Energia elettrica

Energia secondaria: energia elettrica
Centrali elettriche
07/03/2016
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Perché usiamo l’energia elettrica?
 E’ versatile
 E’ disponibile con facilità
 E’ immagazzinabile (pile, batterie)
 E’ trasportabile
 E’ distribuibile tramite servizi di rete
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Dove si produce?
La centrale elettrica
 Una centrale elettrica è un impianto industriale atto
alla produzione di energia elettrica.
 Le centrali odierne producono energia quasi
esclusivamente in corrente alternata, avvalendosi di
macchine elettriche denominate alternatori.
 Esistono eccezioni in Russia, dove, per problemi di
perdite su elettrodotti estremamente lunghi, sono
state create centrali elettriche in corrente continua.
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Come si ottiene? L’alternatore
Direttamente
collegato
alla
turbina
c’è
l’alternatore, una macchina elettrica rotante basata
sul fenomeno dell‘induzione elettromagnetica, che
trasforma l’energia meccanica ricevuta dalla turbina
in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.
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Turbina
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Processo di trasformazione
Energia elettrica
Alternatore
Energia meccanica (L)
Turbina
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Energia fai da te
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Come arriva da noi?
Prima di essere convogliata nelle linee di trasmissione
l'energia elettrica viene trasformata attraverso
il trasformatore, che abbassa l'intensità della
corrente, elevandone la tensione a migliaia di Volt, in
modo da mantenere costante la potenza P = V x I.
Giunta alle utenze, prima di essere utilizzata l'energia
passa di nuovo in un trasformatore, che in tal caso
innalza l'intensità di corrente ed abbassa la tensione,
rendendola adatta agli usi domestici
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Dove si produce?
La maggior parte dell’energia elettrica prodotta nel mondo
ha origine nelle centrali di concezione tradizionale:
termoelettrica
nucleare
idroelettrica
Centrali di nuova concezione sono:
solare
geotermica
eolica (wind farm)
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Produzione di energia elettrica - Italia
Fonti non rinnovabili (63.5%)
delle quali Biomasse e Rifiuti (5%)
Fonti rinnovabili (23.9%)
Importazioni (12.6%)
Fonti rinnovabili:
Idroelettrico (12.8%)
Fotovoltaico (5.5%)
Eolico (3.9%)
Geotermico (1.6%)
Produzione di energia elettrica
Italia, 2012
Importazioni
12.6%
Fonti
rinnovabili
23.9%
Fonti non
rinnovabili
63.5%
di cui:
idroelettrico 12.8%
fotovoltaico 5.5%
eolico 3.9%
geotermico 1.6%
delle quali 5%
biomassa e
rifiuti
Componenti della produzione
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Fabbisogno nazionale lordo
Energia elettrica di cui ha bisogno il Paese
315 GWh, ricavato come somma:
a) dei valori indicati ai morsetti dei generatori
elettrici dei singoli impianti di produzione
la misura è effettuata prima della detrazione di energia per
stazioni di pompaggio ed autoconsumo delle centrali (28 GWh)
b) del saldo degli scambi con l'estero
il saldo dell’energia importata dall'estero incide per il 12,6%
sul valore dell'energia elettrica richiesta, al netto delle
esigue esportazioni (0,5%)
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Potenza richiesta - Potenza installata
Potenza richiesta:
media 39.1 GW (22 GW la notte, 52 GW il giorno)
Il picco di domanda si è verificato nel 2007 (56.8 GW)
Potenza installata:
la potenza massima erogabile dalle centrali: 124 GW
Potenza media disponibile alle ore di punta: 69.3 GW
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A cosa è dovuta la differenza fra
potenza massima erogabile e disponibile?
L’Italia è tecnicamente autosufficiente,
sovrabbondanza di impianti.
con
Nonostante il parco centrali sia in grado di coprire
ampiamente il fabbisogno interno, l’Italia è il
secondo Paese al mondo per importazioni di energia
elettrica. Per la domanda notturna è infatti più
conveniente l’importazione, se la produzione estera
proviene da nucleare, che, avendo limitate possibilità
di essere modulata, viene fornita a basso costo.
