Giampietro Paci, Fare Tecnologia
ENERGIA
FONTI ALTERNATIVE
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IERI E OGGI
Cent’anni fa:
le dighe sulle Alpi
Oggi:
la diga sul Fiume azzurro
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Cosa sono le fonti alternative
•
Osserviamo quattro energie alternative
•
Energie rinnovabili (classificazione)
•
Cos’è l’energia
•
Cos’è una centrale elettrica
•
Gruppo turbina alternatore (modello)
•
Gruppo turbina a vapore-alternatore.
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Osserviamo quattro energie alternative
La luce del sole:
è luce e calore che
fluiscono in ogni direzione.
L’acqua fluente:
è energia cinetica che
segue la pendenza del
territorio.
Il vento: è aria che
possiede energia cinetica.
L’uranio: è un metallo
radioattivo con atomi che,
colpiti con neutroni, si
rompono e producono
energia.
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Energie rinnovabili (classificazione)
Solare: la luce del sole viene impiegata per scaldare l’acqua nei pannelli
solari, per produrre il vapore nelle centrali elettriche solari, per produrre
elettricità con le celle fotovoltaiche.
Idroelettrico: l’acqua raccolta in bacini artificiali viene impiegata nelle
centrali idroelettriche.
Eolico: il vento viene impiegato per far girare le eliche dei generatori elettrici.
Biomasse: gli alberi, le piante alimentari e altri materiali organici sono
impiegati per produrre calore e biocarburanti.
Geotermia: il vapore ad alta pressione che esce dal sottosuolo viene usato
per riscaldare le serre e le centrali elettriche.
Nel mare: esistono almeno quattro tipi di energia di origine marina (correnti,
onde, maree, gradiente termico).
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Cos’è l’energia
L’energia si definisce come “la capacità di
un corpo di compiere un lavoro”.
Secondo il principio di conservazione
dell’energia “l’energia non si crea né si
distrugge, ma passa da una forma
all’altra”.
Corpo: l’energia è immagazzinata in
qualsiasi corpo.
Forma: l’energia può assumere diverse
sembianze (meccanica, termica ecc.).
Passaggio: l’energia può passare da un
corpo all’altro e in questo passaggio può
cambiare forma.
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Cos’è una centrale elettrica
La centrale elettrica è un
impianto che utilizza una fonte
di energia per produrre energia
elettrica.
Ogni centrale comprende tre
elementi principali:
- fonte di energia, la sostanza
che possiede l’energia;
- turbìna, una macchina che
ricevendo energia si mette a
girare;
- alternatore, una macchina
che quando gira genera
corrente.
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Gruppo turbina-alternatore (modello)
Per vedere come si
produce l’energia
elettrica puoi usare una
dinamo da bicicletta:
devi collegare il suo
albero con una turbina
manuale da far girare
veloce, affinché il
magnete produca
corrente.
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Gruppo turbina a vapore-alternatore
Rotore di turbina a vapore
E’ formato da centinaia di palette
montate a ruota sull’albero cilindrico
collegato a quello dell’alternatore.
Il vapore ad alta pressione mette in
rotazione questo rotore.
Rotore di alternatore
E’ un elettromagnete cilindrico a molti
poli con una grande forza magnetica
che lo lega alle piastre metalliche dello
statore. E’ necessaria una turbina di
uguale potenza per farlo girare.
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Energia idroelettrica
•
Cos’è l’energia idroelettrica
•
Centrale a serbatoio
•
Centrale di generazione e pompaggio
•
Impianto di generazione e pompaggio
•
Centrale fluviale
•
Centrale a marea
•
Laghi artificiali e ambiente
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Cos’è l’energia idroelettrica
L’energia idroelettrica si ottiene da
una massa d’acqua situata ad alta
quota che possiede energia di
posizione (potenziale).
Per far funzionare la centrale
idroelettrica costruita più in basso,
viene costruita una diga che trattiene
l’acqua ad alta quota formando un
lago artificiale.
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Centrale a serbatoio
Funzionamento: l’acqua del lago artificiale defluisce nel canale di
derivazione e arriva alla condotta forzata. Dentro la condotta l’acqua
scende molto lentamente e acquista energia di pressione dall’acqua che sta
sopra. Il tubo termina con una strozzatura (ugello) che spinge fuori l’acqua
ad alta velocità. Il getto d’acqua colpisce le pale di una turbina Pelton che
trascina l’alternatore che genera corrente elettrica.
