Per una piccola storia delle Energie Rinnovabili
La legittima preoccupazione dell’uomo contemporaneo per il problema del cambiamento climatico e dell’esaurimento del suo principale artefice, il petrolio greggio, è, potremmo dire, quasi esclusivo appannaggio degli ultimi dieci/quindici anni. Tuttavia da più di un secolo scienziati, ricercatori e studiosi lavorano allo sviluppo di una tecnologia in grado di sostituire l’uso dei combustibili fossili e/o convenzionali con le cosiddette Energie Rinnovabili. In realtà si potrebbe a buon diritto sostenere che lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabili era già presente nei “tempi antichi”, come dimostrano ritrovamenti archeologici, edifici ancora esistenti, documenti, libri, progetti, racconti e quant’altro e soprattutto per quel che riguarda l’utilizzo di acqua e vento (e ovviamente del loro moto) per la creazione di energia a costo zero e per tutti disponibile.138 anni è il lasso di tempo calcolato dalla celebre rivista americana “Popular Science” (Popular Science Monthly, fondata nel 1872), nel corso dei quali architetti e ingegneri hanno riadattato vecchi mulini a vento olandesi in turbine eoliche, mulini ad acqua in impianti che sfruttano l’energia delle maree, sistemi tradizionali di riscaldamento dei pavimenti sul modello delle terme romane (F.L. Wright, ispirandosi a quelle e all’architettura giapponese ne fu in architettura il principale interprete dell’età contemporanea) in centrali elettriche geotermiche. Certo i prototipi dei primi impianti che vado a illustrare somigliano solo vagamente ai moderni parchi eolici o alle centrali solari cui siamo avvezzi oggi e sembrano fare riferimento, nei disegni e nelle descrizioni, tanto alla letteratura fantascientifica dei più bei romanzi Urania (per altro anticipatori dell’epoca in cui viviamo ad eccezione – per quel che ci è dato sapere – di quelli con spedizioni spaziali a bordo di astronavi), quanto ai romanzi utopisti/fantastici alla William Morris, con le relative bellissime illustrazioni a carboncino o china, dei primi del secolo scorso e della fine del precedente. Ma quelle illustrazioni dell’età della prima rivoluzione industriale, così affascinanti e, agli occhi di noi contemporanei, al contempo naif, non sono altro che il primo passo fatto dall’uomo moderno nella giusta direzione del rispetto dell’ambiente (un’idea che, come si è detto più volte nei precedenti articoli, è ben più antica di quanto oggi non si pensi e che nasce contemporaneamente all’uso delle macchine ed alla loro diffusione a macchia d’olio dall’Inghilterra, e poi di là dalla Manica verso Europa e America, già a cavallo fra XVII e XVIII secolo). In questi primi progetti Anni ‘20 e ‘30 sono presenti ovvi errori di progettazione e valutazione: i mulini a vento in cimaall’Empire State Building, ad esempio, non avrebbero mai potuto soddisfare il fabbisogno energetico di Manhattan, così come le fattorie “ad alghe marine” erano molto lontane dal modello moderno di “fonte di energia a combustibile pulito”, ma i prototipi – ingegnosi e avveniristici, quasi opere avanguardiste e di scene cinematografiche espressioniste – pur costosi e spesso inefficaci in quanto errati, sono serviti a comprendere non solo i limiti tecnici degli impianti – e quindi sono stati inesauribile ed impagabile fonte di studio ed analisi da parte degli ingegneri che vi avevano lavorato e dei nuovi che andavano ad aggiungersi a quei primi nella ricerca del nuovo Eldorado delle energie Pulite – ma anche la valutazione esatta dei costi e dunque dei benefici: “Agli albori dell’Estimo moderno”, si potrebbe scrivere nel titolo di un ipotetico romanzo o saggio sulla storia della disciplina estimativa così come oggi la conosciamo ed utilizziamo. Nonostante gli errori, le delusioni, le battute d’arresto – in perfetta linea col più “naturale” e tenace metodo scientifico, le sue conquiste e le sue delusioni – gli ingegneri che si sono cimentati con lo sviluppo della moderna tecnologia delle rinnovabili sono stati alfine in grado di sfruttare, facendo loro sempre meno danni, le nostre risorse naturali. La tecnologia delle Rinnovabili ha fatto negli ultimi dieci anni passi da gigante ma ha ovviamente ancora molta strada da fare, come testimoniano la cronaca specialistica e il territorio in cui viviamo. Tuttavia trovo oltremodo interessante per gli appassionati di oggi –e non solo per chi vi lavora e ne studia ogni minimo dettaglio e ne sa dunque la storia – conoscere i primi, eccentrici e, per me almeno, affascinanti esperimenti sostenibili, molti dei quali non sono rimasti sulla carta, ma sono stati effettivamente realizzati e rimasti in opera (vedi la turbina eolica di Putnam-Smith in Gran Bretagna, di fatto il più grande parco eolico offshore del mondo) fino a questi ultimi anni.