Per
entrambe le ragioni, alcune centrali vengono15
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Occupazione del suolo
Un impianto elettrico da 1 GW occupa:
Tipo di impianto
Area occupata
(ettari)
Gas (ciclo combinato)
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Nucleare
15
Olio combustibile
20
Carbone
30
Solare (fotovoltaico)
200
Solare (termico)
2.000
Eolico
12.500
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Varie tipologie
di centrale elettrica
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Tipologia di centrale più diffusa
Le centrali termoelettriche rappresentano la spina
dorsale del sistema di produzione italiano
dell'energia elettrica, costituendo la base della
capacità produttiva perché:
 i loro impianti termici danno il massimo
rendimento in regime di produzione costante
 erogano grandi potenze, dell'ordine delle centinaia
o migliaia di MW.
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Centrale termoelettrica
Centrale termoelettrica
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Processo di trasformazione
Energia elettrica
Alternatore
Energia meccanica (L)
Turbina
Energia meccanica (L)
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calore
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Bilancio energetico
Poiché le macchine termiche lavorano in ciclo:
∆U = Q - L
∆U = 0
Q=L
Q1 – Q2 = L
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In quali altri modi si potrebbe
ottenere il calore?
Il calore proviene da:
vapore ad alta temperatura
ma potrebbe anche provenire da:
 una combustione (centrale a gas)
 una reazione nucleare (centrale nucleare)
 il sole (centrale solare)
 il terreno (centrale geotermoelettrica)
 la biomassa (centrale a biomasse)
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Centrale termoelettrica
L’acqua presente in una caldaia viene vaporizzata
utilizzando il calore ottenuto bruciando un
combustibile (gas, carbone, ecc.)
Il vapore viene convogliato verso macchine rotanti
(turbine a vapore) nelle quali converte il proprio
contenuto energetico in energia meccanica
Collegati all'albero in rotazione di tali turbine vi
sono gli alternatori, che convertono l'energia
meccanica di rotazione in energia elettrica
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Il processo di trasformazione
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Potere Calorifico dei combustibili
CH4  2O2

CO2  2 H2O  energia
La combustione di un idrocarburo (C + H) produce acqua
La combustione di 1 kg di metano genera 55.8 MJ = 13.3 kWh di energia termica
Potere Calorifico Superiore
Parte di questa energia è assorbita dall’acqua, che vaporizza. L’energia rimanente:
Potere Calorifico Inferiore
PCI = PCS – energia assorbita dall’acqua
Il PCI é quindi l’energia che può
essere utilizzata dopo la combustione
PCS = 55.8 [MJ/kg]
PCI = 50 [MJ/kg]
Centrali a carbone
Sono centrali termoelettriche che utilizzano per
combustibile il carbone.
Un quarto dell'elettricità di tutto il
mondo viene prodotta usando il carbone.
Negli Stati Uniti circa la metà dell'elettricità è
generata dal carbone. In Italia la quota è del 17%.
Sono necessari enormi convogli per il trasporto
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Termovalorizzatori
I termovalorizzatori sono inceneritori di rifiuti con
recupero energetico. Il calore prodotto dalla
combustione dei rifiuti viene utilizzato per produrre
energia elettrica in maniera analoga alle centrali
termoelettriche, ma con rendimenti estremamente più
bassi e maggior produzione di sostanze inquinanti
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Centrale a gas
Centrali a ciclo combinato
Un'evoluzione delle centrali a vapore è rappresentata
dalle centrali a ciclo combinato, nelle quali il gas viene
bruciato in una turbina a gas che, collegata ad un
alternatore, produce elettricità.
I gas di scarico della turbina, estremamente caldi,
vengono a loro volta utilizzati per scaldare acqua ed il
vapore così ottenuto è usato per alimentare una turbina a
vapore come in una centrale termoelettrica tradizionale,
generando altra elettricità.
