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L’energia di questi legami nucleari è un milione di volte superiore a quella dei legami fra gli atomi, e quindi anche l’energia liberata dalla loro rottura (detta energia di fissione) è un mi-lione di volte superiore a quella dovuta alla rottura degli atomi delle molecole.Basti pensare che l’energia che si ricava dalla fissione di 1 grammo di uranio è pari a quel-la che si ottiene dalla combustione di due tonnellate di petrolio.

11. l’uomo e la conquista dell’energia

Se considerassimo la storia della società dal punto di vista energetico vedremmo che il suo sviluppo è andato di pari passo con la scoperta di nuove fonti energetiche e con lo sviluppo delle tecnologie adatte al loro sfruttamento. In altre parole l’uomo, nel corso della storia, ha fatto tante conquiste, ma tutte derivano da una conquista fondamentale: quella dell’energia.

11.1 dalla scoperta del fuoco all’invenzione della ruota

Fin dall’antichità l’uomo ha scoperto che per sopravvivere doveva innanzitutto riscaldarsi e nutrirsi.All’inizio per riscaldarsi poteva soltanto sfruttare il calore del sole e coprirsi con le pelli degli animali; per mangiare poteva soltanto cibarsi di frutti selvatici, tuberi, radici e animali morti.Le sue condizioni di vita migliorarono notevolmente con la scoperta del fuoco. Una leggen-da narra che il fuoco venne conosciuto dall’uomo dopo che un fulmine aveva colpito un al-bero incendiandolo; egli successivamente scoprì che il fuoco si poteva generare sfregando tra di loro due pietre, dette pietre focaie, oppure facendo roteare molto velocemente un ba-stoncino di legno tra le mani. In questo modo si producevano delle scintille che potevano incendiare arbusti e foglie creando così un piccolo focolare.Il legno rappresenta quindi la prima fonte di energia scoperta dall’uomo.Il fuoco aprì la strada a nuove straordinarie scoperte che migliorarono notevolmente la vita dell’uomo. Egli poteva finalmente scaldarsi nella sua capanna e cuocere il cibo che cacciava.Nel tardo Paleolitico, a causa di un aumento costante della popolazione, il cibo cominciò a scarseggiare e quindi l’uomo comprese che per sopravvivere doveva addomesticare il be-stiame e curare i prodotti della terra: nascevano così l’agricoltura e l’allevamento che, dal punto di vista energetico, possono essere interpretati come due modi diversi per accumu-lare energia solare sulla terra.Successivamente l’uomo fece un’altra scoperta fondamentale per il suo sviluppo: la ruota, che gli consentì di trasportare carichi pesanti per distanze anche molto grandi. Da questa invenzione di-scendono quasi tutte le macchine semplici che utilizziamo ancora ai nostri giorni: le carrucole, gli argani, i verricelli, i torni, le ruote idrauliche dei mulini ad acqua e vari tipi di ingranaggi.Si iniziarono a costruire abitazioni, a macinare il grano, a plasmare l’argilla per creare vasi, piatti e altri oggetti di uso domestico.

11.2 lo sfruttamento dell’energia del vento e dell’acqua

L’uomo iniziò poi a sfruttare l’energia del vento per navigare a vela (quarto-terzo millen-nio a.C.) e in questo modo si crearono dei contatti fra popolazioni anche molto distanti e si colonizzarono nuove terre.Per moltissimi anni la principale fonte di energia fu comunque rappresentata dal lavoro umano e, in particolare, dal lavoro degli schiavi. Essi vennero utilizzati sia per costruire mo-numenti ed edifici spettacolari, sia come rematori nelle imbarcazioni.Il sistema schiavista andò in crisi nel medioevo in quanto la diminuzione della natalità fece aumentare considerevolmente il prezzo degli schiavi. Vennero quindi realizzate delle nuo-

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ve macchine per sfruttare l’energia dell’acqua (mulini e argani ad acqua), del vento (mulini a vento e velieri) e degli animali.

