Trasformazione dell'energia

A.S. 2010-2011 Riccardo Comparelli III A

Le trasformazioni dell’energia nelle sue forme nel corso del tempo e conseguenze

Scienze: fonti di energia

Educazione fisica: l’energia muscolare

Musica: musica nel 1800

Español: mi deporte preferido

Educazione tecnica: l’energia solare

Storia: seconda rivoluzione industriale

Letteratura: il romanzo ottocentesco (G. Verga)

Le 2 rivoluzioni industriali

Geografia: il Giappone

Storia dell’arte: il movimento romantico

English: Crespi d’Adda village

Fluidi non newtoniani

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Fonti di energia nella storia

L'uomo primitivo sfruttava solo i muscoli per adempiere alle proprie esigenze vitali.

Il primo vero passo significativo venne fatto quando cominciò a costruire strumenti che amplificavano le sue forze.

L'energia elettrica dei fulmini accende in maniera naturale il fuoco: mezzo milione di anni fa l'uomo preistorico impara prima a conservarlo e poi ad accenderlo egli stesso, mediante la scintilla prodotta per sfregamento di frammenti di selce: si inaugura l'era energetica del legno.

Il fuoco, dispensatore di calore ed energia, gli permette di sopravvivere durante le glaciazioni, apre la strada a nuove straordinarie scoperte e contribuisce anche a migliorare le condizioni di salute.

Gli effetti non tardano a manifestarsi con un aumento della popolazione.

All'incirca 5.000 anni fa l'uomo cacciatore comincia a coltivare la terra con l'aiuto di animali che aveva addomesticato: questo processo di passaggio dalla caccia all'agricoltura è detto rivoluzione neolitica e costituì, insieme alla padronanza del fuoco, il vero cambiamento nella diffusione della specie umana sulla terra.

L'uso del fuoco non significò soltanto la possibilità di scaldarsi e cuocere il cibo: l'uomo imparò anche a cuocere l'argilla per costruire recipienti, a fondere la sabbia per produrre vetro, ad estrarre metalli dalle rocce e forgiarli per fabbricare strumenti e armi.

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Il lavoro degli uomini è stato per molti secoli la principale fonte energetica.

Nella lunga epoca dello schiavismo, organizzando gruppi disciplinati militarmente, si riescono a realizzare vere e proprie "mega-macchine" ad altissima efficienza: si costruiscono edifici monumentali, si muovono le macine dei mulini e gli argani, le navi a remi solcano i mari.

Nel Medioevo il grande sistema energetico muscolare va in crisi: il prezzo degli schiavi è proibitivo e una forte crisi demografica provoca una carenza di manodopera.

Grazie al potere e alle ricchezze della Chiesa, i monasteri diventano i centri all'avanguardia nella cultura e nelle attività agricole e artigianali: qui vengono realizzate delle macchine per produrre e utilizzare energia a partire dalle tre fonti di energia disponibili: acqua (mulini, argani), vento (mulini, velieri), trazione animale.

L'enorme progresso tecnico-scientifico che si realizza nel Rinascimento e nei secoli successivi determina la trasformazione delle vecchie botteghe artigiane in piccole industrie, e aumenta la domanda di energia.

Le ruote ad acqua si perfezionano, si moltiplicano, forniscono abbondante energia meccanica.

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Tuttavia molte industrie richiedono anche energia termica, e per produrla c'è ancora solo la legna e il carbone vegetale (suo derivato).

Il grande salto nei consumi energetici è avvenuto in coincidenza con un'altra rivoluzione che fu determinata dall'invenzione della macchina a vapore, che consentì di sfruttare sistematicamente e su larga scala l'energia prodotta dalla combustione di una fonte non rinnovabile: il carbone.

L'Inghilterra del XVIII secolo è il "luogo economico" nel quale avvenne la prima rivoluzione industriale, che pose le basi del moderno modo di produzione delle merci.

La prima rivoluzione industriale fu una rivoluzione energetica sia dal punto di vista culturale e scientifico che sotto il profilo pratico.

