Istituto I.T.I. Omar Seminario Energia quotidiana

Progetto “Energeticamente Intelligenti”
Istituto I.T.I. Omar
Seminario Energia quotidiana
01 ottobre 2014
Riccardo Olivani
ENERGIA
…la capacità di un corpo o di un sistema di
compiere lavoro
Unità di misura: Tante? Sì, tante
Esistono tante forme di energia e tanti modi per
misurarla
TUTTI CONVERTIBILI UNO NELL’ALTRO
J, cal, Cal (kcal), btu, Wh, eV, tep…
…
Attenzione subito a: cal e Cal… l’energia dei nostri cibi è
normalmente misurata in Cal (1 Cal = 1 kcal = 4,19 kJ)
Esempi
Il Joule (J) è il lavoro svolto esercitando la forza di 1
Newton per una distanza di 1 metro
La caloria (cal) è l’energia necessaria per elevare di 1 °C la
temperatura di 1 grammo di acqua distillata alla
pressione atmosferica di 1 atm
L’elettronvolt (eV) è l’energia cinetica di un elettrone
accelerato con una differenza di potenziale di 1 V
Il Wattora (Wh) è l’energia necessaria a fornire la
potenza di 1 Watt per 1 ora
TEP
Il TEP (Tonnellata petrolio equivalente) rappresenta
la quantità di energia rilasciata dalla combustione di
1 tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ
(11630 kWh). Quanti barili (circa 160 litri l’uno)
compongono 1 TEP? Circa 7 (6,84)
Quanti barili consumati nel mondo giornalmente?
88 milioni cioè 12,5 milioni tep
Se dividere tep giornalieri per abitanti mondiali avesse senso…
0,0018 tep al giorno procapite… 1,8 kg
POTENZA
ENERGIA
Watt? 1 Watt equivale a:
1 Joule al secondo (1 J/s)
1 Volt per Ampere (1 V · A)
1 Newton per metri al secondo (1 N · m/s)
…
Moltiplicando una potenza per un tempo
ottengo un’energia che rappresenta il lavoro
compiuto da un sistema
Esempi domestici quasi di un’altra epoca… ma la sostanza
non cambia…
Asciugacapelli 1 (0,5 kW)
Asciugacapelli 2 (2 kW)
Asciugacapelli?
Definizione: Semplice (?) oggetto costituito essenzialmente da
una ventola messa in movimento da un motore elettrico che
aspira aria dall’ambiente e la indirizza su resistenze elettriche
riscaldate allo scopo di generare un flusso di aria calda…
Quanto consuma l’asciugacapelli?
elettrica consuma?
Quanta energia
Molto meglio dire: quanta energia elettrica (generata dove?
generata come? generata con quale rendimento?)
l’asciugacapelli trasforma in energia termica e cinetica (ossia
energia contenuta in un flusso di aria “mossa e calda”).
CIO’ DIPENDE: dalla potenza e dal tempo di funzionamento
Asciugacapelli? Ipotesi di uso
Ipotizziamo di usare l’asciugacapelli a piena potenza…
Asciugacapelli 1: 0,5kW*4 minuti (240s)*1h/3600s =
0,033 kWh circa (mezzo kWh in 1 ora)
Asciugacapelli 2: 2kW*4 minuti (240s)*1h/3600s =
0,133 kWh circa (quattro volte tanto, 2 kWh in 1 ora)
Quindi il modello 2 “consuma” il quadruplo? Sì, ma mi
asciuga i capelli più in fretta quindi lo uso meno tempo…
quanto tempo risparmio?
1 minuto anziché 4 minuti? Sì…, se voglio uscire coi capelli
bagnati!
RIFLETTIAMO
Perché la potenza di un asciugacapelli è quadruplicata? Quali benefici?
La testa è sempre grossa uguale… inutile mettere a bollire il pentolino del tè
sul fuoco più grande del fornello…!
…non vi pare?
Se ho tanta fretta scaldo l’acqua in una padella (possibilmente coperta)
con una base sufficientemente grande per “contenere la fiamma”
Quanta energia per vivere in 1
“phonata”?
Ipotizziamo un phon da 1000 Watt. 6 minuti: 0,1 kWh
0,1 kWh= 85 kcal = 1 km di corsa a 10 km/h (6 minuti)
Mela media (200g): 85
kcal
Davvero una mela?
… davvero 1 mela?
Devo “produrla”, o meglio: devo trasformare un’altra fonte primaria
(ossia una fonte già esistente in natura) in energia elettrica
Fonti primarie: modi d’uso
(non solo per produrre elettricità, anzi!)
Radiazione solare: fotosintesi (le piante hanno iniziato per
prime a usare il sole!), energia termica, energia elettrica
mediante conversione fotovoltaica
Energia chimica dei combustibili (sia rinnovabili es. legna, sia
fossili es. carbone, petrolio): reazioni esotermiche di
combustione per motori termici e caldaie di vario tipo
Energia cinetica di un fluido in movimento (acqua, vento):
energia cinetica per macchine idrauliche/eoliche
Energia geotermica: energia termica proveniente dal sottosuolo
Energia dell’atomo: energia termica di fissione per
produzione di energia elettrica in centrali elettronucleari
TUTTE LE TRASFORMAZIONI DI ENERGIA PORTANO DELLE PERDITE DI ENERGIA UTILE
Esempio (17MW):
http://www.sienafree
.it/ambiente-edenergia/291ambiente-edenergia/37911-acavriglia-arinaugurato-il-piugrande-impiantofotovoltaico-pubblicoin-toscana
Non solo elettricità dal sole
Esempio (40MW):
http://en.wikipedia.org/
wiki/Middelgrunden
Esempio (50MW):
http://it.wikipedia.org/wiki/Isola_Serafini
Esempio
(20MW+1MW):
http://www.tcvvv.it
CIBO!
