d1.10 energia geotermica, dal mare, dalle biomasse
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d1.10 energia geotermica, dal mare, dalle biomasse
D1.10Energia geotermica, dal mare, dalle biomasse, dai rifiuti urbani poliglotta Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Energia geotermica GB: Geotermal energy F: Energie géotermique D: Geothermische Enenergie richiamo Heat flow unit significa, letteralmente, “unità di flusso di calore”. È una forma di energia proveniente dal calore endogeno della Terra, generato nelle profondità del sottosuolo; si ritiene che il nucleo terrestre, sottoposto a pressioni dell’ordine di 3500 kbar, si trovi a una temperatura compresa fra i 3000 e i 6000 °C. Il 30% del calore endogeno è calore residuo risalente ai tempi della formazione del pianeta, il 70% è il risultato dell’attività di emissione di energia conseguente al decadimento radioattivo di elementi quali gli isotopi dell’uranio U-235 e U-238, il torio Th-232 e il potassio K-40. Le eruzioni di lava e magma in numerose parti del globo testimoniano l’intensa attività termica in atto sotto la crosta terrestre. La temperatura aumenta mediamente di 3 °C ogni 100 m di profondità; il calore che risale dall’interno è stimato in 0,06 W/m2, per cui, su tutta la superficie del globo si ripartisce una potenza termica di 30 miliardi di chilowatt; il calore interno della Terra è a tutti gli effetti considerato una fonte inesauribile: basti pensare che il raffreddamento di 1 km3 di rocce calde da 200 a 100 °C equivale a una potenza di 30 MW per una durata di 30 anni. Osservazione: calcolando l’energia termica conservata all’interno del globo in 1031 J e ipotizzando un prelievo annuale da parte dell’uomo di 3,6 × 1020 J, ne consegue che l’energia geotermica ha tutte le caratteri stiche di una fonte inesauribile, essendo 25 miliardi di volte superiore al nostro consumo annuo! Il flusso geotermico dovuto al calore endo geno, o HFU (Heat Flow Unit), è definito come l’energia per unità di tempo e di area che affiora in superficie e vale una microcaloria per –6 centimetro quadrato al secondo, ovvero 4,186 × 10 J. Lo sfruttamento di tale energia risulta conveniente solo nei luoghi in cui è possibile incontrare, a breve profondità, strati rocciosi permeabili particolarmente caldi e impregnati di abbondante acqua di falda fluente (4Fig. 1.57). Il calore magmatico si trasmette agli strati rocciosi sovrastanti e da questi alle acque di falda che salgono di temperatura, talora affiorando spontaneamente in superficie sotto forma di sorgenti termali o geyser (4Fig. 1.58). Fig. 1.57 Schema di un campo geotermico, in cui sono evidenziati i flussi del calore magmatico. 1 il problema energetico D1 Fig. 1.58 Vapore soffiato da un geyser in attività in California. La risalita del fluido viene facilitata trivellando pozzi profondi anche più di 3000 m. In numerosi impianti sono previsti, inoltre, alcuni pozzi per la reiniezione di acqua. Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Si definisce reiniezione un intervento successivo ai processi di scambio energetico del fluido nella turbina (o nello scambiatore di calore) e di condensazione del vapore, che consiste nel reimmettere il liquido nel terreno in profondità. La reiniezione è necessaria per reintegrare le riserve delle falde nel sottosuolo, ma anche per evitare dissesti idrogeologici (4Fig. 1.59). Fra i possibili dissesti ambientali, causati da un’eccessiva estrazione di acqua senza reiniezione, c’è il fenomeno della subsidenza del terreno in prossimità dei pozzi di estrazione. La subsidenza consiste in un abbassamento locale di un’area della crosta terrestre a causa dell’intenso prelievo di acqua dalle falde e della diminuzione della pressione che ne consegue. Fig. 1.59 Schema di funzionamento di un impianto geotermico: un sistema di pozzi geotermici provvede a captare acqua calda o vapore e a reiniettare acqua di superficie nelle