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Nel 1807 viene montata una macchina a vapore su una nave e nel 1825 una locomotiva a vapore muove il primo treno.

Con la diffusione delle macchine a vapore aumentano le richieste di carbone: l'Inghilterra, grazie ai suoi grandi giacimenti e alla facilità di trasporto, consolida le posizioni di avanguardia delle sue industrie e vende carbone in quasi tutta Europa.

La storia energetica dell'uomo non si è fermata al carbone.

Il 29 agosto 1859 venne scavato con successo a Titusville in Pennsylvania (Stati Uniti), il primo pozzo di petrolio, ma bisognò attendere circa vent'anni perché qualcuno desse un sensibile impulso alla ricerca e alla commercializzazione di questo combustibile.

Nel 1880 un industriale americano, John Rockfeller, fondò la Standard Oil, destinata a diventare la prima grande compagnia petrolifera a livello mondiale.

Quindici anni più tardi, la sua attività fu favorita da un altro personaggio divenuto leggendario, Henry Ford, che applicò il motore a scoppio alle prime automobili prodotte su scala industriale, superando definitivamente la trazione a vapore e inaugurando l'era del petrolio.

Inoltre rispetto al carbone, il petrolio e i sottoprodotti della sua raffinazione erano più pratici da usare e più puliti: quindi, quando cominciò a diffondersi l'elettricità, nella seconda metà del XIX secolo, il petrolio si propose come combustibile ideale per produrre il calore necessario ad azionare le turbine a vapore, nelle centrali termoelettriche, laddove non fosse possibile installare centrali idroelettriche.

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In Italia le prime industrie tessili che sorgono al Nord (es. Villaggio Crespi d’Adda), traggono la loro energia dalle centrali idroelettriche delle vallate prealpine.

La combustione del carbone prima, e del petrolio poi, forniranno l'energia per produrre vapore acqueo nelle centrali termoelettriche.

La crescita industriale, la diffusione dell'automobile e l'uso dell'elettricità fecero aumentare a dismisura la richiesta di energia in Europa e in USA finché non ci si rese conto che le riserve mondiali dei combustibili fossili non erano illimitate e prima o poi si sarebbero esaurite.

Così iniziò ad intensificarsi la ricerca di nuove fonti di energia.

Fin dalla prima metà del 1900 sono emerse chiaramente le possibilità di sfruttamento di altre forme di energia: l'energia nucleare*, l'energia solare*, l'energia geotermica*.

Le fonti fossili hanno fornito energia per un periodo relativamente breve e sembrano destinate a uscire di scena; la fissione nucleare ha mostrato numerosi e gravi limiti energetici, economici ed ecologici (Giappone 2011).

Come potrà l'uomo in futuro soddisfare le proprie esigenze energetiche?

Lo sviluppo dell'umanità si è basato spesso sulle fonti rinnovabili e in particolare sull'energia solare, energia eolica*, idrica* e delle biomasse e si spera che anche il futuro sia basato su queste fonti con l'aggiunta della geotermia.

Ma per far ciò bisogna attuare importanti modifiche nel nostro modo di vivere e di produrre.

Sarà necessario passare dall'attuale modello di sviluppo caratterizzato da grandi concentrazioni industriali e urbane e da grandi consumi ad un modello che, basato sul risparmio di energia, faccia coincidere il benessere con la qualità dell'aria che respiriamo, del cibo che mangiamo, del paesaggio che abbiamo intorno, del lavoro che facciamo.

* Scheda dettagliata a fine testo 5/15

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Sezione tecnica

Centrale termoelettrica

Una centrale termoelettrica “tradizionale” utilizza i combustibili fossili, carbone, gas o petrolio, per produrre energia elettrica che viene inviata nella rete elettrica nazionale.

Una centrale termoelettrica è generalmente composta da tre sezioni fondamentali:

• La caldaia che effettua la conversione dell’energia chimica contenuta nei combustibili in energia termica del vapore;
• La turbina meccanica che converte l’energia termica del vapore in energia meccanica;
• L’alternatore che converte l’energia meccanica in energia elettrica.

