U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano

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2 Le centrali elettriche, sono costituite da sistemi di conversione che trasformano una FORMA di ENERGIA (TERMICA, CINETICA, MECCANICA,...) in ENERGIA ELETTRICA. Le macchine che operano queste trasformazioni sono: 1. TURBINA 2. ALTERNATORE O DINAMO 3. TRASFORMATORE A seconda della FONTE di energia di partenza possiamo distinguere le seguenti centrali: CENTRALE TERMOELETTRICA CENTRALE IDROELETTRICA CENTRALE GEOTERMICA CENTRALE EOLICA CENTRALE SOLARE CENTRALE A BIOGAS E TERMOVALORIZZATORI CENTRALE NUCLEARE

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4 TERMOELETTRICA Dal carbone, petrolio e metano, attraverso il processo chimico della combustione, si ottiene energia termica che scalda l acqua contenuta in una caldaia. L acqua evaporando trasforma questa energia in energia cinetica (vapore surriscaldato 450 C) che viene usata per far muovere le pale di una turbina trasformandosi in energia meccanica (movimento circolare di un asse). Questo movimento grazie ad altre macchine (dinamo; alternatore) collegate all asse della turbina si trasforma in energia elettrica. ENERGIA CHIMICA ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA Per quanto riguarda il rendimento di tali centrali, circa il 40% dell energia contenuta nel combustibile viene trasformato in elettricità; il restante 60% viene perso nelle conversioni di energia da chimica a termica, a meccanica, a elettrica. Vai sul sito:

5 TERMOELETTRICA I primi esempi di turbina furono i i mulini a vento. La turbina è costituita da: una parte fissa statore, una parte mobile, girante o rotore. Il fluido in movimento (vapore, acqua) agisce sulla palettatura della parte mobile, mettendola in rotazione e quindi cedendo energia meccanica al rotore.

6 TERMOELETTRICA L asse in uscita dalla turbina, mette in movimento rotatorio la bobina dell ALTERNATORE che così genera CORRENTE ALTERNATA. Il vapore che esce dalla turbina viene riportato allo stato liquido nel condensatore e ri-pompato nella caldaia. Il camino provvede ad espellere nell'atmosfera i fumi della combustione. Esistono diversi tipi di Turbine: 1. PELTON Turbina a AZIONE 2. FRANCIS Turbina a REAZIONE 3. KAPLAN Turbina a REAZIONE

7 TERMOELETTRICA 1. FRANCIS Portate e salti intermedi 2. KAPLAN Grandi portate (superiori a 300 mc/s) e piccoli salti (dai 2 ai 20m) 3. PELTON Piccole portate e grandi salti (dai 400m ai 2.000m) KAPLAN PELTON FRANCIS

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9 IDROELETTRICA L acqua che si trova ad un certo dislivello possiede energia potenziale. ENERGIA POTENZIALE ENERGIA CINETICA Nella sua discesa questa energia si converte in energia cinetica che viene usata per far muovere delle pale (turbina) trasformandosi in energia meccanica. Questo movimento grazie ad altre macchine (dinamo, alternatore) si trasforma in energia elettrica. ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

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11 GEOTERMICA Il VAPOR ACQUEO (T.200 C) che fuoriesce dal sottosuolo energia cinetica. La caldaia che produce vapore è un serbatoio naturale geotermico, situato al di sotto della crosta terrestre. Il vapore portato in superficie per mezzo di trivellazioni più o meno profonde, viene convogliato in tubazioni, chiamate vapordotti. Questo vapore viene usato per far muovere le turbina, trasformandosi in energia meccanica. Questo movimento grazie ad alternatori si trasforma in energia elettrica. ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA L Italia è stato il primo paese al mondo a sfruttare l energia geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato nel 1913 a Larderello. Attualmente sono attive centrali geotermiche a Larderello, Travale e Monte Amiata (in Toscana) e forniscono attualmente circa l 1,5% della produzione totale dell energia elettrica nazionale.

