Classe 2^ AMME Scienze e Tecnologie Applicate UdA n 7: Energia ENERGIA

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1 ENERGIA E la capacità che ha un corpo di compiere una certa quantità di lavoro. In natura l energia si trova accumulata principalmente nelle seguenti forme naturali: - nei combustibili (carbone, petrolio, metano ) - nelle masse d acqua poste a notevole altezza (sfruttamento nelle centrali idroelettriche per ottenere energia elettrica) - nei materiali fissili (uranio, plutonio), che possono dare luogo a reazioni di fissione nelle centrali nucleari - nel vento - nelle radiazioni solari, utilizzabili per ottenere energia termica o direttamente energia elettrica (celle fotovoltaiche) - nelle emissioni geotermiche (vapore ad alta temperatura) - nelle biomasse Le tre forme più comuni di utilizzazione dell energia sono: - meccanica: soprattutto sotto forma di un albero rotante uscente da un motore e collegabile ad una macchina utilizzatrice - elettrica: non naturale, prodotta dall uomo, che viene trasportata nelle industrie e nelle abitazioni per i normali usi civili - termica: detta comunemente calore, che è il prodotto di una combustione, cioè di una reazione chimica che libera una parte dell energia accumulata all interno di un combustibile. Nel S. I. tutte le forme di energia si misurano in J (Joule). Il J rappresenta una quantità di energia piuttosto modesta, pari al lavoro necessario per sollevare di 1 [m] un peso di 1 [N]. Si usano quindi spesso i multipli: 1[ kj] = 10 3 [J] 1 [MJ] = 10 6 [J] 1 [kwh] = 3, [J] = 3,6 [MJ] Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1

2 ENERGIA MECCANICA L energia meccanica può assumere due forme: energia cinetica ed energia potenziale. 1) Energia cinetica E la forma di energia posseduta da un corpo in movimento. Consideriamo una massa m in quiete cui viene applicata una forza motrice F costante lungo un tratto di lunghezza s su un piano orizzontale. L = ½ m v 2 = E c che rappresenta l energia cinetica E c che la massa m ha acquisito a causa del lavoro compiuto su di essa dalla forza F. 2) Energia potenziale Supponiamo di avere una massa che lentamente viene sollevata dalla posizione A alla posizione B. Il lavoro compiuto per sollevare tale massa è pari a: L = m g H. = E p Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2

3 ENERGIA ELETTRICA L energia elettrica rappresenta la capacità di compiere lavoro mediante un flusso di cariche elettriche. Le forze di attrazione (che si hanno nel caso di cariche dello stesso tipo) o di repulsione (che si hanno nel caso di cariche di segno opposto) esercitate dalle cariche elettriche, provocano lo spostamento delle stesse e generano quindi un lavoro elettrico. Collegando con un conduttore due corpi aventi cariche opposte si osserva un passaggio di cariche elettriche tra i due corpi. Questo movimento di cariche in un conduttore non è altro che la corrente elettrica. Quando una carica elettrica si muove in un conduttore incontra delle resistenze che deve vincere. Il lavoro esercitato sulla carica per farle vincere tali resistenze e consentirgli di spostarsi nel conduttore non è altro che la differenza di potenziale o forza elettromotrice. L'energia elettrica si ottiene dalla trasformazione delle forme di energia primaria in energia meccanica, utilizzando macchinari come le turbine a vapore, le turbine a gas, i motori a scoppio, ecc. L'energia meccanica prodotta viene trasformata, a sua volta, in energia elettrica tramite l'accoppiamento di tali macchine con i generatori elettrici. Per produrre energia elettrica si utilizzano due forme di energia: 1) l energia cinetica posseduta dalle acque in movimento all interno di apposite condotte forzate (centrali idroelettriche) 2) l energia termica proveniente dalle reazioni di combustione del carbon fossile o gasolio o gas (centrali termoelettriche) e da reazioni nucleari (centrali atomiche). Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3

4 CENTRALI IDROELETTRICHE Mediante la costruzione di dighe è possibile ottenere lagni e bacini artificiali da cui prelevare grandi masse di acqua. L energia idroelettrica proviene proprio dalla trasformazione dell energia potenziale gravitazionale posseduta da tale grande quantità di acqua, che viene incanalata in apposite condotte, percorre un certo dislivello trasformando l energia posseduta in energia meccanica mediante apposite macchine idrauliche. Tale energia, a sua volta, viene trasformata nuovamente in energia elettrica tramite opportuni generatori. Macchine idrauliche Sono macchine costituite da un complesso di organi fissi e/o mobili in cui un fluido (liquido, vapore o gas) viene sottoposto a processi tali da consentire la trasformazione dell energia entrante nella macchina in lavoro meccanico direttamente utilizzabile all uscita. Ovviamente, a causa del calore sviluppato per attrito e del calore di deformazione per urto, la quantità di energia uscente dalla macchina sarà minore di quella entrante. Le macchine idrauliche o macchine a fluido vengono classificate in due grandi categorie: 1) Macchine motrici, che trasformano l energia cinetica e potenziale posseduta da un fluido in energia meccanica. Nelle pratiche applicazioni le macchine motrici sono dette turbine e, a seconda del fluido agente, possono essere turbine idrauliche, a vapore o a gas. 2) Macchine operatrici che, utilizzando l energia meccanica ricevuta attraverso un albero rotante, forniscono al fluido che le attraversa energia di pressione e/o cinetica. Le macchine operanti su un fluido incomprimibile (liquido) sono dette pompe, mentre quelle operanti su fluidi comprimibili (aeriformi) sono dette pneumofore : in particolare compressori e ventilatori. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4