Questo genere di centrali termoelettriche ha un
rendimento elettrico estremamente elevato, arrivando a
sfiorare anche il 60%
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Ciclo combinato
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Centrali a ciclo combinato
Termoelettrico convenzionale
 Circa il 70% della domanda mondiale di energia
elettrica viene oggi soddisfatta da combustibili fossili
 Una percentuale in aumento per il forte incremento di
domanda elettrica di popolosi Paesi in via di sviluppo
come la Cina e l’India
 In Europa, che utilizza ampiamente il nucleare e vede
un forte sviluppo delle rinnovabili, la
termoelettrica convenzionale è oggi del 60%
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quota
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Centrale nucleare
Centrale nucleare
Funziona in modo simile ad una centrale termoelettrica, con
la differenza che il vapore necessario a muovere le turbine
viene prodotto nel reattore. Con il calore sprigionato dalla
fissione, l’acqua liquida ad alta pressione nel reattore si
trasforma in vapore, che viene inviato alle turbine collegate
all’alternatore, producendo energia elettrica
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La potenza degli impianti nucleari varia da un minimo di
40 MW fino ad oltre 1,5 GW
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Quantità di combustibile
Una centrale nucleare non sfrutta reazioni chimiche,
ma reazioni di fissione, circa un milione di volte più
energetiche a parità di massa di combustibile
Mentre una centrale termica media produce 100 MW
bruciando migliaia di tonnellate di combustibile,
una centrale nucleare media produce 1000 MW
bruciando poche tonnellate di uranio
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Reattore nucleare
La struttura di un reattore nucleare prevede:
a) il nocciolo, nel quale si sviluppa la reazione
controllata di fissione a catena;
b) il sistema di estrazione del calore dal nocciolo;
c) la schermatura per arrestare le radiazioni
prodotte dal processo di fissione;
d) sistemi di regolazione del processo.
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Il nocciolo
Può immaginarsi come la resistenza elettrica che scalda
l'acqua in un comune bollitore da cucina, è immerso
nell'acqua e diventa molto caldo.
L'acqua lo raffredda e nello stesso tempo trasporta via il
calore sotto forma di vapore per far girare le turbine
Il calore da smaltire è notevole e richiede grosse quantità
di acqua per mantenere la temperatura a livelli
accettabili (qualche centinaio di °C).
Se l'acqua smette di fluire, il nocciolo si surriscalda e
sempre più acqua si trasforma in vapore, causando una
forte pressione nella camera interna del reattore, sigillata42
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Rendimento termodinamico
L’efficienza di conversione del calore in energia
elettrica è piuttosto bassa, per le relativamente basse
temperature del vapore che producono
Conseguentemente, le quantità di calore che si
producono
sono
notevoli:
il
rendimento
termodinamico è pari al 30-35% e ciò significa che
per 30 J di energia elettrica prodotta si generano 70 J
di calore
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Sistemi di controllo
Per rallentare o accelerare la fissione e regolare la
potenza del reattore tra le barre di combustibile
vengono inserite barre di controllo (in genere leghe di
argento, cadmio e indio o carburi di boro) ad altezza
variabile. Un elemento moderatore, spesso con
funzione di refrigerante, rallenta i neutroni per
garantire la velocità corretta
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Fusione del nocciolo
Se
il
nocciolo,
composto
principalmente
di
metallo,
diventa troppo caldo, tende a
sciogliersi. Nell’ipotesi peggiore
si scioglie completamente e buca
il fondo della camera interna,
cadendo sul pavimento della
camera di contenimento, un
altro
contenitore
sigillato
progettato per evitare che il
contenuto del reattore penetri
all'esterno.
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La peggiore delle ipotesi?
Fusione del nocciolo con esplosione del reattore.
La fuoriuscita di materiale radioattivo è inevitabile e massiccia.
Un'ipotesi teorica, mai accaduta nella storia del nucleare civile.
Storicamente si contano tre incidenti particolarmente gravi:
quelli di Three Mile Island, di Cernobyl e di Fukushima, con
rilascio di radiazioni e materiali radioattivi nella centrale e
nell'ambiente.Anche se con modalità diverse, in tutti e tre i casi
si è arrivati alla fusione parziale del nocciolo.
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Incidenti della storia
Nell'incidente di Three Mile Island, nel 1979, si arrivò
alla fusione del nocciolo, ma senza danni, perché il
reattore rimase perfettamente integro: tutto il materiale
è ancora chiuso dentro, annegato in un sarcofago di
cemento.