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Centrale di generazione e pompaggio
Il disegno mostra una
centrale in caverna
dotata di:
- alternatore-motore;
- turbina-pompa.
Di giorno l’acqua
scende e produce
corrente elettrica
(generazione).
Di notte l’acqua viene
aspirata e fatta risalire
sulla montagna
(pompaggio).
La foto mostra la sala
alternatori.
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Impianto di generazione e pompaggio
La cartina mostra il
profilo schematico di un
impianto Enel in Val
Camonica.
Il dislivello tra il
serbatoio del lago e il
bacino d’accumulo è di
1500 m.
La galleria di
derivazione è lunga 4
km.
Le due condotte
forzate sono lunghe 2
km ciascuna.
La centrale è situata
dentro la montagna.
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Centrale fluviale
La centrale fluviale è un impianto che funziona con l’acqua fluente di un
fiume. Elemento caratteristico è la diga che crea un bacino con 10-20 m di
dislivello: la massa d’acqua è costretta a passare per la centrale, costruita
dentro la diga, e fa girare le turbine.
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Centrale a marea
L’impianto è una comune
centrale fluviale che
funziona solo quattro ore
ogni giorno:
- quando arriva la bassa
marea il mare si ritira per
alcuni kilometri e si forma
un dislivello di circa 10 m;
- allora la centrale entra in
funzione e l’acqua
accumulata nel bacino
interno defluisce nei 24
collettori con turbine
Kaplan incapsulati.
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Laghi artificiali e ambiente
L’energia idroelettrica richiede grandi opere sul
territorio per predisporre il bacino di raccolta.
Le più grandi opere sono state realizzate da
governi forti o autoritari che hanno deportato
intere popolazioni in altre zone per liberare il
territorio da sommergere.
L’elettricità di origine idroelettrica ha il costo più
basso in assoluto.
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Energia geotermica
•
Cos’è l’energia geotermica
•
Centrale geotermica
•
Geotermia e ambiente
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Cos’è l’energia geotermica
L’energia geotermica è il
calore contenuto all’interno
della terra che, in alcune zone
di origine vulcanica, risale in
superficie sotto forma di
vapore caldissimo.
L’energia geotermica è al
tempo stesso calore e forza
meccanica e può alimentare
una centrale termoelettrica per
muovere le turbine.
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Centrale geotermica
La centrale geotermica è un impianto simile alla centrale termoelettrica a
carbone, con la differenza che il vapore in pressione viene raccolto dal
sottosuolo. Dopo l’utilizzo il vapore viene ricondensato in acqua nella
torre di raffreddamento e iniettato nuovamente nel sottosuolo, per
rifornire la falda acquifera e mantenere la pressione.
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Geotermia e ambiente
Un’area geotermica per produrre energia
elettrica è attraversata da molti vapordotti, tubi
che convergono verso la centrale.
Il fluido geotermico, comunque, lavora a circuito
chiuso ed è quindi ecologico perché eventuali
inquinanti non vengono dispersi nell’ambiente.
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Energia nucleare (uranio)
•
Cos’è l’uranio
•
Reattore nucleare
•
Schema della fissione
•
Cos’è l’energia nucleare
•
Centrale nucleare
•
Uranio e ambiente
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Cos’è l’uranio
L’uranio si ricava dall’uranite, un
minerale che contiene 99% di
uranio 238 non fissile e 1% di
uranio 235 che è fissile e
radioattivo.
Con un procedimento di
arricchimento si può portare la
percentuale dell’uranio fissile al
3% per utilizzarlo nei reattori
nucleari.
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Reattore nucleare
Reattore nucleare: è un contenitore
cilindrico in acciaio dove viene fatta
bollire l’acqua per trasformarla in
vapore. L’energia viene fornita dalle
pastiglie di uranio che contengono
circa il 3% di materiale fissile.
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Schema della fissione
Un neutrone viene “sparato”
contro un nucleo di uranio 235
che si spacca in due frammenti e
lascia liberi altri tre neutroni.
Durante la fissione una piccola
parte di materia “sparisce” e si
trasforma in energia. Se accanto
al primo atomo di uranio 235 ve
ne sono molti altri si può ottenere
una reazione a catena.
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Cos’è l’energia nucleare
L’energia nucleare è quella che si libera nelle
reazioni che coinvolgono le particellle che
formano il nucleo dell’atomo.