La combustione di fonti fossili nelle centrali termoelettriche libera in atmosfera notevoli quantità di anidride carbonica (CO₂) e di altri gas ad effetto serra.

Una centrale termoelettrica può funzionare e produrre energia indipendentemente dai fattori meteorologici.

In un impianto termoelettrico convenzionale solo il 38% circa dell'energia termica liberata dalla combustione nella caldaia viene convertita in energia elettrica.

Il restante 62% viene dissipato nelle successive conversioni dell'energia (da chimica a termica, da termica a meccanica, da meccanica a elettrica) e come calore residuo dei fumi della ciminiera e del vapore avviato alla condensazione e recuperato come acqua calda da rimandare alla caldaia per un nuovo ciclo.

L'energia elettrica prodotta e immessa in rete viene trasportata, per mezzo di opportuni elettrodotti, alle stazioni di trasformazione dove altri trasformatori la rendono disponibile alle richieste delle varie utenze.

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Sezione tecnica

Centrale idroelettrica

Si sfrutta l’energia dell’acqua accumulata in un serbatoio (es. diga) oppure fiumi per azionare una turbina meccanica.

La turbina meccanica è collegata ad un alternatore il quale trasforma l’energia cinetica (di rotazione) della turbina in energia elettrica la quale, opportunamente trasformata, verrà immessa nella rete di distribuzione.

Lo schema impiantistico generale di un impianto idroelettrico comprende:

• Un’opera di sbarramento dell’alveo del corso d’acqua a monte dell’impianto, costituita da una traversa o una diga;
• Una vasca di calma per la sedimentazione della sabbia trasportata dalla corrente;
• Un canale di derivazione, che può essere in tutto o in parte in galleria;
• Una o più condotte forzate che convogliano l’acqua alle turbine idrauliche;
• Un impianto di produzione dell’energia elettrica, in cui sono installate uno o più gruppi turbina-generatore;
• Un canale di restituzione dell’acqua turbinata nell’alveo del corso d’acqua a valle dell’impianto.

Le principali caratteristiche di un impianto idroelettrico sono:

• Impatto ambientale;
• Energia attualmente prodotta pari al 10% del fabbisogno di energia complessivo del Paese;
• Potenziale a livello italiano quasi completamente sfruttato.

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Sezione tecnica

Energia nucleare

Il primo reattore nucleare per la produzione di energia a scopo commerciale fu realizzato alla fine del 1942 in USA a Chicago da un gruppo di ricercatori italiani, tra cui Enrico Fermi, nel quadro di un programma che mirava alla produzione di motori atomici per sommergibili e fu chiamato pila atomica o reattore nucleare.

Le centrali nucleari producono energia elettrica sfruttando le proprietà di un elemento radioattivo, l’uranio.

Se questo metallo viene bombardato con un neutrone il suo nucleo si spezza in due nuclei più leggeri.

Da questa reazione detta fissione nucleare (cioè scissione del nucleo) si liberano una notevole quantità di energia e altri neutroni che colpiscono a loro volta altri atomi di uranio.

È una reazione a catena che una volta innescata continua da sola liberando quantità sempre maggiori di energia.

Durante le reazioni sono prodotte le cosiddette scorie radioattive, elementi che emettono radiazioni anche per migliaia di anni, contaminando tutto ciò con cui vengono a contatto.

La produzione di energia con gli impianti esistenti basati sulla fissione nucleare comporta notevoli rischi, legati alla possibilità di guasti, con conseguente emissione di sostanze radioattive, e al problema dello smaltimento delle scorie.

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Si spera che, soprattutto dopo i tragici incidenti nelle centrali di Three Mile Island (USA, 1979), di Cernobyl (URSS, 1986) e di Fukushima (Giappone, marzo 2011), molti Paesi modificheranno le proprie scelte nel campo nucleare.

È recentissima la dichiarazione del primo ministro giapponese di ripensare seriamente alla politica energetica del Paese dopo il disastro nucleare a Fukushima Daiichi.

Infatti da qui al 2030 saranno obbligatori sui tetti dei nuovi edifici in costruzione del Giappone i pannelli fotovoltaici.

