LE CENTRALI ELETTRICHE

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1 Le centrali elettriche sono impianti industriali utilizzati per la produzione di corrente elettrica L 8 marzo 1833 è una data storica per la produzione di corrente elettrica in Italia, perché a Milano è stata costruita la prima centrale elettrica dell Europa continentale. Per realizzarla sono stati demoliti i locali, non più utilizzati, del vecchio teatro di Santa Radegonda. I nuovi locali, su più piani, hanno accolto la struttura della prima centrale alimentata a carbone. Per eliminare i fumi della combustione è stata eretta un ciminiera alta 52 metri. L energia elettrica prodotta, sufficiente per alimentare 4800 lampadine, veniva distribuita tramite cavi sotterranei nelle vicinanze del Duomo (piazza Duomo, piazza della Scala e Galleria Vittorio Emanuele). Purtroppo la vita della centrale, che produceva solo corrente continua, è durata poco per le difficoltà di trasporto su lunghe distanze. La struttura è stata quindi abbandonata e demolita nel 1926 (al suo posto è stato costruito l attuale cinema Odeon) e della centrale resta solo una targa commemorativa. Funzionamento di una centrale La natura ci aiuta a proseguire lungo il cammino del progresso fornendoci molte fonti primarie da trasformare in energia elettrica: abbiamo già visto, infatti, che acqua, vento, sole, carbone, petrolio e uranio sono le principali fonti che la moderna tecnologia utilizza al fine di coprire consumi di energia elettrica. Per poter sfruttare al meglio ciascuna di queste fonti si costruiscono apposite centrali che permettono, come qualsiasi altra industria sul mercato, di trasformare la materia prima in prodotto finito. A seconda del tipo di materia prima impiegata le centrali elettriche si possono classificare in Centrali che utilizzano fonti rinnovabili idriche, geotermiche, solari, eoliche, termiche da biomasse Centrali che utilizzano fonti non rinnovabili termoelettriche, nucleari Il funzionamento dei diversi tipi di centrale è accomunato dalla presenza di tre elementi fondamentali: la turbina, l alternatore e il trasformatore. 1

2 La turbina La turbina è un dispositivo rotante che sfrutta l energia cinetica di un fluido in movimento. La più antica turbina è quella idraulica, costruita inizialmente in legno e applicata alla macina del grano. Le moderne turbine sono invece costituite da una ruota in acciaio, o leghe, provvista di apposite pale a forma di cucchiaio (semplice o doppio) oppure a elica. L impiego di una o dell altra turbina dipende dal tipo di energia da sfruttare. Nella centrale idrica in base al dislivello dell acqua si usano tre tipi diversi di turbina. Turbina Kaplan Adatta per basse cadute (da 2 m a 20 m) e grandissime portate d acqua (superiori a 300 m 3 /s). La girante ha la forma di una grande elica: le pale sono regolabili per ottenere sempre il massimo rendimento anche con cadute e portate variabili. Turbina Francis Adatta per medie cadute (da 20 m a 400 m) e grandi portate d acqua (da 20 a 300 m 3 /s). Dalla condotta forzata l acqua arriva al distributore attraverso una camera a spirale. Il distributore è formato da una serie di pale fisse disposte lungo una circonferenza, queste pale sono orientabili in modo da poter regolare la portata d acqua che colpirà le pale della girante. Turbina Pelton Adatta per alte cadute (da 400 m a 2000 m) e piccole portate d acqua. L acqua arriva alla girante attraverso una condotta forzata e un distributore, munito di una spina spostabile che consente la regolazione della portata. La girante è munita di pale a forma di doppio cucchiaio, in modo da dividere in due parti il getto d acqua che le investe. La turbina a vapore invece è una particolare macchina rotante che funziona grazie alla forza di espansione generata dal vapore. È formata da un asse, detto albero, sul quale si alternano ruote fisse e ruote mobili. Il vapore ad altissima temperatura e pressione, generato da una caldaia, entra nella turbina e, nell attraversare le varie sezioni, perde una parte della sua pressione ma aumenta di volume, mettendo così in movimento l albero. Questo tipo di macchina motrice permette di trasformare l energia termica in energia meccanica, imprimendo alla turbina circa giri al minuto. 1. Cilindro ad alta pressione 2. Ingresso vapore 3. Cilindro a pressione intermedia 4. Cilindri a bassa pressione 5. Condensatore 6. Uscita vapore condensato (acqua) 7. Entrata acqua fredda 2

3 L alternatore L alternatore è la parte più importante della centrale elettrica perché sfrutta l energia meccanica prodotta dalla turbina e la trasforma in energia elettrica. La sua struttura è costituita da una statore (parte fissa) e da un rotore che gira al suo interno. Entrambi sono provvisti di avvolgimenti costituiti da fili di rame opportunamente isolati, che formano due circuiti distinti. Questi hanno la funzione di creare rispettivamente il campo magnetico e la forza elettromotrice, fattori indispensabili per creare l energia elettrica. Una volta che la corrente elettrica è stata prodotta, entra in funzione il trasformatore, un dispositivo in grado di innalzare la tensione dell elettricità per favorirne il trasporto sulle lunghe distanze. Una generica centrale elettrica è quindi composta da una turbina, un alternatore (generatore di corrente elettrica) e un trasformatore collegato alla rete di distribuzione 3

