Principi energetica, sistemi energetici

Capitolo 1 – L’energia

Conversione dell’energia e fonti rinnovabili

C. Belli – P. Chizzolini

Università degli Studi di Pavia
Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Anno Accademico 2015-16

Indice

• Principi generali
• Fonti energetiche
• Bilancio energetico
• Consumi di energia
• L’energia elettrica in Italia
  • Evoluzione degli impianti italiani
  • L’ENEL e il mercato dell’energia elettrica
• Impianti di generazione in Italia
  • Impianti idroelettrici
  • Impianti termoelettrici
  • Impianti da fonti rinnovabili
• Produzione di energia elettrica in Italia
• Consumi di energia elettrica in Italia
  • Diagrammi di carico
  • Reti elettriche
  • Consumi elettrici per settore
  • Consumi elettrici per abitante
• Scambi con l’estero
• L’energia elettrica in Europa e nel mondo

Principi generali

Il concetto di energia è strettamente legato a quello di lavoro. Come dice James Clark Maxwell, “lavoro è l’atto di produrre un cambiamento di configurazione in un sistema… Energia è la capacità di compiere lavoro… L’energia totale di qualsiasi sistema materiale è una quantità che non può né essere aumentata né diminuita da qualsiasi azione tra le parti del sistema, benché possa essere trasformata in una qualsiasi delle forme di cui l’energia è suscettibile.”

“Chiamiamo energia di un sistema materiale, in un certo stato, – afferma William Thompson (divenuto poi Lord Kelvin) – l’insieme di tutti gli effetti (misurati in unità meccaniche di lavoro) prodotti fuori del sistema quando esso passa, in un modo del tutto arbitrario, dal suo stato a uno stato di riferimento già definito ad hoc.”

“Il concetto di energia – osserva Max Plank – è, accanto ai concetti di spazio e tempo, il solo che sia comune a tutti i campi della fisica… Anche il principio della conservazione dell’energia ebbe originariamente, prima ancora di venir formulato in forma generale da Meyer, Joule e Helmholtz, un carattere antropomorfo. Esso è già radicato nella nozione che non si può produrre lavoro utile dal nulla; e questa nozione a sua volta ha origine in sostanza dalle esperienze raccolte nei tentativi di risolvere un problema tecnico: l’invenzione del moto perpetuo. Perciò la ricerca del moto perpetuo ebbe per la fisica la stessa importanza che ebbero i tentativi di fabbricare l’oro per la chimica, per quanto non siano stati i risultati positivi, ma i risultati negativi di questi esperimenti quelli da cui la scienza trasse vantaggio. Oggi diciamo che l’energia complessiva contenuta in un sistema chiuso di corpi è una grandezza che non può essere aumentata né diminuita da processi che si svolgono entro il sistema e non pensiamo affatto a far dipendere la validità di questa legge dalla precisione dei metodi che attualmente possediamo per controllare sperimentalmente se sia possibile realizzare il moto perpetuo.”

“Secondo la teoria speciale della relatività – dice Hermann Weyl – l’energia è una delle componenti, e precisamente quella temporale, di un’entità oggettiva invariante, il quadrivettore, la cui proiezione spaziale è la quantità di moto. I teoremi di conservazione dell’energia e della quantità di moto costituiscono quindi un tutto inseparabile.”

La parola ενεργεια (enérgheia) è composta da en, particella intensiva, ed ergon, capacità di agire.

L’energia

L’energia di un corpo o di un sistema può dunque essere definita come la sua capacità di produrre lavoro. L’energia può assumere diverse forme: cinetica, potenziale, elastica, sonora, termica, nucleare, elettrica, chimica, ecc. [ML²T^-2]

Nel sistema internazionale l’unità di misura dell’energia e del lavoro è il Joule (J).

Unità pratiche si adottano per forme particolari di energia:

• In campo meccanico si usa talvolta il chilogrammetro (kgm);
• In termodinamica è molto usata la chilocaloria (kcal) e, nel mondo anglosassone, la BTU;
• Nelle applicazioni elettriche è diffusissimo l’uso del chilowattora (kWh).

