ENERGIE ALTERNATIVE
Eva Aiello
Rebecca Castiglione
Federica Cosimano
Federica Garofalo
Ottavia Maugeri
IV F liceo scientifico G.Galilei
Per fonte di energia alternativa si intende un modo di ottenere
energia elettrica fondamentalmente differente da quella
ottenuta con l'utilizzo dei combustibili fossili, che costituiscono le
fonti rinnovabili.
le fonti di energia alternativa comprendono una classe più ampia
di forme di produzione di energia comprendendo "qualunque"
modo di produzione di energia che non avvenga mediante
l'utilizzo di combustibili fossili. Una differenza sostanziale ad
esempio è la presenza fra le fonti alternative dell'energia
nucleare,che non viene compresa nelle altre due classi.
Il termine divenne di uso comune negli anni '70, a valle delle crisi
petrolifere del 1973 e 1979, che avevano fatto vedere in maniera
chiara le problematiche poste da un mondo dell'energia troppo
dipendente dal petrolio e, in generale, dall'approvvigionamento
di fonti fossili.
Negli ultimi trent'anni sono state investite nella ricerca in tal
senso molte risorse umane ed economiche. Nonostante ciò, uno
dei problemi è rappresentato da conflitti d'interesse tra chi
dovrebbe investire i fondi nella ricerca e chi produce
attualmente l'energia o chi vende petrolio: di conseguenza
vengono a mancare le alternative per il futuro.
Alcune fonti energetiche alternative sono rappresentate da:
-energia nucleare (sia a fissione che a fusione)
-energia idroelettrica
-energia geotermica
-energia ricavata dalla biomassa e biogas
-energia eolica
-energia solare (sia attraverso centrali solari termiche che
fotovoltaiche)
-energia del moto ondoso e delle maree
-energia prodotta dalla dissociazione molecolare
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. L'energia nucleare, insieme alle
fonti rinnovabili e le fonti fossili, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in
natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia.
Le reazioni che coinvolgono l'energia nucleare sono principalmente quelle di fissione
nucleare, di fusione nucleare.
Nelle reazioni di fissione (sia spontanea, sia indotta), nuclei di atomi con alto
numero atomico (pesanti). si spezzano producendo nuclei con numero atomico
minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di
energia. Il processo di fissione indotta viene usato per produrre energia nelle centrali
nucleari. Le prime bombe atomiche, del tipo di quelle sganciate su Hiroshima e
Nagasaki, erano basate sul principio della fissione.
Nelle reazioni di fusione, i nuclei di atomi con basso numero atomico, come
l'idrogeno, il deuterio o il trizio, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e
rilasciando una notevole quantità di energia (molto superiore a quella rilasciata
nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte).
In natura le reazioni di fusione sono quelle che producono l'energia proveniente dalle
stelle.
Schema di una reazione di fissione
nucleare
Schema di fusione nucleare D-T
L'energia nucleare è data dalla fissione o dalla fusione del nucleo di un
atomo. La prima persona che intuì la possibilità di ricavare energia dal
nucleo dell'atomo fu lo scienziato Albert Einstein nel 1905. Per ricavare
energia dal nucleo dell'atomo esistono due procedimenti opposti:
la fissione di un nucleo pesante, consiste nel rompere il nucleo
dell'atomo per farne scaturire notevoli quantità di energia.
la fusione di nuclei leggeri, è esattamente opposta alla fissione: invece
di spezzare nuclei pesanti in piccoli frammenti, si uniscono nuclei leggeri in
nuclei più pesanti.
Energia Idroelettrica
L'energia idroelettrica è quel tipo di energia che sfrutta la trasformazione
dell'energia potenziale gravitazionale (posseduta da masse d'acqua in quota) in
energia cinetica nel superamento di un dislivello, la quale energia cinetica viene
trasformata, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia
elettrica.
L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla
creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari tipi di diga: nelle centrali a
salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle
centrali ad acqua fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che
superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere una portata
considerevole e un regime costante.
L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni) e
rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali, con
l'allagamento di vasti terreni, può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema
della zona con enormi danni ambientali.
La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo
sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso
si parla di energia mareomotrice.