profondità più calde. Centrale termica Strati sedimentari Acqua surriscaldata o vapore Introduzione di acqua Granito Strato con fenditure 2 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. richiamo L’Islanda, insieme all’Italia, è la nazione d’Europa più ricca di sistemi a vapore dominante: questi sono in grado di soddisfare l’80% del fabbisogno energetico dell’isola, grazie alla produzione di 51 MW elettrici e di 1310 MW termici. I sistemi geotermici sono suddivisi in diverse categorie, in base al tipo di fluido emesso: i principali sono i sistemi a vapore dominante, ad acqua dominante e ad acqua calda. Sistemi a vapore dominante: dal sottosuolo affiora vapore secco a elevata pressione e temperatura, unitamente ad altri gas quali CO2, H2S, B, NH3. Il vapore viene convogliato direttamente in turbina per la generazione di energia elettrica. Sistemi di questo tipo sono piuttosto rari: i siti più importanti si trovano in California, mentre in Italia sono presenti nella zona di Larderello, in Toscana (4Fig. 1.60). Il rendimento globale di tali impianti è intorno al 10-17%, circa un terzo di quello delle centrali termoelettriche convenzionali, a causa della bassa temperatura del vapore geotermico, in genere dell’ordine di 250 °C. Nonostante il basso valore di rendimento, la produzione di elettricità per via geotermica risulta conveniente sia dal punto di vista economico sia dal punto di vista ambientale. Fig. 1.60 Vista delle centrali geotermiche del comprensorio di Larderello (PI), con in primo piano le tubature di adduzione del vapore endogeno. Fin dal 1904 si scavarono pozzi profondi più di 1 km: attualmente ve ne sono circa 500, disposti su una superficie di 250 km ; la potenza di generazione elettrica è di 547 MW. 2 Dai pozzi di estrazione partono tubazioni in acciaio, dette vapordotti, che trasportano il fluido caldo agli impianti di produzione della centrale geotermoelettrica. Questi vapordotti, a sezione circolare, sono realizzati in lamiera di acciaio inox per garantire una lunga durata delle tu bazioni, anche considerando il fatto che i fluidi geotermici sono spesso bifasici costituiti, cioè, da miscela di acqua e vapore con altre sostanze corrosive in sospensione. Sistemi ad acqua dominante: il fluido è formato principalmente da acqua calda fra i 150 e i 370 °C. Pur essendo la temperatura superio re al punto di ebollizione, l’acqua non è in grado di passare allo stato di vapore, in quanto fortemente pressurizzata. Nel pozzo di prelevamento la pressione si riduce, per cui in superficie giunge una miscela di acqua e vapore; quest’ultimo è destinato alla produzione di energia elettrica, mentre l’acqua calda viene utilizzata per il riscaldamento urbano o in impianti di dissalazione dell’acqua marina. I serbatoi ad acqua domi3 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. nante, con temperatura dell’ordine di 150-170 °C, sono impiegati per alimentare le cosiddette centrali a singolo o doppio flash: l’acqua, giunta in superficie attraverso i pozzi, passa rapidamente dalla pressione di prelievo a quella atmosferica, in tal modo, si separa (“flash”) il vapore che è mandato in centrale, mentre la restante parte di liquido viene reiniettata. Sistemi ad acqua calda: l’acqua sgorga a temperature comprese fra i 50 e gli 82 °C, quindi inferiori alla temperatura di ebollizione a pressione atmosferica. L’acqua calda è utilizzabile per usi diretti, ovvero, immediatamente impiegabile per il riscaldamento di abitazioni e serre, per i fabbisogni industriali e per usi termali e terapeutici. I siti ad acqua dominante o calda sono numerosi su tutta la Terra, al momento sfruttati in piccola parte. In tutto il mondo vi sono vaste riserve sotterranee di acqua calda, per cui proprio le applicazioni “non elettriche” possono offrire un notevole contributo al risparmio energetico mondiale: a titolo di esempio, migliaia di abitazioni nella regione di Parigi sono riscaldate