1 Giampietro Paci, Fare Tecnologia ENERGIA FONTI ALTERNATIVE

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Giampietro Paci, Fare Tecnologia

ENERGIA

FONTI ALTERNATIVE

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IERI E OGGI

Cent’anni fa:le dighe sulle Alpi

Oggi:la diga sul Fiume azzurro

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Cosa sono le fonti alternative

•Osserviamo quattro energie alternative

•Energie rinnovabili (classificazione)

•Cos’è l’energia

•Cos’è una centrale elettrica

•Gruppo turbina alternatore (modello)

•Gruppo turbina a vapore-alternatore.

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Osserviamo quattro energie alternative

La luce del sole: è luce e calore che fluiscono in ogni direzione.

L’acqua fluente: è energia cinetica che segue la pendenza del territorio.

Il vento: è aria che possiede energia cinetica.

L’uranio: è un metallo radioattivo con atomi che, colpiti con neutroni, si rompono e producono energia.

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Energie rinnovabili (classificazione)

Solare: la luce del sole viene impiegata per scaldare l’acqua nei pannelli solari, per produrre il vapore nelle centrali elettriche solari, per produrre elettricità con le celle fotovoltaiche.

Idroelettrico: l’acqua raccolta in bacini artificiali viene impiegata nelle centrali idroelettriche.

Eolico: il vento viene impiegato per far girare le eliche dei generatori elettrici.

Biomasse: gli alberi, le piante alimentari e altri materiali organici sono impiegati per produrre calore e biocarburanti.

Geotermia: il vapore ad alta pressione che esce dal sottosuolo viene usato per riscaldare le serre e le centrali elettriche.

Nel mare: esistono almeno quattro tipi di energia di origine marina (correnti, onde, maree, gradiente termico).

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Cos’è l’energia

L’energia si definisce come “la capacità di un corpo di compiere un lavoro”.Secondo il principio di conservazione dell’energia “l’energia non si crea né si distrugge, ma passa da una forma all’altra”.

Corpo: l’energia è immagazzinata in qualsiasi corpo.Forma: l’energia può assumere diverse sembianze (meccanica, termica ecc.).Passaggio: l’energia può passare da un corpo all’altro e in questo passaggio può cambiare forma.

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Cos’è una centrale elettrica

La centrale elettrica è un impianto che utilizza una fonte di energia per produrre energia elettrica.Ogni centrale comprende tre elementi principali:- fonte di energia, la sostanza che possiede l’energia;- turbìna, una macchina che ricevendo energia si mette a girare;- alternatore, una macchina che quando gira genera corrente.

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Gruppo turbina-alternatore (modello)

Per vedere come si produce l’energia elettrica puoi usare una dinamo da bicicletta: devi collegare il suo albero con una turbina manuale da far girare veloce, affinché il magnete produca corrente.

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Gruppo turbina a vapore-alternatore

Rotore di turbina a vaporeE’ formato da centinaia di palette montate a ruota sull’albero cilindrico collegato a quello dell’alternatore. Il vapore ad alta pressione mette in rotazione questo rotore.

Rotore di alternatore E’ un elettromagnete cilindrico a molti poli con una grande forza magnetica che lo lega alle piastre metalliche dello statore. E’ necessaria una turbina di uguale potenza per farlo girare.

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Energia idroelettrica

•Cos’è l’energia idroelettrica

•Centrale a serbatoio

•Centrale di generazione e pompaggio

•Impianto di generazione e pompaggio

•Centrale fluviale

•Centrale a marea

•Laghi artificiali e ambiente

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Cos’è l’energia idroelettrica

L’energia idroelettrica si ottiene da una massa d’acqua situata ad alta quota che possiede energia di posizione (potenziale).Per far funzionare la centrale idroelettrica costruita più in basso, viene costruita una diga che trattiene l’acqua ad alta quota formando un lago artificiale.

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Centrale a serbatoio

Funzionamento: l’acqua del lago artificiale defluisce nel canale di derivazione e arriva alla condotta forzata. Dentro la condotta l’acqua scende molto lentamente e acquista energia di pressione dall’acqua che sta sopra. Il tubo termina con una strozzatura (ugello) che spinge fuori l’acqua ad alta velocità. Il getto d’acqua colpisce le pale di una turbina Pelton che trascina l’alternatore che genera corrente elettrica.

