U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE – Prof.ssa R.D'Imporzano
Le centrali elettriche, sono costituite da sistemi di conversione che trasformano
una FORMA di ENERGIA (TERMICA, CINETICA, MECCANICA,...) in ENERGIA
ELETTRICA.
Le macchine che operano queste trasformazioni sono:
1. TURBINA
2. ALTERNATORE O DINAMO
3. TRASFORMATORE
A seconda della FONTE di energia di partenza possiamo distinguere le seguenti
centrali:
•CENTRALE TERMOELETTRICA
•CENTRALE IDROELETTRICA
•CENTRALE GEOTERMICA
•CENTRALE EOLICA
•CENTRALE SOLARE
•CENTRALE A BIOGAS E TERMOVALORIZZATORI
•CENTRALE NUCLEARE
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CENTRALE
TERMOELETTRICA
Dal carbone, petrolio e metano, attraverso il
processo chimico della combustione, si
ottiene energia termica che scalda l’acqua
contenuta in una caldaia.
L’acqua evaporando trasforma questa
energia in energia cinetica (vapore
surriscaldato 450°C) che viene usata per far
muovere le pale di una turbina
trasformandosi in energia meccanica
(movimento circolare di un asse).
Questo movimento grazie ad altre macchine
(dinamo; alternatore) collegate all’asse della
turbina si trasforma in energia elettrica.
ENERGIA CHIMICA
ENERGIA TERMICA
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
Per quanto riguarda il rendimento di tali centrali, circa il 40% dell’energia contenuta nel
combustibile viene trasformato in elettricità; il restante 60% viene perso nelle conversioni di
energia da chimica a termica, a meccanica, a elettrica.
Vai sul sito: www.rosarioberardi.it/sitoberardi/energia.htm
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CENTRALE
TERMOELETTRICA
I primi esempi di turbina furono i
i mulini a vento.
La turbina è costituita da:
• una parte fissa statore,
• una parte mobile, girante o rotore.
Il fluido in movimento (vapore, acqua)
agisce sulla palettatura della parte
mobile, mettendola in rotazione e
quindi cedendo energia meccanica al
rotore.
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CENTRALE
TERMOELETTRICA
L’asse in uscita dalla turbina, mette
in movimento rotatorio la bobina
dell’ALTERNATORE che così genera
CORRENTE ALTERNATA.
Il vapore che esce dalla turbina
viene riportato allo stato liquido
nel condensatore e ri-pompato
nella caldaia.
Il camino provvede ad espellere
nell'atmosfera
i
fumi
della
combustione.
Esistono diversi tipi di Turbine:
1. PELTON
Turbina a AZIONE
2. FRANCIS
Turbina a REAZIONE
3. KAPLAN
Turbina a REAZIONE
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CENTRALE
TERMOELETTRICA
1.
FRANCIS
Portate e salti intermedi
2.
KAPLAN
Grandi portate (superiori a 300 mc/s) e
piccoli salti (dai 2 ai 20m)
3.
KAPLAN
PELTON
Piccole portate e grandi salti
(dai 400m ai 2.000m)
FRANCIS
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PELTON
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CENTRALE
IDROELETTRICA
L’acqua che si trova ad un
certo dislivello possiede
energia potenziale.
ENERGIA POTENZIALE
ENERGIA CINETICA
Nella sua discesa questa energia si
converte in energia cinetica che viene
usata per far muovere delle pale
(turbina) trasformandosi in energia
meccanica.
Questo movimento grazie ad altre
macchine
(dinamo, alternatore) si
trasforma in energia elettrica.
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
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CENTRALE
GEOTERMICA
Il VAPOR ACQUEO (T.200°C) che fuoriesce
dal sottosuolo energia cinetica .
ENERGIA CINETICA
La caldaia che produce vapore è un
serbatoio naturale geotermico, situato al di
sotto
della
crosta
terrestre.