con acque prelevate a 1900 m di profondità, a una temperatura di circa 70 °C. L’Italia è uno dei Paesi europei più fortunati dal punto di vista geotermico, con una potenza installata nell’anno 2000 di 785 MW elettrici, pari all’1,5% della produzione nazionale. Oltre a Larderello, sono in esercizio altri due impianti in Toscana, presso il Monte Amiata (GR) e nel comprensorio di Travale-Radicondoli (SI); un altro impianto è a Latera (VT); un altro sito, sempre a vapore dominante e di notevole potenzialità, è stato scoperto a Mofete, in Campania. Energia dal mare poliglotta Energia delle maree GB: Stream energy F: Energie des marées D: Gezeitenenergie Il movimento continuo delle maree è un’enorme riserva di energia, derivante sia dalla rotazione del pianeta sia dalla gravità della Luna. L’energia posseduta dalle maree è stata globalmente valutata in 22 000 TWh annui. Questa enorme energia è in grado di apportare una lenta, costante modifica al profilo litoraneo per centinaia di chilometri di costa. In tutto il mondo sono stati individuati soltanto una trentina di siti in cui risulta conveniente costruire impianti di produzione di energia elettrica, dato che il moto periodico delle masse di acqua marina diventa sfruttabile solo se il dislivello fra alta e bassa marea non è inferiore a 3 m (4Fig. 1.61). Osservazione: l’intervallo fra alta e bassa marea è di 12 ore e 25 minuti, per cui, ogni giorno si determina un ritardo di 50 minuti fra i periodi di massima potenza erogata; pertanto la produzione di elettricità non può essere programmata in base all’andamento giornaliero dei fabbisogni delle utenze. Attualmente sono poche le centrali maremotrici al mondo: in Canada, ad Annapolis Royal, nella baia di Fundy e in Russia, a Kislaga Guba, sul mar Bianco. La più famosa centrale di questo tipo si trova in Francia, presso St. Malo sull’estuario del fiume Rance, ove la marea raggiunge dislivelli massimi di 14 m. Una diga lunga 720 m sbarra la 4 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. baia e ospita 24 turbine; in condizioni di dislivello massimo ogni turbina raggiunge i 10 MW di potenza. Fig. 1.61 Schema di utilizzo dell’energia della marea per il funzionamento di una centrale elettrica: a) con l’alta marea la corrente viaggia in direzione della baia; b) con la bassa marea la baia si svuota. In entrambi i casi la corrente transita entro condotte obbligate ricavate nella diga in cui sono poste le turbine. Mare Bacino Alta marea Diga con turbogeneratori Bassa marea L’azione dei venti sulla superficie del mare determina la nascita del moto ondoso; è stato calcolato che un fronte ondoso largo 250 km, formato da onde alte 1,5 m che si succedono ogni 6 secondi, possiede una potenza di 3,5 GW. Lo sfruttamento di questa potenza potrebbe servire per azionare macchinari posti su piattaforme galleggianti o in prossimità del mare, quali compressori, pompe di acqua marina o anche turbine. Nella figura 1.62 è riportato un progetto di sfruttamento del moto ondoso, per ora in fase di studio. In Giappone sono in corso alcuni esperimenti per far funzionare piccole boe munite di faro di segnalazione per la navigazione costiera. Le correnti marine sono movimenti continui dell’acqua dovuti a diverse cause: differenze di temperatura e di pressione atmosferica fra zone lontane della Terra, azione dei venti, effetto della rotazione terrestre, alternanza delle fasi lunari. Le correnti più imponenti, e quindi più ricche di energia, si trovano negli oceani; tuttavia, di recente è entrato in fase sperimentale un progetto di sfruttamento della corrente che agisce nello stretto di Messina. Fig. 1.62 Impianto in grado di utilizzare l’energia delle onde: l’acqua, prima spinta lungo la parete inclinata, passa poi dentro camere interne e infine si reimmette per gravità nel mare, dopo aver fatto funzionare una turbina. Turbina 5 il problema energetico D1 Fig. 1.63 Schema della pala di turbina per