PARLIAMO DI ENERGIA UTILE | SILVIO PETACCIA INTERVISTA IL PROF. FRANCESCO PELLICANO DELLA UNIVERSITA’ DI MODENA
Redazione – Vogliamo parlare di energia, quella cosa che serve per fare in modo che ogni secondo circa il cuore batte, cioè si comprime a seguito di un impulso neuro-elettrico e fa scorrere il sangue nelle vene arrivando agli organi ed ai muscoli. Energia quindi alla base della vita. Se il cuore non batte non si vive arriva la morte.
La prima forma di uso dell’energia nelle attivita’ dell’uomo si basa proprio sui muscoli, sia suoi (o meglio degli schiavi) oppure degli animali domestici, per compiere lavoro.
Quindi energia chimica del cibo digerita diventa base della vita e del lavoro.
Noi umani non vivremmo senza energia del cibo, basata essenzialmente sulla biochimica di carboidrati proteine e grassi con l’ossigeno respirato dall’aria.
La fisica definisce e studia le grandezze misurabili in modo oggettivo. Noi qui vogliamo parlare delle forme di una sola grandezza di esse: l’energia.
Essa e’ uguale a massa per velocità della luce al quadrato, formulazione di Einstein, ma anche forza per spostamento, definizione della meccanica newtoniana, insomma ci riferiamo a quelle cose che possono dare una potenza nel tempo misurata nel sistema internazionale con il joule.
Il lavoro e’ l’energia utile all’uomo per i suoi scopi.
Per millenni si era attivi con energie semplici: si usavano i muscoli (schiavi o animali domestici) oppure si bruciava la legna (per scaldarsi o cucinare), un poco di vento (vele delle navi e mulini a vento nelle macine) ma anche acqua dei torrenti (mulini idraulici).
Ebbene il mondo degli umani solo da un paio di secoli chiede un aumento delle esigenze energetiche e grazie alla rivoluzione industriale arriva la scoperta della energia elettrica
Siamo diventati cosi’ una popolazione di 8 miliardi di persone sulla terra oggi e probabilmente arriveremo presto a dieci ed un livello dei consumi accettabile e giusto non è ancora stato fissato ma certamente nei prossimi decenni diventerà il triplo dei consumi attuali (facendo una stima grossolana e sottostimata). Come avere questa energia senza inquinare il pianeta?
Ci siamo basati molto sulla combustione del carbone, petrolio e gas naturale in un recente passato, un poco di nucleare di fissione ed idroelettrico delle grandi dighe. Ma abbiamo inquinato tanto cosa possiamo fare? Possiamo aumentare il vento ed i pannelli solari ma bastera’?
Come fare? Il dibattito politico e sociale prima che scientifico-ingegneristico segue le mode del momento. Carbone, petrolio, metano, nucleare, pannelli solari, biomasse, eolico, idroelettrico e non ultimo geotermico. Pro e contro sono questioni in continuo dibattito ma le problematiche sono reali con implicazioni tecnologiche ed anche economiche.
Vogliamo dare un contributo divulgativo che possa chiarire un punto di vista tecnico rivolto alla persona cittadino normale del mondo parte di una opinione pubblica disorientata molto spesso.
Quindi diamo un taglio divulgativo con l’aiuto di alcuni docenti universitari. Iniziamo con il prof
Francesco Pellicano della universita’ di Modena
1 Energia in fisica definita come forza per spostamento ci spiega il significato di questa definizione?
La definizione “energia = forza per spostamento” è una specifica modalità di trasferimento dell’energia, non l’unica. Per esempio:
• L’energia può anche essere trasferita come calore, conservata come energia potenziale o cinetica, ecc.
• Ma ogni volta che eserciti una forza su un oggetto e lo fai muovere, stai convertendo energia e facendo lavoro fisico.
2) il Lavoro rappresenta la energia utile tra i due stati di un sistema come lavora una centrale idroelettrica sia in fare produttiva sia come carico con pompaggio verso alto?
Il lavoro in fisica rappresenta l’energia utile trasferita o trasformata tra due stati di un sistema. Questo concetto si applica perfettamente anche al funzionamento di una centrale idroelettrica, sia in fase produttiva (generazione di energia) sia in fase di pompaggio (carico del sistema).
