energia - itis galileo galilei conegliano

Classe 2^ AMME – Scienze e Tecnologie Applicate – UdA n° 7: Energia
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] = 103 [J]
1 [MJ] = 106 [J]
1 [kWh] = 3,6 • 106 [J] = 3,6 [MJ]
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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 = Ec
che rappresenta l’energia
cinetica Ec 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. = Ep
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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).
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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.
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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
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turbina Francis (a reazione, per dislivelli medi H = 50 ÷ 400 [m], portate
elevate Qv=200÷300 m3/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.
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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.
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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.
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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.
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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
[m2]; sono necessari circa 7,5 [m2] 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
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(400÷600 °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.
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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 1 000 000 [m3] che cresce di 60 000 [m3] ogni anno, si possono
estrarre quasi 5,5 milioni di [m3] di biogas all’anno (oltre 600 [m3] ogni
ora).
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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.
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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].
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
(Progetto Pelamis).
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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 15 000 [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 25÷28 [°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.
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