Energia

Energia
a. Energia raggiante
b. Energia chimica
c. Energia elettrica
d. Energia nucleare
e. Energia cinetica
f. Energia potenziale
g. Energia meccanica
h. Energia termica
1. Energia “motore” del mondo
La ricerca di fonti di energia, la produzione, il trasporto, la trasformazione e l’uso dell’energia costituiscono la
base della nostra società tecnologica.
Gli effetti della produzione, dell’uso e dello spreco di
energia sono, purtroppo, quasi sempre negativi per l’ambiente in cui viviamo, fino a provocare modifiche del clima globale del pianeta.
Dobbiamo, quindi, conoscere non solo le tecnologie legate all’energia, ma anche come comportarci nelle varie circostanze in cui ne facciamo uso, soprattutto in rapporto
al risparmio energetico.
2. Forme di energia
L’energia (dal greco energheia, che significa attività) è la capacità di un corpo di compiere un lavoro e la sua unità di
misura è il joule. Esistono numerose forme di energia.
Le principali sono le seguenti:
a. Energia raggiante (proveniente dalle radiazioni solari);
b. Energia chimica (proveniente dalle reazioni chimiche);
c. Energia elettrica (flusso di elettroni da un atomo all’altro);
d. Energia nucleare (proveniente dalla fissione del nucleo di
uranio);
e. Energia cinetica (proveniente dal movimento di un corpo);
f. Energia potenziale (la possiede un corpo in stato di quiete
ma che può essere messo in movimento);
g. Energia meccanica (energia cinetica applicata alle
macchine);
h. Energia termica (calore che passa da un corpo all’altro).
3. Fonti di energia
L’energia proviene da fonti diverse, naturali o create dall’uomo in relazione alle sue necessità. Esistono fonti primarie,
che possono essere utilizzate direttamente, allo stato naturale, oppure trasformate in fonti secondarie, utilizzate successivamente, in forme diverse.
Sono fonti primarie il petrolio, il carbone, il gas naturale, l’acqua dei fiumi e dei laghi, il sole, il vento e il calore della terra,
i combustibili nucleari come l’uranio, la forza delle onde e delle maree.
Sono fonti secondarie, invece, quelle prodotte a partire da fonti primarie, quali i prodotti derivati dalla lavorazione del
petrolio, come l’olio combustibile e la benzina, e l’energia elettrica, ottenuta da varie fonti primarie.
è consuetudine comunemente accettata distinguere le fonti di energia in:
• fonti esauribili e non rinnovabili, come i combustibili fossili e l’uranio;
• fonti inesauribili e rinnovabili, come il sole, il vento, il calore della terra o geotermia, le maree; possiamo comprendere tra queste l’acqua e le biomasse, che però in molte zone del pianeta scarseggiano.
l’energia è sottoposta a continue trasformazioni, soprattutto per generare energia elettrica, la più comoda per l’utente finale.
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4. Fonti di energia non rinnovabili
a. Il petrolio
Il petrolio è una miscela di idrocarburi (composti costituti da idrogeno e carbonio) derivata dalla decomposizione di sostanze organiche ad opera di batteri anaerobici (che
operano in assenza di ossigeno).
Le sostanze organiche sono formate da resti di organismi, accumulatisi in un ambiente
per lo più marino, insieme a fini sedimenti minerali. Le caratteristiche chimico-fisiche
del petrolio (viscosità, colore, grado di impurezze, ecc.) variano a seconda del giacimento
di provenienza. Oltre a carbonio e idrogeno, sono presenti quantità minori di azoto,
ossigeno e zolfo. Il colore può variare da giallo-bruno a nero.
La ricerca di giacimenti petroliferi si effettua con diversi metodi: prospezione geologica di superficie; prelievo di campioni (metodo del carotaggio); aerofotogrammetria,
che consente di rilevare con rapidità i caratteri geologici e strutturali del territorio. Per
conoscere la successione degli strati in profondità si usano vari metodi geofisici, quali la
prospezione magnetica, gravimetrica e soprattutto sismica.
