Prof. Carlo Carrisi
Le Forme di Energia Energia Meccanica. Si manifesta sotto due diverse forme: energia cinetica ed energia potenziale. Energia Cinetica. È l'energia posseduta da un corpo in movimento. Ad esempio, l'acqua proveniente da un bacino, scendendo a valle attraverso le condotte forzate acquista energia cinetica in grado di mettere in rotazione le pale di una turbina. L'energia cinetica di un corpo dipende dal quadrato della sua velocità: maggiore è la velocità maggiore è l'energia cinetica. Energia potenziale È l'energia che un corpo in quiete possiede e che può spendere in un determinato istante. E dovuta alla posizione o allo stato fisico in cui si trova quel corpo. Non necessariamente un corpo deve spendere l energia potenziale che possiede.
Le Forme di Energia ENERGIA TERMICA. E energia contenuta in un corpo. Gli atomi e le molecole si muovono disordinatamente in funzione della temperatura del corpo, del liquido o del gas. L'energia termica è quindi una forma speciale di energia di movimento e quindi di energia cinetica. ENERGIA CHIMICA. E la capacità di alcune sostanze di combinarsi con altre sviluppando energia sotto forma di luce, calore, elettricità. Per esempio, la combustione è una reazione tra una sostanza, detta combustibile, e l ossigeno dell aria. Durante la combustione viene emessa energia sotto forma di calore e luce. ENERGIA ELETTRICA. E dovuta al movimento ordinato di cariche elettriche. Alcuni materiali, detti conduttori, hanno un elevato numero di elettroni che possono muoversi liberamente all interno dei corpi conduttori, come i metalli. ENERGIA RADIANTE. Energia emessa dal sole, che si propaga nello spazio e che arriva sulla terra, condizionando ogni forma di vita. Qualsiasi corpo costituisce una sorgente di energia radiante quando la sua temperatura è superiore allo zero assoluto. ENERGIA NUCLEARE. Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. Possiamo distinguere l'energia atomica in reazioni di fissione nucleare e reazioni di fusione nucleare.
FONTI NON RINNOVABILI E FONTI RINNOVABILI
Le energie non rinnovabili sono quelle energie generate da fonti che tendono ad esaurirsi nel tempo, come i combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale, uranio). Più passa il tempo e più ne facciamo uso, e più i combustibili fossili diminuiscono fino ad esaurissi, diventando troppo costosi (a differenza delle energie rinnovabili, che vengono reintegrate in modo naturale e in un lasso temporale relativamente breve). La richiesta energetica mondiale è soddisfatta per circa l'80% dallo sfruttamento delle energie non rinnovabili. Purtroppo (e troppo spesso), l'uso di queste fonti energetiche non rinnovabili porta a problemi legati all'inquinamento dell'ambiente (Tipo scorie radioattive o i gas serra). Oltre al problema dell'effetto serra, lo sfruttamento intensivo delle fonti energetiche fossili è la principale causa dell'inquinamento atmosferico del mondo contemporaneo. In ultimo, l'esaurimento delle fonti energetiche non rinnovabili sarà la causa della crisi (paralisi) dell'attuale sistema economico mondiale.
Formazione del petrolio: il plancton che viveva milioni di anni fa negli specchi d acqua interni è stato ricoperto via via da strati successivi di rocce sedimentarie. Senza il contatto con l aria si è poi trasformato in idrocarburi. Formazione dei giacimenti: i movimenti tettonici hanno formato le trappole petrolifere, costituite da uno strato impermeabile superiore e da uno strato poroso sottostante, contenenti gocce oleose di idrocarburi. Giacimento: gocce di petrolio che occupano i vuoti della roccia porosa.
Il petrolio, anche detto Oro Nero è un liquido infiammabile, denso e di colore molto scuro, lo possiamo trovare in alcuni punti situati negli strati superiori della crosta terrestre; esso è formato da una miscela di Idrocarburi (costituiti da Carbonio e Idrogeno). Deriva dalla materia organica rimasta sepolta, infatti molto spesso si può trovare sotto i fondali oceanici, anche per la decomposizione di alghe e organismi marini, che si sono depositati appunto sui fondali e che si decompongono nel tempo. Dopo l estrazione dal sottosuolo, quello che chiamiamo Petrolio Greggio, viene inviato alle raffinerie, dove viene lavorato in modo da estrarre i suoi vari derivati. Il Petrolio accompagna la storia dell umanità da secoli. Gli antichi conoscevano e utilizzavano i giacimenti superficiali di petrolio per alimentare lampade e per produrre medicinali. Dall inizio del 900 è diventata una delle materie prime più importanti, infatti ad oggi, circa il 90% del fabbisogno energetico è soddisfatto da quest olio. Ce da precisare che esso, da un lato è un bene per i motivi sopra citati, ma dall altro, dobbiamo dire che è nocivo e molto inquinante se disperso nell ecosistema, soprattutto in quello marino.
