L'energia e le sue fonti - Tesina per Scuola Media

S.M.S. "G. Galilei"

Raffadali

Elaborato e realizzato dall'alunno

Domenico D'Anna

Classe 3° B

a.s. 2011-2012

Firma_______________________

L'energia

Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la misura di questo lavoro è a sua volta la misura dell'energia. Dal punto di vista strettamente termodinamico l'energia è definita come tutto ciò che può essere trasformato in calore a bassa temperatura.

La scienza, pur osservandone e calcolandone gli effetti, non ha ancora spiegato cosa sia l'energia. Richard Feynman (premio Nobel per la fisica nel 1965), affermava: "È importante comprendere che nella fisica non abbiamo nessuna idea di che cosa sia l'energia..." L'energia è una proprietà intrinseca e misurabile della materia in quanto inerente alla stessa esistenza fisica dei corpi. Per ogni corpo fisico vi è una quantità astratta chiamata energia che possiamo calcolare, e che rimane sempre costante, indipendentemente dal numero di cambiamenti che esso attraversa. A prescindere dalle trasformazioni subite da un corpo l'energia viene sempre conservata.

Il concetto di energia nasce, nella meccanica classica, dall'osservazione sperimentale che la capacità di un sistema fisico di sviluppare una forza decade quando il sistema stesso stabilisce un'interazione con uno o più sistemi mediante la stessa forza. In questo senso l'energia può essere definita come una grandezza fisica posseduta dal sistema che può venire "consumata" per generare una forza. Dal momento che l'energia posseduta da un sistema può essere utilizzata dal sistema stesso per produrre più tipi di forze, si definisce una seconda grandezza, il lavoro appunto, che definisce il consumo di energia in relazione al processo fisico mediante il quale la forza è stata generata.

L'energia elettrica

La corrente elettrica è un qualsiasi moto ordinato di cariche elettriche, definito operativamente come la quantità di carica elettrica che attraversa una determinata superficie nell'unità di tempo.

La corrente convenzionale è definita come il flusso di carica positiva, sebbene in realtà la corrente elettrica sia solitamente realizzata attraverso un moto ordinato di elettroni all'interno di un conduttore elettrico. Tale convenzione si deve a Benjamin Franklin.

L'intensità di corrente elettrica, indicata usualmente col simbolo I, è assunta come grandezza fondamentale nel sistema internazionale SI. La sua unità di misura è l'ampere (A), e da essa si ricava l'unità di misura di carica elettrica, il coulomb, che corrisponde alla carica elettrica trasportata da una corrente di un ampere nell'unità di tempo.

La corrente elettrica costituisce una grandezza fisica di fondamentale importanza nella tecnologia legata all'elettronica, e ha un grande numero di applicazioni. Essa è utilizzata sia per il trasporto di informazioni, sia per il trasporto di energia: la corrente elettrica è infatti utilizzata per l'alimentazione dei dispositivi elettrici. In tale contesto viene utilizzata in due modalità: la corrente continua, che presenta intensità sempre costante nel tempo e ha un unico verso di percorrenza, e la corrente alternata, che ha intensità periodicamente variabile nel tempo e non ha un unico verso di percorrenza.

La corrente elettrica può essere misurata direttamente con un amperometro, ma questo metodo richiede l'interruzione del circuito, e talvolta può essere un inconveniente. La corrente può anche essere misurata senza interrompere il circuito, tramite il rilevamento del campo magnetico da essa generato. Gli strumenti usati per questo comprendono: sensori a effetto Hall, morsetti e spire di Rogowski.

Le fonti di energia

Le fonti energetiche rinnovabili

L'energia idroelettrica

L'energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile, che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d'acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello; tale energia cinetica viene infine trasformata in energia elettrica in una centrale idroelettrica grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina.

Diga ad arco utilizzata per produrre energia elettrica

Storia

I greci e i romani furono le prime civiltà nel Mondo allora conosciuto, ad utilizzare la potenza dell'acqua, o più precisamente dell'energia cinetica prodotta dal liquido; si deve però specificare che queste due antiche civiltà sfruttarono questo tipo di energia rinnovabile solo per azionare semplici mulini ad acqua per macinare il grano. Si deve aspettare il Basso Medioevo, e le scoperte portate dal popolo degli Arabi del Nord Africa, per avere altri metodi di sfruttamento dell'energia contenuta in un flusso d'acqua: furono sempre più utilizzate, sia per l'irrigazione dei campi sia per la bonifica di vaste zone paludose, la ruota idraulica, schematizzabile come un mulino senza pale che ruotava su un punto fisso per azione della forza esercitata dall'acqua stessa. Un progresso tecnico di enormi proporzioni si è avuto alla fine dell'Ottocento, circa all'inizio della Seconda Rivoluzione Industriale avvenuta in Europa e non solo, in seguito all'evoluzione della ruota idraulica in turbina, macchina motrice costruita da una ruota a pale imperniata su un asse, che all'inizio erano grossolane e schematizzate, ma con le innovazioni tecnologiche, soprattutto della prima metà del

Descrizione

L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari tipi di diga: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle centrali ad acqua fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere una portata considerevole e un regime costante.