Il vapore portato in superficie per mezzo di
trivellazioni più o meno profonde, viene
convogliato in tubazioni, chiamate
vapordotti.
ENERGIA MECCANICA
Questo vapore viene usato per far
muovere le turbina, trasformandosi in
energia meccanica.
Questo movimento grazie ad alternatori si
trasforma in energia elettrica.
ENERGIA ELETTRICA
L’Italia è stato il primo paese al mondo a
sfruttare l’energia geotermica, con il primo
impianto di generazione realizzato nel 1913
a Larderello.
Attualmente sono attive
centrali geotermiche a Larderello, Travale e
Monte Amiata (in Toscana) e forniscono
attualmente circa l’1,5% della produzione
totale dell’energia elettrica nazionale.
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CENTRALE EOLICA
L'energia eolica posseduta dal
VENTO (energia cinetica), incide
sulle pale di una girante
mettendole
in
movimento
(energia meccanica).
Questo movimento grazie ad
alternatori si trasforma in energia
elettrica.
Questo è possibile grazie a
aerogeneratori, che altro non
sono che l'evoluzione tecnologica
dei
mulini
a
vento.
Più aerogeneratori costituiscono
un impianto eolico.
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
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•
•
•
•
SPECCHI
SERBATOIO
TURBINA
ALTERNATORE
IMPIANTO IN CALIFORNIA
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CENTRALE
SOLARE
Gli specchi vengono puntati verso un
serbatoio posto alla sommità di una torre.
La luce concentrata dagli specchi fa
evaporare il liquido contenuto nel serbatoio
(caldaia) che inviato alla turbina e
all’alternatore per generare energia
elettrica.
Consente di raggiungere temperature alte e
quindi consente di utilizzare come liquido
altri elementi oltre all'acqua innalzando
l'efficienza complessiva del sistema.
Gli impianti più moderni prevedono di
stoccare il fluido ad alta temperatura in
appositi serbatoi isolati, che permettono di
far funzionare le turbine durante la notte, in
alcuni casi con una autonomia di alcuni
giorni in caso di cattivo tempo. Questi
impianti hanno comunque la possibilità di
essere alimentati anche a gas nel caso le
condizioni sfavorevoli perdurino.
ENERGIA SOLARE
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
Da ogni m2 di specchi in un anno si
ricava l’equivalente in energia di un
barile di petrolio
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CENTRALE
SOLARE
ENERGIA SOLARE
ENERGIA ELETTRICA
Questo tipo di centrale elettrica utilizza dei moduli fotovoltaici per convertire
direttamente la luce solare in energia elettrica tramite l'effetto fotovoltaico.
E quindi è differente da qualunque altra centrale perché non utilizza il gruppo
turbina-alternatore
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CENTRALE
SOLARE
La centrale fotovoltaica è costituita da un insieme di pannelli detti celle
solari o celle fotovoltaiche.
In esse è presente un particolare
elemento,
il
silicio
che,
opportunamente trattato, ha la
capacità
di
generare
direttamente energia elettrica
quando viene colpito dalla
radiazione solare.
La cella fotovoltaica si presenta come un cerchio di 10 cm di diametro e
viene affiancata a numerose altre, fino a ottenere la quantità di elettricità
richiesta.
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CENTRALE
SOLARE
SVANTAGGI:
VANTAGGI:
• dipendente
dalle
condizioni
atmosferiche come la presenza di
nubi o pioggia.
• non ci sono emissioni inquinanti o di gas serra
• necessità di grandi superfici
rispetto ad altri tipi di centrali, a
parità di produzione.
• la fonte energetica è assicurata per miliardi di anni e gratuita,
mentre i prezzi di combustibili fossili e uranio sono variabili e
presumibilmente destinati ad un andamento crescente col ridursi
delle riserve totali e il progressivo esaurimento di quelle
economicamente e tecnicamente più convenienti da sfruttare.