Individuato il giacimento, si procede alla trivellazione e all’estrazione del petrolio greggio
che, attraverso oleodotti o navi petroliere, viene trasportato alle raffinerie per essere sottoposto a distillazione frazionata e trasformato in vari prodotti: nafta, gasolio, benzina, ecc.
b. Il carbone
Il carbone è una miscela solida di minerali, costituita in prevalenza da carbonio, formatasi naturalmente od ottenuta artificialmente da materiali di origine animale e vegetale;
viene estratto da miniere a cielo aperto o sotterraneee.
In origine era utilizzato come combustibile per le macchine a vapore delle locomotive
e degli impianti industriali. Successivamente, fino agli anni ’50, fu usato anche per le
centrali termoelettriche e, in quantità più limitate, per il riscaldamento domestico. Fu
poi quasi abbandonato perché troppo inquinante.
Molti altri prodotti sono ottenibili dal carbone mediante opportuni processi. Con le ceneri residuate dalla combustione del carbone nelle centrali si possono fabbricare numerosi prodotti per l’edilizia: cementi (clinker), calcestruzzi per blocchi prefabbricati e
aggregati leggeri per pannelli isolanti. In agricoltura le ceneri possono essere utilmente
impiegate come fertilizzante, data la presenza di discrete quantità di fosforo e potassio.
Attraverso la distillazione a secco, che si effettua in impianti chiamati cokerie, si ricavano gas di città, coke metallurgico per l’industria siderurgica, olio leggero e catrame.
Due tipi di carbone: sopra,
l’antracite; sotto, la lignite. Il
carbone è ancora il combustibile
fossile più usato al mondo:
fornisce circa il 35% dell’energia
elettrica mondiale.
c. Il metano
Scoperto da Alessandro Volta intorno al 1800, il metano era chiamato originariamente
gas delle paludi. È un gas naturale e si trova nel sottosuolo, da solo o insieme a giacimenti di petrolio e carbone. È il più semplice degli idrocarburi (formato da carbonio e
idrogeno secondo la formula chimica CH4), è incolore e inodore e brucia con una fiamma bluastra. Il metano viene ottenuto anche come sottoprodotto della raffinazione del
petrolio e dalle distillazioni del carbone (il gas di cokeria contiene un 30% circa di metano). Può essere prodotto anche mediante il trattamento di liquami e di rifiuti organici,
vegetali ed animali (biogas).
Per l’estrazione, lo stoccaggio e il trasporto del metano si ricorre a tutta una serie di tubazioni, regolate da valvole di pressione, organizzate in gasdotti (o metanodotti).
Oltre ad una discreta presenza nazionale (soprattutto in giacimenti della Pianura Padana), in Italia arrivano gasdotti da Algeria, Libia, Olanda e Russia.
Il metano è un ottimo combustibile domestico, per il suo alto potere calorifico.
Presenta, però, seri problemi di sicurezza perché forma con l’aria una miscela esplosiva:
al fine di evitare gravi conseguenze, viene odorizzato con etantiolo, che genera odori
sgradevoli, così da segnalare eventuali fughe dalle tubazioni.
è una fonte di energia poco inquinante, anche se contribuisce all’effetto serra.
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Alessandro Volta.
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5. Le centrali elettriche che utilizzano fonti non rinnovabili
L’energia elettrica che arriva nelle nostre case viene prodotta in una centrale elettrica probabilmente molto lontana e
poi trasportata fino a noi.
Le centrali elettriche sono grandi impianti, in cui avvengono varie operazioni di trasformazione dell’energia: noi analizzeremo, in modo schematico, le principali tipologie di centrali, senza entrare in dettagli troppo complessi.