Seguono undici esempi, che abbracciano un arco di tempo di poco più di 50 anni e, assicuro, non sono tratti da un romanzo di Jules Verne o di Herbert George Wells.
1. Sole artificiale – Francia, ottobre 1925
Dal suo studio sui raggi catodici e sulla teoria delle particelle, il fisico francese, futuro premio Nobel 1926 per la Fisica (“Per il suo lavoro sulla struttura discontinua della materia e in particolar modo per la scoperta dell’equilibrio di sedimentazione”), Jean Baptiste Perrin (professore di fisica alla Sorbona e fra l’altro scopritore del Numero di Avogadro) si cimentò nella realizzazione di una macchina che avrebbe usato la disintegrazione atomica per produrre 10 milioni di volt di corrente continua. Teoricamente, il suo “impianto-produttivo-solare del futuro” avrebbe dovuto essere in grado di produrre energia permanente sfruttando una fonte di energia appunto “rinnovabile” e così in grado di sostituire carbone e petrolio (da un’intervista del 1925: “But, Professor Perrin,” I questioned, my eyes still dazzled by that blinding flash, “is what you say to be taken literally – do you actually hope to produce an artificial sun?”. “On small scale – yes,” he replied calmly. “What you have just seen is the beginning of the process. When I have a machine of sufficient power, I can complete it. For with 10,000,000 volts of direct-current electricity, I believe I can break up the atomic structure of matter-disintegrate individual atoms; perhaps even drive the nucleus of one atom into another atom and thus create a much denser atom. If I am able to do that, the secret of the sun’s radiation will have been solved. (…)”). Una volta ottenuta la disintegrazione atomica, Perrin profetizzava l’inizio di una nuova era di energia a basso costo, “dal potere concentrato in uno spazio così piccolo (quanto quello contenuto fra le tacche di una provetta medica da laboratorio) ma in grado di guidare il dirigibile Los Angeles fin sopra il Polo Nord e di nuovo indietro al suo hangar”.
2. Turbina gigante a vapore – Francia, ottobre 1928
Già entro il primo ventennio del Novecento, gli scienziati avevano cominciato a considerare il mare ed il moto delle maree come fonte di energia. Ancora una volta le prime interessanti proposte vengono dalla Francia (a discapito di chi crede in una supremazia scientifica stelle e strisce): il chimico transalpino Georges Claude, celebre per l’invenzione della lampada al neon, fu anche il primo “ingegnere” a progettare e costruire prototipi diimpianti Ocean-Thermal di conversione energetica. Come le macchine in uso oggi, le sue turbine lavoravano attingendo l’energia prodotta dalle differenze di temperatura tra le acque profonde e quella superficiali. Si racconta che già nel 1928 egli fosse stato in grado di generare una quarantina di kilowatt di energia elettrica utilizzando il calore naturale delle acque della Mosa. Ottenuto un effettivo successo, Claude propose la costruzione di grandi stazioni e impianti commerciali in prossimità di acque tropicali. L’immagine allegata è frutto del lavoro di un artista a lui contemporaneo e descrive il funzionamento della turbina gigante a vapore di Claude, utilizzabile non solo per la produzione e fornitura di energia elettrica, ma anche per l’approvvigionamento di acqua fredda delle zone circostanti l’impianto. Tra il 1930 e il 1935, Claude realizzò due impianti a Cuba e in Brasile, ma entrambi furono distrutti dalle tempeste prima di poter essere utilizzati con profitto (il link relativo all’esperienza cubana è davvero affascinante!).
3. Centrale Solare: “una nuova invenzione per imbrigliare il sole” – USA novembre 1929
Benché fisico americano Robert H. Goddard, ideatore e costruttore del primo razzo a propellente liquido al mondo, sia noto ai più per i suoi contributi al volo spaziale, è interessante sapere come sia stato anche il primo ad aver brevettato un motore in grado di convertire la luce solare in energia utilizzabile: un grande specchio in alluminio riflette i raggi solari focalizzandone il calore generato su un generatore a vapore.