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13 EOLICA L'energia eolica posseduta dal VENTO (energia cinetica), incide sulle pale di una girante mettendole in movimento (energia meccanica). Questo movimento grazie ad alternatori si trasforma in energia elettrica. Questo è possibile grazie a aerogeneratori, che altro non sono che l'evoluzione tecnologica dei mulini a vento. Più aerogeneratori costituiscono un impianto eolico. ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

14 SPECCHI SERBATOIO TURBINA ALTERNATORE IMPIANTO IN CALIFORNIA

15 SOLARE Gli specchi vengono puntati verso un serbatoio posto alla sommità di una torre. La luce concentrata dagli specchi fa evaporare il liquido contenuto nel serbatoio (caldaia) che inviato alla turbina e all alternatore per generare energia elettrica. Consente di raggiungere temperature alte e quindi consente di utilizzare come liquido altri elementi oltre all'acqua innalzando l'efficienza complessiva del sistema. Gli impianti più moderni prevedono di stoccare il fluido ad alta temperatura in appositi serbatoi isolati, che permettono di far funzionare le turbine durante la notte, in alcuni casi con una autonomia di alcuni giorni in caso di cattivo tempo. Questi impianti hanno comunque la possibilità di essere alimentati anche a gas nel caso le condizioni sfavorevoli perdurino. ENERGIA SOLARE ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA Da ogni m 2 di specchi in un anno si ricava l equivalente in energia di un barile di petrolio

16 SOLARE ENERGIA SOLARE ENERGIA ELETTRICA Questo tipo di centrale elettrica utilizza dei moduli fotovoltaici per convertire direttamente la luce solare in energia elettrica tramite l'effetto fotovoltaico. E quindi è differente da qualunque altra centrale perché non utilizza il gruppo turbina-alternatore

17 SOLARE La centrale fotovoltaica è costituita da un insieme di pannelli detti celle solari o celle fotovoltaiche. In esse è presente un particolare elemento, il silicio che, opportunamente trattato, ha la capacità di generare direttamente energia elettrica quando viene colpito dalla radiazione solare. La cella fotovoltaica si presenta come un cerchio di 10 cm di diametro e viene affiancata a numerose altre, fino a ottenere la quantità di elettricità richiesta.

18 SOLARE SVANTAGGI: dipendente dalle condizioni atmosferiche come la presenza di nubi o pioggia. necessità di grandi superfici rispetto ad altri tipi di centrali, a parità di produzione. VANTAGGI: non ci sono emissioni inquinanti o di gas serra la fonte energetica è assicurata per miliardi di anni e gratuita, mentre i prezzi di combustibili fossili e uranio sono variabili e presumibilmente destinati ad un andamento crescente col ridursi delle riserve totali e il progressivo esaurimento di quelle economicamente e tecnicamente più convenienti da sfruttare. lo sfruttamento dell'energia solare è libero, non intermediato e prescinde dall'instaurazione e dal mantenimento di rapporti commerciali o dalla stabilità delle relazioni internazionali, non si producono come nel caso del nucleare scorie per il cui smaltimento non sono disponibili siti adatti, il processo produttivo è relativamente semplice e privo di rischi legati a errori umani o malfunzionamenti, non esistono parti in movimento. la centrale è intrinsecamente innocua per gli abitanti nei dintorni, né si presta a attentati terroristici. Anche il fattore costo, attualmente ancora non competitivo (sebbene in calo), se riveduto con quello che è il costo ambientale delle fonti fossili, (tensioni geopolitiche, inquinamento, effetto serra, cambiamento climatico), può essere riconsiderato e valutato sulla base degli scenari futuri, inoltre i costi di manutenzione sono ridotti al minimo.

19 SOLARE Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di apparecchiature che consentono di trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica. Da oggi è possibile trasformare la propria abitazione in una piccola centrale elettrica. La soluzione è installare sul tetto o a terra un impianto fotovoltaico. Gli impianti per la produzione di energia elettrica casalinga mediante tecnologia fotovoltaica presentano diversi vantaggi, tra i quali i più significativi sono: assenza di qualsiasi tipo di emissioni inquinanti; risparmio dei combustibili fossili; estrema affidabilità poiché non esistono parti in movimento (vita utile superiore a 25 anni); costi di manutenzione ridotti al minimo; modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli). ENERGIA SOLARE ENERGIA ELETTRICA

20 SOLARE Le funzioni dei dispositivi mostrati sono le seguenti: i moduli fotovoltaici, elemento essenziale dell'impianto, captano la radiazione solare durante il giorno e la trasformano in energia elettrica in corrente continua; i pannelli più diffusi sono rettangolari (superficie 1-1,5 mq e peso kg), le celle sono protette da un vetro molto resistente e trasparente e hanno una potenza fra i 90 e i 300 Wp (watt di pico); l inverter, dispositivo elettronico che trasforma l'energia elettrica da corrente continua a corrente alternata (frequenza 50Hz) rendendola idonea alle esigenze delle comuni apparecchiature elettriche (lampade, elettrodomestici, alimentatori, computer...); misuratori di energia, sono dispositivi che servono a controllare e contabilizzare la quantità di energia elettrica prodotta e scambiata con la rete.