Iniziamo dalle centrali che utilizzano fonti di energia non rinnovabili:
- centrale termoelettrica a combustibili fossili (carbone, petrolio, gas);
- centrale termonucleare, che utilizza l’uranio.
a. Centrale termoelettrica
In una centrale termoelettrica il combustibile (petrolio, carbone o gas) viene bruciato all’interno della caldaia e produce energia
termica che trasforma l’acqua in vapore. Quest’ultimo, fortemente surriscaldato, va ad agire sulle palette della turbina, la quale
trasforma l’energia cinetica del vapore in energia meccanica; la turbina è collegata all’alternatore, che produce energia elettrica in
media tensione. Il livello di tensione viene innalzato dai trasformatori elevatori, che collegano la centrale alla rete di alta tensione. Il
vapore, dopo aver ceduto la sua energia alla turbina, viene raccolto dentro il condensatore, all’interno del quale, per mezzo dell’acqua di raffreddamento proveniente dall’esterno, viene ritrasformato in acqua e quindi ricondotto in caldaia attraverso la pompa di
alimentazione, per ripetere un nuovo ciclo.
Passaggi di energia
1. Energia chimica (petrolio) → 2. Termica (calore) → 3. Cinetica (vapore) → 4. Meccanica (turbina ) → 5. Elettrica (alternatore)
Camino: dispositivo
di notevole altezza,
per la dispersione
nell’aria dei fumi
residui.
Catalizzatore:
componente per
l’abbattimento
degli ossidi di
azoto.
emissione
fumi
Caldaia: componente che
trasforma l’energia chimica
del combustibile in energia
termica e la trasmette all’acqua
trasformandola in vapore.
catalizzatore
Trasformatore:
dispositivo
che innalza la
tensione della
corrente prodotta.
caldaia
acqua in
entrata
Alternatore:
generatore di
corrente, prodotta
grazie al fenomeno
dell’induzione
magnetica.
380 KV
stazione
elettrica
trasformatore
alternatore
acqua in
uscita
Condensatore: raffredda
il vapore proveniente dalla
turbina, fino a portarlo allo
stato liquido.
condensatore
captatore
polveri
Captatore di polveri:
tramite l’azione di campi
elettrostatici, trattiene le
polveri presenti nei fumi.
pompa
Pompa: fornisce
l’acqua alla caldaia, in
sostituzione di quella
trasformata in vapore.
turbina a vapore
Turbina a vapore:
componente meccanico che
ruota azionato dall’energia
cinetica del vapore.
Vantaggi/Svantaggi
La centrale termoelettrica si può costruire ovunque; il costo dell’impianto non è eccessivo e ha un buon rendimento.
Utilizza, però, fonti esauribili; ha scarichi inquinanti per l’atmosfera e costi di gestione elevati.
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b. Centrale termonucleare
Il combustibile utilizzato per generare calore nelle centrali nucleari è l’uranio. Infatti, contro un nucleo di uranio 235, particolarmente
instabile, viene inviato un neutrone. Colpito dal neutrone, il nucleo di uranio si scinde in due nuclei più piccoli (il cripto e il bario) e due o tre neutroni. La massa dei prodotti di fissione, cioè i due nuclei più piccoli e i due o tre neutroni, non è uguale a quella
dell’atomo originale: una parte della massa si trasforma in energia termica. I neutroni emessi bombardano altri atomi di uranio
dando origine ad una reazione a catena che, se è incontrollata, è devastante come nella bomba atomica.
Nel reattore nucleare la reazione a catena viene rallentata da barre di leghe metalliche e raffreddata ad acqua; l’energia termica
prodotta è convertita in energia elettrica. Come prodotto di rifiuto si hanno le scorie nucleari: atomi radioattivi che impiegano 4 miliardi di anni per diventare stabili. A seguito di vari incidenti nelle centrali, con un referendum nel 2011 la maggior parte degli italiani
si è pronunciata contro l’installazione di centrali termonucleari nel nostro territorio.
Passaggi di energia
1. Energia chimico/nucleare (uranio) → 2. Termica (calore) → 3. Cinetica (vapore) → 4. Meccanica (turbina ) → 5. Elettrica (alternatore)
Torre di raffreddamento: componente
che coadiuva il condensatore nell’azione
di raffreddamento del vapore.