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Centrale di generazione e pompaggio

Il disegno mostra una centrale in caverna dotata di:- alternatore-motore;- turbina-pompa.Di giorno l’acqua scende e produce corrente elettrica (generazione).Di notte l’acqua viene aspirata e fatta risalire sulla montagna (pompaggio).

La foto mostra la sala alternatori.

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Impianto di generazione e pompaggio

La cartina mostra il profilo schematico di un impianto Enel in Val Camonica.Il dislivello tra il serbatoio del lago e il bacino d’accumulo è di 1500 m.La galleria di derivazione è lunga 4 km.Le due condotte forzate sono lunghe 2 km ciascuna.La centrale è situata dentro la montagna.

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Centrale fluviale

La centrale fluviale è un impianto che funziona con l’acqua fluente di un fiume. Elemento caratteristico è la diga che crea un bacino con 10-20 m di dislivello: la massa d’acqua è costretta a passare per la centrale, costruita dentro la diga, e fa girare le turbine.

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Centrale a marea

L’impianto è una comune centrale fluviale che funziona solo quattro ore ogni giorno:- quando arriva la bassa marea il mare si ritira per alcuni kilometri e si forma un dislivello di circa 10 m;- allora la centrale entra in funzione e l’acqua accumulata nel bacino interno defluisce nei 24 collettori con turbine Kaplan incapsulati.

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Laghi artificiali e ambiente

L’energia idroelettrica richiede grandi opere sul territorio per predisporre il bacino di raccolta.Le più grandi opere sono state realizzate da governi forti o autoritari che hanno deportato intere popolazioni in altre zone per liberare il territorio da sommergere.L’elettricità di origine idroelettrica ha il costo più basso in assoluto.

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Energia geotermica

•Cos’è l’energia geotermica

•Centrale geotermica

•Geotermia e ambiente

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Cos’è l’energia geotermica

L’energia geotermica è il calore contenuto all’interno della terra che, in alcune zone di origine vulcanica, risale in superficie sotto forma di vapore caldissimo.L’energia geotermica è al tempo stesso calore e forza meccanica e può alimentare una centrale termoelettrica per muovere le turbine.

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Centrale geotermica

La centrale geotermica è un impianto simile alla centrale termoelettrica a carbone, con la differenza che il vapore in pressione viene raccolto dal sottosuolo. Dopo l’utilizzo il vapore viene ricondensato in acqua nella torre di raffreddamento e iniettato nuovamente nel sottosuolo, per rifornire la falda acquifera e mantenere la pressione.

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Geotermia e ambiente

Un’area geotermica per produrre energia elettrica è attraversata da molti vapordotti, tubi che convergono verso la centrale.Il fluido geotermico, comunque, lavora a circuito chiuso ed è quindi ecologico perché eventuali inquinanti non vengono dispersi nell’ambiente.

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Energia nucleare (uranio)

•Cos’è l’uranio

•Reattore nucleare

•Schema della fissione

•Cos’è l’energia nucleare

•Centrale nucleare

•Uranio e ambiente

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Cos’è l’uranio

L’uranio si ricava dall’uranite, un minerale che contiene 99% di uranio 238 non fissile e 1% di uranio 235 che è fissile e radioattivo. Con un procedimento di arricchimento si può portare la percentuale dell’uranio fissile al 3% per utilizzarlo nei reattori nucleari.

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Reattore nucleare

Reattore nucleare: è un contenitore cilindrico in acciaio dove viene fatta bollire l’acqua per trasformarla in vapore. L’energia viene fornita dalle pastiglie di uranio che contengono circa il 3% di materiale fissile.

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Schema della fissione

Un neutrone viene “sparato” contro un nucleo di uranio 235 che si spacca in due frammenti e lascia liberi altri tre neutroni. Durante la fissione una piccola parte di materia “sparisce” e si trasforma in energia. Se accanto al primo atomo di uranio 235 ve ne sono molti altri si può ottenere una reazione a catena.