11.3 dal combustibile fossile alla macchina a vapore

Il rinascimento vide la trasformazione delle vecchie botteghe artigiane in piccole indu-strie; la domanda energetica iniziò a crescere considerevolmente e si dovettero trovare del-le soluzioni per ricavare l’energia sufficiente a non mandare in crisi il sistema economico.Vennero creati ingranaggi sempre più sofisticati per migliorare la resa energetica delle ruo-te ad acqua in modo da aumentare l’energia meccanica prodotta. Oltre all’energia meccanica crebbe anche la richiesta di energia termica, che si ricavava essen-zialmente dalla legna e dal carbone. ma il legno veniva anche utilizzato per costruire le abita-zioni e i consumi sempre crescenti non consentivano il rinnovamento delle risorse boschive.Fortunatamente marco Polo nel 1275 aveva importato dalla Cina l’idea di utilizzare il car-bon fossile come combustibile. Inizialmente l’utilizzo del carbon fossile come risorsa ener-getica non aveva trovato larghi consensi: dalla sua combustione derivava infatti un fumo densissimo e maleodorante, e per molto tempo venne utilizzato in Europa solo in minime quantità.Nel 1603 dalla combustione in assenza di aria dei litantraci (carboni fossili molto antichi) venne ricavato il carbon coke, un combustibile molto più efficace.Il fabbisogno di combustibile cresceva di anno in anno, e per soddisfare le richieste di mer-cato era necessario scavare sempre più in profondità.Spesso le miniere erano invase dall’acqua, il che impediva l’estrazione del carbon fossile; per evitare che ciò avvenisse venne creata nel 1705 da Thomas Newcomen, un ingegnere minerario inglese, la prima pompa idraulica funzionante a vapore azionata dalla combustio-ne del carbone stesso.Successivamente e con i dovuti miglioramenti James Watt costruì la prima macchina a va-pore, la quale venne montata nel 1807 su una nave e nel 1825 su una locomotiva.Anche se il rendimento di questa macchina era molto basso (per rendimento si intende il rapporto tra l’energia fornita da una macchina e il lavoro speso per farla funzionare), la mac-china a vapore sostituiva il lavoro di 500 uomini.Il vapore deriva dalla combustione del carbone, e quindi la diffusione delle macchine a vapo-re ne causò un aumento della richiesta. L’Inghilterra, grazie ai suoi giacimenti di carbone, di-ventò il fulcro dello sviluppo europeo e, possedendo una rete di trasporti all’avanguardia per quell’epoca, riuscì ad esportare il suo carbone in tutta Europa. Questo è il motivo principale per cui è proprio in Inghilterra che ebbe inizio la rivoluzione Industriale, che avrebbe poi comportato delle modifiche radicali nei sistemi economici e sociali di tutta Europa.

11.4 dal motore a scoppio all’elettricità

ma la storia dell’energia non si ferma qui. Nel 1876 l’invenzione del motore a scoppio (ad opera del tedesco Nikolaus Otto) portò all’uso del petrolio, un combustile più facile da tra-sportare e con un potere calorifico maggiore del carbone (il potere calorifico è la quantità di calore prodotta da 1 Kg di combustibile quando brucia completamente). Il petrolio diven-tò quindi una nuova risorsa energetica e questo modificò nuovamente gli equilibri politici-energetici del mondo.L’avvento dell’elettricità è stato un altro fatto «rivoluzionario» per la vita dell’uomo. Con l’in-venzione della dinamo si riuscì a trasformare energia meccanica in energia elettrica; in que-sto modo fu possibile illuminare strade ed edifici e venne inventato il motore elettrico.La sostituzione della corrente continua con la corrente alternata e l’invenzione del trasfor-matore consentirono successivamente il trasporto dell’elettricità su lunghe distanze.