4. Mulini a vento/grattacielo – Germania, giugno 1932
“Per decenni, abbiamo cercato di capire il modo più efficiente per estrarre energia dalla forza del vento”, cosìHermann Honnef, ingegnere strutturale tedesco, che progettò la messa in opera e realtivo funzionamento di giganteschi mulini a vento in cima ai grattacieli per fornire le moderne metropoli di energia elettrica a buon mercato. Il progetto più celebre è quello dell’Empire State Building di New York (vd. supra): qui Honnef studiò il meccanismo di due enormi ruote, sulla vetta della torre, dotate di dinamo elettriche per la generazione della corrente (“lassù dove il vento spira forte…”). Le ruote avrebbero dovuto avere un diametro equivalente alla lunghezza di due isolati cittadini e sarebbero state in grado di compiere sette giri e mezzo al minuto, ovvero a 142 miglia all’ora. Secondo i suoi calcoli, un “mulino a vento grattacielo a tre ruote” avrebbe potuto fornire elettricità a una città di medie dimensioni ovvero con una popolazione media di 100.000 individui. (Compiendo una semplice ricerca in google, sono facilmente visionabili disegni e progetti, una affascinante carrellata di immagini degne delle grandi Esposizioni Universali fine Ottocento/primi del Novecento).
5. Mulini a vento polare – Australia/Gran Bretagna, marzo 1936
Professore emerito all’Università di Cambridge, Frank Debenham (geografo, esploratore e geografo australiano) fu anche co-fondatore del Scott Polar Research Institute: fatto che in questa sede risulta di notevole evidenza per i suoi studi sulla fattibilità di parchi eolici, e la propaganda pubblicitaria, al Polo Nord e al Polo Sud. Operatori avrebbero eseguito all’interno di centralini ciascuna turbina, mentre tunnel che portano a generatori sotterranei avrebbero convertire l’energia eolica in energia elettrica. Debenham dimostrò di esere lungimirante ipotizzando un forte movimento di migrazione verso le aree polari della popolazione del futuro (ricorda molta letteratura fantastica/fantascientifica tutt’altro che avulsa dalla realtà) in risposta agli inarrestabili cambiamenti climatici e, per la facilità della fornitura di energia elettrica a disposizione, per affari e commercio (“Mounted on streamline steel towers, Mammoth metal vanes whirling at high speed in the torrents of polar wind would tap an Energy supplì far greater than that created by the 6,000 tons of water which rush over the brink of Niagara Falss every second. With this tremendous supplì of electric power available, it may be possible to push the frontier of civilization far down into the antarctic area to recover the vast mineral wealth believed to exist in the mountains of the south polar region, much as the large mineral resources of arctic Lapland, which had been untouched by man for ages, are today being tapped for their wealth by the abundant electric power produced by her icy rivers.” – Popular Science Monthly, Settembre 1935, p. 34).
6. Turbina a vento “Smith-Putnam” – Stati Uniti, luglio 1941
L’avevo già citata poco sopra: nel 1930 l’ingegnere americano Palmer Putnam collaborò con la General Electric e la Vermont Public Service Corporation per lo studio e la progettazione di una turbina a vento sperimentale. La Stephen Morgan Smith Company accettò di produrre la macchina, che finì per diventare la prima turbina eolica-megawatt al mondo: un siluro a pale di ventilatore nel rustico Vermont. La turbina utilizzava un generatore sincrono fornito dalla General Electric, in grado di produrre effettivamente 2.400 volt/60 cicli. Dopo la sua costruzione ascrivibile alla fine del 1941, la Turbina Eolica Smith-Putnam lavorò per un totale di 1100 ore prima che una delle sue lame smettesse di funzionare, e fu smantellata nel 1946, ovvero quando la società patrocinante il progetto, la suddetta Morgan-Smith, ne valutò la scarsa redditività in rapporto ai costi di manutenzione e uso.
7. Il potere energetico delle maree – Francia, giugno 1965
Negli ultimi decenni gli ingegneri hanno lottato per sviluppare una tecnologia in grado di convertire in modo efficiente l’energia delle maree in elettricità. Dopo 40 anni di studi, prototipi e progettazione, la Rance Tidal Power Station, situata in Bretagna sulla foce del fiume Rance, ha aperto nel 1966 la prima struttura al mondo in grado di sfruttare l’energia delle maree. Da subito, fin dal momento della loro costruzione, le due dighe hanno contribuito notevolmente alla creazione di un nuovo equilibrio ecologico, con una grande varietà di pesci, uccelli ed altri animali selvatici. Oggi l’impianto di Rance genera 240 megawatt grazie alle sue 24 turbine ed è in grado di soddisfare lo 0,012 per cento del fabbisogno di energia elettrica dell’intera Francia.