Abbiamo vari metodi di trasporto, tra i quali ricordiamo: Oleodotti (tubi larghi circa 10 metri e collocati sottoterra o sul fondale marino, essi sono intervallati da apposite stazioni di pompaggio che forniscono al greggio la giusta pressione per continuare il suo cammino lungo i tubi), Auto e Carri Cisterna (trasporto via terra) e Navi Cisterna (trasporto via mare).
Per ottenere i prodotti finiti dal petrolio, è necessario separare la miscela di idrocarburi contenuta nel greggio. Il processo di separazione è denominato Distillazione Frazionata (Topping), o più comunemente Raffinazione, essa si svolge in un complesso di impianti, che nell insieme formano le Raffinerie. La distillazione è una tecnica di separazione che sfrutta la differenza dei punti di ebollizione delle diverse sostanze presenti in una miscela, si usa sia per separare miscele complesse, sia per purificare sostanze. Il petrolio greggio viene introdotto in un forno e portato alla temperatura di circa 400 C, cambiando il suo stato fisico da liquido in vapore. Questi vapori vengono iniettati nella Colonna di Frazionamento o Torre di Raffinazione, che non è altro che un camino soprastante una fornace, al cui interno sono posti ad altezze differenti dei piatti forati; la fornace è la parte più calda (400 C) e più bassa della torre. Man mano che si sale, la temperatura nella colonna diminuisce sempre di più, questo permette di distillare il petrolio separandolo nelle sue varie componenti. I gas attraversano una serie di piatti forati e salendo verso l alto cominciano a raffreddarsi. Alle diverse temperature, essi si condensano ritornando allo stato liquido; ritornando liquidi si depositano sui piatti, dando luogo alle diverse frazioni di idrocarburi.
Il carbone è una roccia abbastanza leggera ed è formato da due tipi di sostanze: - il carbonio, in percentuale altissima (70-95%), che è il materiale organico che brucia e che fornisce calore e anidride carbonica; - il rimanente materiale inorganico, costituito da sostanze argillose e da sali di zolfo che con la combustione diventano ceneri e sostanze volatili inquinanti. - Oggi il carbone viene bruciato nelle centrali termoelettriche. Foreste preistoriche: il clima caldo-umido favorisce la crescita di grandi foreste con alberi molto fitti in Germania, Gran Bretagna, Cina ecc. Carbonizzazione: gli alberi sono coperti da fango che si trasforma in roccia. Nell arco di milioni di anni i batteri divorano l idrogeno e l ossigeno del legno e resta solo il carbonio. Giacimento di carbone: nell arco di milioni di anni si formano sullo stesso luogo nuove foreste. Si creano così diversi strati di carbone, separati da strati di roccia sterile.
Torba: di recente formazione, rappresenta il prodotto della decomposizione di alghe, muschi e graminacee che si trovano nelle paludi o nelle brughiere. La torba è usata nel settore florovivaistico, scarsamente usata come combustibile. Lignite: sono carboni abbastanza giovani e poco pregiati. Vengono estratte solo in miniere a cielo aperto. Sono utilizzate sul posto dalle centrali termoelettriche. Litantrace: si estrae da giacimenti situati a 400 e 1200 m di profondità. Per il suo alto potere calorifico è il combustibile più importante e il più usato nell industria. Dal litantrace si ricava il Coke metallurgico un carbone artificiale impiegato negli altiforni. Antracite: costituisce il combustibile solido più pregiato, la sua formazione geologica è la più antica. Vista la scarsa reperibilità ha costi elevati. Il carbone è il combustibile più inquinante, perché emette nell aria: anidride solforosa, ossidi di azoto, polveri sottili. Nelle centrali termoelettriche l impianto di filtraggio può abbattere buona parte degli inquinanti ma restano le emissioni di 330 g di anidride carbonica per KW prodotto.