Nei bilanci energetici globali si utilizza la tonnellata equivalente di petrolio (tep), che equivale al calore prodotto dalla combustione di una tonnellata di petrolio e che viene assunta per convenzione pari a 10 milioni di chilocalorie.

Si definisce BTU (British Thermal Unit) la quantità di calore necessaria per innalzare di 1°F (°F = °C × 1,8 + 32) la temperatura di una libbra di acqua (1 pound = 453,59237 grammi).

Le principali forme di energia

Energie chimiche

È l’energia che viene sviluppata o assorbita nelle trasformazioni (reazioni) chimiche. A rigore, come energia chimica dovrebbe intendersi solo l’energia di legame, cioè l’energia che viene liberata o assorbita nel corso del fenomeno chimico in conseguenza della rottura dei legami tra gli atomi delle molecole che reagiscono e della costituzione dei legami delle molecole che si formano. L’energia chimica si svolge generalmente sotto forma di calore o di energia raggiante, talora come energia elettrica e qualche volta anche come energia meccanica.

Energie meccaniche

Si considera sotto due forme:

• Energia cinetica, che corrisponde al lavoro esterno che un corpo di massa m e di velocità v, rispetto a un dato sistema di riferimento, può compiere fermandosi rispetto allo stesso sistema di riferimento, ed è espressa da:
  E_k = ½ mv²
• Energia potenziale, che è l’energia di un corpo relativa alla sua posizione, riferita a un dato sistema di riferimento, in un campo di forze esterne al corpo considerato. Così un corpo sopra la superficie terrestre ha un’energia di posizione rispetto alla Terra, perché si trova nel campo della gravità o della forza-peso che ammette potenziale. Se il corpo ha peso P=mg e si trova a quota h rispetto a un piano orizzontale di riferimento, la sua energia potenziale rispetto a detto piano è espressa da:
  E_p = P · h = m · g · h

In un sistema isolato, la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale è costante nel tempo.

Energie elastiche

Un corpo elastico si deforma sotto l’azione di forze esterne. Se L è il lavoro di deformazione compiuto da dette forze, al cessare di esse il corpo restituisce il lavoro L riprendendo la configurazione originaria. Il corpo elastico deformato possiede quindi energia che è in grado di restituire. In pratica tale restituzione non è integrale perché non esistono in natura corpi perfettamente elastici.

Energie elettriche

Si intendono, sotto questa denominazione, due forme di energia:

• Energia del campo elettrostatico, o più semplicemente energia di un conduttore isolato dotato di una carica q e di un potenziale V (per esempio rispetto al suolo). Tale energia è espressa da:
  E = ½ qV
• Energia elettrocinetica, cioè energia che una corrente elettrica, che percorre un circuito, può fornire a un determinato sistema (per esempio a un motore elettrico, a una resistenza, ecc.). In base alla convenzione che le cariche elettriche positive si spostano da punti a potenziale più elevato a punti a potenziale più basso, ne consegue che se la carica elettrica positiva q si sposta da un punto A ad un punto B di un reoforo con V_A > V_B, risulta libera l’energia
  E = q(V_A - V_B)

Energie elettromagnetiche (o energie raggiante)

È l’energia che viene emessa dai corpi spontaneamente o in particolari condizioni. Si tratta di radiazioni che si propagano con la velocità della luce e sono di natura elettromagnetica. Tali sono le radiazioni luminose (sia nel campo visibile che nell’infrarosso e nell’ultravioletto), le onde radio, i raggi X e i raggi gamma. Proprietà comuni a tutte le radiazioni di energia sono la velocità di propagazione c, identica per tutte (c = 3×10⁸ m/s), e la relazione λ = cτ che lega la lunghezza d’onda al periodo.