L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata a valle attraverso condutture forzate, trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio.

Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l'energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.

L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni), integrativa (da non confondere con alternativa), e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini o invasi artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, apporta sempre e comunque un certo impatto ambientale che nei casi più gravi può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con grandi danni ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in Egitto, oppure rischi di tipo idrogeologico come accaduto nel disastro del Vajont.

La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice.

Bacino idroelettrico

Il bacino idroelettrico serve a raccogliere le acque di un fiume in una conca artificiale, il cui elemento principale è la diga, e farne alzare la quota, per poterne in seguito utilizzare il dislivello per la generazione di energia elettrica. Dal bacino alla centrale dove sono situati i generatori, è presente una condotta forzata, ovvero un tubo che ha l'imbocco iniziale largo e quello terminale stretto, per favorire la velocità di uscita sulle pale delle turbine.

Centrale idroelettrica

Per centrale idroelettrica si intende una serie di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in movimento. L'acqua viene convogliata in una o più turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica.

Configurazione di un impianto idroelettrico

Un impianto idroelettrico tipico consta delle seguenti parti o strutture:

• Opere di sbarramento: intercettano l'acqua per alimentare un invaso nella località prescelta per la presa. Le dighe sono opere di altezza notevole (fino a centinaia di metri); oltre a fermare il flusso di un fiume o elevare la quota di un lago naturale già esistente, creano un serbatoio utile per la regolazione delle portate. Le traverse sono invece opere di altezza modesta (al massimo qualche decina di metri) che operano uno sbarramento di un fiume entro limiti precisi (solitamente sono costruite in maniera da essere tracimate dall'acqua in caso di elevate portate). Forma e dimensioni di un bacino idrografico sono generalmente determinati dalle caratteristiche geomorfologiche della zona.
• Opere di presa, filtraggio e derivazione dell'acqua: le opere di presa consentono di trasportare l'acqua dallo sbarramento alla centrale; sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglie e di organi di intercettazione) seguito da un'opera di derivazione, cioè un condotto che può essere del tipo:

Canale a pelo libero: l'acqua è a contatto superiormente con l'atmosfera; ha solitamente sezione trapezoidale e può essere scavato nel terreno e dotato di un rivestimento in calcestruzzo.

Condotta in pressione: ha sezione circolare ed è realizzata mediante tubazioni di acciaio.

Vasca di carico e pozzo piezometrico: il condotto di derivazione termina con una vasca di carico, se il canale è a pelo libero, oppure con un pozzo piezometrico (per contenere i colpi d'ariete che si manifestano durante i transitori), nel caso di condotte in pressione. Condotte forzate e organi di intercettazione: sono le tubazioni che portano l'acqua dalla vasca di carico o dal pozzo piezometrico alla centrale. Il flusso è regolato tramite opportuni sistemi di intercettazione (valvole a sfera, a farfalla, a bulbo...).

Centrale: edificio nel quale avviene la trasformazione dell'energia e nel quale cono presenti i vari apparati di comando, controllo, ausiliari:

• Turbina idraulica: dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica, resa all'albero motore.
• Alternatore: macchina elettrica rotante, collegata direttamente alla turbina, in grado di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica ricevuta dalla turbina.
• Trasformatore: macchina elettrica statica utilizzata per rendere le caratteristiche della corrente elettrica prodotta idonee al convogliamento nelle linee di trasmissione a grande distanza, attraverso l'abbassamento dell'intensità e innalzamento della tensione a migliaia di volts.
• Sistemi di controllo e automazione: dispositivi che regolano il funzionamento dell'impianto, tramite la misura dell'energia elettrica prodotta, il controllo dei parametri funzionali dell'impianto, la gestione delle fasi di avvio e fermata, l'interfaccia con la rete. Molte centrali elettriche operano attualmente senza la presenza permanente di personale, grazie ai sistemi automatizzati.
• Opere di restituzione: sistema di trasporto dell'acqua in uscita dalla turbina, e la restituzione al corso d'acqua, a valle, delle portate prelevate a monte. Solitamente sono costituite da un canale o galleria e un opportuno manufatto di sbocco.