Alternatore: generatore di corrente prodotta
grazie al fenomeno dell’induzione magnetica.
Edificio e contenitore del reattore:
manufatto in cemento armato che
impedisce la fuori uscita delle radiazioni.
rete di
distribuzione
Barre di controllo: elementi che
controllano la reazione nucleare.
alternatore
edificio di
contenimento
generatore
di vapore
torre di
raffreddamento
turbina
barre di controllo
contenitore
del reattore
Contenitore del
reattore/nocciolo:
componente dove
avviene la fissione
nucleare.
nocciolo
Circuito primario/
pompa: componente
che raccoglie
l’energia termica
prodotta nel reattore.
circuito primario
Generatore di vapore: sfrutta
le diverse pressioni dei circuiti
e permette la vaporizzazione
dell’acqua del circuito secondario.
condensatore
pompa del
circuito secondario
pompa del
circuito primario
Circuito secondario/pompa:
componente che riceve il
calore dall’acqua del circuito
primario.
Turbina a vapore:
componente meccanico
che ruota azionato
dall’energia cinetica
del vapore acqueo del
circuito secondario.
Condensatore:
componente che raffredda il
vapore proveniente dalla turbina,
fino a portarlo allo stato liquido.
Vantaggi/Svantaggi
La produzione di energia nucleare non emette CO2 e quindi non inquina l’atmosfera. Presenta vantaggi economici perché permette
di ridurre la spesa per l’importazione dei combustibili fossili. Il costo di costruzione e di gestione di una centrale termonucleare è
elevato. L’energia nucleare procura gravi danni in caso di incidenti. I rifiuti (scorie) sono pericolosi per la vita umana.
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6. Le centrali elettriche che utilizzano fonti rinnovabili
L’attuale tendenza verso la sostenibilità ambientale ha portato allo sviluppo di impianti che utilizzano fonti di energia
rinnovabili. Avremo quindi:
- centrale idroelettrica (che sfrutta il flusso dell’acqua);
- centrale solare a specchi (che sfrutta il calore del sole);
- centrale fotovoltaica (che sfrutta la luce solare);
- centrale eolica (che sfrutta il vento);
- centrale geotermica (che sfrutta il calore endogeno della terra);
- centrale a biogas-biomasse (che sfrutta residui animali e vegetali).
Anche dai rifiuti si può ricavare energia, mediante il loro incenerimento.
a. Centrale idroelettica
La centrale idroelettrica trasforma l’energia idraulica di un corso d’acqua, naturale o artificiale, in energia elettrica.
L’opera di sbarramento, una diga, intercetta il corso d’acqua creando un invaso o un bacino, dove viene mantenuto un livello costante dell’acqua. Attraverso canali e gallerie di derivazione, l’acqua viene convogliata in vasche di carico e, mediante condotte forzate,
nelle turbine, attraverso valvole di immissione (di sicurezza) e organi di regolazione della portata (distributori) secondo la domanda
d’energia. L’acqua mette in azione le turbine e ne esce finendo poi nel canale di scarico, attraverso il quale viene restituita al fiume.
Direttamente collegato alla turbina, secondo una disposizione ad asse verticale o ad asse orizzontale, è montato l’alternatore, che
è una macchina elettrica rotante in grado di trasformare in energia elettrica l’energia meccanica ricevuta dalla turbina. L’energia
elettrica così ottenuta deve essere trasformata, per poter essere trasportata a grande distanza. Ciò avviene mediante il trasformatore, che abbassa l’intensità della corrente prodotta dall’alternatore, elevandone, allo stesso tempo, la tensione a migliaia di Volt.