8. L’energia prodotta dall’acqua del mare – USA, marzo 1971
“Come fanno a pompare energia dall’acqua del mare?”. La Costruzione di un impianto che sfrutta l’energia generata delle maree è spesso più facile a dirsi che a farsi. Così O.A. Roels e Robert Gerard, ricercatori delLamont-Doherty Geological Observatory (oggi Earth Observatory) presso la Columbia University, hanno ideato una macchina che utilizza il vento caldo e l’acqua del mare per riscaldare una caldaia a fluorocarbonio refrigerante, che si riduce a circa temperatura ambiente. Il vapore prodotto e in ascesa dal refrigerante, fa girare il generatore a turbina, mentre l’acqua fredda pompata da un fondale di 2.500 piedi, rimette in circolo nuovamente il vapore facendolo tornare così allo stato liquido. Il processo potrebbe generare energia sufficiente a soddisfare il fabbisogno di una “piccola comunità”. Roels e Gerard avevano in mente di costruire il loro impianto al largo di St. Croix ma il progetto non si è di fatto mai spinto oltre la fase di pianificazione.
9. Energia geotermica/Geotermia – 1970/1971
La Terra può contenere abbondanti risorse geotermiche, ma il loro processo di ottenimento e la loro conversione in energia elettrica possono risultare impegnativi e costosi. È nei primi anni Settanta (1970) che gli scienziati – italiani (presso Larderello, PI), americani (California) e neozelandesi in primis (la provenienza è di facile lettura per la conformazione del suolo delle regioni in cui hanno operato) hanno iniziato a studiare i depositi di acqua calda e di Hot Dry Rock come fonti di energia geotermica. Purtroppo come è noto, l’alta concentrazione di sali in molti serbatoi naturali può facilmente corrodere le macchine, rendendole a lungo inutilizzabili. Il disegno che segue e che illustra il funzionamento di una delle prime centrali anni ’70, studiata dai ricercatori del Lawrence Livermore Laboratory e circa il possibile metodo di produzione di energia elettrica anche in caso di concentrazioni elevatissime di sali (come appunto in California), riguarda il meccanismo denominato “total-flow impulse turbine”.
10. Fattorie marine – USA, luglio 1975
“Quando si tratta di energia sostenibile, l’Oceano non è solo una fonte di energia che sfrutta il moto delle maree: secondo il Prof. Richard Bogan, dalla National Science Foundation, le alghe marine giganti potrebbero anche essere utilizzate delle aziende agricole per convertire l’energia dei fotoni solari in carburante pulito (…) Certo bisogna valutare un paio di problemi: in primo luogo, il mare ha un fondale così profondo che le alghe piantate in serie, per quanto “giganti”, non sono in grado di coprire in altezza fino alla superficie; in secondo luogo, una “fattoria aperta ad alghe oceaniche” deve poter galleggiare sulla superficie stessa dell’oceano per poter assorbire al meglio i fotoni solari, ma quella superficie è in gran parte priva di sostanze nutritive” (P.S.M., July 1975, pp. 62-65). Il disegno allegato, anch’esso tratto dalla rivista scientifica americana, spiega il sistema di funzionamento ideato da Harold Wilcox, del Naval Undersea Center di San Diego: “Thousand-acre proof-of-concept kepl farm, conceived by Dr. Harold A. Wilcox and colleagues, would be built in 1982, produce about 400,000 tons of kelp per year for conversion, on site, to fuels, petrochemical products, and feed-stocks for animals. Wave-actuated pump would bring nutrientrich cold water up from 1000-foot depth. Additional food for giant kepl plants transplanted to submerged mesh would be distribuited through farm’s structural members. First experimental kelp farm was installed 60 miles out in Pacific off San Clemente Island in 300 feet of water.” (P.S.M., July 1975, p. 64).
11. Turbina Tornado – USA, gennaio 1977
E infine la “Turbina tornado”, recensita dalla Rivista Americana nel gennaio del 1977: “Ricordate i mulini a vento sui grattacieli newyorkesi dei progetti di Hermann Honnef? Nel 1977, James Yen, ingegnere specializzato in fluidodinamica e associato alla Grumman Aerospace Corp., ha cominciato a studiare le “torri a turbina” situate nel cuore delle grandi metropoli (americane). Teoricamente il suo progetto prevede la conversione dei venti regolari in mini tornado in grado di generare energia elettrica. Eccone il potenziale funzionamento: il vento in arrivo entra nella turbina attraverso delle alette verticali regolabili; le spirali di vento si muovono verso l’interno, la loro velocità aumenta e crea così un vortice a bassa pressione. Contemporaneamente una turbina situata all’interno della torre sposta l’aria che arriva attraverso degli ingressi supplementari disposti alla base della torre. La differenza di pressione tra l’aria che si trova incanalata in basso, ai piedi della torre, e quella nel vortice creato alla sua sommità permette alla turbina per generare elettricità”.
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