MINIERA A CIELO APERTO Se il carbone si trova a profondità non superiori ai 30 metri, viene estratto in miniere a cielo aperto, dove il giacimento è reso accessibile dopo l'eliminazione degli strati di suolo e roccia sovrastanti con l'aiuto di giganteschi escavatori e dove necessario con cariche esplosive.
Per filoni di carbone a profondità maggiori di 30 metri, l'accesso al giacimento si ottiene scavando miniere sotterranee, formate da almeno due gallerie, per il passaggio di minatori e macchinari fino al giacimento. E formata da pozzi che scendono in verticale e da gallerie che si dipartono dai pozzi. Ogni galleria ha un binario e carrelli per trasportare i materiali. Le centine metalliche puntellano le volte delle gallerie. Le pompe di drenaggio estraggono l acqua dalle falde acquifere. I ventilatori portano aria forzata nella miniera. Il metodo sotterraneo non modifica l ambiente, tuttavia espone i minatori a pericoli per la salute. MINIERA SOTTERRANEA
Il gas naturale è un combustibile fossile che non possiede né odore né colore, che pesa circa la metà dell aria. Si trova nel sottosuolo, normalmente negli stessi giacimenti in cui giace il petrolio, o associato ad esso, disciolto o raccolto in sacche o tasche superficiali, oppure il giacimento è costituito esclusivamente da gas naturale. Esso è formato da metano per il 99% nei gas più puri, per il 90% nei meno puri. Il passaggio allo stato liquido avviene diminuendo la temperatura o aumentando la pressione. Il gas naturale è la risorsa meno dannosa per l'ambiente, poiché la sua combustione non comporta il rilascio di impurità nell'atmosfera. A sfavore del gas però ci sono gli elevati costi di trasporti, che impongono la realizzazione di complesse reti di metanodotti. Una soluzione a questo problema è quello del trasporto del metano liquido. Portato allo stato liquido attraverso un procedimento di raffreddamento (-160 C), il metano occupa un volume molto inferiore: il trasporto quindi risulta più economico. Una volta giunto a destinazione, il metano è riportato allo stato gassoso nei rigassificatori, e quindi immesso nella rete di distribuzione. Per quanto riguarda le riserve di petrolio e gas naturale, la situazione è decisamente peggiore rispetto a quella del carbone: se il ritmo di sfruttamento attuale verrà mantenuto, tutte le riserve di idrocarburi del pianeta potrebbero esaurirsi entro qualche decina di anni.
Ricerca La ricerca del gas non è distinta da quella del petrolio, ma esiste un unica attività di ricerca degli idrocarburi. Solo dopo la perforazione dei pozzi esplorativi è possibile accertare il tipo di giacimento. I giacimenti possono essere di solo gas o di gas associato al petrolio nei giacimenti petroliferi. Estrazione L estrazione è simile a quella del petrolio: appena lo scalpello fora una cupola che contiene il gas, esso risale nella tubazione verticale spinto dalla pressione; in superficie, alla testa del pozzo, viene messo il complesso di valvole detto albero di Natale, che ne regola il flusso.
Posa di un gasdotto Il lungo tubo che forma il gasdotto è costituito da molti tubi saldati tra loro. Il tubo viene sollevato in simultanea da molte gru che lo adagiano nella trincea scavata; infine viene ricoperto di terra. Nave metaniera: lo scafo contiene quattro grandi cisterne sferiche d acciaio, con il gas liquefatto a -161 ºC. Una metaniera trasporta 130.000 m³ di metano liquefatto. L operazione di ormeggio e scarico dura 24 ore.
Residenza: gli impieghi domestici del gas sono il riscaldamento degli ambienti, la cottura dei cibi e la produzione di acqua calda. Industria: industrie e laboratori artigiani usano il gas naturale come combustibile nei forni per la cottura di ceramiche, per la fusione del vetro, per la produzione del cemento. Autotrazione: il gas GNL (gas naturale liquefatto) è usato sempre più come combustibile per autoveicoli. Materia prima: molte industrie chimiche usano il gas come materia prima per ricavare gomme sintetiche, fertilizzanti, plastiche di ogni tipo.