Passaggi di energia
1. Energia potenziale (acqua in bacino) → 2. Cinetica (acqua in caduta) → 3. Meccanica (turbina ) → 4. Elettrica (alternatore)
Bacino: invaso d’acqua che si ottiene per effetto
dello sbarramento del corso di un fiume.
lago a monte
380 KV
stazione
elettrica
diga
valvola
risalita
dell’acqua
condotta
forzata
Diga: opera di sbarramento del
corso d’acqua, in cemento armato,
che serve a formare il bacino
idrico: è dotata di gallerie o canali
per il controllo dell’acqua.
turbina
Condotte forzate:
tubazioni, in lamiera
d’acciaio o in cemento
armato, munite di organi
di regolazione della
portata dell’acqua, per il
corretto funzionamento
delle turbine.
opera di
restituzione
trasformatore
Trasformatore: serve per
innalzare la tensione della
corrente alternata.
Vantaggi/Svantaggi
La centrale idroelettrica utilizza una fonte rinnovabile e gratuita,
non è inquinante; buona produzione energetica. Si può costruire
solo dove ci sono condizioni ambientali adeguate; il costo di realizzazione dell’impianto è elevato, come pure l’impatto ambientale.
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alternatore
Alternatore:
generatore di corrente
alternata, prodotta
grazie al fenomeno
dell’induzione
magnetica.
Turbina: componente
meccanico che ruota
azionato dall’energia
cinetica sottratta all’acqua
(può essere di diverso
tipo, in base al dislivello e
alla portata d’acqua).
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radiazione
solare
b. Centrale solare a collettori parabolici
La tecnologia attualmente più matura per la produzione di energia elettrica da solare termodinamico è quella che utilizza i collettori parabolici
lineari. In tali impianti, il campo solare ha una struttura modulare ed è
costituito da collettori parabolici lineari, collegati in serie e disposti in file
parallele della lunghezza di alcune centinaia di metri.
Ciascun collettore è costituito da un riflettore di forma parabolica (un
comune specchio di vetro) che concentra i raggi solari su un tubo assorbitore (ricevitore), disposto sul fuoco geometrico della parabola. Un
fluido portatore di calore, tipicamente olio minerale, pompato attraverso i tubi ricevitori, alimenta una stazione di potenza, localizzata al centro del campo solare. Il calore così prodotto crea vapore allo scopo di far
funzionare un gruppo turbo-generatore elettrico. La temperatura tipica
di operazione è di quasi 400 °C.
riflettore
parabolico
tubo
ricevitore
entrata
fluido
uscita
fluido
Modello del progetto sperimentale
Archimede dell’ENEA.
Passaggi di energia
1. Solare (raggi solari) → 2. Termica (ricevitore) → 3. Meccanica (turbina a vapore) → 3. Elettrica (alternatore)
raggi solari
turbina
ricevitore
alternatore
trasformatore
eliostati
condensatore
accumulo
caldaia
termico
pompa
c. Centrale a torre
Negli impianti a torre, il campo solare è costituito da specchi piani
(eliostati) che inseguono il moto
del sole, concentrando i raggi solari su un ricevitore, montato in
cima ad una torre, posizionata al
centro dell’impianto.
All’interno del ricevitore viene
fatta circolare una miscela di sali
fusi, che assorbe il calore e lo accumula in appositi serbatoi.
Con il calore accumulato ad alta
temperatura (565 °C), si produce
vapore per alimentare un turbogeneratore.
Centrale solare a torre di Barstow,
in California.
d. Centrale fotovoltaica
Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti
meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a
captare e trasformare l’energia solare disponibile,
rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica. Ciò avviene sfruttando l’effetto fotovoltaico, cioè
la capacità che hanno alcuni materiali semiconduttori, come il silicio, opportunamente trattati, di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.
sole
Vantaggi/Svantaggi
La centrale fotovoltaica utilizza una fonte inesauribile, gratuita e pulita. Presenta semplicità d’utilizzo e modularità dei sistemi, le cui dimensioni sono
stabilite in base alla potenza richiesta dall’impianto.
