Human

Questioni di batteria, Dr. Frankenstein!

 By Francesco Gattei

Dall’articolo “Il nuovo Frankenstein e i limiti di batteria” di We World Energy magazine n.41

L’intuizione dell’elettricità anima fantasie scientifiche e letterarie da tempo immemorabile, ma ancora oggi le prospettive di piena elettrificazione dei consumi si scontrano con l’intermittenza delle nuove fonti e la debolezza dei sistemi di stoccaggio di energia…

“Si può fare! Si… Può… fare!!!” L’esperimento del Dott. Frederick in Frankenstein Junior nella libera reinterpretazione del romanzo di Mary Shelley è un simbolo della straordinaria capacità salvifica dell’elettricità. Mary, appena 19enne, era rimasta affascinata dagli studi e dagli esperimenti che stavano proliferando in tutta Europa attorno a un fenomeno conosciuto fin dai tempi dei greci. Che esistesse un flusso naturale di energia elettrica era noto anche a Talete e ai primi filosofi che diedero il nome elektron (ἤλεκτρον) all’ambra, per le proprietà di questa resina di elettrizzarsi ed attrarre altri materiali se strofinata. Ma catturare e utilizzare questo flusso era un’altra cosa. E passarono secoli. Dopo le corse con gli aquiloni sotto i temporali di Benjamin Franklin, eclettico inventore delle lenti bifocali, delle pinne, dell’ora legale e, nel tempo libero, padre costituente degli Stati Uniti d’America, le attenzioni si spostarono dalla elettricità dei fulmini a quella animale. Nessuno riusciva però a capire che cosa fosse questo flusso e, soprattutto, a che cosa servisse. L’Università di Bologna divenne per qualche decade il MIT di quel periodo. Le rane di Galvani furono il primo passo per esperimenti sempre più raccapriccianti. Convinti che la vita fosse un fluido elettrico alcuni studiosi cominciarono a elettrificare i cadaveri con l’idea che potessero resuscitare. Il nipote di Galvani, Giovanni Aldini, trasformò gli esperimenti in show. Le difficoltà nel trovare corpi integri dal collo in su durante la rivoluzione francese lo fece migrare a Londra dove faceva sobbalzare il cuore degli spettatori che vedevano assassini seriali riaprire gli occhi o agitarsi in convulsioni. A volte lo shock era tale che, al de cuius – cavia (che purtroppo, o per fortuna, tornava cadavere terminato lo stimolo elettrico) si aggiungeva qualche povero spettatore incapace di reggere lo spettacolo.

energia-elettrica-limiti-batterie
Giovanni Aldini, noto soprattutto per aver ispirato a Mary Shelley il personaggio di Victor Frankenstein, si dedicò allo studio delle applicazioni mediche dell’elettricità (GM blog)

Prometeo tra campi elettrici e magnetici

Ma torniamo a Mary. Nel giugno 1816 la futura signora Shelley si trovava a Villa Diodati, vicino a Ginevra con la compagnia stimolante di Lord Byron, Percy Shelley, e del dottore John Polidori. Come in tutte le storie di fantasmi che si rispettino, era una notte buia e tempestosa nell’estate più fredda degli ultimi secoli (il 1816 fu “l’anno senza estate” per gli effetti delle polveri dell’eruzione del vulcano Tambora in Indonesia che aveva alterato il ciclo delle stagioni). Alla giovane scrittrice tornarono certamente in mente gli esperimenti di Aldini quando decise di dare vita letteraria a Frankenstein, il “Prometeo moderno” (meno chiara l’ispirazione del secondo “mostro” nato quella sera, il vampiro del dottor Polidori, nella gara di storie gotiche che si instaurò tra i presenti). La vera natura e il grande potenziale del flusso elettrico tuttavia continuò a rimanere oscuro anche ai letterati ospiti di Villa Diodati. E ci vollero altri 100 anni per capirli appieno. I fulmini o i cadaveri danzanti non erano espressione di un fluido vitale ma della capacità della materia di scambiare elettroni. Sotto determinate condizioni i materiali a carica negativa (con elettroni in eccesso) e a carica positiva (in deficit) si scambiano queste minuscole particelle generando un campo elettrico. La variazione di questo campo a sua volta ne genera anche uno magnetico, in un gemellaggio tra elettricità e magnetismo che spiega bene perché i capelli o certi tessuti possano improvvisamente rizzarsi e attirare piccoli oggetti metallici. Gli esperimenti di Michael Faraday, a metà ’800, attestarono questa stretta relazione gettando le basi di tutti gli alternatori, dinamo e motori che oggi usiamo per convertire, tramite l’utilizzo di un magnete, energia meccanica (prodotta da vento, fonti fossili, acqua) in elettricità. “Si può fare…!”. Come 200 anni fa anche oggi le aspettative sull’elettricità sono enormi: i nuovi Frederick Frankenstein ambiscono a rivoluzionare il mondo dell’energia, elettrificando quasi interamente i consumi ed espandendo il ruolo delle fonti rinnovabili a coprire l’intera generazione elettrica. È un esperimento ambizioso che per avere successo, dovrà superare due sfide:

  • l’elettrificazione dei consumi finali;
  • dare continuità alla produzione di energia eolica e solare.

