Petrolio, energie rinnovabili e futuro dell'energia

gue egregiamente, mentre il termodinamico ha un notevole potenziale ma occorrono ancora

investimenti nella ricerca.

L’energia eolica è in continua crescita negli ultimi anni per quanto concerne il contributo alla

domanda globale di energia, aumentato di circa un punto percentuale ogni anno, anche se

questa crescita non potrà continuare per sempre(non possono essere installati infiniti im-

pianti eolici!).

I biocombustibili sono una realtà affermata e sono in commercio a prezzi simili a quelli dei

classici carburanti. Presentano un limite fisico però: per rimpiazzare i carburanti fossili con

biocarburanti occorrerebbe coltivare interamente la superficie di 4 pianeti senza contare

il fatto che coltivare dovrebbe dare innanzitutto cibo e non carburanti!

Il nucleare da fissione come sappiamo, non è una fonte rinnovabile e presenta sempre pro-

blemi legati allo smaltimento delle scorie, mentre la fusione nucleare sembra ancora un mi-

raggio.

Una delle poche cose che si possono far da subito per allontanare il picco del petrolio è il

risparmio energetico. Questo tipo di energia virtuale, potrebbe ridurre, per quanto riguar-

da l’Italia, la domanda energetica del 20%.

Come spero di aver fatto comprendere, la situazione energetica è estremamente complessa

e va ad interessare oltre la tecnica anche la politica e l’economia. È impossibile prevedere

per quanto tempo durerà ancora questo sistema energetico, ma certamente cambierà, visto

che i combustibili fossili non sono inesauribili, anche se non si sa chi rimpiazzerà il petrolio,

forse l’idrogeno… Le centrali elettriche

Le centrali elettriche sono impianti industriali atti alla produzione di energia elettrica. Es-

se convertono altre forme di energia (termica,meccanica,ecc…) in energia elettrica median-

te l’uso di apposite macchine elettriche, gli alternatori.

La corrente prodotta dalle centrali è solitamente alternata anche se esistono centrali a

corrente continua come quelle fotovoltaiche (anche se immettono corrente alternata nella

rete di distribuzione) o in Russia. 8

Le centrali si caratterizzano per due fattori principali quali la ed il tipo di

potenza combu-

o di usata per produrre elettricità.

stibile fonte energetica

La tipologia di centrali più diffusa nel mondo è quella Questo modello di

termoelettrica.

centrale brucia un combustibile sviluppando calore che viene trasmesso ad una caldaia, nella

quale circola acqua ad alta pressione; l’acqua si trasforma così in raggiungendo ele-

vapore

vate temperature. Il vapore mette in funzione le turbine a vapore che trasmettono il loro

moto ad un alternatore che converte l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Il rendimento delle centrali di questo tipo non è altissimo e si attesta nel migliore dei casi

intorno al 28%.

Negli ultimi tempi si è sviluppata una nuova tipologia di centrali termoelettriche, le centrali

a che riescono a recuperare calore dai gas di scarico della combustione; il

ciclo combinato,

calore recuperato è trasmesso all’acqua che diventa vapore e fa funzionare una centrale

termoelettrica secondaria collegata alla principale. Il rendimento di queste centrali è più

alto rispetto a quelle tradizionali e sfiora anche il 60%.

Le centrali termoelettriche sono però una fonte di inquinamento di grande portata, infatti i

residui della combustione contengono particolato fine, ossidi di azoto e di zolfo, idrocarbu-

ri incombusti e anidride carbonica. Negli ultimi anni si sono però fatti dei passi avanti ren-

dendo queste emissioni meno inquinanti, trattando i combustibili e trattando opportuna-

mente i gas di scarico. Si può ridurre ulteriormente l’impatto ambientale legato a questo ti-

po di centrali utilizzando combustibili poco inquinanti come il gas naturale o le biomasse, e

non disperdendo il calore nell’atmosfera ma utilizzarlo per il teleriscaldamento nelle abita-

zione vicine alla centrale.