Esiste però una certa discontinuità della fonte e il
costo dei componenti è ancora elevato: ciò comporta ancora un costo di produzione poco competitivo rispetto ai combustibili fossili.
stringa
pannello
modulo
cella
rete di
distribuzione
campo
inverter
Passaggi di energia
1. Solare/Luminosa (raggi solari) → 2. Elettrica (cella fotovoltaica)
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Passaggi di energia
1. Cinetica (vento) → 2. Meccanica (rotore) → 3. Elettrica (alternatore)
e. Centrale eolica
moltiplicatore
di giri
alternatore
Alternatore: generatore
di corrente.
Rotore: costituito
da pale che
ruotano al
soffiare del vento.
rotore
Moltiplicatore di
giri: meccanismo che
trasforma la rotazione
lenta delle pale in una
rotazione veloce (1500
giri), in grado di azionare
il generatore di corrente.
Anemometro:
strumento che
misura la direzione e
l’intensità del vento.
380 KV
stazione
elettrica
Torre: sostegno
verticale per
“navicelle” a
rotazione.
Modello di impianto di una
centrale eolica.
Sistema di controllo:
componente che
serve per monitorare il
funzionamento generale
dell’aerogeneratore.
trasformatore
Vantaggi/Svantaggi
La centrale eolica utilizza una fonte inesauribile, non
danneggia l’atmosfera con emissioni inquinanti, può
produrre quote significative di energia. L’impianto
occupa però grandi spazi di territorio con conseguente variazione del paesaggio; provoca emissioni
acustiche ed interferenze elettromagnetiche.
Passaggi di energia
1. Termica/Cinetica (calore endogeno/vapore) → 2. Meccanica (turbina) → 3. Elettrica (alternatore)
f. Centrale geotermica
Alternatore: generatore di corrente
prodotta grazie al fenomeno
dell’induzione magnetica.
Turbina a vapore:
componente meccanico
che ruota azionato
dall’energia cinetica del
vapore.
Torre di raffreddamento:
abbassa la temperatura dell’acqua
proveniente dal condensatore,
cedendo calore all’atmosfera.
trasformatore
alternatore
turbina
a vapore
Pozzi di estrazione:
consentono di estrarre
i fluidi geotermici dal
sottosuolo.
Pozzo di reiniezione:
l’acqua di scarico
della centrale viene
nuovamente immessa
nei serbatoi geotermici,
mantenendo inalterata
la pressione ed evitando
l’inquinamento di falde o
corsi d’acqua superficiali.
Supporto-Cuscinetto: meccanismo
per l’orientamento della “navicella”,
in base alla direzione del vento.
pompa
condensatore
pozzo di
reiniezione
pozzo di
estrazione
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sorgente
acqua calda
Modello di impianto di una centrale geotermica.
Condensatore:
componente che
raffredda il vapore
proveniente dalla
turbina, fino a portarlo
allo stato liquido.
Vantaggi/Svantaggi
La centrale geotermica utilizza
una fonte inesauribile e gratuita; ha basso costo di produzione; discreta è la quantità di
energia prodotta e l’inquinamento atmosferico è limitato.
L’unico svantaggio è quello
di poterla costruire solo dove
sono presenti i fluidi geotermici.
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g. Centrale a biogas
raccoglitore e macinatore
silos
Numerose sono le applicazioni
stalla
che permettono di ricavare
dalle varie biomasse, nei
diversi stati fisici, fonti
di energia che,
in un secondo
momento,
possono essere
utilizzate per il
funzionamento
di impianti per
la produzione di
energia elettrica o
come carburanti
per i mezzi di
trazione
trasporto.
Tra le varie
gasometro
tecnologie di
bruciatore
conversione energetica
caldaia
delle biomasse, alcune
turbina
possono considerarsi giunte ad un
livello di sviluppo tale da consentirne
alternatore
l’utilizzazione su scala industriale;
e trasformatore
altre necessitano, invece, di ulteriore
sperimentazione, al fine di aumentare i rendimenti
e ridurre i costi di conversione energetica.