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Cos’è l’energia nucleare

L’energia nucleare è quella che si libera nelle reazioni che coinvolgono le particellle che formano il nucleo dell’atomo.Nel 1905 A. Einstein enunciò la sua teoria dell’equivalenza tra materia e energia (E=mc²) che permette di calcolare quanta energia si ottiene da una certa quantità di materia.Per ricavare energia dal nucleo dell’atomo esistono due procedimenti:- la fissione (divisione) di un nucleo pesante come quello dell’uranio;- la fusione (unione) di nuclei leggeri come quelli dell’idrogeno.

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Centrale nucleare

E’ una centrale termoelettrica che ha come “caldaia” un reattore nucleare per la produzione del vapore. La centrale funziona con uranio arricchito al 3% di materiale fissile che viene caricato circa una volta all’anno.

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Uranio e ambiente

Le centrali nucleari, una volta costruite, non emettono anidride carbonica nell’atmosfera, ma presentano due tipi di rischi:- incidente al reattore con fuga di materiale radioattivo che viene disperso nell’aria, per poi ricadere sul terreno anche a molta distanza inquinandolo in modo grave o molto grave;- smaltimento delle scorie radioattive che potrebbero inquinare il terreno dove sono sepolte, problema non ancora risolto in modo definitivo ma solo con siti provvisori.

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Energia nucleare (idrogeno)

•Energia nucleare dall’idrogeno

•Reattore a fusione

•Schema della fusione

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Energia nucleare dall’idrogeno

L’altro sistema per ottenere energia dall’atomo è la fusione nucleare che fa fondere due isotopi dell’idrogeno ottenendo elio. La fusione in “forma controllata” dentro un reattore, però, non è ancora stata realizzata, ma scienziati e tecnici vi stanno lavorando.

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Reattore a fusione

Fino a oggi sono stati costruiti alcuni reattori sperimentali per la fusione nucleare, ma nessuno ha avuto successo. Il problema è come realizzare un contenitore capace di mantenere “confinato” l’idrogeno alle temperature estreme necessarie per la fusione dei nuclei.

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Schema della fusione

Dall’idrogeno si ricava il deutrizio, che si trova nell’acqua in quantità minime, e il trizio, che è invece un prodotto artificiale. Facendo fondere i due nuclei si ottiene un nucleo di elio e la piccola parte di materia che scompare si trasforma in energia. La reazione deuterio-trizio non produce scorie radioattive, ma nel reattore si produce radioattività, per la notevole emissione di neutroni.

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Idrogeno come carburante

•Produzione dell’idrogeno

•Idrogeno e ambiente

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Produzione dell’idrogeno

Le tecniche di produzione dell’idrogeno sono essenzialmente tre:

- sottoprodotto dell’industria chimica;

- estrazione da combustibili fossili (comporta elevate cessioni di CO2);

- estrazione dall’acqua tramite il processo di elettrolisi che richiede una notevole quantità di energia elettrica.

Estrazione dal metano

Per estrarre idrogeno dal metano lo si fa reagire con vapore acqueo in presenza di “catalizzatori”, ad alta temperatura e pressione.

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Idrogeno e ambiente

L’automobile a idrogeno non inquina perché scarica nell’aria solo vapore acqueo, non danneggia l’atmosfera perché non produce CO² ed è anche silenziosa. Tuttavia, l’idrogeno non è una fonte di energia ma un vettore energetico, come l’energia eletrica. Quindi esso è amico dell’ambiente solo se viene ricavato dall’energia elettrica prodotta con l’energia idrica, solare o eolica.

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Maggior consumo di petrolio e di gas

Gli economisti prevedono che nei prossimi vent’anni aumenteranno i consumi di energia di circa il 30%. Infatti la Cina, l’India e gli altri paesi di nuova industrializzazione compreranno sempre più combustibili (soprattutto petrolio e gas).

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Più carbone

Ai ritmi attuali di consumo i combustibili fossili sono destinati a finire in tempi abbastanza brevi:- il petrolio sarà il primo a esaurirsi, tra circa 40 anni;- il gas naturale durerà ancora 70 anni;- il carbone durerà circa 150 anni.

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Nuovo sistema energetico

La fonte di energia più promettente per il futuro sembra essere l’energia solare, che potrebbe essere sfruttata in migliaia di centrali per produrre energia elettrica.L’unica certezza, però, è che il sistema energetico attuale, basato sui combustibili fossili, è destinato a finire in un tempo non troppo lontano.

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