Esempio (120MW):
http://en.wikipedia.org/wiki/Nesjav
ellir_Geothermal_Power_Station
Esempio (5320MW):
http://en.wikipedia.or
g/wiki/Paluel_Nuclear
_Power_Plant
Esempio (1440MW):
http://www.tirrenopower.co
m/impianti/vadoligure.aspx
Tornando all’esempio
dell’asciugacapelli…
Se consideriamo che la maggior parte dell’energia
elettrica che usiamo abitualmente (circa 80%) è prodotta
dalle centrali termoelettriche a partire da combustibili
fossili con un rendimento medio inferiore a 0,5 (cioè il
50%, ossia 2 unità di energia del combustibile entrano
nella centrale e 1 unità di energia elettrica esce dalla
centrale) e in più aggiungo anche le perdite nella
distribuzione dell’elettricità sulla rete…
…cosa scopro?
SCOPRO QUESTO
Energia
elettrica per
l’asciugacapelli
+
Energia
(termica) persa
durante fase di
produzione e
distribuzione
Cioè l’energia necessaria per 2 km di corsa!
Perdipiù, l’energia termoelettrica è anche basata sullo
sfruttamento di fonti primarie esauribili e inquinanti...
…e le mele sono “inquinanti”!? Ne parleremo.
Estremizziamo il concetto? Sì, ma ragionando
Mi occorrono 15 mele (media dimensione, media zuccherinità)
per correre 15 km (1 ora e mezza, 85 kcal x 15 mele= 1275 kcal )?
No, perché faccio indigestione! Sono 3 kg di mele!
Ci si ciba infatti di vari alimenti perché ogni tipologia di cibo
fornisce un particolare apporto (zuccheri, proteine, grassi, acqua,
sali, vitamine, fibra, oligoelementi… ), e:
la questione calorica non è l’unico aspetto
…la pasta, per esempio? 100 g di pasta scondita (360 kcal) = circa 4
delle nostre mele medie (800 g). Rapporto sul peso: 1:8
Se la condisco le calorie possono raddoppiare
A differenza dei nostri avi abbiamo l’automobile…
Sì, ma a che prezzo energetico?
Ipotizziamo di avere un’auto che percorre 15 km con 1 litro di
benzina.
Mi serve 1 litro di benzina… (cos’è la benzina? esiste in natura?)
1 litro di benzina (circa 750 g) sviluppa durante la combustione quasi
36 MJ (cioè 10 kWh) di energia termica…!
Il motore termico dell’automobile riesce a trasformarne però meno
del 30% in energia meccanica (cinetica) utile per far muovere
l’auto… (e il resto dell’energia, che fine fa?)
Quante mele per 15 km in auto?
100
Circa 8600 kcal
Cioè 20 kg di mele…
Cioè l’energia elettrica per asciugarmi i capelli
(1000W) per 5 ore (già considerando il non
entusiasmante rendimento termoelettrico di 0,5)
8600 kcal
Il fabbisogno calorico per vivere 3 giorni
senza problemi (facendo anche
qualche corsa… a piedi!)
In altre parole, sempre ragionando solo di
energia…
Viviamo (potremmo vivere) con un equivalente
calorico di 1/3 di litro di benzina al giorno…
quella che un’automobile che viaggia a 100
km/h esaurisce in (15/3) 5 km cioè in 3 minuti…
3 minuti di auto = 24 ore di metabolismo basale
(energia necessaria per le funzioni metaboliche
vitali, circa il 60% del fabbisogno giornaliero) +
energia per le attività giornaliere
Gli avi avevano il cavallo (quelli ricchi). Tutti avevano
meno fretta… O forse avevano anche tanta fretta ma
pochi mezzi per soddisfarla
Illustrazione Livre du roi Modus et de la
reine Racio, Anonimo, XIV secolo
Trionfo della morte, Anonimo, XV secolo
Banchetto di Carlo V di Francia, Jean Fouquet,
XV secolo
I nostri servi moderni: sapremmo dire quanta energia richiedono?
I nostri servi moderni: sapremmo dire quanta energia richiedono?
E la casa? Quanta energia per il riscaldamento?
Come esprimo il consumo (riscaldamento) di un abitazione?
kWh/m2 x anno
Tornando alla domanda iniziale…
Fonte
kcal
kWh
Batteria Li-ion 10,8 V
40
0,047
Mela
135
0,16
Mais (sgocciolato)
246
0,29
Lenticchie (sgocciolato)
315
0,37
Sgombro all’olio
(sgocciolato)
630
0,73
Pasta (secco)
1080
1,26
Legna (robinia, secco)
1325
1,54
Burro
2150
2,5
Benzina (0,4 litri)
3300
3,83
La benzina ha una densità energetica
(kWh/g) 80 volte superiore rispetto
alla batteria del notebook!