corrente CC che deve essere convertita in CA facendola passare attraverso un inverter. I pannelli solari generano elettricità solo quando c'è il sole, quindi sono spesso usati per caricare le batterie, che immagazzinano l'energia per un uso successivo.

I pannelli solari rappresentano forse uno dei metodi più accessibili per generare elettricità, ma forniscono solo una piccola parte dell'elettricità mondiale - meno dell'1 percento.

Alternativa alla generazione di energia nucleare ai combustibili fossili

A rigor di termini, il processo di fissione nucleare non è un fenomeno naturale, ma viene dalla natura. La fissione nucleare fu inventata poco dopo che gli scienziati furono in grado di comprendere l'atomo e il fenomeno naturale della radioattività. Sebbene la fissione fosse originariamente utilizzata per fabbricare bombe, la prima centrale nucleare divenne online appena tre anni dopo l'esplosione della prima bomba nel sito della Trinità nel deserto del New Mexico.

Reazioni di fissione controllate si verificano all'interno di tutte le centrali nucleari del mondo. Genera calore per far bollire l'acqua, che produce il vapore necessario per azionare le turbine elettriche. Una volta iniziata una reazione di fissione, ha bisogno di poco carburante per continuare indefinitamente.

Quasi il 20 percento delle esigenze elettriche del mondo è soddisfatto dai generatori di energia nucleare. Originariamente considerata una fonte economica di energia pressoché illimitata, la fissione nucleare presenta gravi inconvenienti, non ultimo quello della possibilità di fusione e del rilascio incontrollato di radiazioni nocive. Due noti incidenti, uno nella centrale di Russias Chernobyl e un altro nella struttura di Japans Fukushima, hanno eliminato questi pericoli e hanno reso la produzione di energia nucleare meno attraente di quanto non fosse una volta.

Energia geotermica

Nel profondo della crosta terrestre, le pressioni e le temperature sono così grandi che li trasformano in lava fusa. Questo materiale surriscaldato scorre attraverso le vene nella crosta che occasionalmente lo dirige vicino alla superficie. Le comunità nelle aree in cui ciò accade possono usare il calore per generare elettricità e fornire calore alle loro case. Questa si chiama energia geotermica e, in alcuni casi, è aumentata da materiali radioattivi nel terreno, che generano anche calore.

Per utilizzare l'energia geotermica, gli sviluppatori perforano un tunnel nella terra in un sito adatto e fanno circolare l'acqua attraverso il tunnel. L'acqua riscaldata arriva in superficie sotto forma di vapore, dove può essere utilizzata direttamente per il riscaldamento o per far girare una turbina. In alcuni casi, il calore viene trasferito dall'acqua a un'altra sostanza con un punto di ebollizione più basso, come l'isobutano, e il vapore risultante gira le turbine.

Nella sua forma più semplice, l'energia geotermica ha fornito guarigione e comfort alle terme naturali e alle sorgenti termali per tutto il tempo in cui ci sono state persone che le frequentano. Il Giappone è uno dei paesi geologicamente più attivi al mondo e ha una vasta rete di sorgenti termali naturali e una lunga storia di ammollo. Gli esperti stimano che disponga di risorse geotermiche sufficienti per soddisfare fino al 10% del fabbisogno di elettricità, rendendo il suo potenziale geotermico terzo al mondo, dietro solo agli Stati Uniti e all'Indonesia.

Gli umani devono fare una scelta

Alcune risorse sono fragili e scompaiono e la loro conversione in energia utilizzabile crea sostanze inquinanti che alterano l'ambiente planetario. Altre risorse dipendono solo dalle dinamiche solari e planetarie che promettono di rimanere invariate per i prossimi miliardi di anni. Nel momento presente, l'umanità ha una scelta urgente da fare. La sua stessa sopravvivenza può dipendere dalla sua capacità di cambiare la sua dipendenza dalla prima alla seconda in un breve periodo di tempo.