1. Fase produttiva – Generazione di energia elettrica
Nella fase attiva, la centrale idroelettrica sfrutta l’energia potenziale gravitazionale dell’acqua in quota per generare elettricità.
Meccanismo:
1. L’acqua è immagazzinata in un bacino a monte (in alto).
2. Quando viene rilasciata, l’acqua scende lungo una condotta forzata e la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica.
3. Questa energia mette in rotazione una turbina, collegata a un generatore elettrico.
4. Il generatore converte l’energia meccanica in energia elettrica.
Formula chiave:
L’energia utile (lavoro) prodotto per ogni kg d’acqua è: L = m g h
dove:
• m = massa dell’acqua,
• g = accelerazione gravitazionale (9.81 m/s²),
• h = dislivello (altezza tra il bacino e la turbina).
Questa è energia potenziale che viene convertita in lavoro meccanico utile → elettricità.
2. Fase di carico – Impianto con pompaggio (pumped storage)
Quando c’è energia elettrica in eccesso nella rete (es. di notte o da fotovoltaico/eolico), le centrali reversibili (pumped hydro) funzionano “al contrario”:
Meccanismo:
1. Si usa energia elettrica per azionare delle pompe.
2. Le pompe spingono l’acqua dal bacino a valle verso quello a monte.
3. In questo modo, si ricarica il sistema con energia potenziale.
4. Questa energia potrà essere recuperata quando necessario (fase produttiva). Conclusione: lavoro = energia utile nei due sensi
• In produzione: l’acqua in caduta fa lavoro meccanico → genera energia elettrica.
• In pompaggio: si spende energia elettrica per fare lavoro meccanico sull’acqua → accumulo di energia potenziale.
È un perfetto esempio di macchina reversibile e di gestione intelligente dell’energia in rete:
l’idroelettrico a pompaggio è come una “batteria gravitazionale”
3) la Potenza come energia disponibile in un secondo perche’ nei sistemi potenziali a gravita’ i rendimenti sono alti a differenza di quelli termici?
La differenza fondamentale sta nel tipo di trasformazione energetica e nelle perdite inevitabili associate a ciascun processo.
Nei sistemi a gravità (es. centrali idroelettriche):
• Si trasforma energia potenziale (massa × gravità × altezza) in energia cinetica → poi in energia meccanica → poi elettrica.
• Le perdite sono minime: un po’ per attriti, turbolenze, resistenze elettriche… ma niente di catastrofico.
• Quindi il rendimento può superare il 90%.
Perché?
• Non c’è cambiamento di stato o di forma energetica complessa (come da calore a movimento).
• Il flusso d’acqua è controllabile, continuo e prevedibile.
• Nessuna combustione, nessuna dissipazione termica casuale.
Nei sistemi termici (es. motori a combustione, centrali a carbone o gas):
• Si parte da calore (energia termica) e si vuole ottenere lavoro meccanico.
• Ma la seconda legge della termodinamica ci dice che non tutta l’energia termica è trasformabile in lavoro.
• C’è sempre una parte di energia che va persa sotto forma di calore disperso, spesso verso l’ambiente.
Il limite massimo teorico è dato dal rendimento di Carnot:
rend = 1 -Tfredda/Tcalda
dove le temperature sono in kelvin. Anche nei migliori casi reali si arriva al 40–50%.
4 Idrogeno come vettore energetico puo’ essere usato sia in combustione con ossigeno (a fiamma libera) per avere calore sia con membrana pem (senza fiamma) per avere energia elettrica (ed anche acqua calda) quali le differenze dei sistemi
1. Combustione diretta con ossigeno (a fiamma)
2. Reazione elettrochimica in celle a combustibile PEM (senza fiamma)
Vediamo come funzionano questi due sistemi, e quali sono le differenze principali tra loro:
1. Combustione diretta (a fiamma libera) Funzionamento:
• L’idrogeno viene bruciato insieme all’ossigeno (dell’aria) in una camera di combustione.
• Reazione:
2H_2 + O_2 -> 2H_2O + calore
• Produce calore ad alta temperatura, che può essere usato per:
o riscaldamento diretto,
o alimentare motori termici,
o generare vapore per turbine. Pro:
• Tecnologia semplice e collaudata (simile ai bruciatori a metano).
