LE FONTI DI ENERGIATECNOLOGIA - Prof. Arch. Matteo Zucchiatti

Per FONTI DI ENERGIA, si intendono tutte le sorgenti di energia che ci sono sulla Terra. Si possono dividere in fonti non rinnovabili, come i combustibili fossili e l'uranio, e fonti rinnovabili, come l'energia del Sole e del vento.

Carbone.

Sole.

Uranio.

1.1 PASSAGGIO DI ENERGIAL'energia si definisce come "la capacità di un corpo o di un sistema di corpi 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: nell'aria in movimento, nel legno dell'albero, nell'acqua riscaldata, nella ruota che gira etc.

• Forma L'energia può assumere diverse forme: il vento ha energia cinetica (meccanica), il legno può avere energia chimica, l'acqua può avere energia termica.

• Passaggio L'energia può passare da un corpo all'altro: dalla radiazione del sole (luminosa) alle foglie delle piante (chimica); dal combustibile che brucia (termica) al getto di vapore (meccanica), alle pale di una turbina (meccanica) e al rotore dell'alternatore (elettrica). Passando da un corpo all'altro l'energia può dunque cambiare forma.

1.1 PASSAGGIO DI ENERGIA

1.2 ENERGIA DAL SOLE E DALLA TERRADa 4 miliardi di anni ad oggi, ogni giorno la luce del Sole ha illuminato è riscaldato la crosta terrestre (irraggiamento), ha messo in movimento l'aria (vento) e ha sollevato l'acqua (evaporazione). Solo una piccola parte è stata immagazzinata dagli esseri viventi (vegetali e animali) e oggi la troviamo in forma concentrata nei combustibili fossili (carbone, petrolio, metano). Quindi il sole è la fonte primaria in assoluto: le altre fonti Non sono altro che energia solare trasformata.

I venti sono masse d'aria che possiedono energia cinetica, cioè di movimento. Il sole riscalda di più le zone di terra rispetto a quelle di mare, quindi sulle zone di terra salgono masse d'aria calda che richiamano dal basso aria più fredda e danno origine al vento.

I fiumi sono masse d'acqua che possiedono energia cinetica, cioè di movimento. Sono alimentati dalle piogge provenienti da nuvole cariche di vapore acqueo che p rov iene da l l ' evaporaz ione dell'acqua dal mare, dai laghi e dal terreno umido.

Le piante sono gli unici organismi che catturano e immagazzinano l'energia solare. Il legno è energia c h i m i c a " c o n c e n t r a t a " trasformabile in calore con la combustione. Le piante alimentari sono fonte di energia chimica per gli animali e per l'uomo.

1.2 ENERGIA DAL SOLE E DALLA TERRA

Gli animali trasformano l'energia chimica delle piante in proteine e grassi e la usano per mantenere la temperatura corporea e per muoversi. Gli animali più grossi (buoi, cavalli, etc.) aiutano l'uomo nei lavori usando dal 5 al 10% dell'energia delle piante ingerite.

L 'uomo assorbe l ' energ ia chimica contenuta nel cibo. In buona parte la usa per tenersi in vita, cioè la disperde come calore corporeo, la consuma nei processi chimici, la espelle come prodotti di scarto. Il rimanente è trasformato in energia muscolare (circa il 10-20%).

Il carbone deriva da grossi depositi di legname; il petrolio e il gas naturale derivano da enormi ammassi di piccol i organismi animali e vegetali. Accumulati in milioni di anni e ricoperti da grossi strati di roccia, si sono trasformati in idrocarburi ricchi di energia chimica.

Energia che non deriva dal SoleEsiste anche una minima parte di energia, intorno al 5% del totale, che non deriva dal Sole ma che proviene dalla terra sotto forma di vapore acqueo surriscaldato, di energia delle maree e di energia presente nel nucleo degli atomi.

1.2 ENERGIA DAL SOLE E DALLA TERRA

L 'energ ia geotermica è vapore acqueo surriscaldato che esce dalla crosta terrestre. In cond iz ion i geo log iche particolari, le rocce sotterranee caldissime Vengono a contatto c o n l e f a l d e a c q u i f e r e facendone evaporare l'acqua.

L'energia delle maree è possedu ta da l l e masse d'acqua degli oceani che si trovano a un'altezza maggiore o minore rispetto alle zone c o s t i e r e . I l g i o r n a l i e r o sollevamento di tali masse d'acqua è dovuto alla forza di attrazione della luna.

L'energia nucleare tiene legato il nucleo dell'atomo, formato da protoni e neutroni. È un'energia molto forte r i cavab i le da l l ' uomo da minerali fissili (spaccabili) come l'uranio 235, oppure f ondendo due a tom i d i idrogeno.

1.3 LA CENTRALE ELETTRICALa centrale elettrica è un impianto che utilizza una fonte di energia per produrre energia elettrica. Ogni centrale comprende tre elementi principali che formano un sistema unico: fonte di energia, turbina e alternatore. Ogni centrale elettrica è una unità di produzione inserita in un sistema più vasto, che comprende anche il trasporto dell'energia fino alle città e la distribuzione alle diverse utenze.