5 Macchine motrici Le macchine idrauliche motrici cioè le turbine, hanno la funzione di ricevere l energia piezometrica e cinetica posseduta da un liquido e di trasformarla in lavoro meccanico. Generalmente il lavoro prodotto è disponibile su un albero rotante che, a sua volta, aziona un utilizzatore come, ad esempio, un generatore di corrente elettrica. Le turbine idrauliche (le immagini si riferiscono ad una turbina Francis) sono utilizzate nelle centrali idroelettriche collegandole direttamente ad un generatore per trasformare in energia elettrica l energia meccanica da loro sviluppata. Le turbine idrauliche sono costituite da una girante mobile, che è un disco rotante munito di pale aventi una forma diversa a seconda del tipo di turbina e da una parte fissa detta distributore in cui avviene la totale o parziale trasformazione dell energia potenziale in energia cinetica. In figura è una Turbina Francis: si nota dall'esterno, la chiocciola, il distributore (in verde) e la girante all'interno. Il flusso di liquido è rappresentato in azzurro. Nel disegno di figura è rappresentato un impianto per la trasformazione di energia cinetica e di pressione in energia meccanica con l ausilio di una Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5

6 turbina Francis (a reazione, per dislivelli medi H = [m], portate elevate Q v = m 3 /s). CENTRALI TERMOELETTRICHE Prendiamo come esempio le centrali a carbone. In esse, il carbone polverizzato viene miscelato con acqua calda ed iniettato nelle camere di combustione della caldaia. Il combustibile qui brucia e produce calore che è trasmesso ad una lunga tubazione ( serpentina ) all interno della quale circola acqua che, naturalmente, così si scalda trasformandosi in vapore. Tale vapore, che è ad alta pressione, aziona a sua volta una turbina a vapore e condensa. L acqua di condensa è rinviata nella tubazione (serpentina) che è all interno della caldaia ed il ciclo così si chiude. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6

7 CENTRALI NUCLEARI L energia nucleare è l energia rilasciata durante la fusione o la divisione di nuclei atomici. 1) Fusione nucleare è il processo mediante il quale si ottiene la fusione di due nuclei leggeri al fine di ottenerne uno pesante. La reazione di fusione avviene avvicinando i due nuclei (per esempio di idrogeno), che reagiscono tra di loro formando elio e producendo una quantità di energia maggiore di quella fornita per l innesco. La fusione nucleare è la speranza per l umanità di produrre energia, in quanto attualmente non esiste una tecnologia per realizzare una fusione controllata. 2) Fissione nucleare è il processo mediante il quale si ottiene la divisione di un nucleo atomico in due più leggeri. La reazione di fissione avviene facendo assorbire un neutrone ad un nucleo di uranio. In tal modo quest ultimo si divide in due più leggeri con formazione di neutroni e produzione di energia. E necessario che i neutroni viaggino a velocità non elevata. Come combustibile che si deve scindere per produrre energia si utilizza l Uranio 235; per moderare la velocità dei neutroni si utilizzano acqua o barre di grafite o boro; per interrompere o rallentare la reazione si utilizza un sistema di controllo costituito da barre di cadmio o di boro, capaci di assorbire i neutroni. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7

8 Con centrale elettronucleare (o più comunemente centrale nucleare o atomica), si intende generalmente una centrale elettrica che, attraverso l uso di uno o più reattori nucleari, sfrutta il calore prodotto da una reazione di fissione nucleare a catena autoalimentata e controllata per generare vapore (o gas come l anidride carbonica) a temperatura e pressione elevate con lo scopo di alimentare turbine connesse ad alternatori e produrre quindi elettricità. La produzione del vapore per azionare la turbina si compie nel reattore nucleare (a sinistra nell immagine). La parte fondamentale di quest'ultimo é il nocciolo, costituito da contenitori nei quali viene inserito il combustibile nucleare: cilindretti di uranio. All'interno del nocciolo 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. Il controllo del processo di fissione avviene attraverso le barre di controllo in cadmio, le quali si inseriscono nel reattore per regolarne la potenza (assorbendo neutroni) e, all occorrenza, per spegnerlo. Il reattore deve avere una struttura in grado di non lasciare fuoriuscire le sostanze radioattive che si sprigionano durante il processo di fissione. 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. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 8