• lo sfruttamento dell'energia solare è libero, non intermediato e
prescinde dall'instaurazione e dal mantenimento di rapporti
commerciali o dalla stabilità delle relazioni internazionali,
• non si producono come nel caso del nucleare scorie per il cui
smaltimento non sono disponibili siti adatti,
• il processo produttivo è relativamente semplice e privo di rischi
legati a errori umani o malfunzionamenti, non esistono parti in
movimento.
• la centrale è intrinsecamente innocua per gli abitanti nei dintorni,
né si presta a attentati terroristici.
• Anche il fattore costo, attualmente ancora non competitivo (sebbene
in calo), se riveduto con quello che è il costo ambientale delle fonti
fossili, (tensioni geopolitiche, inquinamento, effetto serra,
cambiamento climatico), può essere riconsiderato e valutato sulla
base degli scenari futuri, inoltre i costi di manutenzione sono ridotti
al minimo.
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CENTRALE
SOLARE
Un impianto fotovoltaico è costituito da un
insieme di apparecchiature che consentono di
trasformare direttamente l'energia solare in
energia elettrica.
Da oggi è possibile trasformare la propria
abitazione in una piccola centrale elettrica.
La soluzione è installare sul tetto o a terra un
impianto fotovoltaico.
Gli impianti per la produzione di energia elettrica
casalinga mediante tecnologia fotovoltaica
presentano diversi vantaggi, tra i quali i più
significativi sono:
– assenza di qualsiasi tipo di emissioni inquinanti;
– risparmio dei combustibili fossili;
– estrema affidabilità poiché non esistono parti in
movimento (vita utile superiore a 25 anni);
– costi di manutenzione ridotti al minimo;
– modularità del sistema (per aumentare la taglia
basta aumentare il numero dei moduli).
ENERGIA SOLARE
ENERGIA ELETTRICA
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CENTRALE
SOLARE
Le funzioni dei dispositivi mostrati sono le seguenti:
i moduli fotovoltaici, elemento essenziale dell'impianto, captano la radiazione solare durante il
giorno e la trasformano in energia elettrica in corrente continua; i pannelli più diffusi sono
rettangolari (superficie 1-1,5 mq e peso 15-20 kg), le celle sono protette da un vetro molto
resistente e trasparente e hanno una potenza fra i 90 e i 300 Wp (watt di pico);
l’inverter, dispositivo elettronico che trasforma l'energia elettrica da corrente continua a corrente
alternata (frequenza 50Hz) rendendola idonea alle esigenze delle comuni apparecchiature
elettriche (lampade, elettrodomestici, alimentatori, computer...);
misuratori di energia, sono dispositivi che servono a controllare e contabilizzare la quantità di
energia elettrica prodotta e scambiata con la rete.
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CENTRALE
SOLARE
Un impianto fotovoltaico deve essere installato con le superfici dei pannelli esposte a SUD, accettata
anche SUD-EST, SUD-OVEST. I pannelli essere collocati su tetto, sulla facciata o a terra.
Per quanto riguarda l'inclinazione dei pannelli, l'inclinazione di 30°-35° rispetto al piano è quella che in
Italia permette di avere la massima produzione annua di energia.
Tra le varie soluzioni che il Cliente può scegliere per installare un impianto fotovoltaico, la scelta
dell'integrazione architettonica nell'edificio deputato ad accogliere l'impianto permette di ottenere un
aumento dell'incentivo statale in conto energia, oltre ad un gradevole effetto estetico.
Durata vita impianto: 25-30 anni.
Costo 6.000 euro a kWp, quindi per un impianto da 3 kWp a tetto il costo sarà 18.000 euro (+iva 10%).
Per l’istallazione ci sono INCENTIVI erogati dallo Stato, Regione o Province.
(vedi: www.enelsi.it )
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CENTRALE
SOLARE
Per la produzione combinata di acqua calda per usi igenico-sanitari e per il
riscaldamento degli ambienti (per esempio attraverso gli impianti a
bassa temperatura sottopavimento).