21 SOLARE Un impianto fotovoltaico deve essere installato con le superfici dei pannelli esposte a SUD, accettata anche SUD-EST, SUD-OVEST. I pannelli essere collocati su tetto, sulla facciata o a terra. Per quanto riguarda l'inclinazione dei pannelli, l'inclinazione di rispetto al piano è quella che in Italia permette di avere la massima produzione annua di energia. Tra le varie soluzioni che il Cliente può scegliere per installare un impianto fotovoltaico, la scelta dell'integrazione architettonica nell'edificio deputato ad accogliere l'impianto permette di ottenere un aumento dell'incentivo statale in conto energia, oltre ad un gradevole effetto estetico. Durata vita impianto: anni. Costo euro a kwp, quindi per un impianto da 3 kwp a tetto il costo sarà euro (+iva 10%). Per l istallazione ci sono INCENTIVI erogati dallo Stato, Regione o Province. (vedi: )

22 SOLARE Per la produzione combinata di acqua calda per usi igenico-sanitari e per il riscaldamento degli ambienti (per esempio attraverso gli impianti a bassa temperatura sottopavimento). Si tratta di soluzioni integrate (collettore + serbatoio) per la produzione di acqua calda. La circolazione del fluido, che raccoglie l energia solare, avviene naturalmente per effetto del suo riscaldamento all interno del collettore. Rappresentano un ottima soluzione in termini di economicità e semplicità installativa per abitazioni monofamiliari (2-5 persone). Serbatoio da 150 litri con 1 collettore, adatto ad un nucleo familiare di 2-3 persone Serbatoio da 300 litri con 3 collettori idoneo a coprire il fabbisogno di un nucleo familiare di 5-6 persone.

23 SOLARE I pannelli solari hanno al loro interno dei tubi entro i quali scorre un liquido (acqua + antigelo) che quando è esposto al sole si scalda, diventa leggero, sale fino ad entrare nel serbatoio (posto in posizione orizzontale sopra i pannelli) qui il liquido cede il calore proveniente dal Sole all acqua contenuta nel serbatoio stesso. L acqua, scaldata dal liquido proveniente dai pannelli entra quindi nell impianto di distribuzione dell acqua sanitaria di casa.

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25 NUCLEARE Il principio di funzionamento delle centrali nucleari é simile a quello delle centrali termoelettriche. Ma l energia termica che scalda l acqua contenuta in una caldaia si realizza nel REATTORE NUCLEARE. Nel reattore viene inserito il combustibile nucleare: cilindretti di uranio. Quindi viene innescato il processo di fissione nucleare controllato che produce il calore necessario a scaldare l'acqua e trasformarla in vapore ad alta pressione. Il vapore viene convogliato sulla turbina che ruotando trasmette la sua energia meccanica all'alternatore che a sua volta la trasforma in energia elettrica grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica. ENERGIA NUCLEARE ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

26 NUCLEARE Il reattore è inserito in un cilindro d'acciaio inossidabile posto all'interno di un contenitore in cemento armato dello spessore di almeno un metro. Anche l'edifico che contiene il reattore é fatto di una solida struttura in cemento armato. In Italia esistevano quattro centrali nucleari, ma a seguito del referendum del 1987 hanno cessato la loro attività.

27 NUCLEARE La fissione nucleare si ottiene bombardando con neutroni i nuclei di uranio 235 o di plutonio-239. In seguito alla scissione di un nucleo, si liberano alcuni neutroni, che, a loro volta, bombardano altri nuclei, e così via, la reazione, una volta innescata, si propaga autonomamente; e ciò avviene tanto rapidamente da causare un'esplosione. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata sottraendo i neutroni in eccesso, in modo da poter immagazzinare l'energia liberata. Purtroppo questa grande fonte di energia se non controllata può causare grossi danni alla salute dell uomo. Vedi : Incidente alla centrale di CERNOBYL del 26 aprile 1986 ( di Chernobyl) Vedi: bomba atomica 6 agosto 1945 su Hiroshima che causò la morte immediata di persone e di negli anni successivi per effetto delle radiazioni. atomico di Hiroshima e Nagasaki Inoltre le scorie che restano alla fine del processo devono essere SMALTITE in luoghi sicuri, poiché restano radioattive per molti anni e hanno effetti teratogeni (tumori).