9 Anche l edifico che contiene il reattore é fatto di una solida struttura in cemento armato. ENERGIA TERMICA In generale, quando due corpi si trovano a temperature differenti, si verifica un flusso di energia dal corpo a temperatura maggiore verso il corpo a temperatura minore. Questa energia è denominata energia termica o calore. Essa può essere prodotta in grande quantità semplicemente attraverso le combustioni, oppure per mezzo di reazioni nucleari, o anche attraverso il passaggio di corrente elettrica attraverso un filo ad alta resistenza, come avviene nelle stufe elettriche, e in tutti gli elettrodomestici che sviluppano calore (lavatrice, forno elettrico, ecc). Due sono le fonti naturali di calore: il sole e il sottosuolo ed è su queste che ci soffermiamo. Energia solare L'energia solare è la fonte primaria di energia sulla Terra. Dal punto di vista energetico si tratta di un energia alternativa ai classici combustibili fossili, rinnovabile e pulita (energia verde). Può essere opportunamente sfruttata attraverso diverse tecnologie. Fototermia L'energia solare può essere utilizzata per generare elettricità (fotovoltaico) o per generare calore (solare termico). Sono tre le tecnologie principali per trasformare in energia sfruttabile l energia del sole: - il pannello solare termico sfrutta i raggi solari per scaldare un fluido con speciali caratteristiche, contenuto nel suo interno, che cede calore, tramite uno scambiatore di calore, all acqua contenuta in un serbatoio di accumulo. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 9

10 I pannelli sono costruiti con una superficie assorbente nera, protetta da un vetro in policarbonato, nella quale sono immersi dei tubi in cui circola il liquido. Il pannello esposto al sole si riscalda ed il calore viene ceduto all acqua che è all interno del serbatoio coibentato. L acqua così riscaldata può essere utilizzata direttamente oppure può servire per riscaldare l edificio. Schema di un impianto a circolazione naturale: (A) Entrata dell'acqua fredda (B) Serbatoio coibentato (C) Pannello solare termico (D) Radiazione solare (E) Uscita dell'acqua calda - il pannello fotovoltaico (di cui vediamo un modulo ) sfrutta le proprietà di particolari elementi semiconduttori per produrre direttamente energia elettrica quando sollecitati dalla luce. Un singolo modulo ha superficie che va da 0,5 a 1,5 [m 2 ]; sono necessari circa 7,5 [m 2 ] di superficie per ottenere una potenza di 1000 [W]. Una volta montati in sede, l efficienza di questi pannelli, che richiedono pochissima manutenzione se non una pulizia periodica, è in genere del 13 15% nel caso dei pannelli in silicio cristallino e non raggiunge il 12% per pannelli in film sottile. - il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie di specchi parabolici a struttura lineare per convogliare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui scorre un fluido termovettore o una serie di specchi piani che concentrano i raggi all estremità di una torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che per il calore fondono. In entrambi i casi l apparato ricevente (tubi, serbatoio) si riscalda a temperature molto elevate Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 10

11 ( C) (solare termodinamico). Il vettore classico è costituito da oli minerali in grado di sopportare elevate temperature. Energia eolica E l energia ottenuta dal vento, che viene trasmessa sotto forma cinetica. Oggi viene per lo più convertita in energia elettrica tramite una centrale eolica. L energia eolica è abbondante, rinnovabile, ampiamente distribuita, pulita. La sua produzione è associata alla necessaria presenza della giusta quantità di vento. Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti: Generatori eolici ad asse verticale Generatori eolici ad asse orizzontale Tra i moderni aerogeneratori, quello più diffuso, è il modello ad asse orizzontale. Le pale (da 1 a 3), mosse dal vento consentono di trasferire ad un asse-rotore una certa velocità di rotazione. Dal rotore l energia cinetica viene trasmessa ad un generatore di corrente collegato a sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione di energia e l eventuale inserimento in rete. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 11

12 Biogas Con il termine biogas si intende una miscela di vari tipi di gas (per la maggior parte metano, dal 50 al 80%) prodotto dalla fermentazione batterica in anaerobiosi (assenza di ossigeno) dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza, liquami zootecnici o fanghi di depurazione, scarti dell agro-industria. L intero processo vede la decomposizione del materiale organico da parte di alcuni tipi di batteri, producendo anidride carbonica, idrogeno molecolare e metano (metanizzazione dei composti organici). Il biogas si forma spontaneamente nelle discariche. Le discariche di rifiuti urbani ne sono quindi grandi produttori, visto che normalmente il 30 40% del rifiuto è appunto materiale organico; tale gas deve essere captato per evitarne la diffusione nell ambiente e può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica. A titolo di esempio, da una discarica di circa [m 3 ] che cresce di [m 3 ] ogni anno, si possono estrarre quasi 5,5 milioni di [m 3 ] di biogas all anno (oltre 600 [m 3 ] ogni ora). Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 12