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11.5 la radioattività e l’energia atomica

Verso la fine del 1800 iniziarono a svilupparsi delle ricerche sullo strano comportamento di alcuni minerali come la pechblenda, i quali emettevano una strana luce del tutto invisi-bile all’occhio umano ma che era in grado di annerire una lastra fotografica. I fisici Pietro e marie Curie scoprirono che queste radiazioni erano dovute a un elemento ancora scono-sciuto contenuto nello stesso minerale. Dopo quattro anni di studi riuscirono ad isolare que-sto elemento e lo chiamarono radio. Veniva così scoperta la radioattività.Albert Einstein nel 1905 formulò il principio di equivalenza energia-massa (la celebre for-mula E = mc2) e alcuni anni dopo si riuscì a riprodurre in laboratorio la prima fissione nu-cleare.Nel dicembre del 1942 Enrico Fermi, un fisico italiano emigrato negli Stati Uniti in seguito alle leggi razziali, realizzò il primo reattore nucleare dimostrando così che era possibile sfruttare l’enorme energia racchiusa nei nuclei dell’uranio.Il 16 luglio 1945 venne fatta esplodere la prima bomba atomica nel deserto del Nevada e un mese dopo (il 6 e il 15 agosto) vennero lanciate due bombe atomiche sulle città di Hiroshi-ma e Nagasaki ponendo fine alla seconda guerra mondiale.Le conseguenze furono devastanti e la bomba atomica iniziò subito a rappresentare un’ar-ma politica nel delicatissimo equilibrio tra le due superpotenze che si erano formate alla fine del conflitto: l’Unione Sovietica e gli Stati Uniti, le quali iniziarono a darsi battaglia sen-za sferrare un solo colpo ma aumentando il proprio arsenale nucleare. È il periodo della guerra fredda.

11.6 la «guerra del petrolio»

La guerra fredda si è combattuta in silen-zio insieme ad un’altra guerra che invece è tuttora sotto gli occhi di tutti: quella del petrolio. Dopo la seconda guerra mondia-le le esigenze energetiche aumentarono vorticosamente e, allora come oggi, «ener-gia» significava «petrolio» e quindi l’eco-nomia mondiale si è sbilanciata in questa direzione.Le riserve attualmente note di petrolio sono concentrate in poche aree della Ter-ra, soprattutto nel medio Oriente e quindi in Arabia Saudita, Iran, Iraq, Kuwait, Stati del Golfo Persico e Libia.Altre riserve si possono trovare in Siberia, Asia Centrale e Venezuela. Il controllo del-le fonti petrolifere è stato la causa di gran parte delle guerre scoppiate nel mondo ne-gli ultimi anni.

Fig. 7 - Distribuzione percentuale delle riserve stimate di pe-trolio (1996): la maggior parte si trova nei Paesi dell’OPEC. OECD è la sigla dell’Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (Organization for Economic Cooperation and Developement). Tra le nazioni che aderiscono allOECD, vi sono tutti gli sta-ti della Comunità Europea, il Giappone e gli Stati Uni-ti d’America

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le risorse energetiche

1. classiFicazione delle Fonti di energia

L’uomo è da sempre alla ricerca di energia per vivere, per spostarsi, per mandare avanti le sue attività, e nel corso degli anni ha ricavato questa energia in diversi modi. Ad esempio ha sfruttato il calore proveniente dalla combustione del legno, dei carboni fossili, del petrolio, del gas naturale o dalla fissione nucleare dell’uranio; ha utilizzato l’energia del vento, dell’ac-qua, del sole, della Terra trasformandola in altre forme di energia.Tutte le fonti da cui l’uomo ricava energia sono dette fonti o sorgenti energetiche.Esse possono essere primarie, secondarie, esauribili e inesauribili o rinnovabili.

2. Fonti primarie e secondarie

Le fonti primarie di energia sono quelle presenti in natura, che non hanno subito alcuna tra-sformazione. Le fonti secondarie derivano da una trasformazione delle fonti primarie.