Altro tipo di centrali elettriche sono quelle del quale si sente parlare spesso ulti-

nucleari

mamente. Le centrali nucleari hanno un funzionamento simile a quello delle termoelettriche

ma differisce il processo con il quale si fornisce calore e si forma vapore da inviare alle

turbine. Il calore ottenuto è dato da reazioni di fissione nucleare, cioè della rottura del nu-

cleo di elementi pesanti come l’uranio ed il torio. In futuro forse si arriverà a processi di

fusione nucleare, che comportano reazioni di fusione tra nuclei di elementi leggeri come

l’idrogeno o l’elio. 9

Le centrali nucleari non emettono gas inquinanti ma in compenso presentano notevoli pro-

blemi legati allo smaltimento delle scorie, altamente radioattive che rimangono attive per

millenni(nel caso dell’uranio). Un altro grosso rischio è rappresentato da incidenti che pos-

sono accadere nel ciclo vitale dell’impianto, come quello di Chernobyl, anche se con le nuove

tecnologie questo rischio sembra limitato, almeno in Europa.

Altro tipo di centrali sono quelle centrali che sfruttano il calore del

geotermoelettriche,

sottosuolo per scaldare l’acqua e creare vapore per far girare le turbine e quindi produrre

elettricità. Vista l’assenza di reazioni di combustione non ci sono emissioni inquinanti di al-

cun genere anche se gli impianti presentano alcuni svantaggi, come la scarsità di siti con un

attività geotermica rilevante e gli elevati costi di manutenzione dovuta alla composizione

delle acque del sottosuolo, ricca di sali, che crea incrostazioni e depositi. L’Italia è stato il

primo Paese al mondo a costruire centrali geotermoelettriche nella zona di Lardarello, in

Toscana. Schema di una centrale geotermica.

Esistono attualmente vari tipi di centrale che descriverò nel seguito della mia tesina, dedi-

candogli ampio spazio.

Alternatore e trasformatore

-

L’alternatore e il trasformatore sono due macchine fondamentali in quasi tutte le centrali

elettriche esistenti.

L’alternatore riesce a convertire l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica,

sfruttando la legge di Lenz – Faraday - Neumann che lega la variazione del flusso del campo

magnetico ad una forza elettromotrice indotta, secondo la seguente relazione: 10

d Φ

B

f e m

. . . = dt

Ogni qualvolta vari il flusso del campo magnetico, visto che la derivata di una costante è ze-

ro, si ha una forza elettromotrice indotta che si oppone alla causa che l’ha generata (indi-

cata dal segno “-“). Se chiudiamo il circuito nel quale si genera la f.e.m. otterremo una cor-

rente indotta.

Questo principio è alla base dell’alternatore. Il più semplice modello di alternatore è costi-

tuito da una spira in grado di ruotare all’interno di un campo magnetico costante. La rota-

zione della spira fa si che cambi continuamente il flusso legato al campo magnetico.

Il flusso del campo magnetico attraverso una superficie è dato dal prodotto scalare tra il

vettore campo magnetico, il versore perpendicolare alla superficie, moltiplicato per la su-

perficie S; praticamente è dato dal prodotto tra il vettore campo magnetico e la superficie

S moltiplicati per il coseno dell’angolo formato tra il campo magnetico ed il versore per-

α,

pendicolare alla superficie. Φ = BS cos α

B

Durante il moto dell’alternatore descritto in precedenza, il flusso sarà massimo quando la

spira sarà perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico, mentre sarà minimo

quando questa sarà parallela alle linee di forza. Pertanto avremo una tensione indotta va-

riabile, per la precisione alternata.

Il flusso concatenato all’alternatore segue l’andamento di una cosinusoide mentre la cor-

rente indotta che circola nella spira segue un andamento di tipo sinusoidale(derivando il co-

seno si ottiene il seno).

