Una delle forme energetiche utilizzate per la produzione di elettricità è l'acqua. L'energia idrica fu impiegata in passato per sostituire il lavoro umano e animale, ma con l'avvento dell'era del carbone non è più riuscita ad imporsi, nonostante abbia giocato un ruolo fondamentale attorno alle Alpi in vista della Prima Guerra Mondiale.
Scrive Karl Marx in Miseria della filosofia (1846): "Il mulino a braccia vi darà la società con il signore feudale, e il mulino a vapore la società col capitalista industriale". Nel mezzo c'è l'età mercantile e manifatturiera, ossia l'età del mulino ad acqua.
I mulini idraulici
Sebbene fossero noti già nel I secolo p.e.V. a cinesi ed antichi romani (pare siano comparsi in contemporanea sia in Cina che in Europa), che ne costruirono pochi prediligendo i mulini mossi da animali o uomini, i mulini ad acqua ebbero diffusione sul continente europeo tra il VI e il VII secolo e.V..
Il motivo per cui il mulino idraulico sostituì quello a braccia soltanto durante l'Alto Medioevo è da ricercarsi nella diversità delle strutture produttive romana e medievale: la prima era una società schiavistica con abbondanza di manodopera e quindi dove non c'era necessità di interessarsi a miglioramenti tecnologici per la produzione sociale. Durante il feudalesimo, invece, ci fu bisogno di aumentare le forze produttive, quali conoscenze e mezzi, per sopperire alla scarsità di un'altra forza produttiva: la forza lavoro, cioè gli uomini.
I signori feudali cominciarono così a costruire sulle proprie terre dei mulini ad acqua, che potevano sostituire fino a quaranta uomini, e in cui impiegarono i propri servi nella macinatura del grano (lavoro che fino ad allora la servitù faceva in casa). L'attività si dimostrò così redditizia che si sparse relativamente in fretta in tutta Europa.
Con l'aumento delle produzioni manifatturiere aumentò anche il numero di mulini ad acqua. Così, intorno all'anno mille, il loro impiego non riguardava soltanto la produzione di cereali, ma con la forza scaturita dall'energia idraulica si potevano anche follare i panni (procedimento che aumenta consistenza e compattezza dei tessuti di lana e che prima di quegli anni veniva eseguito da molti uomini come avviene con la pigiatura dell'uva). Verso il 1100 i mulini ad acqua venivano usati nella produzione del ferro, dal 1200 nelle segherie, dal 1270 per la produzione di carta (come a Fabriano nel 1276), mentre successivamente il mulino ad acqua servì per produrre canapa, birra, fil di ferro e lamiere.
Esistevano fondamentalmente due diversi tipi di mulini ad acqua: con asse orizzontale e con asse verticale. I primi erano formati o da una casetta in pietra o legno (mulini fissi), oppure da due imbarcazioni ed una ruota a pale al centro (mulini fluttuanti o galleggianti), ma questi ultimi non ebbero molta diffusione perché dovevano essere ormeggiati a terra e utilizzati su un fiume dalla forte corrente.
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Esempi di mulino ad acqua con asse orizzontale e di mulino ad acqua con asse verticale |
I mulini fissi con asse orizzontale sono quelli tipo "Mulino Bianco", per intenderci, e potevano essere alimentati dall'alto (overshot) o dal basso (undershot). Nell'ultimo caso l'acqua scorreva in un canale (naturale o artificiale che fosse) e la sua energia cinetica spostava le palette della ruota, la quale trasmetteva il movimento all'asse orizzontale e, di conseguenza, si sviluppava energia meccanica. Questo albero motore, grazie a un sistema di ingranaggi, muoveva a sua volta l'albero della macina. Se l'acqua viene fatta cadere dall'alto, invece, è la forza gravitazionale dell'acqua stessa che fa muovere le pale o le cassette della ruota e trasmette energia potenziale a tutto il meccanismo.
I mulini fissi con asse verticale, detti anche "norvegesi" sono quelli più antichi, ma meno performanti perché necessitavano di una corrente d'acqua molto rapida e continua. La ruota era orizzontale e adagiata nel corso di un fiume o di un torrente, così da permettere all'energia cinetica dell'acqua di ruotare le pale e trasmettere la stessa energia all'albero per il movimento rotatorio del disco mobile della macina.
Fine di un'era
Nel Quattrocento la potenza massima di ciascun mulino raggiunse i 5000 W e, seppure a partire dal Medioevo fino agli inizi dell'Ottocento, molte città sorsero proprio sui fiumi europei e statunitensi, fu la Francia la Nazione che ne usufruì di più, appunto perché la più ricca d'acqua, con ben 700 mila chilometri di fiumi. Nel 1800 questa regione aveva una potenza di mulini idraulici pari a 200 mila Cavalli Vapore (1 CV = 735 Watt), salita a 400 mila nel 1860 per poi toccare il picco nel 1899 con 575 mila CV.