la centrale sperimentale Kobold all’opera nello stretto di Messina. La corrente ha una velocità costante di circa 2 nodi, anche se inverte il verso di scorrimento ogni sei ore. Il progetto, denominato Kobold, consiste in una piattaforma galleggiante ancorata al largo del paese di Ganzirri (Messina). Sotto la piattaforma è montata una turbina sommersa a elica ad asse verticale, munita di tre pale (4Fig. 1.63). L’energia cinetica della corrente viene trasferita alla girante meccanica, che a sua volta la tramuta in energia elettrica: il prototipo attualmente funzionante ha una potenza di 4 kW e in un anno di attività produce oltre 22 000 kWh di energia elettrica. Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Energia dalle biomasse Per biomassa s’intende, dal punto di vista biologico, tutto l’insieme delle forme viventi, animali e vegetali, diffuse sulla Terra, che si sviluppano grazie all’energia solare e al nutrimento attinto dal terreno. Dal punto di vista energetico, il campo viene ristretto unicamente alle sostanze destinabili alla produzione di energia. In ambito energetico, la biomassa indica una qualsiasi sostanza resi duale organica, di origine vegetale o animale, per la quale sia prevedibi le un impiego connesso alla produzione di energia, con l’esclusione delle materie plastiche e delle sostanze fossili. Le biomasse sono principalmente legna, scarti della lavorazione del legname (trucioli, segatura), scarti agricoli (paglia, pula, lolla, gusci, noccioli) e zootecnici, scarti dell’industria agro-alimentare e dell’attività forestale, sostanze fermentabili, biogas da discarica. Altre forme di biomassa sono le colture energetiche, cioè piante espressamente coltivate per scopi energetici. Caratteristica fondamentale delle biomasse è la brevità dei tempi di ripristino, per cui i tempi di sfruttamento risultano dell’ordine di quelli di rigenerazione naturale, pertanto, l’energia delle biomasse rientra nella categoria delle fonti rinnovabili. Inoltre la combustione delle biomasse ha un effetto molto meno aggressivo sull’ambiente rispetto ai combustibili fossili: l’apporto di biossido di carbonio, da parte delle biomasse, è complessivamente nullo se si pensa che la quantità di CO2 liberata è pari alla quantità fissata in precedenza durante l’accrescimento in seguito ai processi di fotosintesi (4Fig. 1.64). Assunto in circa 27 Mtep annui il potenziale di energia ricavabile in Italia dalle biomasse, l’energia termica che se ne potrebbe derivare è valutata in 84 TWh e si eviterebbe l’emissione di 43 Mt di CO2 nell’atmosfera. L’utilizzo dei diversi tipi di biomassa può avvenire per combustione diretta o richiedere prima una serie di trasformazioni in impianti di conversione per renderli convenientemente utilizzabili. Se la biomassa ha il rapporto C/N (carbonio/azoto) superiore a 30 e un tenore di umidità inferiore al 30%, può essere destinata alla combustione diretta o a processi di conversione termochimica: è il caso del legno e di diversi residui agricoli erbacei quali i cereali. Se il rapporto C/N è inferiore a 30, invece, risulta conveniente sottoporre la biomassa a pretrattamenti di conversione biochimica, quali per esempio la digestione anaerobica/ aerobica o la fermentazione alcolica. 6 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Fig. 1.64 Ciclo della biomassa vegetale destinata alla combustione in una centrale elettrica. Le frecce evidenziano gli scambi di energie e sostanze con l’ambiente. richiamo Il pellet di legno è un cilindretto da 1,5-2 cm ottenuto pressando senza collanti segature e polveri. Il cippato è ottenuto sminuzzando residui legnosi, legname di bassa qualità e piante di piccolo fusto, per ottenere frammenti tritati di dimensioni abbastanza regolari (40 × 20 × 10 mm). Le bricchette sono cilindretti ottenuti compattando materiali di varia origine, quali residui grossolani della lavorazione del legno e dei rifiuti urbani. La combustione