A Cernobyl non si arrivò alla fusione del nocciolo, ma ci
fu un'esplosione da cui fuoriuscì parte del combustibile
radioattivo, con conseguenze molto più gravi
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A Fukushima
Gli impianti del Giappone, paese geologicamente molto
instabile, sono progettati per resistere ad un sisma di
magnitudo 8,5, e sebbene il terremoto di Fukushima del
marzo 2011 (magnitudo 9) avesse superato i limiti di
progetto, l'elemento scatenante del disastro, in quel
caso, fu lo tsunami successivo al terremoto - di entità
molto superiore a quanto stimato in fase di progetto che inondò parecchie apparecchiature dedicate al
corretto funzionamento della centrale, danneggiandole e
dando origine ai malfunzionamenti più gravi.
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Sicurezza delle centrali
La sicurezza delle centrali rispetto ad eventi
sismici è una preoccupazione concreta.
Sono progettate per resistere ai sismi,
tuttavia il progetto non può tener conto di
eventi di entità estrema, rari ma
imprevedibili, per impossibilità tecnica od
economica.
Un aumento della sicurezza comporta
necessariamente una crescita esponenziale
dei costi di costruzione, una delle cause che
rende le centrali più moderne meno
competitive economicamente.
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Sicurezza da attacchi terroristici
Le strutture più visibili, come le torri di raffreddamento,
appaiono fragili e potrebbero quindi essere facili
obiettivi di attacchi terroristici aerei.
Secondo alcune opinioni questi attacchi potrebbero
rendere le centrali inattive, ma non produrre
contaminazioni radioattive dato che il nucleo è protetto
da mura in cemento armato spesse diversi metri, che
eventuali aerei non riuscirebbero a rompere, a meno di
non utilizzare esplosivi estremamente potenti.
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Cosa succede in caso di pericolo
Se si verifica un evento giudicato pericoloso (un
terremoto, una violenta esplosione, ecc.), la centrale
si distacca automaticamente dalla rete elettrica
esterna e si aprono le valvole dei condotti del vapore
ad alta pressione, distaccando le turbine collegate al
generatore.
Tra le barre del combustibile del nocciolo scendono
altre barre di materiale assorbitore, rallentando la
fissione dei nuclei nelle barre di combustibile per
l'impossibilità dei neutroni liberati dalla fissione di
passare da una barra all’altra; il decadimento
radioattivo prosegue all'interno di ogni singola
barra.
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Scorie radioattive
Una volta esaurito il fissile presente nel
combustibile restano i sottoprodotti della
reazione a catena, le scorie, radioattive con tempo di
dimezzamento molto vario, fino al caso estremo del
Cesio 135 che impiega 2,3 milioni di anni per
dimezzare la propria radioattività.
La maggior parte delle scorie sono a bassa e media
attività, la cui radioattività decade a valori trascurabili
nel giro di qualche secolo, mentre la quantità rimanente
è ad alta attività e lunga vita, la cui radioattività
impiega da migliaia a centinaia di migliaia di anni per
decadere a valori trascurabili
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Dimensioni delle scorie
Le scorie nucleari hanno un volume minimo (ca. 25
t/anno, pari a circa 3 m3)
In termini di volume costituiscono meno dell'1% dei
rifiuti altamente tossici nei Paesi industrializzati,
sebbene la loro tossicità non sia paragonabile.
Ogni anno in UE vengono prodotti circa 40.000 m3
di scorie radioattive.
:
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Centrale geotermoelettrica
Geotermoelettrico italiano
L'Italia è stato il primo Paese al mondo a sfruttare l'energia
geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato
nel 1913 a Larderello.
Da allora la geotermia è diventata un vanto dell’industria
energetica italiana: con 700 MW rappresenta uno dei
maggiori produttori al mondo e di gran lunga il principale
europeo
La generazione geotermoelettrica nazionale oggi è tutta
concentrata in Toscana, che grazie ad essa è la Regione
italiana con il più elevato ricorso a fonti rinnovabili (la
geotermia copre circa un quarto dei fabbisogni della Regione)
Centrale solare termoelettrica
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Principio di funzionamento
 Nelle centrali solari la radiazione solare viene
concentrata per ottenere temperature di alcune
centinaia di gradi e produrre vapore atto ad
azionare una turbina e generare elettricità
 Rispetto
ad
una
centrale
termoelettrica
convenzionale cambia solo la maniera di ottenere
calore, mentre le altre fasi sono identiche.