Diffusione

L'energia idroelettrica è la principale risorsa alternativa alle fonti fossili usata in Italia.

L'energia idroelettrica garantisce circa il 15% del fabbisogno energetico italiano. La sua importanza in passato fu molto più grande perché dagli inizi del XX secolo sino al primo dopoguerra l'energia idroelettrica rappresentava la stragrande maggioranza dell'energia prodotta in Italia arrivando anche a toccare punte di poco inferiori al 100%.

L'energia geotermica

L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia alternativa e rinnovabile, se valutata in tempi brevi. Si basa sullo sfruttamento del calore naturale della Terra (Gradiente geotermico) dovuto all'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all'interno della terra (nucleo, mantello e crosta terrestre).

La prima utilizzazione dell'energia geotermica per produrre energia elettrica avvenne il 4 luglio 1904 in Italia per merito del principe Piero Ginori Conti che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello in Toscana.

L'energia geotermica costituisce oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia. Tuttavia, uno studio condotto dal Massachusetts Institute of Technology afferma che la potenziale energia geotermica contenuta sul nostro pianeta si aggira attorno ai 12.600.000 ZJ e che con le attuali tecnologie sarebbe possibile utilizzarne "solo" 2000 ZJ. Tuttavia, poiché il consumo mondiale di energia ammonta a un totale di 0,5 ZJ all'anno, con il solo geotermico, secondo lo studio del MIT, si potrebbe soddisfare il fabbisogno energico planetario con sola energia pulita per i prossimi 4000 anni rendendo quindi inutile qualsiasi altra fonte non rinnovabile attualmente utilizzata.

Principio

L'energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Infatti penetrando in profondità nella superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando mediamente di circa 30 °C per km nella crosta terrestre (30 °C/km e 80 °C/100 km rispettivamente nel mantello e nel nucleo, si tratta di valori medi, in alcune zone infatti, si possono trovare gradienti decine di volte inferiori o maggiori). I giacimenti di questa energia sono però dispersi e a profondità così elevate da impedirne lo sfruttamento. Per estrarre e usare il calore imprigionato nella Terra, è necessario individuare le zone con anomalia termica positiva dove il calore terrestre è concentrato: il serbatoio o giacimento geotermico. Per ottenere un ottimale riscaldamento di case o serre viene messa in atto l'azione di fluidi a bassa temperatura; invece, per ottenere energia elettrica si fa uso di fluidi ad alte temperature.

Esistono diversi sistemi geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo i sistemi idrotermali, costituiti da formazioni rocciose permeabili in cui l'acqua piovana e dei fiumi si infiltra e viene scaldata da strati di rocce ad alta temperatura. Le temperature raggiunte variano dai 50-60 °C fino ad alcune centinaia di gradi. L'uso di quest'energia comporta vantaggi come l'inesauribilità a tempi brevi, se sfruttata in modo razionale, ed il minor inquinamento dell'ambiente circostante; un certo inquinamento non viene escluso per la possibile immissione nell'area di elementi tossici, come zolfo, mercurio e arsenico presenti nei fluidi geotermali, per questo motivo le aree geotermiche sono sottoposte a verifiche ambientali annuali.

Rivolto solamente ad una produzione di energia termica, è il sistema geotermico a bassa entalpia che sfruttando il naturale calore del terreno con l'ausilio di una pompa di calore riesce a produrre energia termica per l'acqua calda sanitaria e per il riscaldamento degli edifici.

In alcune particolari zone si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è più alta della media, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia. La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra e il termalismo.

Per alimentare la produzione del vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità, una tecnica utile per mantenere costante il flusso del vapore. In questo modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine e produrre calore con continuità.

La geotermia resta comunque una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del riscaldamento geotermico.

In tal senso molto promettenti sembrano essere gli sviluppi relativi all'energia geomagmatica, che presenta una distribuzione territoriale molto estesa a motivo dell'assenza di utilizzo di acqua ma solo calore.

La radioattività naturale della terra è la causa dell'energia geotermica. Si valuta che il flusso totale di calore verso la superficie della terra sia di 16 TW, quindi poiché la terra ha un raggio medio di 6371 km, la potenza media prodotta per via geotermica è di 32 mW/m².