Per centrale idroelettrica si intende una serie di opere di ingegneria idraulica
posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei
allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in
movimento. L'acqua viene convogliata in una o più turbine che ruotano grazie
alla spinta dell'acqua. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma
il movimento di rotazione in energia elettrica.
Energia Geotermica
L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di
calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile, se valutata in
tempi brevi. Si basa sulla produzione di calore naturale della Terra (geotermia)
alimentata dall'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare di
elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente
all'interno della terra.
L'energia geotermica rappresenta oggi meno dell'1% della produzione mondiale
di energia.
L’energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore
presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Infatti penetrando in
profondità della superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più
elevata, aumentando di circa 30 °C per km nella crosta terrestre. Esistono diversi
sistemi geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo i
sistemi idrotermali, costituiti da formazioni rocciose permeabili in cui l’acqua
piovana e dei fiumi si infiltra e viene scaldata da strati di rocce ad alta
temperatura, Le temperature raggiunte variano dai 50-60 °C fino ad alcune
centinaia di gradi.
La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua
del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e
riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra
e il termalismo.
Si definisce biomassa qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale o animale,
destinata a fini energetici o alla produzione di ammendante agricolo, e rappresenta
una sofisticata forma di accumulo dell’energia solare.
La brevità del periodo di ripristino fa si che le biomasse rientrino tra le fonti
energetiche rinnovabili, in quanto il tempo di sfruttamento della sostanza è
paragonabile a quello di rigenerazione. Poiché nel concetto di rinnovabilità di una
fonte energetica è insita anche la sostenibilità ambientale, sarà necessario che le
biomasse, con particolare riferimento a quelle di origine forestale, provengano da
pratiche aventi impatto ambientale trascurabile o nullo (es. le operazioni di
manutenzione boschiva).
Non sono invece considerati biomasse alcuni materiali, pur appartenenti alla chimica
organica (come le materie plastiche e i materiali fossili), perchè non rientrano nel
concetto con cui si intendono i materiali organici qui presi in considerazione.
Quando si bruciano le biomasse (ad esempio la legna), estraendone l’energia
immagazzinata nei componenti chimici, l’ossigeno presente nell’atmosfera si combina
con il carbonio delle piante e produce, tra l’altro, anidride carbonica, uno dei
principali gas responsabile dell’effetto serra. Tuttavia, la stessa quantità di anidride
carbonica viene assorbita dall’atmosfera durante la crescita delle biomasse. Il
processo è ciclico.
Fino a quando le biomasse bruciate sono rimpiazzate con nuove biomasse,
l’immissione netta di anidride carbonica nell’atmosfera è nulla.
La Biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali
organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero
trasformati in combustibili solidi, liquidi o gassosi.
Sono quindi biomasse, oltre alle essenze coltivate espressamente per scopi
energetici, tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione,
compresi i residui delle lavorazioni agricole e della silvicoltura, gli scarti dei
prodotti agro-alimentari destinati all’alimentazione umana o alla zootecnia, i
residui, non trattati chimicamente, dell’industria della lavorazione del legno e
della carta, tutti i prodotti organici derivanti dall’attività biologica degli
animali e dell’uomo, come quelli contenuti nei rifiuti urbani (la “frazione
organica” dei Rifiuti).
Nell’accezione più generale si può quindi considerare Biomassa tutto il
materiale di origine organica sia vegetale, sia animale, ma per schematizzare
meglio questo settore si possono prendere in considerazione le tre principali
filiere che lo rappresentano:
Biogas
• Oltre ai vegetali coltivati, anche i rifiuti vegetali e liquami di
origine animale possono essere sottoposti a digestione o
fermentazione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno). La
biomassa viene chiusa in un digestore (ad esempio realizzato con la
tecnologia UASB) nel quale si sviluppano microorganismi che con la
fermentazione dei rifiuti formano il cosiddetto biogas. Dopo
trattamento depurativo, questo può essere usato come carburante,
combustibile per il riscaldamento e per la produzione di energia
elettrica. Anche dai rifiuti raccolti nelle città si può ricavare energia.
Biomassa
Biogas
L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in
altre forme di energia. Attualmente viene per lo più convertita in elettrica
tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva
utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni
industriali e pre-industriali. Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto
costo/produzione,è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata
dall'uomo.
Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite
macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti in funzione del tipo di
modulo base adoperato definito generatore eolico:
Generatori eolici ad asse verticale: indipendenti dalla direzione di provenienza
del vento
Generatori eolici ad asse orizzontale: il rotore va orientato (attivamente o
passivamente) perpendicolarmente alla direzione di provenienza del vento.
I generatori eolici a partire dal 1985 hanno migliorato drasticamente il
rendimento, dimensioni e costi e continuano a farlo: ecco perché i numeri dati in
seguito sono da ritenersi provvisori. Tali generatori sono riusciti a passare da una
produzione di pochi kilowatt di potenza, a punte di 3 MW per i più efficienti e
una produzione tipica del mercato attuale di 1,5 MW, con una velocità del vento
minima di 3-4 m/s.
Energia Solare
Per energia solare si intende l'energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando
direttamente l'energia irraggiata dal Sole (fonte rinnovabile) verso la Terra.
Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera che oltretutto ruota, l'irraggiamento
solare medio è, alle latitudini europee, di circa 200 watt/m². Moltiplicando questa
potenza media per metro quadro per la superficie dell'emisfero terrestre istante per
istante esposto al sole si ottiene una potenza maggiore di 50 milioni di GW (un GW gigawatt - è circa la potenza media di una grande centrale elettrica).
La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa
diecimila volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma
poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste
per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia
facilmente sfruttabile con efficienze accettabili. Per il suo sfruttamento occorrono
prodotti in genere di costo elevato che rendono l'energia solare notevolmente costosa
rispetto ad altri metodi di generazione dell'energia. Lo sviluppo di tecnologie che
possano rendere economico l'uso dell'energia solare è un settore della ricerca molto
attivo ma che, per adesso, non ha avuto risultati rivoluzionari.
L'energia del moto ondoso è una fonte di energia classificata tra le cosiddette
"energie rinnovabili". Il moto ondoso del nome fa riferimento alla classificazione
dell'energia per tipo di generazione.
L'energia del moto ondoso è una fonte di recente sperimentazione in vari progetti
europei di ricerca nel campo energetico.
Vi sono varie tecniche di sfruttamento del moto ondoso. Un esempio noto è quello
delle turbine Pelamis (sperimentate in Portogallo), costituite da strutture tubolari
galleggianti ancorate al fondo marino. All'interno delle strutture vi sono delle turbine
messe in moto dall'acqua che entra ed esce dalle strutture al ritmo del moto ondoso
in cui il generatore si trova. Tali generatori generano energia con costanza, ma
mostrano un ingombro non indifferente. Un altro tipo di impianto è quello a colonna
d'acqua oscillante, anch'esso raccoglie l'acqua che entra grazie al moto ondoso per
mettere in moto una turbina.
Un generatore di tipo differente in fase di sperimentazione consiste in una turbina
(simile a quelle eoliche) sottomarina messa in moto dalle correnti marine. In questo
caso, non si tratta propriamente di energia dalle onde, ma comunque da correnti che
contribuiscono alla formazione delle onde stesse.
Il dissociatore molecolare è un sistema utilizzato per lo smaltimento dei rifiuti.
Il trattamento è di tipo termo-chimico e permette di scomporre le sostanze
organiche trasformandole in forma gassosa. I rifiuti vengono trattati in una
camera stagna in cui si ha il controllo della quantità di aria immessa, il
trattamento prevede la gassificazione o un mix di gassificazione e pirolisi, dei
rifiuti, una combustione in carenza di ossigeno. In queste condizioni si ha una
disgregazione dei rifiuti solidi e la produzione di syngas che può essere usato
come un normale combustibile gassoso. Minore è la quantità di ossigeno,
maggiore è la porzione sottoposta a pirolisi (assenza totale di ossigeno), ciò
comporta una maggiore produzione di syngas.
Gli impianti si possono differenziare in base alle temperature di reazione, quelli
che operano ad una temperatura più alta di 1000° svolgono la reazione in
modo più rapido, quelli che operano a temperature più basse 350-600°, hanno
tempi di reazione molto lunghi, anche di 24 ore.
Fine presentazione:
Eva Aiello
Rebecca Castiglione
Federica Cosimano
Federica Garofalo
Ottavia Maugeri