 Il componente base è il collettore-concentratore,
dispositivo in grado di raccogliere e convogliare la
radiazione solare riflessa da un campo specchi
verso un ricevitore
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Campo di specchi
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Torre
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Collettore concentratore
Concentratore
solare
Ricevitore
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Concentratore solare
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Centrale solare
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Centrale idroelettrica
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Centrale idroelettrica
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Centrale idroelettrica
Una centrale idroelettrica trasforma l'energia idraulica
(energia meccanica: potenziale, cinetica) di un corso
d'acqua in energia elettrica. Schematicamente consiste in:
- l'opera di sbarramento (diga), che intercetta il corso
d'acqua creando un invaso;
- mediante canali e condotte l'acqua viene convogliata
nelle turbine, attraversando organi di regolazione della
portata in base alla domanda di energia;
- l'acqua mette in azione le turbine e ne esce finendo nel
canale di scarico attraverso il quale ritorna nel fiume. 67
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Condotte
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Mini-hydro
Con il termine mini-hydro si intendono
convenzionalmente le centraline idroelettriche
con potenza fino a 10 MW.
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Mini-hydro
Si tratta di impianti di diversa tipologia
rispetto a quelli di potenza maggiore: mentre
questi ultimi richiedono grandi opere di
sbarramento (dighe) ed estesi laghi artificiali
per l’accumulo dell’acqua, i mini impianti
funzionano in pratica come i vecchi mulini ad
acqua in versione high-tech
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Centrale fotovoltaica
Centrale fotovoltaica
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Sistemi fotovoltaici
Si basano sulla capacità di alcuni materiali
semiconduttori, opportunamente trattati (drogati),
di convertire l’energia della radiazione solare in
energia
elettrica.
Il
semiconduttore
oggi
prevalentemente utilizzato è il silicio
Il componente base è la cella
fotovoltaica,
una sottile fetta di silicio dello
Impianti
fotovoltaici
spessore di ca. 0,3 mm, avente una superficie compresa fra 100 e 225 cm2.
La cella è in grado di produrre una corrente di 3 A con una tensione di 0,5 V
e potenza di ca. 1,5 W in condizioni standard (temperatura di 25°C e
potenza della radiazione di 1 kW/m²).
Il rendimento di un impianto fotovoltaico varia fra il 15 ed il 22%.
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Impianti fotovoltaici
cella
modulo
pannello
stringa
Generatore
fotovoltaico
Più celle assemblate e collegate tra loro formano il modulo fotovoltaico;
più moduli vengono collegati in pannelli che, connessi in serie, costituiscono una
stringa;
più stringhe collegate in parallelo realizzano un generatore.
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Sviluppo del fotovoltaico
negli ultimi anni la potenza installata a livello globale,
che era di appena 1 GW nel 2000, sta crescendo a ritmi
fortissimi, attualmente ha toccato i 100 GW e si stima
che nel 2020 possa raggiungere i 300 GW, con una
produzione elettrica in grado di soddisfare quasi il 5%
della domanda mondiale.
In Italia, in particolare la generazione distribuita sta
conoscendo un boom inimmaginabile pochi anni fa.
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Centrale eolica
Il generatore eolico
Il rotore è costituito da un
certo numero di pale fissate
su un mozzo, che sono
progettate per sottrarre al
vento energia cinetica e
trasformarla
in
energia
meccanica di rotazione
Il moltiplicatore di giri trasforma la rotazione lenta delle pale in
una rotazione più veloce
Il generatore trasforma l'energia meccanica in energia elettrica
Il sistema di controllo arresta la macchina per velocità troppo
alte
L'aerogeneratore è sostenuto da una torre
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Tipologie di aerogeneratori
Asse orizzontale
Asse verticale
Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensioni,
dotati di una, due o tre pale di varie lunghezze. Quelli ad
asse orizzontale con 3 pale lunghe circa 20 m
rappresentano la tipologia più diffusa.