E la chiave di volta del successo, è, come vedremo, una ed una sola. Concentriamoci sulla prima sfida: elettrificare la domanda vuol dire affrancare i consumi dal processo di combustione. Rompere i legami delle molecole con la combustione, liberando energia in forma di calore o luce, è la forma primaria di consumo su cui si è costruito il mondo antico, con legna e biomassa naturale, e quello moderno, con i combustibili fossili (carbone, petrolio e gas). Oggi la combustione di molecole fossili copre l’80 % dei consumi primari di energia. In questi consumi comprendiamo non solo gli usi finali ma anche quanto avviene a monte per generare energia, le perdite di processo e il trasporto energetico. Dei consumi primari, un ulteriore 10 % è la combustione di biomasse nei paesi più poveri, residuo inquinante e pericoloso della vita preindustriale. La parte rimanente dei consumi di energia è tutta la elettricità non prodotta con la combustione fossile cioè quella che deriva dalla fissione dell’atomo, dalla caduta dell’acqua, dalla geotermia ed una quota marginale (solo l’1 %) da solare ed eolico.

energia-elettrica-limiti-batterie
Tra il 1827 e il 1860 alla Royal Institution di Londra, Michael Faraday sostenne una serie di diciannove conferenze il giorno di Natale dedicate a bambini e ragazzi, una tradizione che continua ancora oggi (Alexander Blaikley, Wikimedia)

Una rivoluzione sotto l’insegna dell’elettrone

Insomma, oggi il rapporto tra molecole ed elettroni nei consumi totali di energia è 9-1. Ma cosa succede a valle, a livello di consumo finale? Nel dettaglio delle diverse modalità di uso finale, dalle molecole si genera oggi:

  • il 99 % del fabbisogno di trasporto terrestre, marino ed aereo;
  • il 100 % dei consumi delle attività di costruzione o di feedstock industriale (es. il petrolio nella petrolchimica);
  • il 60-65 % degli usi domestici e di quelli industriali (la rimanente quota è elettrificata).

Non solo molti usi finali prevedono direttamente la combustione ma anche gran parte dell’elettricità (l’80 %) è a sua volta prodotta bruciando fossili (va ricordato che l’elettricità è una fonte secondaria di energia, cioè viene generata comunque da altre fonti). Il rebus tecnologico per una piena elettrificazione è quindi nella trasformazione degli strumenti che utilizziamo. Infatti il valore dell’energia non è altro che la capacità di compiere azioni quali il trasportare (persone o cose), riscaldare, illuminare, comunicare, costruire nuovi oggetti e materiali. E farlo con la massima efficienza possibile, nel momento in cui desideriamo, e con minore impatto per l’ambiente. Ogni azione ha fabbisogni energetici diversi per durata e intensità e può realizzarsi solo grazie agli strumenti che la tecnologia ci offre. Per questo la rivoluzione energetica è in realtà la rivoluzione tecnologica che ci consentirà di compiere gli stessi gesti (o nuove azioni) con strumenti diversi da quelli che abbiamo usato finora. Se guardiamo alla rivoluzione tecnologica e alla sfida tra elettroni e molecole negli usi finali, tanti importanti cambiamenti sono avvenuti nell’ultimo secolo. Oggi nei paesi più ricchi nessuno illumina gli ambienti o le strade con il gas, le lampade ad olio (o gli spermaceti di balena), le candele (se non in occasioni romantiche) o il fuoco. E si possono riscaldare case attraverso l’elettricità. I bollitori e i forni elettrici, i fornelli ad induzione o i micro-onde confermano che gli elettroni possono essere un buon ingrediente in cucina. Esistono ancora sacche di resistenza (la pizza richiede ancora il forno a legna) ma lo spiazzamento è ampiamente avviato. Un’ulteriore area di consumo dove gli elettroni hanno battuto (e di gran lunga) le molecole è la comunicazione: Tv, telefoni, radio sono decisamente più versatili dei segnali di fumo o dei fuochi (nell’Orestea la caduta di Troia è annunciata da una sequenza di fiaccole lungo le pendici delle montagne… troppo complesso seguire un match di tennis con questi mezzi). Nella loro straordinaria maratona gli elettroni hanno sostituito anche altre fonti come i muscoli umani nelle fatiche domestiche (lavatrice, lavastoviglie, aspirapolvere, ad esempio). E sono leader nel ciclo del freddo (frigoriferi e condizionatori) dove le molecole non funzionano. Infine, i motori elettrici sono diffusissimi nell’industria dove per secoli uomini, animali e molecole sono stati la fonte dominante. Ma se arriviamo al computo totale negli usi finali di energia solo il 20 % dei consumi sono oggi coperti da elettricità. E il tasso di elettrificazione dei consumi era del 10 % nel 1970. In 50 anni la elettrificazione dei consumi finali è progredita ad una media annuale dello 0,2 %. Siamo ben lontani dalle dimensioni e dalla velocità di una rapida trasformazione.

