Lezioni classe 3ªE del 25 e 29 Settembre 2014 sulle fonti di energia.

1. LE FONTI DI ENERGIA
TECNOLOGIA - Prof. Arch. Matteo Zucchiatti

2. 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.

3. 1.1 PASSAGGIO DI ENERGIA
L'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.

4. 1.1 PASSAGGIO DI ENERGIA

5. 1.2 ENERGIA DAL SOLE E DALLA TERRA
Da 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
proviene dall'evaporazione
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.

6. 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'energia
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 piccoli
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 Sole
Esiste 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.

7. 1.2 ENERGIA DAL SOLE E DALLA TERRA
L'energia geotermica è
vapore acqueo surriscaldato
che esce dalla crosta terrestre.
In condizioni geologiche
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
posseduta dalle 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
ricavabile dall'uomo da
minerali fissili (spaccabili)
come l'uranio 235, oppure
fondendo due atomi d i
idrogeno.

8. 1.3 LA CENTRALE ELETTRICA
La 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.

9. 1.3 LA CENTRALE ELETTRICA
Gruppo turbìna-alternatore
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.
Rotore di turbina a vapore
È 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.

10. TURBINA A VAPORE
La 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.

11. TURBINA A VAPORE

12. ALTERNATORE
L'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.

13. 1.4 EROEI e altri costi
Quanto 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.

14. 1.4 EROEI e altri costi
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.

15. 1.5 SISTEMA ENERGETICO OGGI
Il 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.

16. 1.6 RICHIESTA ELETTRICA GIORNALIERA
Poiché 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.