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Sviluppo della fonte eolica
 Quella eolica è la fonte che registra il maggior successo al
mondo. Nel decennio 2000-2009 la potenza installata ha
avuto tassi di sviluppo straordinari, passando da 10 a 130 GW
 Le prospettive sono ancora più incoraggianti: la potenza
installata ha superato i 400 GW nel 2015, ed arriverà a
soddisfare il 10% dei fabbisogni elettrici entro il 2020.
 Oltre che con i grandi impianti di potenza, l’energia eolica si
presta ad essere utilizzata in applicazioni di generazione
distribuita, tramite aerogeneratori di piccola potenza.
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Costi delle centrali elettriche
• Costruzione
• Produzione
• Manutenzione
• Dismissione
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Costo medio di costruzione
Centrale a gas: 500-700 €/kW
Centrale a carbone: 1600-1800 €/kW
Centrale nucleare: circa 2500-3000 €/kW
I costi di costruzione di una centrale nucleare sono
superiori a quelli di qualsiasi altra centrale per la
necessità di garantire elevati standard di sicurezza e
per lo smaltimento delle scorie
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Combustibile utilizzato
Un centrale da 1 GW:
 a carbone ha bisogno di 2,500,000 t/anno, cioè
7.000 t/giorno (2 treni) di carbone
 a derivati del petrolio richiede 1,400,000 t/anno
(100 super-petroliere)
 a gas preleva il gas dalla rete
 nucleare ha bisogno di 25 t/anno di uranio
arricchito al 4%, fornito da 150 t d'uranio naturale
(meno di 2 vagoni merci)
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Costo medio del kW elettrico
Carbone
4,4 € cent.
Gas
4,6 € cent.
Nucleare
6,1 € cent.
(inclusi i costi di confinamento delle scorie)
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Emissioni inquinanti
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Emissioni inquinanti
I residui della combustione dei combustibili fossili
generano una quantità elevata di inquinanti:
fumi, particolato fine, CO2, CO, SOx NOx, idrocarburi
aromatici
Le centrali moderne utilizzano varie tecniche per il
loro abbattimento (pretrattamento del combustibile,
abbattimento delle polveri, desolforatori, tecniche di
"sequestro" della CO2 etc.), tuttavia non sempre
utilizzate per il gravare sui costi
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Emissioni di una centrale
convenzionale
1,0 kg/kWh
1,4 g/kWh
1,9 g/kWh
CO2 anidride carbonica
SO2 anidride solforosa
NOX ossidi di azoto
L’emissione annuale di una centrale a carbone è pari a:
CO2: 6.500.000 t, SOx: 900 t, NOx: 4.000 t, metalli
pesanti 400 t.
Una centrale a gas è un po' meno inquinante, in
particolare per quanto attiene le emissioni di SOx
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Piogge acide
L’anidride solforosa nell’atmosfera reagisce con il vapore
acqueo formando acido solforoso, che poi ritorna sulla
Terra sotto forma di pioggia acida (della quale le emissioni
delle centrali sono i principali responsabili)
Si formano inoltre acido solforico H2SO4 e nitrico HNO3
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Emissioni di diverse tipologie di
centrale elettrica
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Emissioni di una
centrale nucleare
Le centrali nucleari, malgrado non abbiano emissioni di
fumi di combustione come le termoelettriche, rilasciano
dosi di radioattività, sotto forma di scarichi sia liquidi che
gassosi (trizio, isotopi del cesio, del cobalto, del ferro, del
radio e dello stronzio), che perdurano anche a decenni
dalla chiusura, in quantità che vanno dalle migliaia alle
centinaia di milioni di becquerel
In alcuni impianti vi sono inoltre emissioni di grandi
quantità di vapore acqueo dalle torri di raffreddamento
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Emissioni di una
centrale nucleare
I reattori nucleari durante il loro ciclo di vita generano
emissioni non trascurabili, dovute prevalentemente alle
fasi di:
1. produzione del combustibile nucleare (che
coinvolge l'estrazione mineraria e l'arricchimento
dell'uranio)
2. costruzione della centrale
3. dismissione
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Vantaggi e svantaggi
Vantaggi:
Le centrali nucleari non emettono CO2, né Nox ed SOx
Svantaggi:
La fissione nucleare produce residui ad elevata
radioattività
Esistono problemi di sicurezza legati ad eventi sismici o
ad atti terroristici
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