• Utilizzabile anche in impianti esistenti (con adattamenti). Contro:
• Bassa efficienza (30–40%), perché segue i limiti dei sistemi termici.
• Possibile produzione di ossidi di azoto (NOx) a causa delle alte temperature.
• Necessità di sistemi di raffreddamento e controllo fumi.
2. Celle a combustibile PEM (senza fiamma) Funzionamento:
• L’idrogeno reagisce con l’ossigeno senza bruciare, in una reazione elettrochimica su una membrana a scambio protonico (PEM).
• Si genera corrente elettrica, acqua e un po’ di calore:
2H_2 + O_2 ->2H_2O + elettricità + calore
• Utilizzata in:
o auto a idrogeno,
o impianti stazionari,
o dispositivi portatili. Pro:
• Alta efficienza (40–60% elettrica, fino a 80–90% se si usa anche il calore = cogenerazione).
• Nessuna combustione, quindi niente emissioni NOx.
• Funzionamento silenzioso e modulare. Contro:
• Più costosa e complessa (materiali speciali, catalizzatori al platino).
• Sensibile all’umidità, alla purezza dei gas e alle condizioni operative.
5 il motore elettrico e quello a combustione quali differenze di performance e come vede il futuro della mobilita’ umana?
1. Differenze di performance: motore elettrico vs termico
Caratteristica Motore elettrico Motore a combustione interna
Efficienza
energetica 85–95% (quasi tutta l’energia usata) 25–35% (grande parte dissipata in calore)
Massima subito, perfetta per
Coppia motrice
accelerazioni Sale con i giri del motore, meno pronta
Manutenzione Pochi componenti mobili → bassa manutenzione
Tante parti meccaniche → usura,
manutenzione frequente
Emissioni locali Zero CO₂, NOx, particolato, CO, ecc.
Rumore e
vibrazioni Quasi nullo Rumoroso e vibrante
Caratteristica Motore elettrico Motore a combustione interna
Alimentazione Batteria o cella a combustibile Benzina, gasolio, metano, ecc.
300–600 km (a batteria), maggiore
Autonomia attuale
con idrogeno 500–800 km con un pieno
Tempo di
rifornimento
30 minuti (ricarica rapida), secondi
con H₂ 3-5 minuti per un pieno
Energia elettrica più economica e
Costi energetici
stabile Carburanti soggetti a volatilità di prezzo
2. Come sarà il futuro della mobilità?
La tendenza globale è molto chiara: la mobilità sarà sempre più elettrica, intelligente e sostenibile. Ecco come si prospetta il futuro:
Elettrico a batteria (BEV)
– per veicoli leggeri, urbani, privati
• Ideale per auto, scooter, autobus cittadini.
• Infrastrutture in forte espansione (colonnine, wallbox).
• Sempre più conveniente grazie alla discesa dei prezzi delle batterie. Idrogeno / celle a combustibile (FCEV) – per veicoli pesanti, lunga distanza
• Adatto a camion, treni, bus interurbani, aviazione.
• Rifornimento rapido, maggiore autonomia.
• Strategico dove il tempo di ricarica è critico. Mobilità integrata e connessa
• Auto connesse, autonome, condivise (car sharing, robotaxi).
• Integrazione con mezzi pubblici e micromobilità (monopattini, bike sharing). Sostenibilità ambientale
• Obiettivo zero emissioni (net zero).
• Riduzione di rumore urbano e inquinamento atmosferico.
• Supporto da politiche pubbliche e regolamenti UE e mondiali. Fine del motore a combustione?
• Molti Paesi europei (es. Germania, Francia, Italia) prevedono lo stop alla vendita di auto nuove a benzina e diesel dal 2035.
• I motori termici potrebbero restare solo per:
o usi speciali (agricoli, industriali),
o mercati emergenti,
o ibridi di transizione,
o motori adattati a combustibili rinnovabili (biofuels o e-fuels). Conclusione
Il motore elettrico è superiore in quasi tutti gli aspetti tecnici, ed è al centro del futuro della mobilità sostenibile.
Il passaggio non sarà immediato, ma è in atto una rivoluzione silenziosa: pulita, efficiente, digitale e globale.