Si tratta di soluzioni integrate (collettore + serbatoio) per la produzione di
acqua calda.
La circolazione del fluido, che raccoglie l’energia solare, avviene naturalmente
per effetto del suo riscaldamento all’interno del collettore.
Rappresentano un ottima soluzione in termini di economicità e semplicità
installativa per abitazioni monofamiliari (2-5 persone).
• Serbatoio da 150 litri con 1 collettore, adatto ad un nucleo familiare di 2-3
persone
• Serbatoio da 300 litri con 3 collettori idoneo a coprire il fabbisogno di un
nucleo familiare di 5-6 persone.
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CENTRALE
SOLARE
I pannelli solari hanno al loro interno dei tubi entro i quali
scorre un liquido (acqua + antigelo) che quando è
esposto al sole si scalda, diventa leggero, sale fino ad
entrare nel serbatoio (posto in posizione orizzontale
sopra i pannelli) qui il liquido cede il calore proveniente
dal Sole all’acqua contenuta nel serbatoio stesso.
L’acqua, scaldata dal liquido proveniente dai pannelli
entra quindi nell’impianto di distribuzione dell’acqua
sanitaria di casa.
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CENTRALE
CENTRALE
NUCLEARE
NUCLEARE
Il principio di funzionamento delle
centrali nucleari é simile a quello delle
centrali termoelettriche.
Ma l’energia termica che scalda l’acqua
contenuta in una caldaia si realizza nel
REATTORE NUCLEARE.
Nel reattore viene inserito il combustibile
nucleare: cilindretti di uranio.
Quindi 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.
ENERGIA NUCLEARE
ENERGIA TERMICA
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
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CENTRALE
NUCLEARE
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. Anche l'edifico che
contiene il reattore é fatto di
una solida struttura in cemento
armato. In Italia esistevano
quattro centrali nucleari, ma a
seguito del referendum del
1987 hanno cessato la loro
attività.
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CENTRALE
NUCLEARE
La fissione nucleare si ottiene bombardando con neutroni i nuclei di uranio 235 o di plutonio-239.
In seguito alla scissione di un nucleo, si liberano alcuni neutroni, che, a loro volta, bombardano altri
nuclei, e così via, la reazione, una volta innescata, si propaga autonomamente; e ciò avviene tanto
rapidamente da causare un'esplosione. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata
sottraendo i neutroni in eccesso, in modo da poter immagazzinare l'energia liberata. Purtroppo questa
grande fonte di energia se non controllata può causare grossi danni alla salute dell’uomo.
Vedi : Incidente alla centrale di CERNOBYL del 26 aprile 1986
(http://it.wikipedia.org/wiki/Disastro di Chernobyl)
Vedi: bomba atomica 6 agosto 1945 su Hiroshima che causò la morte immediata di 50.000 persone e
di 100.000 negli anni successivi per effetto delle radiazioni.
http://it.wikipedia.org/wiki/Bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki
Inoltre le scorie che restano alla fine del processo devono essere SMALTITE in luoghi sicuri, poiché
restano radioattive per molti anni e hanno effetti teratogeni (tumori).
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CENTRALE
NUCLEARE
PERICOLO RADIAZIONI
1.Le radiazioni emesse dalle sostanze
radioattive
sono
infatti
estremamente pericolose.
2.Durante la reazione di fissione si
accumulano prodotti di scarto che
periodicamente devono essere
eliminati dette SCORIE.
Le scorie radioattive costituiscono il
problema vero della fissione in quanto
sono molto pericolose per gli esseri
viventi e per l'ambiente, perché
rimangono radioattive per decine di
migliaia di anni.
Emettono radiazioni gamma che sono
altamente pericolose perché sono
molto
penetranti
e
possono
danneggiare direttamente il nucleo
delle cellule provocando tumori spesso
localizzati a livello della ghiandola
tiroidea.