Nel 1905 A. Einstein enunciò la sua teoria
dell’equivalenza tra materia e energia (E=mc²)
che permette di calcolare quanta energia si
ottiene da una certa quantità di materia.
Per ricavare energia dal nucleo dell’atomo
esistono due procedimenti:
- la fissione (divisione) di un nucleo pesante
come quello dell’uranio;
- la fusione (unione) di nuclei leggeri come
quelli dell’idrogeno.
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Centrale nucleare
E’ una centrale termoelettrica che ha come “caldaia” un reattore nucleare
per la produzione del vapore. La centrale funziona con uranio arricchito al
3% di materiale fissile che viene caricato circa una volta all’anno.
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Uranio e ambiente
Le centrali nucleari, una volta costruite, non
emettono anidride carbonica nell’atmosfera, ma
presentano due tipi di rischi:
- incidente al reattore con fuga di materiale
radioattivo che viene disperso nell’aria, per poi
ricadere sul terreno anche a molta distanza
inquinandolo in modo grave o molto grave;
- smaltimento delle scorie radioattive che
potrebbero inquinare il terreno dove sono
sepolte, problema non ancora risolto in modo
definitivo ma solo con siti provvisori.
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Energia nucleare (idrogeno)
•
Energia nucleare dall’idrogeno
•
Reattore a fusione
•
Schema della fusione
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Energia nucleare dall’idrogeno
L’altro sistema per ottenere energia
dall’atomo è la fusione nucleare che fa
fondere due isotopi dell’idrogeno
ottenendo elio.
La fusione in “forma controllata” dentro
un reattore, però, non è ancora stata
realizzata, ma scienziati e tecnici vi
stanno lavorando.
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Reattore a fusione
Fino a oggi sono stati
costruiti alcuni reattori
sperimentali per la fusione
nucleare, ma nessuno ha
avuto successo.
Il problema è come
realizzare un contenitore
capace di mantenere
“confinato” l’idrogeno alle
temperature estreme
necessarie per la fusione
dei nuclei.
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Schema della fusione
Dall’idrogeno si ricava il deutrizio,
che si trova nell’acqua in quantità
minime, e il trizio, che è invece un
prodotto artificiale. Facendo fondere i
due nuclei si ottiene un nucleo di elio
e la piccola parte di materia che
scompare si trasforma in energia.
La reazione deuterio-trizio non
produce scorie radioattive, ma nel
reattore si produce radioattività, per
la notevole emissione di neutroni.
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Idrogeno come carburante
•
Produzione dell’idrogeno
•
Idrogeno e ambiente
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Produzione dell’idrogeno
Le tecniche di produzione dell’idrogeno sono essenzialmente tre:
- sottoprodotto dell’industria chimica;
- estrazione da combustibili fossili (comporta elevate cessioni di CO2);
- estrazione dall’acqua tramite il processo di elettrolisi che richiede una
notevole quantità di energia elettrica.
Estrazione dal metano
Per estrarre idrogeno dal
metano lo si fa reagire
con vapore acqueo in
presenza di “catalizzatori”,
ad alta temperatura e
pressione.
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Idrogeno e ambiente
L’automobile a idrogeno non inquina perché
scarica nell’aria solo vapore acqueo, non
danneggia l’atmosfera perché non produce CO²
ed è anche silenziosa.
Tuttavia, l’idrogeno non è una fonte di energia
ma un vettore energetico, come l’energia
eletrica. Quindi esso è amico dell’ambiente solo
se viene ricavato dall’energia elettrica prodotta
con l’energia idrica, solare o eolica.
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Maggior consumo di petrolio e di gas
Gli economisti prevedono
che nei prossimi vent’anni
aumenteranno i consumi
di energia di circa il 30%.
Infatti la Cina, l’India e gli
altri paesi di nuova
industrializzazione
compreranno sempre più
combustibili (soprattutto
petrolio e gas).
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Più carbone
Ai ritmi attuali di consumo i
combustibili fossili sono destinati a
finire in tempi abbastanza brevi:
- il petrolio sarà il primo a
esaurirsi, tra circa 40 anni;
- il gas naturale durerà ancora 70
anni;
- il carbone durerà circa 150 anni.
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Nuovo sistema energetico
La fonte di energia più promettente
per il futuro sembra essere l’energia
solare, che potrebbe essere sfruttata
in migliaia di centrali per produrre
energia elettrica.
L’unica certezza, però, è che il
sistema energetico attuale, basato
sui combustibili fossili, è destinato a
finire in un tempo non troppo lontano.
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