13 Energia geotermica L'energia geotermica è l energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore. Si basa sullo sfruttamento del calore naturale della Terra (gradiente geotermico) dovuto all energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi quali l uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all interno della terra (nucleo, mantello e crosta terrestre). La prima utilizzazione in Italia dell energia geotermica per produrre energia elettrica avvenne nel 1904 per merito del principe Piero Ginori Conti, che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello in Toscana. La temperatura media del terreno a circa 100 [m] di profondità si aggira intorno ai 12 [ C]. La pompa di calore sfrutta questa temperatura e la rende disponibile al sistema di riscaldamento comprimendola e portandola anche fino a 70 [ C]. Penetrando in profondità nella superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando mediamente di circa 30 [ C] per km nella crosta terrestre. Per ottenere un ottimale riscaldamento di case o serre viene messa in atto l azione di fluidi a bassa temperatura; invece, per ottenere energia elettrica si fa uso di fluidi ad alte temperature. L uso di questa energia comporta vantaggi come l inesauribilità a tempi brevi, se sfruttata in modo razionale, ed il minor inquinamento dell ambiente circostante. Per lo sfruttamento del calore geotermico esistono le centrali geotermiche. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo, liberamente oppure canalizzato tramite perforazione geologica in profondità, produce una forza tale da far muovere una turbina; l energia meccanica della turbina viene infine trasformata in elettricità tramite un alternatore. Se il fluido non raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l acqua calda potrà essere utilizzata per la produzione di calore per esempio in impianti di teleriscaldamento. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 13

14 Energia marina E possibile convertire vari tipi di energia presenti nel mare: quella delle correnti, delle onde, delle maree, e del gradiente termico tra superficie e fondali. La luna esercita una intensa forza d attrazione sull acqua della Terra. Dall innalzamento e dall abbassamento regolare delle masse d acqua si può ricavare energia. Per costruire una centrale di marea, è necessario sbarrare un estuario, nel momento dell alta marea, in direzione del mare con una diga artificiale, come illustrato in figura. La tecnica energetica sfrutta il dislivello tra l alta marea e la bassa marea: la cosiddetta ampiezza di marea. La turbina idraulica è disposta sotto la diga. Un impianto per lo sfruttamento delle maree è nella Francia del nord, dove il dislivello dell acqua raggiunge anche i 13 [m]. (Progetto Pelamis). Sono in sperimentazione impianti che sfruttano il moto ondoso del mare. E utilizzato, per esempio, un sistema con galleggianti, basato su una struttura semisommersa che grazie al movimento dettato dalle onde agisce su dei pistoni idraulici accoppiati a dei generatori Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 14

15 Una delle fonti di energia del mare più interessante è quella delle correnti marine. Le forti correnti marine che, per esempio, attraversano lo Stretto di Messina, hanno una potenzialità energetica pari a quella prevista dalla grande centrale idroelettrica ideata dai Cinesi sul Fiume Azzurro: circa [MW]. Le turbine per lo sfruttamento delle correnti marine sono simili a quelle eoliche e possono essere (come per le tecnologie eoliche) ad asse orizzontale o ad asse verticale. Le turbine ad asse orizzontale sono più adatte alle correnti marine costanti, come quelle presenti nel Mediterraneo. Energia può essere prodotta anche dalla temperatura che l acqua del mare ha in superficie. La prima centrale basata sulla conversione dell energia termica degli oceani (Otec) è stata realizzata nel 1996 al largo delle isole Hawaii e produce energia sfruttando la differenza di temperatura tra i diversi strati dell oceano (gradiente termico). La superficie del mare si riscalda perché assorbe l energia solare e si crea così una differenza di temperatura fra le acque superficiali, che possono raggiungere i [ C], e quelle situate per esempio ad una profondità di 600 m, che non superano i 6 7 [ C]. Le acque superficiali, essendo più calde, permettono di far evaporare sostanze a basso punto di evaporazione come ammoniaca e fluoro; i vapori ad alta pressione mettono dapprima in rotazione una turbina e un generatore di elettricità, per passare poi in un condensatore e tornare infine allo stato liquido raffreddati dall acqua aspirata dal fondo. Si attiva così un ciclo permanente. Una differenza di 20 [ C] è sufficiente a garantire la produzione di una quantità di energia economicamente sfruttabile. Scienze e Tecnologie Applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 15