Energie termiche

È misurata dalla quantità di calore ceduta o assorbita da un corpo o da un insieme di più corpi. Il corpo o l’insieme di più corpi, considerati come entità a sé stanti nell’ambiente in cui sono posti, costituiscono un sistema termodinamico, definito in modo macroscopico da determinate grandezze fisiche (temperatura, pressione, volume) che ne individuano lo stato. Se tali grandezze si evolvono nel tempo, si dice che il sistema subisce una trasformazione termodinamica. Le trasformazioni (e quindi gli scambi di energia) sono regolati dai principi della termodinamica, che sanciscono l’equivalenza tra calore e lavoro, l’impossibilità di convertire in lavoro il calore sottratto ad un’unica sorgente, l’impossibilità di raggiungere lo zero assoluto.

Energie interne

Un sistema termodinamico (per esempio una massa d’acqua chiusa in un recipiente, in presenza di vapore acqueo) ha uno stato interno individuato da certe variabili (temperatura, pressione, volume specifico). Se il sistema è sottoposto ad una trasformazione, per esempio gli viene somministrato calore ed esso compie un certo lavoro verso l’esterno, al termine della trasformazione la differenza tra calore fornito e lavoro effettuato (entrambi misurabili con le stesse unità) non è nulla, ma è funzione dello stato iniziale e di quello finale del sistema, cioè delle variabili sopra menzionate. Tale funzione prende il nome di energia interna.

Energie nucleari

È l’energia liberata nelle reazioni nucleari esoenergetiche, spontanee o provocate. Nell’accezione comune si intende per energia nucleare quella che si libera dalle reazioni nucleari in condizioni tali da renderne possibile l’utilizzazione. Questa utilizzazione può avvenire sfruttando le radiazioni emesse dalla sede della reazione o impiegando il calore sviluppato dalla reazione stessa.

Energie sonoriche

È l’energia trasmessa per onde elastiche, di frequenza udibile. L’energia riferita all’unità di tempo che attraversa l’unità di area perpendicolare alla direzione di propagazione è da considerarsi proporzionale al quadrato dell’ampiezza dell’onda sonora; essa dipende inoltre dalla massa specifica del mezzo, dalla velocità di propagazione e dalla pulsazione.

Energie biologiche

Gli organismi biologici, una singola cellula come un organismo complesso, per vivere devono compiere molte operazioni: dalla sintesi di sostanze particolari, al trasferimento di sostanze da un distretto all’altro dell’organismo, al lavoro osmotico, ai movimenti diversi che i vari tipi di organismi compiono. Poiché tutte queste operazioni non avvengono spontaneamente, e poiché d’altra parte la vita è condizionata dal realizzarsi di esse, gli organismi devono disporre di energia: il problema viene in generale risolto accoppiando a ciascun processo, che richieda energia per avvenire, una reazione chimica che, quando ha luogo, libera energia. Esiste una sostanza, l’adenosin-tri-fosfato (ATP), che contiene una catena laterale comprendente tre atomi di fosforo. Per una serie di motivi legati alla struttura della molecola e alla presenza di gruppi ionizzati, il legame che tiene unito alla molecola il terzo atomo di fosforo ha un alto valore energetico. Conseguentemente la rottura di tale legame libera una certa quantità di energia. L’ATP presente in una cellula si esaurirebbe rapidamente se non fosse continuamente ricostruito. Per mantenere un organismo vivente nelle sue normali condizioni non c’è allora altra possibilità che prendere dall’esterno l’energia necessaria a pareggiare il bilancio. È noto che la fonte ultima dell’energia per gli organismi viventi è costituita dalla luce solare.

Fonti energetiche

A seconda della loro natura, ossia dei fenomeni da cui traggono origine, le fonti di energia possono essere così classificate, seguendo anche l’ordine storico della loro utilizzazione:

• Fonti di energia biologica, data dalla forza muscolare di uomini e animali;
• Fonti di energia eolica, data dalla forza del vento;
• Fonti di energia idraulica, data dalla caduta per gravità di masse d’acqua tra differenti quote geodetiche;
• Fonti di energia termica, data dalla combustione di combustibili solidi (generalmente mate