L'uranio è un metallo di colore bianco argento che pesa più del doppio del ferro e può essere usato come combustibile. Si ricava da un minerale la pechblenda che contiene 2 tipi di elementi U 238 (uranio comune) e U 235 (uranio radioattivo usato nei reattori nucleari). Il rapporto è di circa 99% di 238 U e 1% di 235 U. Con un procedimento di arricchimento si può portare la percentuale fissile al 3% per formare le pastiglie di uranio per i reattori nucleari. Invece se si continua l'arricchimento si può arrivare al 90% di materiale fissile (bomba atomica) L'uranio può essere usato: Per produrre energia nel Reattore nucleare A scopo distruttivo - Bomba all'uranio (bomba atomica) pechblenda uranio235 uranio238
Schema di funzionamento di una centrale nucleare a fissione. Nel reattore viene pompata dal baso l'acqua che, filtrando tra le barre d'uranio assorbe l'energia data dalla fissione regolata dalle barre di controllo, viene trasformata in vapore, che a sua volta viene inviato alla turbina e trasformato in energia elettrica dall'alternatore.
VANTAGGI E SVANTAGGI DEL NUCLEARE Spesso il nucleare viene presentato come un male da combattere o come miracolosa pozione per risollevare l'economia nazionale. Non ci riconosciamo in entrambe le visioni. Il nucleare rappresenta un'opzione energetica come le altre con i suoi "pro" ed i suoi "contro". Proveremo ad elencare i principali vantaggi e svantaggi. Il nucleare presenta indubbiamente dei vantaggi: Una centrale nucleare non emette CO2 Le centrali nucleari non producono anidride carbonica ed ossidi di azoto e di zolfo, principali cause del buco nell'ozono e dell'effetto serra. Vantaggio nella bilancia dei pagamenti La produzione di energia dal nucleare riduce l'importazione di petrolio e la dipendenza delle economie dal petrolio. La copertura del fabbisogno energetico interno tramite il nucleare riduce la possibilità degli shock esterni sull'economia e consente ai governi un minore carico di spesa sulla bilancia dei pagamenti con l'estero. Il tutto si traduce in una maggiore stabilità del sistema economico nazionale.. Vediamo ora quali svantaggi porta l'uso dell'energia nucleare: Conseguenze in caso di incidente Le radiazioni a cui la popolazione viene esposta causano un maggiore rischio di morte per leucemia e tumore. Dall'incidente di Chernobyl la sicurezza delle centrali nucleari è diventato uno dei principali aspetti critici dell'energia nucleare per uso civile. Negli ultimi anni il progresso tecnologico ha notevolmente migliorato la sicurezza delle centrali nucleari dotate di reattori di ultima generazione. Le scorie nucleari Purtroppo le scorie nucleari sono un altro aspetto critico del nucleare. Non possono essere distrutte e l'unica soluzione, per il momento, sembra essere lo stoccaggio per migliaia di anni in depositi geologici o ingegneristici.
A differenza dei combustibili fossili e nucleari, fonti di energia inquinanti e obsolete, le fonti rinnovabili : solare, eolico, idraulica, geotermica, biomasse, sono inesauribili, pulite, sicure. Le fonti di energia rinnovabili sono quelle il cui utilizzo non pregiudica la disponibilità in futuro. Per trovare le fonti rinnovabili è sufficiente ricordare questa caratteristica.
L'energia viene ottenuta attraverso impianti idraulici che sfruttano la portata dell'acqua per muovere le turbine. L idroelettrico può rappresentare una importante risorsa in molti territori agricoli e montani, sfruttabile sia recuperando strutture esistenti lungo i fiumi (condotte, depuratori, acquedotti), sia, laddove ci siano portate interessanti, realizzando salti e interventi di limitato impatto nei confronti dei bacini idrografici. Le centrali idroelettriche sfruttano l energia cinetica e potenziale prodotta dall acqua da una cascata o da una diga. Questa acqua viene incanalata (quindi acquista una pressione maggiore) e viene portata a spingere le pale di una turbina che trasforma l energia cinetica in energia meccanica dove a sua volta viene trasferita ad un alternatore attraverso un albero di trasmissione, questo alternatore trasforma l energia meccanica ad energia elettrica a bassa tensione che poi viene trasformata ad alta tensione attraverso un trasformatore, ma prima di arrivare nelle nostre case viene ritrasformata a bassa tensione.
La radiazione solare arriva sulla terra sotto forma di luce (utilizzata dagli impianti fotovoltaici per produrre energia elettrica) e calore (utilizzata dagli impianti solari termici per produrre energia termica). Dal sole noi ricaviamo diversi tipi di energia, ma quelli che stiamo trattando ora sono l energia ricavata dal sole attraverso i pannelli fotovoltaici e quella attraverso i pannelli solari. Pannelli solari convertono i raggi solari in energia Pannelli solari fotovoltaici si basano sulla caratteristica tipica di alcuni semiconduttori di convertire l'energia elettrica quando sono irraggiati dalla luce solare. termica per riscaldare un liquido e cedere calore, tramite uno scambiatore, e riscaldare l'acqua sanitaria o per il riscaldamento domestico.