Nonna Papera e il problema del cocomero

In particolare è evidente il gap nel trasporto, oggi appannaggio quasi totale della combustione delle fonti fossili. Nel trasporto urbano un primo tentativo di spiazzamento tra elettroni e molecole avvenne già un centinaio di anni fa, ma dopo un iniziale vantaggio (l’accensione più facile, la percorrenza simile alle auto alternative, la maggiore pulizia), la gara fu persa nei successivi sviluppi tecnologici dei motori a combustione interna. È incredibile pensare che mentre oggi Elon Musk è sulla frontiera tecnologica, solo 100 anni fa Nonna Papera guidava obsoleti modelli di Detroit Electric mentre gli altri personaggi erano alla guida di roboanti auto a benzina, simbolo di modernità e progresso. Il perché del dominio fossile nel trasporto è questione di densità energetica (cioè la quantità di energia contenuta per unità di peso o massa). Trasportare vuol dire muovere uomini e merci, un motore, la carrozzeria, e una certa quantità di carburante stoccato. E qui si determina il successo dei fossili. Le fonti fossili hanno densità di 35 MJ/kg (il carbone) o 45 MJ/Kg (il petrolio). Le batterie, cioè la forma di stoccaggio dell’elettricità, hanno una densità di 0,5-0,7 MJ/kg. Insomma per portare la stessa quantità stoccata di energia elettrica occorre dedicare un peso di 100 volte superiore a quello di un combustibile fossile. Ecco perché non si vola o galleggia con motori elettrici e perché le auto elettriche pesano dal 20 % al 30 % in più delle loro concorrenti di serie e assicurano una percorrenza del 70 %-80 % inferiore. È come se decidessimo di andare a fare una passeggiata in montagna e dovessimo scegliere come snack per rifocillarci un cocomero (oggi la batteria) o una barretta di cioccolato energizzante (la tanica di benzina). Nel primo caso la passeggiata sarebbe inevitabilmente più breve. Fino a quando non si aumenterà la densità energetica delle batterie, l’uso delle auto elettriche resterà quindi limitato a un pendolarismo che richiede tragitti brevi e ricariche frequenti. Ulteriori limiti al consumo elettrico si hanno nei processi industriali ad altissime temperature o in quelli che sfruttano i componenti molecolari del combustibile per produrre materiali (petrolchimica). Su questi consumi (30 % del totale) il percorso di spiazzamento con elettroni è impossibile.

energia-elettrica-limiti-batterie
Elon Musk e la sua auto elettrica Tesla modello S (Maurizio Pesce, flickr)

Un mondo a sangue caldo che teme le nuvole

La seconda sfida è l’intermittenza. Un interruttore, l’acceleratore o una cloche ci assicurano la quantità di energia che ci serve al momento del bisogno. Per le fonti intermittenti (solare ed eolico) invece, occorre avere le condizioni ambientali adatte per avere l’energia necessaria. Non siamo noi a decidere quando poter consumare ma è la meteorologia a dettare i tempi e le quantità disponibili. Oggi le fonti intermittenti hanno un livello di funzionamento medio del 20-25 %. In un mondo interamente eolico o solare, per oltre 2/3 del tempo se spingessimo l’interruttore non succederebbe nulla. Essere intermittenti è un po’ come la vita degli animali a sangue freddo, che hanno un metabolismo ridotto, condizionato dall’ambiente esterno. Se non ci sono le condizioni ideali riducono tutte le attività, dal battito cardiaco al movimento. E aspettano il sole per la ricarica. E non a caso le scaglie dei rettili funzionano come celle fotovoltaiche per incamerare calore. Al contrario, gli animali a sangue caldo traggono lo stock di energia dal loro elevato metabolismo. Sono più complessi (l’alimentazione di un cervello sofisticato è incompatibile con un sistema a sangue freddo), e possono svolgere azioni anche nelle condizioni climatiche meno favorevoli. Viviamo in un mondo a sangue caldo: vogliamo muoverci, produrre, comunicare, a qualunque condizione e in qualunque ora del giorno. Il cervello delle nostre società è troppo evoluto e complesso per rallentare le attività se il vento si ferma o durante la notte. Ancora una volta la soluzione sarà nello stoccaggio: sarà la batteria a fare la differenza, prolungando la disponibilità delle fonti intermittenti e rendendola compatibile con l’esigenza – continua – di un mondo a sangue caldo.  In conclusione, il “si può fare” dei moderni dottor Frankenstein per ora può attendere. Abbiamo necessità di espandere di 100 volte la densità energetica delle batterie per sognare una elettrificazione diffusa e dare continuità alle fonti intermittenti. L’ingegno umano supererà anche queste sfide, ma la rotta tecnologica ha i suoi tempi, i suoi progressi e i suoi fallimenti. Ci sono voluti più di 2000 anni per capire l’elettricità. E meno di 200 per cominciare a generarla e ad usarla. Qualche decade dovremo pure investirla per imparare a stoccarla efficientemente.

LEGGI ANCHE: Le super batterie che conservano l’energia di Mike Scott

informazioni sull'autore
Francesco Gattei