La macchina a vapore del 1759 dovette superare i 5000 W per soppiantare il mulino ad acqua. Questo fu possibile grazie ai miglioramenti tecnologici e allo sviluppo della termodinamica verso il 1850, ossia un secolo dopo la creazione di James Watt (1736-1819). La potenza della macchina a vapore superò quella del mulino ad acqua di 200 volte: la potenza di un singolo macchinario, adesso, era di 1 milione di W anziché 5 mila.
Fu così che il carbone prese il posto dell'acqua, e il capitalismo mercantile divenne capitalismo industriale.
Acqua ed elettricità
Se analizziamo i dati sulle fonti energetiche in Francia tra il 1840 e il 1890 è palese l'enorme aumento di utilizzo di carbone per la produzione di energia, dovuto alla diffusione della macchina a vapore nelle industrie. Nella tabella, inoltre, si può notare come il petrolio cominci lentamente a farsi strada per poi vederne incrementata la produzione a inizio del Novecento (vedi storia della Standard Oil).
Nel 1822 il chimico inglese Michael Faraday (1791-1867) pose una delle basi nel campo dell'elettricità facendo ruotare un circuito elettrico attorno a un magnete. Nove anni dopo scoprì il principio del trasformatore e riuscì a produrre energia elettrica facendo ruotare un disco di rame fra i poli di un magnete. Poi fu la volta dell'americano Thomas Alva Edison (1847-1931) e della lampadina ad incandescenza, la cui diffusione diede il via all'era dell'elettrificazione.
L'acqua giocò un altro ruolo importante alla fine del secolo XIX, perché permise di produrre elettricità trasformando l'energia potenziale gravitazionale di laghi e fiumi in energia cinetica grazie al sistema delle dighe che sfrutta lo stesso principio dei mulini orizzontali overshot.
All'avanguardia nello sfruttamento dell'energia idroelettrica furono l'Italia, la Francia e la Svizzera grazie alle Alpi, e gli Stati Uniti d'America con i loro grandi laghi e fiumi. La prima centrale idroelettrica importante, con una potenza di 1 MW (ossia 1 milione di Watt) fu costruita in Svizzera, a Vevey-Montreux, nel 1887. Cinque anni più tardi fu la volta della centrale di Tivoli, presso Roma, che raggiunse 1.8 MW. Dal canto loro gli Stati Uniti, nel loro gigantismo, si cimentarono nell'edificazione di un grandioso progetto di produzione di energia idroelettrica: era il 1895 e le Cascate del Niagara avevano la loro centrale da 37 MW, in sostituzione di un vecchio mulino ad acqua. Curiosamente, quando fu approvato il progetto della diga nel 1886, la compagnia addetta ai lavori (la Westinghouse Electric Company dell'ingegnere americano George Westinghouse, sostenitore della corrente alternata del suo amico Nikola Tesla) non aveva ancora deciso come utilizzare l'energia elettrica ottenuta sfruttando la forza di caduta dell'acqua nella cascata.
Le centrali idroelettriche
Una centrale idroelettrica può essere di tre tipi: a bacino, ad accumulazione o ad acqua fluente.
In una centrale a bacino, la diga ferma l'acqua di un fiume e crea un lago artificiale; dalla diga partono dei condotti idraulici che, forzando il percorso dell'acqua, portano a delle turbine che generano elettricità.
Anche nella centrale ad accumulazione il meccanismo è il medesimo, solo che c'è un lago artificiale anche a valle dell'impianto da cui, di notte, viene pompata acqua verso il serbatoio a monte.
Gli impianti ad acqua fluente, invece, sfruttano la forza di gravitazione dell'acqua ma senza diga di sbarramento. L'acqua arriva da un'altezza superiore da quella in cui ci sono le turbine collegate all'alternatore e questa altezza è detta salto. Tuttavia, queste centrali non hanno bisogno di un lago artificiale, pertanto vengono costruite in un fiume con acqua corrente.
La centrale idroelettrica oggi più produttiva è la Three Gorges Dam, sul fiume cinese Yangtze (Fiume Azzurro). Questo impianto, costato circa 180 miliardi di yuan (20 mld di euro), è stato terminato nel 2008, ha una capacità di 22.5 GW, e produce ogni anno 80 TWh (terawattora).
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| La Three Gorges Dam (Diga delle Tre Gole) vista dall'alto |
In Italia molti ricordano il disastro del Vajont del 9 ottobre 1963, una tragedia prevista e annunciata, ma non ascoltata, che ha provocato la distruzione di alcuni paesi nel bellunese e la morte di più di 1900 persone.
Oggi l'idroelettrico pesa minimamente sulla produzione mondiale di energia con il suo 7% sul totale. L'energia idrica è però la principale fonte tra le rinnovabili (63%), sopra all'eolico (23%), alle biomasse (legno 7%, rifiuti 4%), al geotermico (3%) e al solare (meno dell'1%). Il carbone rimane la prima fonte utilizzata (42%), seguita da gas naturale (25%), nucleare (19%) e petrolio (1%).
L'Italia nel 2010 ha prodotto 50 TWh di energia elettrica (erano 6 in più rispetto al 2011) da quella idrica su un totale di 283 TWh, e ne ha consumato 1 per il pompaggio nelle centrali ad accumulazione.