Il sistema a torre centrale è una evoluzione di quello lineare, del quale cerca di superare tutti i limiti. E costituto da un campo di eliostati che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricevitore posto alla sommità di una torre. Nel ricevitore fluisce un fluido che riscaldandosi ad alta temperatura è in grado di produrre energia o di immagazzinarla sotto forma di calore. Se il fluido è acqua si ha produzione di vapore ad alta pressione direttamente nel ricevitore, se nel ricevitore circolano aria o sali fusi, il vapore viene prodotto in un generatore di vapore nel blocco energetico dell impianto.
Gli elementi fondamentali di un impianto di questo tipo sono: 1) eliostati (riflettore); 2) serbatoi accumulo sali freddi; 3) torre (captatore); 4) serbatoi accumulo sali caldi; 5) condensatore l acqua si raffredda; 6) turbina a vapore; 7) alternatore; 8) trasformatore. ELIOSTATI. Vengono disposti radialmente attorno alla torre secondo una configurazione a scacchiera in modo da permettere la riflessione della radiazione solare sul ricevitore della torre durante il movimento del Sole. Ogni eliostato si muove in modo diverso dagli altri per effetto della sua posizione relativa rispetto alla torre.
L energia eolica è prodotta dal movimento del vento sulla superficie terrestre. Oggi l energia eolica è trasformata in energia elettrica attraverso gli aerogenatori, costituiti da un sostegno alla cui sommità è fissata una navicella che contiene il rotore. Al rotore è collegata un elica di derivazione aereonautica che è realizzata con leghe metalliche molto leggere. Il grande vantaggio è l emissione nulla di gas. I principali problemi sono la disponibilità costante del vento è l impatto paesaggistico che hanno gli aerogeneratori sull ambiente circostante. SCHEMA IMPIANTO EOLICO
L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile, nonostante la rigenerazioni dei pozzi geotermici richieda un lungo periodo. In alcune particolari zone si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è leggermente più alta della media, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia. La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica. L'Italia è uno dei principali paesi che sfrutta questa risorsa. É stato il primo paese al mondo ad utilizzare questa nuova fonte di energia ed è il terzo paese al mondo per produzione. La principale regione in cui sono presenti centrali geotermiche è la Toscana dove è presente il primo impianto del mondo: Lardarello.
Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo, liberamente o canalizzato tramite delle perforazioni in profondità, produce una forza sufficiente per mettere in rotazione la turbina a vapore. Collegato all albero rotante della turbina si trova l alternatore, che converte l energia meccanica in energia elettrica. Il vapore in uscita dalla turbina viene condensato con un sistema di raffreddamento e, successivamente, restituito alla sorgente originaria.
Come funzionano le centrali a biomasse: esistono centrali di tre tipi a) a biomasse solide (legno, cippato, paglia, ecc.), sono impianti tradizionali con forno di combustione della biomassa solida, caldaia che alimenta una turbina a vapore accoppiata ad un generatore. b) a biomasse liquide (oli vari: palma, girasole, soia,ecc.); sono impianti, alimentati da biomasse liquide (oli vegetali, biodiesel), costituiti da motori accoppiati a generatori (gruppi elettrogeni). c) a biogas ottenuto da digestione anaerobica (utilizzando vari substrati: letame, residui organici, mais o altro). Le biomasse comprendono vari materiali di origine biologica, scarti delle attività agricole riutilizzati in apposite centrali termiche per produrre energia elettrica. Si tratta generalmente di scarti dell'agricoltura, dell'allevamento e dell'industria. Una centrale a biomasse produce l'elettricità grazie al vapore prodotto attraverso la combustione dei materiali di scarto utilizzati, che mette in funzione una turbina collegata ad un alternatore.
Oggi il sistema energetico mondiale è basato sulle fonti di origine fossile: - petrolio (36%); - carbone (28%); - gas naturale (24%). Se consideriamo anche l uranio si conclude che le fonti non rinnovabili, cioè destinate prima o poi ad esaurirsi, rappresentano oltre il 90% dei consumi.
FINE ARGOMENTO non vi resta che studiare!