Non sono ancora stati trovati metodi
sicuri per rendere queste scorie
innocue e luoghi adatti per smaltirle e
conservarle in modo che non inquinino.
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CENTRALE
BIOGAS
Il processo attraverso il quale la centrale
produce energia si basa su una prima
fase, di “digestione anaerobica”, nel
corso della quale, gran parte della
biomassa introdotta nel fermentatore,
liquami.
zootecnici di origine bovina, suina e
avicunicola, oppure biomasse vegetali,
come girasole, sorgo da fibra, e scarti di
colture arboree, subiscono un processo
di decomposizione attuato da ceppi
batterici specializzati, che dura circa 45
giorni, alla temperatura di 55 gradi e si
trasformano in metano (CH4).
Il biogas prodotto, dopo una successiva
combustione, si trasforma in energia
termica ed elettrica.
ENERGIA CHIMICA
ENERGIA TERMICA
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
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CENTRALE
BIOGAS
Il risultato complessivo è la
produzione di energia pulita che, a
differenza di quella prodotta da
idrocarburi fossili, consente di
neutralizzare
l’immissione
di
quantitativi aggiuntivi di anidride
carbonica nell’atmosfera.
Il biogas è infatti composto per circa
il 55% da metano, per il 35% da
anidride carbonica e per la restante
parte da vapore acqueo e gas traccia.
L’anidride carbonica derivante dalla
combustione del biogas è quella
precedentemente
fissata
nella
biomassa a seguito del processo di
fotosintesi naturale e, quindi,
l’effetto serra dell’impianto è nullo.
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ENERGIA CHIMICA
ENERGIA TERMICA
ENERGIA CINETICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA ELETTRICA
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CENTRALE
TERMOVALORIZZATORE
I "termovalorizzatori" sono inceneritori di rifiuti con recupero energetico.
Il calore prodotto dalla combustione dei rifiuti viene utilizzato per produrre
energia elettrica in maniera analoga a quanto accade nelle centrali
termoelettriche, anche se con rendimenti estremamente più bassi e maggior
produzione di sostanze inquinanti.
Affinché tutte le materie e soprattutto quelle plastiche brucino con minor
produzione di elementi tossici (ad esempio le diossine, metalli pesanti) è
necessario raggiungere temperature molto elevate (almeno 850 C°) ed
utilizzare sistemi di abbattimento degli inquinanti molto sofisticati e costosi.
La combustione ad alta temperatura, inoltre, produce una miniaturizzazione
delle polveri emesse, proporzionale alla temperatura stessa.
Ciò può dunque portare alla produzione di polveri fini, ultrafini e
nanoparticelle carboniose, che possono causare diverse patologie.
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CENTRALE
COGENERAZIONE
La cogenerazione è l’uso combinato di
un’energia primaria, come il gas naturale, per
produrre in sequenza il calore e l’elettricità.
Il concetto è basato sul recupero e sull’uso dei
residui di calore prodotti durante la
generazione di elettricità che nelle altre
centrali elettriche sarebbero perse, con
conseguente riduzione dell’efficienza rispetto
alla cogenerazione.
Ad esempio, un motore alimentato a metano
produce elettricità e i fumi di scarico sono poi
impiegati come fonte termica, ad esempio
per riscaldare l’acqua.
Grazie allo sviluppo tecnologico di nuove e
più efficienti turbine e macchine
alimentate
a
gas
naturale,
la
cogenerazione, un tempo sfruttata solo
nella
grande
industria,
sta
oggi
diffondendosi anche nella piccola e media
industria e nel terziario.
In particolare, i sistemi di cogenerazione
rappresentano una soluzione efficace per
ridurre i costi di energia elettrica e di
riscaldamento
nell’industria
cartiera,
farmaceutica, negli ospedali, nelle
università, negli hotel…
Si tratta quindi di un processo che ottimizza
l’impiego delle risorse energetiche con
notevoli benefici economici e ambientali.
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