4 La centrale idroelettrica Una massa d acqua in movimento contiene in sé una grande quantità di energia capace di compiere un lavoro. Questo principio era già conosciuto nei secoli passati e con la sua applicazione funzionano, ad esempio, i mulini ad acqua. Con la scoperta dei fenomeni elettrici è risultato molto più conveniente trasformare l energia posseduta da grandi masse d acqua in energia elettrica: ciò avviene nelle centrali idroelettriche. Le centrali idroelettriche utilizzano la caduta delle acque dei fiumi e dei torrenti, raccolte in grandi bacini artificiali, creati sbarrando le valli con le dighe. L acqua raccolta nel bacino artificiale viene convogliata, attraverso un canale deviatore, alle condotte forzate. Il getto violentissimo dell acqua, che esce sotto pressione dalle condotte, colpisce le pale di una turbina, mettendola in rotazione. A sua volta, la turbina è collegata ad un generatore di corrente elettrica: l alternatore. Il trasformatore, infine, aumenta i valori di tensione della corrente prodotta prima di inviarla alle linee di trasporto. L energia idroelettrica è un tipo di energia rinnovabile, non soggetta quindi ad esaurimento, particolarmente importante per quei Paesi, come l Italia, poveri di combustibili fossili. Le condizioni ideali per lo sfruttamento dell energia dell acqua richiedono grandi altezze di caduta o grandi volumi d acqua. Si possono così sfruttare sia le acque dei bacini delle regioni montane che precipitano per centinaia di metri, sia le enormi masse d acqua dei grandi fiumi che cadono da pochi metri. Diverse altezze di caduta richiedono diversi tipi di turbine. 1. Bacino a monte 2. Diga 3. Condotte forzate 4. Turbina 5. Bacino a valle 6. Restituzione in alveo 7. Generatore (alternatore) 8. Trasformatore 4

5 Le centrali idroelettriche di pompaggio Alcune moderne centrali idroelettriche possiedono un impianto di pompaggio dell acqua. Un impianto di pompaggio è costituito da due serbatoi posti a quote differenti e collegati attraverso una condotta forzata. La differenza, rispetto ad una normale centrale idroelettrica, è rappresentata dal generatore che, in certi momenti, funziona come un motore. Infatti, quando esiste maggiore disponibilità di energia (in genere di notte), l acqua del bacino inferiore viene pompata in quello superiore, facendo agire il generatore come motore. Nei momenti di maggiore richiesta di energia, quella stessa acqua immagazzinata nel serbatoio a monte fluisce verso il basso, azionando quindi il generatore. Centrali idroelettriche e ambiente La costruzione delle dighe che sbarrano il corso naturale delle acque può talvolta avere dannosi effetti collaterali. Si pensi, ad esempio, alla grandiosa diga di Assuan in Egitto che, chiudendo il corso dell Alto Nilo e formando il lago di Nasser, impedisce il trasporto delle sostanze fertilizzanti in sospensione nell acqua (il limo) nel tratto inferiore del fiume, con danno per l agricoltura. Ma allo stesso tempo, le dighe possono anche servire per irrigare o per rifornire d acqua potabile intere regioni. Uno sfruttamento più intensivo dell energia idroelettrica potrebbe contribuire ad aumentare la produzione energetica di molti Paesi, senza dover far ricorso ai combustibili fossili, così preziosi, o al nucleare, sempre contestato. Tuttavia, in Italia questo tipo di centrale è abbastanza diffuso, le uniche due grandi zone in cui si potrebbero eventualmente collocare nuovi impianti di questo genere fanno parte di Parchi Naturali (Gran Paradiso e Parco Nazionale d Abruzzo) e trovano grandi resistenze tra gli ecologisti che non vogliono modificazioni che sconvolgerebbero l ambiente naturale. A queste considerazioni va aggiunto che lo sbarramento di corsi d acqua per la realizzazione di grandi bacini, comporta problemi non solo legati all ambiente ma anche alla sicurezza. Gravi incidenti, come quelli del Vajont, dove l acqua del bacino ha invaso la vallata sottostante provocando circa 2000 vittime, devono far riflettere sull opportunità di costruire nuove grandi opere in territori densamente popolati. 5

6 La centrale geotermoelettrica In una centrale geotermoelettrica il vapore naturale fa muovere una turbina collegata ad un alternatore. Il residuo viene fatto condensare in una torre di refrigerazione e iniettato nuovamente nel sottosuolo. I vantaggi dell energia geotermica sono molto evidenti: è praticamente inesauribile, purché piova, e il suo sfruttamento non produce emissioni di gas che causano l effetto serra, né inquina; la reiniezione di fluidi già usati nel serbatoio consente un recupero degli scarti e una certa indipendenza dalle ricariche dovute alle piogge; si tratta di un energia che può essere utilizzata non soltanto per produrre energia elettrica ma anche calore per riscaldare case o serre. 1. Estrazione fluido geotermico 2. Turbina 3. Alternatore 4. Torre di refrigerazione 5. Reiniezione condensato 6. Trasformatore Nel settore dell energia geotermica l Italia occupa nel mondo una posizione di grande importanza. Nel 1913 a Larderello (in Toscana) fu installato il primo generatore elettrico mosso dal vapore di un soffione, questo settore energetico è stato seguito con attenzione e ha alimentato grandi speranze in un Paese come il nostro, praticamente privo di combustibili fossili. L utilizzazione non elettrica dell energia geotermica sarà più importante, nel futuro, di quella elettrica. Infatti nel sottosuolo sono molto più abbondanti le acque che hanno una temperatura di C rispetto a quelle ad alta temperatura che possono far funzionare le centrali. Le acque calde provenienti da pozzi geotermici possono essere utilizzate per il riscaldamento delle case o delle serre come avviene, per esempio, in Islanda. 6

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