Passaggi di energia
1. Energia chimica potenziale (gas) → 2. Energia chimica/termica (caldaia)
→ 3. Cinetica (vapore) → 4. Meccanica (turbina) → 5. Elettrica (alternatore)
residui secchi
digestore
anaerobico
foraggi
laguna verde
piscicoltura
concimi
fertilizzanti
uso
domestico
Modello di impianto per la produzione e
la distribuzione del biogas.
h. Energia dai rifiuti:
il termovalorizzatore
Il termoutilizzatore o
termovalorizzatore
(inceneritore) è un impianto
piuttosto complesso.
Esso riceve rifiuti, li brucia e
utilizza il calore prodotto nella
combustione per riscaldare
vapore ad alta temperatura e
pressione.
Il vapore muove le pale di
una turbina, collegata a un
generatore che produce energia
elettrica.
Il vapore residuo, a bassa
temperatura, viene convogliato
nella rete di teleriscaldamento
e porta il calore nelle case.
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7. La distribuzione dell’elettricità
1. Le centrali
L’ energia elettrica prodotta dagli alternatori
delle centrali termiche, idroelettriche, nucleari
ed eoliche è corrente alternata a bassa
tensione. Un trasformatore, accanto alla
centrale, aumenta la tensione della corrente
perché possa circolare nei cavi elettrici, senza
troppe perdite.
2. La linea ad alta tensione
È costituita da cavi che trasportano l’elettricità
a centinaia di chilometri di distanza, grazie
ad alti tralicci. La corrente che vi circola è
estremamente potente e, dunque, pericolosa.
3. Il trasformatore
Questo trasformatore, vicino alle case e
alle fabbriche, diminuisce la tensione della
corrente elettrica.
4. La rete di distribuzione
È composta da piccoli tralicci, pali elettrici e
cavi. Si può osservare lungo le strade, mentre,
in città, i cavi sono spesso interrati.
5. La casa o la fabbrica
L’elettricità arriva nelle case o nelle fabbriche
tramite un cavo, dopo che la tensione è stata
ridotta da un altro trasformatore. La forza
della corrente è, allora, riportata ad un valore
accettabile e senza pericolo per gli apparecchi
elettrici (220 V in casa e 380 V per l’azienda).
Un contatore permette di misurare la quantità
d’elettricità consumata.
8. I collettori solari
Servono a produrre acqua calda, sfruttando il
calore del sole.
1. Pannello solare: trasferisce il calore dalla radiazione solare all’acqua.
2. Pompa: utilizzata per la
circolazione dell’acqua.
3. Serbatoio: il
contenitore dell’acqua.
Modello di impianto per la produzione di
acqua calda ad uso domestico, a collettori solari.
radiazioni
solari
vetro
pannello
1 solare
acqua
calda
scambiatore
di calore
uscita
acqua calda
entrata
acqua fredda
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pompa
2
3
ingresso
rete idrica
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9. L’impianto fotovoltaico
L’effetto fotovoltaico si verifica quando un flusso luminoso investe un materiale semiconduttore, opportunamente modificato, generando un movimento
di elettroni, per cui la radiazione solare si trasforma direttamente in energia
elettrica.
Tale effetto viene sfruttato in un impianto fotovoltaico, tecnologia semplice e
largamente accessibile che utilizza componenti standardizzati.
Il rendimento, in termini di efficienza energetica, è discreto, ma l’importante è
che si parte da fonte rinnovabile e non inquinante.
L’impianto fotovoltaico è composto principalmente da:
a. moduli in silicio mono/policristallino (vedi spiegazione a lato); oppure Moduli in film sottile (più recenti ed efficienti ma dalla tecnologia più complessa);
b. inverter, che stabilizza l’energia raccolta e la converte in corrente alternata
fino ad immetterla in rete;
c. quadristica di protezione e controllo, da situare tra l’inverter e la rete che
questo alimenta;
d. cavi di connessione, che devono presentare un’adeguata resistenza ai raggi
UV ed alle alte temperature.