Nella sala macchine di ogni centrale elettrica è installato il macchinario rotante, ovvero la turbina e l'alternatore. Essi formano un gruppo unico, perché i loro alberi terminano con piastre tonde (flange) che sono imbullonate per formare un solo asse.

Gruppo turbìna-alternatore

1.3 LA CENTRALE ELETTRICA

Rotore di turbina a vaporeÈ formato da centinaia di palette montate a forma di ruota sull'albero cilindrico che viene collocato sul suo basamento fisso. L'albero viene collegato a quello dell'alternatore. Servirà una grande massa di vapore ad alta pressione per metterlo in funzione.

Rotore di alternatore Il rotore è la parte rotante del macchinario; è un elettromagnete cilindrico a molti poli collocato su un basamento statico, detto statòre. Vista la sua straordinaria forza magnetica, solo una turbina di pari potenza riesce a farlo girare.

TURBINA A VAPORELa turbina a vapore è installata nelle centrali termoelettriche dove mantiene in rotazione gli alternatori, o sulle grandi navi come le portaerei dove fa girare le eliche. La turbina funziona con vapore ad alta pressione, circa 500 atmosfere, che viene immesso negli stadi di alta pressione e di qui negli stadi di bassa pressione. La turbina è il motore più potente, con esemplari usati nelle centrali elettriche che superano i 1000 Mw.

TURBINA A VAPORE

ALTERNATOREL'alternatore è una macchina rotante che, quando gira, genera corrente alternata. Per capire come funziona si osservi la foto qui sotto raffigurante una dinamo da bicicletta aperta che, in realtà, è un piccolo alternatore: dentro il guscio si trova un magnete cilindrico che gira tra piastre di ferro con sotto una bobina di rame.

1.4 EROEI e altri costiQuanto è conveniente una tecnologia energetica? Un parametro chiave per valutarlo è l'EROEI (in inglese Energy Return On Energy Investment), ovvero il rapporto tra l'energia ricavata e l'energia utilizzata per ricavarla. È quindi una formula. Il calcolo dell'EROEI è complesso perché deve tener conto dell'LCA (ciclo di vita) dell'impianto. Nel caso del petrolio si deve sommare l'energia usata per:

• la ricerca geologica (veicoli usati nella ricerca con sismica a riflessione); • l'estrazione (costruzione, manutenzione e funzionamento campi

petroliferi); • il trasporto (costruzione, manutenzione e funzionamento oleodotti e

petroliere); • lo smantellamento impianti e la bonifica per riportare l'area nelle

condizioni iniziali.

Una tecnologia energetica per essere conveniente deve avere un EROEI superiore a 1, cioè l'energia ricavata deve essere maggiore di quella utilizzata. L'EROEI cambia nel tempo in base ai miglioramenti tecnologici e alla disponibilità delle risorse energetiche. Per esempio il petrolio fino a cinquant'anni fa aveva un EROEI di circa 100, quindi era una fonte energetica molto conveniente. Oggi le risorse sono diminuite e quindi occorre un maggior investimento per estrarlo. Per questo il suo EROEI è sceso intorno a 10 e probabilmente diminuirà ancora. Come si può vedere dalle tabelle, oggi le fonti di energia rinnovabile sono quelle più redditizie In termini di ritorno energetico.

1.4 EROEI e altri costi

1.5 SISTEMA ENERGETICO OGGIIl sistema energetico è l'insieme di tutte le fonti Di energia che fanno funzionare un Paese. Oggi il sistema energetico mondiale si basa sui combustili fossili, mentre le fonti alternative rappresentano una quota minima in costante crescita. Gli economisti prevedono che nei prossimi vent'anni aumenteranno i consumi di energia di almeno il 50%. Infatti in Cina, in India e negli altri paesi di nuova industrializzazione ci sarà un forte sviluppo nei trasporti e un crescente aumento dei consumi, paragonabile a quello avvenuto in Europa nel secolo scorso.

1.6 RICHIESTA ELETTRICA GIORNALIERAPoiché l'energia elettrica non si può immagazzinare è necessario produrla e distribuirla istante per istante. Di notte c'è poca richiesta perché le aziende sono chiuse e le luci di casa sono spente, mentre di giorno aumenta notevolmente. Le centrali elettriche soddisfano le richieste in base a un compenso variabile fissato nella Borsa elettrica. Quando c'è poca richiesta l'energia costa poco, mentre quando c'è molta richiesta, l'energia costa molto. In Italia la diffusione del fotovoltaico e dell'esilio ha aumentato la disponibilità di energia durante le ore soleggiate e di conseguenza ha contribuito ad abbassare Il costo dell'elettricità durante il picco della mattina. Domenica 16 Giugno 2013, per la prima volta in assoluto, per ben due ore tutta l'energia richiesta in Italia è stat soddisfatta solo dalle energie rinnovabili.