diretta delle biomasse è un’evoluzione del fuoco di legna che, scoperto in epoca preistorica, rappresenta la più tradizio nale delle energie; gli aspetti innovativi consistono nell’incremento del rendimento della combustione, se la biomassa da ardere ha poca umidità residua, come pure nel commercializzarla in forme e dimen sioni che facilitano il trasporto e il caricamento nel bruciatore. I residui legnosi, per esempio, vengono venduti in forma di pellet, cippato e bricchette. L’impianto di teleriscaldamento di Morgex (AO) è dotato di caldaie alimentate a biomassa forestale in forma di cippato. La combustione è regolata automaticamente: in base alla lettura delle quantità di ossigeno e di monossido di carbonio (CO) presente nei fumi, il PLC regolatore (Controllore a Logica Programmabile) calcola il dosaggio dell’aria comburente e la portata di combustibile. Esso comanda i ventilatori dell’aria, i nastri trasportatori del cippato e gli spingitori. L’impianto ha una potenza di 5 MW e distribuisce acqua calda a 90 °C per riscaldamento urbano. È in grado di far risparmiare alla comunità 678 000 kg di gasolio da riscaldamento all’anno e di evitare l’emissione di 2146 t annue di CO2 (4Fig. 1.65). Di seguito sono elencati i processi più comuni e promettenti di conversione termochimica delle biomasse. — Carbonizzazione: superando i 200 °C la biomassa rilascia l’umidità e le sostanze volatili, conservando la matrice a base di carbonio. Fig. 1.65 Sistema di alimentazione del cippato nelle caldaie dell’impianto di teleriscaldamento di Morgex (AO) di realizzazione SEA. 7 il problema energetico D1 — Pirolisi: scaldando tra i 400 e gli 800 °C in assenza di ossigeno, la biomassa si decompone in gas e in un liquido, detto olio di pirolisi, adatto come combustibile per caldaie e anche per motori Diesel. — Gassificazione: sopra i 900 °C, in ambiente povero di ossigeno, si ottiene un gas di bassa qualità, detto gas di gasogeno, da destinare alla combustione o alla sintesi dell’alcool metilico (CH3OH). L’alcool metilico, noto come metanolo, è un combustibile liquido adatto per motori termici ed è ulteriormente trasformabile in benzina sintetica. Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. richiamo Diverse nazioni europee commercializzano il biodiesel sulla rete stradale (Germania, Austria) o l’adottano come additivo del gasolio (Francia, Svezia); in Italia si sta diffondendo come olio combustibile da riscaldamento. richiamo Nel 1997 in Germania erano operativi 295 centri di produzione di biogas destinato alla produzione di energia elettrica, per una potenza di 18,9 MW. Osservazione: da colture quali colza, soia, girasole, è possibile ottenere oli vegetali a loro volta trasformabili con semplici tecnologie in com bustibili sostitutivi del gasolio. Lo schema della reazione è il seguente: 100 kg di olio vegetale + 11 kg di metanolo → → 100 kg di metilestere + 11 kg di glicerina Il metilestere è comunemente noto come biodiesel. Fra i tanti possibili processi di conversione biochimica si ricordano i seguenti. — Digestione anaerobica: in ambienti privi di ossigeno e ricchi di microrganismi, detti digestori, le sostanze organiche danno origine a un gas di buona resa termica, detto biogas, costituito per i due terzi da metano (CH4) e per il resto da biossido di carbonio (CO2). Al termine del processo, della durata di circa tre settimane, le sostanze residue sono recuperate come fertilizzante agricolo, in quanto ricche di azoto, fosforo e potassio. Le biomasse di partenza sono rifiuti organici urbani, deiezioni animali, scarti alimentari e vegetali (4Fig. 1.66). Fig. 1.66 Ciclo degli scarti vegetali, animali e dei rifiuti organici urbani destinati alla produzione di biogas. Combustione Fermentazione per ottenere carburante Gassificazione Alimento Scarti legnosi Biogas Letame, scarti 8 il problema energetico D1 — Digestione aerobica: in presenza di ossigeno, i microrganismi scindono