Negli impianti a terra o tetto piano, è prassi comune distribuire geometricamente il campo su più file, opportunamente sollevate e angolate singolarmente
verso il sole, in modo da massimizzare l’irraggiamento captato dai moduli.
Cella solare in silicio policristallino.
Moduli in silicio mono/policristallino: il silicio viene fatto cristallizzare in lingotti in forma mono o
policristallina. Da tali lingotti vengono, successivamente, prodotte
delle lastre (o singoli moduli) dello spessore di pochi micron. Su
queste lastre vengono aggiunti,
quindi, i materiali semiconduttori.
Infine si procede con l’assemblaggio dei moduli: le celle vengono
montate in serie all’interno di una
struttura protettiva che assicura
potenza, tensione e intensità di
corrente del pannello fotovoltaico.
luce del sole
Schema di installazione
di un impianto fotovoltaico
domestico
lastra di vetro
celle solari,
incorporate nella
plastica
rivestimento posteriore
dispositivi che
consumano elettricità
– +
– +
– +
corrente alternata
corrente alternata
230 V 50 Hz
contatore di
consumo
contatore di
immissione
in rete
corrente alternata
prelevata dalla rete
–
+
corrente continua
ad alta tensione
corrente continua
Le celle fotovoltaiche sono
disposte in serie, per cui
il voltaggio si somma
inverter
conversione di corrente
continua in corrente
alternata, necessaria per
alimentare la rete elettrica.
telaio in
alluminio
Struttura di un modulo
fotovoltaico
corrente
alternata
immessa in
rete
rete elettrica
pubblica
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10. Fonti rinnovabili per il futuro
Sono numerosi gli studi e le ricerche in atto per trovare
fonti di energia rinnovabili e non inquinanti, che non siano solo integrative dei combustibili fossili tradizionali ma
del tutto alternative.
La direzione prevalente è quella di sfruttare meglio l’energia del Sole (torri solari) e del mare (eliche sottomari-
ne), ma la vera rivoluzione nel sistema energetico avverrà quando finalmente si riuscirà ad utilizzare in pieno la
risorsa idrogeno, mediante le celle a combustibile, ma
soprattutto con la fusione nucleare. Il problema attuale è
che, per la produzione di idrogeno, si consumano grandi
quantità di energia prodotta da fonti tradizionali.
Le celle a combustibile
Una cella a combustibile è in grado di convertire l’energia chimica
dell’idrogeno e dell’ossigeno in acqua, calore e, soprattutto, elettricità. Si stanno già sperimentando veicoli con motori ad idrogeno, che permetterebbero di eliminare i carburanti fossili, anche se
la produzione di idrogeno è ancora troppo costosa e complicata.
Il camino
Altezza: 1.000 m
Diametro: 130 m
La fusione nucleare (programma ITER)
È il processo chimico che avviene nel Sole, generando una
grande quantità di energia. Si produce quando due atomi si uniscono in uno solo, liberando energia termica.
I reattori per la fusione, attualmente in fase di sperimentazione,
devono, però, resistere a temperature elevatissime.
Corrente
d’aria
I pannelli solari
(38 km² in tutto, da 6 a 7 km di diametro)
20 m
elica
Correnti
marine
30 m
Centro di
pilotaggio
La torre solare
2 m di altezza
Dopo che l’aria sottostante i pannelli solari si è riscaldata, essa
tende a salire verso l’alto, passando in un camino alto fino a 1000
m. La corrente d’aria che si crea è fortissima e può mettere in
rotazione le turbine poste alla base della torre e collegate a generatori o alternatori: si genera, così, energia elettrica. Un primo impianto di questo genere è in costruzione nel deserto australiano.
© Istituto Italiano Edizioni Atlas
Il mulino sottomarino
Sembra un generatore eolico, ma è collocato sotto il livello del
mare, per cui l’elica si mette in rotazione sfruttando le forti correnti oceaniche. L’ alternatore produce, poi, energia elettrica.
Tecnologia - Energia
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