28 NUCLEARE PERICOLO RADIAZIONI 1.Le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive sono infatti estremamente pericolose. 2.Durante la reazione di fissione si accumulano prodotti di scarto che periodicamente devono essere eliminati dette SCORIE. Le scorie radioattive costituiscono il problema vero della fissione in quanto sono molto pericolose per gli esseri viventi e per l'ambiente, perché rimangono radioattive per decine di migliaia di anni. Emettono radiazioni gamma che sono altamente pericolose perché sono molto penetranti e possono danneggiare direttamente il nucleo delle cellule provocando tumori spesso localizzati a livello della ghiandola tiroidea. Non sono ancora stati trovati metodi sicuri per rendere queste scorie innocue e luoghi adatti per smaltirle e conservarle in modo che non inquinino.

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30 BIOGAS Il processo attraverso il quale la centrale produce energia si basa su una prima fase, di digestione anaerobica, nel corso della quale, gran parte della biomassa introdotta nel fermentatore, liquami. zootecnici di origine bovina, suina e avicunicola, oppure biomasse vegetali, come girasole, sorgo da fibra, e scarti di colture arboree, subiscono un processo di decomposizione attuato da ceppi batterici specializzati, che dura circa 45 giorni, alla temperatura di 55 gradi e si trasformano in metano (CH4). Il biogas prodotto, dopo una successiva combustione, si trasforma in energia termica ed elettrica. ENERGIA CHIMICA ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

31 BIOGAS Il risultato complessivo è la produzione di energia pulita che, a differenza di quella prodotta da idrocarburi fossili, consente di neutralizzare l immissione di quantitativi aggiuntivi di anidride carbonica nell atmosfera. Il biogas è infatti composto per circa il 55% da metano, per il 35% da anidride carbonica e per la restante parte da vapore acqueo e gas traccia. L anidride carbonica derivante dalla combustione del biogas è quella precedentemente fissata nella biomassa a seguito del processo di fotosintesi naturale e, quindi, l effetto serra dell impianto è nullo.

32 ENERGIA CHIMICA ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

33 TERMOVALORIZZATORE I "termovalorizzatori" sono inceneritori di rifiuti con recupero energetico. Il calore prodotto dalla combustione dei rifiuti viene utilizzato per produrre energia elettrica in maniera analoga a quanto accade nelle centrali termoelettriche, anche se con rendimenti estremamente più bassi e maggior produzione di sostanze inquinanti. Affinché tutte le materie e soprattutto quelle plastiche brucino con minor produzione di elementi tossici (ad esempio le diossine, metalli pesanti) è necessario raggiungere temperature molto elevate (almeno 850 C ) ed utilizzare sistemi di abbattimento degli inquinanti molto sofisticati e costosi. La combustione ad alta temperatura, inoltre, produce una miniaturizzazione delle polveri emesse, proporzionale alla temperatura stessa. Ciò può dunque portare alla produzione di polveri fini, ultrafini e nanoparticelle carboniose, che possono causare diverse patologie.

34 COGENERAZIONE La cogenerazione è l uso combinato di un energia primaria, come il gas naturale, per produrre in sequenza il calore e l elettricità. Il concetto è basato sul recupero e sull uso dei residui di calore prodotti durante la generazione di elettricità che nelle altre centrali elettriche sarebbero perse, con conseguente riduzione dell efficienza rispetto alla cogenerazione. Ad esempio, un motore alimentato a metano produce elettricità e i fumi di scarico sono poi impiegati come fonte termica, ad esempio per riscaldare l acqua. Grazie allo sviluppo tecnologico di nuove e più efficienti turbine e macchine alimentate a gas naturale, la cogenerazione, un tempo sfruttata solo nella grande industria, sta oggi diffondendosi anche nella piccola e media industria e nel terziario. In particolare, i sistemi di cogenerazione rappresentano una soluzione efficace per ridurre i costi di energia elettrica e di riscaldamento nell industria cartiera, farmaceutica, negli ospedali, nelle università, negli hotel Si tratta quindi di un processo che ottimizza l impiego delle risorse energetiche con notevoli benefici economici e ambientali.