Fonti secondarie di energia sono la benzina, il gas di città e l’energia elettrica:

— la benzina deriva dalla lavorazione del petrolio greggio;— il gas di città deriva dal trattamento del gas naturale;— l’energia elettrica deriva dalla trasformazione di energia meccanica o chimica.

In teoria le fonti primarie di energia sarebbero molte di più. Ad esempio, un masso di 50 Kg che si trova sulla cima dell’Everest ha un’energia potenziale calcolata rispetto al livello del mare di 1,25 KWh, ma non è facilmente utilizzabile in quanto per sfruttarla bisognerebbe organizzare ogni volta una spedizione e i costi sarebbero maggiori dei ricavi ottenuti dallo sfruttamento di questa energia.

Quindi, affinché una fonte primaria di energia possa essere considerata tale deve possede-re alcune caratteristiche. In particolare, deve essere:

— concentrabile. Deve essere possibile concentrare la sorgente di energia in un’area rela-tivamente limitata. Quest’area può essere quella su cui sorge una centrale idroelettrica ma anche il serbatoio di benzina dell’automobile o la pila di una calcolatrice;

— indirizzabile. Deve essere possibile indirizzare il prodotto nella direzione in cui può es-sere utilizzato. Ad esempio deve essere possibile indirizzare la benzina in un bruciatore o l’acqua in una turbina;

— frazionabile. Deve essere possibile frazionare la sorgente in più parti in modo da poter utilizzare soltanto la quantità di energia necessaria. Ad esempio fonti energetiche come i fulmini o le esplosioni non sono utilizzabili in quanto non sono frazionabili;

— continua. La sorgente deve funzionare per un certo tempo fornendo energia con conti-nuità. Anche in questo caso il fulmine o l’esplosione non sono fonti di energia continua;

— regolabile. L’energia fornita dalla sorgente deve essere graduabile a seconda delle ne-cessità.

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3. Fonti esauribili e Fonti rinnovabili

Le fonti di energia primaria possono essere esauribili o rinnovabili. Le risorse esauribili sono quelle che si esauriscono con il passare del tempo senza rinno-varsi in tempo utile. Esse vengono estratte dalla Terra e, benché presenti in quantità enor-mi, sono destinate ad esaurirsi in tempi più o meno brevi. Di questo gruppo fanno parte i combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) e il materiale radioattivo (uranio). Le risorse rinnovabili o inesauribili sono così chiamate perché derivano in modo di-retto o indiretto da fonti inesauribili di ener-gia (come il Sole) o da fenomeni che si veri-ficano costantemente (come il vento o le ma-ree). Queste fonti sono anche dette alterna-tive o integrative, in quanto possono rappre-sentare una fonte di energia alternativa pra-ticamente gratuita, ma per gli alti costi di tra-sformazione e i rendimenti piuttosto bassi devono essere integrate con le risorse ener-getiche esauribili tradizionali.

I tipi di energia rinnovabile attualmente più utilizzati sono 6:

• l’energia idraulica derivante dall’acqua;• l’energia geotermica derivante dal ca-

lore terrestre;• l’energia solare derivante dal sole;• l’energia eolica derivante dal vento;• l’energia gravitazionale derivante dalle maree;• l’energia delle biomasse.

4. Fonti esauribili: i combustibili Fossili

I combustibili fossili si sono formati milioni di anni fa in seguito alla trasformazione di ma-teriale organico di origine biologica.Questa trasformazione è avvenuta a causa delle forti pressioni e delle elevate temperature a cui questo materiale organico è stato sottoposto per milioni di anni e grazie all’azione di batteri anaerobici (cioè che vivono in assenza di ossigeno).

In generale questi combustibili vengono classificati in:

• solidi (carbone, legna, residui vegetali);• liquidi (petrolio e derivati);• gassosi (gas naturale).

Circa un terzo dell’energia derivante dai combustibili fossili viene trasformata in elettricità.