Negli ultimi sessant'anni è stato profuso un notevole sforzo teorico e sperimentale per mettere a punto la fusione nucleare per generare elettricità e proprio nel gennaio 2011 a Bologna è stato realizzato un innovativo processo di fusione nucleare fredda, utilizzando nichel ed idrogeno, capace di produrre una energia incredibilmente superiore a quella utilizzata per creare la reazione.

Più che di fusione fredda bisognerebbe parlare di Low Energy Nuclear Reactions o L.E.N.R. (acronimo che tradotto dall’inglese sta per Fusione Nucleare a Bassa Energia).

Il loro processo si basa sull'uso di una barra di nichel, mantenuta per mezzo di una resistenza elettrica ad una temperatura di circa 200-400 °C e caricata con idrogeno attraverso un particolare processo.

Quando la reazione è innescata, ovvero la barretta di nichel emette più energia di quanta sia necessaria per il riscaldamento della stessa, vi può essere anche una debole e discontinua emissione di radiazione gamma che potrebbe testimoniare una possibile origine nucleare di tale fenomeno.

In base alle dichiarazioni dagli autori, attualmente gli esperimenti sono indirizzati ad un miglioramento dell'efficienza complessiva del sistema, al fine di realizzare un generatore di energia termica ed elettrica completamente autonomo.

Gli esperti sono ancora scettici.

Centrale nucleare di Caorso (PC) 9/15

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Sezione tecnica

Energia geotermica

Una delle fonti che suscitano notevoli aspettative è l'energia geotermica, cioè l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore che può essere considerata una forma di energia rinnovabile e sfruttabile, che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre.

Infatti penetrando in profondità la superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata.

I giacimenti di questa energia sono però dispersi e a profondità così elevate da impedirne spesso lo sfruttamento.

Per estrarre e usare il calore imprigionato nella Terra, è necessario individuare le zone dove questo si è concentrato: il serbatoio o giacimento geotermico.

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 ad esempio per il riscaldamento urbano.

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 prima dimostrazione di utilizzo dell'energia geotermica 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 rappresenta oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia.

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Sezione tecnica

Energia solare

Pannello solare

Un pannello solare termico (o collettore solare) è composto da un radiatore in grado di assorbire parte dell’energia delle radiazioni solari e trasferirla sottoforma di calore al serbatoio di acqua.

La circolazione dell’acqua dal serbatoio al rubinetto domestico è realizzata mediante circolazione naturale o forzata tramite una pompa idraulica con alimentazione elettrica.

I pannelli solari termici permettono di riscaldare l’acqua sanitaria per l’uso quotidiano senza utilizzare gas o elettricità.

La produzione di acqua calda può arrivare fino a 70°C in estate, ben al di sopra dei normali 40°C-45°C necessari per una doccia.

Entro certi limiti sono pertanto un efficace sostituto dello scaldabagno elettrico o della caldaia a gas per generare acqua calda per lavare piatti, fare la doccia, il bagno ecc.

Se abbinati ad un impianto di riscaldamento radiante a pavimento i collettori solari permettono di risparmiare anche sulle spese per il riscaldamento invernale.

Impianto solare fotovoltaico

Un impianto solare fotovoltaico converte l’energia solare in energia elettrica trasformando la radiazione solare in energia elettrica.

Un sistema fotovoltaico è costituito da moduli al silicio che vengono collegati tra loro e formano un pannello, più pannelli collegati in serie formano una stringa, più stringhe formano il generatore fotovoltaico.

Il generatore produce una corrente continua che, grazie ad un inverter, viene trasformata in corrente alternata in modo che possa essere usata nelle normali attività domestiche.

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Sezione tecnica

Gli impianti FV si distinguono in due categorie principali a seconda del tipo di accumulo utilizzato:

impianti fotovoltaici ad isola (stand-alone): si ricorre a questa tipologia di impianto solamente quando il fotovoltaico diventa un’esigenza.

Alcuni esempi possono essere: baite montane, camper, barche, case isolate e non raggiunte dalla rete elettrica.