le sostanze organiche complesse in altre più semplici, liberando calore utilizzabile per altri scopi. — Fermentazione alcolica: molecole organiche, quali glucidi (zuccheri), amidi (cereali, patata) e lignocellulose (paglia, scarti legnosi), vengono trasformati mediante procedimenti biochimici in alcool etilico, secondo la reazione chimica: C6H12O6 → 2 CO2 + 2 CH3 - CH2OH Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. L’alcool etilico, o etanolo, è utilizzabile nei motori appositamente predisposti. La tendenza attuale è di trasformare l’etanolo nel suo derivato ETBE (EtilTertioButilEtere), che costituisce un’alternativa a benzine e gasoli, assai interessante dal punto di vista del rapporto qualità /costo di produzione. Osservazione: attualmente con 1 t di biomassa legnosa secca si otten gono 190 l di etanolo, ma si prevede di poter evolvere le tecnologie per raggiungere i 300 l. Lo sviluppo delle biomasse, a fini energetici, costituisce una risorsa giudicata strategicamente decisiva per il futuro, anche per l’impulso che queste possono dare alla forestazione e all’agricoltura con lo sviluppo di colture industriali e di alberi a crescita veloce. Possono offrire, inoltre, un contributo al problema dello smaltimento dei rifiuti urbani. Diverse aziende europee di servizi stanno potenziando l’impiego di biomasse e l’incenerimento dei rifiuti urbani per il riscaldamento urbano. Stati come Finlandia, Svezia e Austria già derivano dalle biomasse il 10-20% del fabbisogno energetico nazionale. La Gran Bretagna ha installato nel 2010 diversi impianti per la produzione di energia elettrica dalle biomasse per una potenza di 1000 MW. La Francia, nel 1999 raggiunse la produzione di 2 TWh di elettricità dalle biomasse: un’esperienza interessante è la centrale di Moule nell’isola della Guadalupa, con una potenza di 64 MW elettrici ottenuta dalla combustione della bagassa, sottoprodotto della canna da zucchero. La Spagna ha sviluppato due impianti da 16 MW ciascuno per la generazione di elettricità attraverso la combustione dello scarto della produzione dell’olio d’oliva, detto orujillo. Il rapporto è di un chilowattora elettrico ogni chilogrammo di orujillo in combustione. Energia dai rifiuti urbani In Italia si producono oltre 30 milioni di tonnellate annue di rifiuti solidi urbani, in gran parte destinati alle discariche. Solo 2 800 000 t vengono termovalorizzate, cioè, destinate a impianti di incenerimento per ottenere energia termica ed elettrica e per il recupero delle ceneri a scopi industriali. Si definisce termovalorizzazione il recupero industriale della frazio ne combustibile del rifiuto solido urbano per produrre energia. 9 il problema energetico D1 richiamo Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. In Italia, lo smaltimento dei rifiuti è regolato dal decreto legislativo Ronchi 22/97, che definisce le condizioni di sicurezza con cui eseguire la raccolta e i successivi trattamenti; impone inoltre a tutti i comuni di raggiungere il 35% di raccolta differenziata, obiettivo al momento ancora lontano. richiamo In Italia si stimano in 11 milioni le tonnellate di rifiuti speciali “spariti”: sono fanghi velenosi, residui industriali, pneumatici e carcasse d’auto, liquidi contenenti metalli pesanti, ammoniaca, tutti destinati ad arricchire le ecomafie che provvedono di nascosto alla loro sparizione illegale. In seguito a operazioni di selezione, vengono separati i rifiuti gassificabili, cioè, in grado di liberare gas metano una volta accumulati in discarica, oppure riducibili in forma di frazione secca adatta all’inceneri mento, nota come CDR, ovvero combustibile derivato dai rifiuti (4Fig. 1.67). Le ceneri del CDR sono in gran parte destinate alla produ zione di fertilizzanti, inoltre, contengono una percentuale di metalli recuperabili, per cui, la massa di inerti che va in discarica costituisce solo il 10% della raccolta iniziale. Lo sfruttamento dei rifiuti