Un’altra macchina elettrica fondamentale per qualsiasi centrale è il Questo

trasformatore.

dispositivo ci permette di variare la tensione e la corrente che scorre in un conduttore,

sfruttando il principio della una corrente alternata in un circuito induce

mutua induzione:

una f.e.m. alternata in un circuito vicino. Esso è costituito da un nucleo di ferro dolce sul

quale sono avvolte due bobine o circuito: il primario nel quale circola la corrente alternata e

il secondario. La differenza tra i due avvolgimenti sta nel numero di spire. 11

La corrente alternata determina una variazione del flusso del campo magnetico nel secon-

dario, quindi una tensione indotta con la stessa frequenza della tensione del primario. Il

∆Φ

flusso del campo magnetico di una spira, determina una tensione indotta pari a: spira

V =

p t

∆

∆Φ

spira

np

V

quindi la tensione indotta totale, essendo n il numero di spire, è: .

=

p p t

∆

Supponendo che non ci siano perdite del ferro, anche il flusso nel secondario è uguale a

∆Φ

spira

V n

= .

. Quindi

Φ spira s s t

∆

Il flusso della spira espresso in funzione della tensione indotta sarà uguale a :

n n

p s

Φ =

Φ = oppure spira

spira tV

tV ∆

∆ s

p

Eguagliando le equazioni ottenute e facendo le opportune semplificazioni otteniamo:

n V

p p

=

n V

s s

La tensione indotta al secondario dipende esclusivamente, oltre che dalla tensione al prima-

rio, anche dal rapporto tra il numero di spire tra il primario ed il secondario.

I vantaggi del trasformatore sono notevoli: visto che la potenza, , è costante

P = VI cos φ

nei due avvolgimenti la tensione può aumentare a discapito delle corrente o viceversa. Il

trasporto dell’energia elettrica dalla centrali alle utenze, avviene in alta tensione e bassa

corrente, per evitare eccessive perdite per effetto Joule; quindi l’energia prodotta da una

centrale elettrica, prima di venire immessa nella rete è fatta passare da un trasformatore

o ; prima di arrivare alle utenze, che necessitano di corrente elettrica a

in salita elevatore

220 V, la corrente ad alta tensione è fatta passare per diversi trasformatori o

in discesa

, che ne diminuiscono la tensione aumentando la corrente.

riduttori

Uno dei motivi per i quali oggi si produce corrente alternata e non continua è proprio que-

sto:con la corrente continua si avevano notevoli perdite lungo il percorso per effetto joule

mentre con la corrente alternata queste perdite sono estremamente ridotte.

Durante la seconda rivoluzione industriale questi due sistemi coesistevano però ha avuto la

meglio la corrente alternata. 12

È doveroso dare un po’ di gloria a colui che scoprì la corrente alternata, , che

Nikola Tesla

oltre a questa scoperta brevettò diverse macchine elettriche, tra le quali la radio sulla qua-

le ci fu un conflitto sull’attribuzione della scoperta tra lui e . Nonostante le sue in-

Marconi

numerevoli scoperte, che fecero di Tesla uno dei padri dell’elettrotecnica e non solo (fece

anche studi sui raggi X e scoprì l’esistenza dei raggi cosmici), non gli fu mai riconosciuto al-

cun merito tant’è che non vinse premi Nobel, pur essendo stato due volte candidato, che

vinsero però Edison, inventore della corrente continua, e Marconi, anche poco dopo la morte

di Tesla, un tribunale diede ragione all’ingegnere croato sulla questione riguardante la pa-

ternità della radio . L’unico riconoscimento di rilievo è l’unità di misura nel S.I. del campo

magnetico che è appunto il Tesla (T).

Il petrolio e il gas naturale

- L’origine

La formazione del petrolio risale a 300 milioni di anni fa durante il periodo detto “carboni-

fero”. Si formò sotto la superficie terrestre in seguito all’alterazione di organismi marini e

piante cresciute sui fondali marini: i resti della decomposizione si mescolarono con le sab-

bie ed il limo e si depositarono sul fondo del mare, formando sedimenti organici. I sedimen-

ti aumentarono di spessore e per il loro peso precipitarono in fondo al mare; con l’accumulo

di altri sedimenti, aumentarono pressione e temperatura. Il fango e la sabbia si indurirono

trasformandosi in argillite ed il carbonio precipitò, le conchiglie indurirono diventando cal-

care e i resti degli organismi morti diventarono petrolio greggio e gas naturale. Il greggio

salì verso la superficie dai sedimenti impermeabili, essendo meno denso dell’acqua, e trovò