urbani per la produzione di energie pregiate è fortemente influenzato dalla sensibilità civica degli abitanti: il mondo occidentale è sommerso da rifiuti di ogni tipo e le amministrazioni pubbliche devono fronteggiare una vera e propria emergenza rifiuti. La raccolta differenziata, oltre a forme di risparmio di energia e di materie prime sempre più preziose, consente una riduzione cospicua del volume di rifiuti destinati alle discariche. Un esempio significativo è costituito dal grande termovalorizzatore di Spittelau a Vienna: smaltisce 260 000 t di rifiuti l’anno e produce acqua calda ed elettricità per oltre il 40% della città. È famoso soprattutto per aver adottato impianti di pretrattamento dei fumi e di controllo delle sostanze emesse caratterizzati da alta efficienza di filtraggio, in modo da garantire la sicurezza ambientale: i livelli di emissione di sostanze velenose quali le diossine, risultano parecchio inferiori agli standard prescritti dall’UE. Fig. 1.39 Impianto RWE (Essen, Germania) di selezione dei rifiuti urbani per il recupero di materiali riciclabili e per la separazione della fase destinata all’incenerimento. 10 il problema energetico D1 L’Unità didattica in breve D1 L’energia Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. I problemi connessi con l’approvvigionamento energetico, lo sfruttamento delle risorse e la difesa dell’ambiente sono decisivi per il futuro dell’umanità. Il concetto di energia abbraccia una grande varietà di significati e implicazioni. L’energia ha molte proprietà: si presenta in varie forme, è trasformabile, trasferibile, accumulabile, misurabile; a causa delle perdite viene dispersa in modo irrecuperabile. Non è sempre utilizzabile praticamente: il concetto di entropia ne definisce il grado di inutilizzabilità. Il calcolo del rendimento serve a valutare l’efficacia della trasformazione in base alla rilevanza delle perdite. È noto che in Fisica il lavoro è definito come prodotto di forza per spostamento e la potenza come rapporto fra energia e tempo. L’esistenza degli esseri viventi è condizionata dall’energia, essendo basata su trasformazioni quali la fotosintesi, la respirazione, la nutrizione. Le forme dell’energia L’energia si presenta sotto diversi aspetti: energia termica, cinetica, potenziale, elettrica, magnetica, chimica, potenziale elastica, idraulica, nucleare, solare. L’osservazione del funzionamento di una caffettiera evidenzia una serie di trasformazioni: la combustione del gas libera calore che serve a far bollire l’acqua e a preparare il caffè. Le unità di misura previste dal SI sono il joule per le energie e il watt per le potenze, con i loro corredi di multipli. Nella formulazione dei bilanci nazionali si ricorre al tep (tonnellata equivalente di petrolio) e al tec (tonnellata equivalente di carbone). Le fonti di energia Le energie reperite allo stato naturale, senza aver subito trasformazioni, sono dette energie primarie, ulteriormente suddivise in esau ribili e inesauribili. Quelle esauribili comprendono le energie fossili, principalmente petrolio, carbone e gas naturale, e le enegie nucleari. Quelle inesauribili, così dette in quanto rinnovabili, raggruppano le energie idraulica, solare, eolica, delle biomasse, del mare e il calore della Terra. Le energie secondarie sono derivate dalle primarie in seguito a lavorazioni: la più importante è l’energia elettrica. Energie innovative Le energie innovative devono essere rinnovabili, inesauribili, avere bas so impatto ambientale, operare con impianti piccoli e contribuire alla protezione dell’ambiente. La fonte principale è il sole, la cui luce e il cui calore consentono la vita sulla Terra; tale fonte è sfruttabile in impianti 11 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. fototermici e fotovoltaici: i primi producono fluidi caldi, i secondi corrente elettrica continua. L’energia eolica è conveniente laddove il vento soffia con regolarità: gli aerogeneratori sono macchine montate su torri e dotate di un’elica posta in rotazione dal vento che aziona il generatore di corrente; l’Italia ha siti sfruttabili nelle regioni meridionali e nelle isole. L’energia geotermica utilizza il calore delle profondità della Terra: si preleva acqua calda e vapore dal sottosuolo per far funzionare centrali termiche o per il riscaldamento urbano; in Italia vi sono centrali geotermoelettriche a Larderello (PI). Il mare è ricco di energia: il flusso delle maree è già sfruttato in alcuni siti per la produzione di energia elettrica; si stanno realizzando progetti relativi al recupero dell’energia delle correnti e del moto ondoso. Le biomasse sono sostanze di origine vegetale e animale adoperabili per scopo energetico. Gli scarti agricoli e legnosi possono essere arsi direttamente; con opportune trasformazioni, quali gassificazioni, pirolisi, fermentazioni e digestioni anaerobiche, si ottengono gas, alcooli e combustibili. In particolare, dalle deiezioni animali e dagli scarti agricoli si ottiene il biogas, formato in gran parte da metano, e come residuo una sostanza ad alto potere fertilizzante. 12 il problema energetico D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. PROBLEMI DI RIEPILOGO D1 1. Un motore motociclistico eroga la potenza P = 60 kW, in un tempo t = 2 h e 12 min. Calcolare l’energia sviluppata in chilowattora. 2. Trasformare l’energia di 35 kWh in joule. 3. La potenza effettiva di una pompa vale Peff = 4,37 kW, la potenza assorbita dal suo motore elettrico vale Pass = 4,6 kW. Calcolare il rendimento della pompa e il costo monetario per 100 ore di funzionamento, assumendo come costo unitario dell’elettricità 0,15 m/kWh. 4. Si considerino due motori elettrici: uno, avente potenza P1 = 45 kW, lavora per 3 ore, l’altro, con potenza P2 = 65 kW, lavora per 2 ore e mezza. Quale dei due ha erogato più energia? Quanto vale la differenza fra le due energie? 5. Ogni anno, in natura, i vegetali fissano, mediante la fotosintesi, 2 × 10 3 t di carbonio, con un contenuto energetico di 70 × 10 Mtep. Trasformare il dato in gigajoule. 6. Una centrale termoelettrica ha la potenza di 250 MW. Calcolare l’energia E [kWh] erogata per un periodo di funzionamento ininterrotto di quattro settimane. 7. Trasformare l’energia E = 0,35 TWh in tep. 8. Calcolare a quanti tep corriponde l’energia di 1500 tec. 9. Sapendo che 1 m3 di gas naturale equivale a 0,9 tep, esprimere il valore in tep di 0,65 m3 di gas. 10. Una flotta di 200 locomotori ferroviari ha accumulato in totale 600 000 ore di lavoro; ipotizzando che ognuno abbia operato mediamente alla potenza continuativa di 3500 kW, valutare il lavoro prodotto dal singolo locomotore esprimendolo in gigawattora. 11. Una nave ha la potenza P = 28 MW e naviga per sei giorni ininterrottamente. Calcolare l’energia prodotta. 12. In una centrale eolica l’aerogeneratore modello V47, di produzione IWT, ha erogato in 450 ore di funzionamento, un’energia pari a 1,0692 TJ. Calcolare la potenza di cui esso dispone. 13. Trasformare l’energia di 3150 kJ in kWh. 14. Trasformare l’energia di 60 tec in tep. 15. Un montacarichi solleva un carico lordo di 850 kg per un’altezza di 20 m 11 13 il problema energetico (R. E = 0,875 kWh) (R. E = 4,2 tep) D1 Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 1 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A. in un tempo pari a 38 secondi e con un rendimento dell’88%. Calcolare il lavoro svolto dal montacarichi, la potenza utilizzata e la potenza assorbita. (R. L = 166 770 J; P = 4,39 kW; Pass = 5 kW) 16. Un motore elettrico ha la potenza di 5,5 kW. Ipotizzando in 0,16 €/kWh il costo dell’energia elettrica, calcolare l’energia erogata e il suo costo complessivo nel caso in cui il motore abbia lavorato in modo continuativo per 6 ore. (R. E = 33 kWh; Costo = 5,28 €) 17. Trasformare l’energia di 14 TJ in tep. 14 il problema energetico (R. E = 243 tep) D1