5. Fonti esauribili: il carbone Fossile

Il carbone fossile deriva dalla lenta e graduale decomposizione di antichissime foreste.Infatti circa 350 milioni di anni fa, nell’era primaria, la terra era caratterizzata da un cli-ma caldo umido che permise il sorgere di estese foreste. Nell’era successiva, quella secon-daria, si verificarono dei giganteschi smottamenti in seguito ai quali queste foreste ven-

energiarinnovabile

Solare

EolicaGeotermica

maree

Biomassa

Idraulica

Fig. 1 - Le fonti di energia rinnovabile

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nero ricoperte da detriti terrosi e sommerse dalle acque, iniziando così a fossilizzarsi e a carbonizzarsi (cioè ad aumentare il loro contenuto di carbonio, trasformandosi così in carboni fossili).

A seconda del periodo di formazione i carbo-ni fossili vengono suddivisi in quattro catego-rie (Figura 2):

• torba;• lignite;• litantrace;• antracite.

La torba è un carbone fossile relativamente recente (600.000 anni) e talmente povero di carbone da non essere considerato un carbon fossile vero e proprio. Bruciando genera dei fumi maleodoranti ed ecologicamente nocivi, per cui prevalentemen-te non viene usata come combustibile ma piut-tosto come correttivo dei terreni utilizzati per la coltivazione dei fiori.La lignite è anch’essa un carbon fossile rela-tivamente recente (50.000.000 di anni) che si è originata dalle foreste dell’era secondaria e terziaria. È quindi considerata un combusti-bile di qualità scadente.Il litantrace è il carbone più diffuso in natura e risale a circa 250 milioni di anni fa. Viene utiliz-zato come carburante nelle centrali elettriche.L’antracite è un carbone di qualità superiore e viene usato principalmente per il riscalda-mento domestico.Esistono poi dei carboni artificiali che sono ottenuti dalla lavorazione dei carboni fossili naturali. Il più noto è il carbone coke, che si ottiene riscaldando il litantrace in un ambien-te privo di aria e viene utilizzato, per la sua elevata resistenza meccanica, prevalentemente negli altiforni, in quanto riesce a sopportare pressioni molto elevate.

6. il petrolio

Il petrolio naturale (o greggio) è una miscela densa e oleosa di idrocarburi leggeri e pesan-ti che possono essere separati per distillazione frazionata. Il suo colore varia dal giallo bru-no al nerastro, ha un potere calorifico di 10.500 Kcal/Kg e si trova negli strati profondi del sottosuolo da dove a volte affiora formando dei piccoli laghi.

6.1 gli idrocarburi

Abbiamo detto che il petrolio è formato da una miscela di idrocarburi. Dunque, per poter comprendere sia la sua formazione che le tecniche di estrazione è necessario chiarire che cosa sono questi composti chimici. Gli idrocarburi sono costituiti da molecole che conten-gono soltanto atomi di idrogeno (idro) e di carbonio (carburi).

torba

lignite

litantrace

0

1000

antracite

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6000

Prof

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Fig. 2 - Profondità dei diversi strati di carboni fossili

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Gli atomi di carbonio possono unirsi fra di loro in diversi modi a seconda del loro numero. Ad esempio il metano ha la composizione riportata in Figura 3. mentre l’etano ha una diversa composizione (Figura 4). All’aumentare del numero degli atomi di carbonio e di idroge-no le molecole diventano sempre più pesanti. I composti con pochi atomi di carbonio sono gassosi (metano, etano, butano e propano); quelli con un numero di atomi di carbonio supe-riore sono liquidi (benzolo) e infine esistono degli idrocarbu-ri solidi come la paraffina e la naftalina.

6.2 la formazione del petrolio

La formazione degli idrocarburi è iniziata centinaia di milioni di anni fa, quando i mari della Terra erano popolati da esseri vi-venti marini molto piccoli: il plancton. Alla loro morte, questi organismi precipitarono sui fondali mescolandosi al fango e ai detriti delle rocce trasportati dai fiumi verso il mare. Ai resti di questi animali si sono aggiunti quelli di piante ed animali che popolavano la Terra e che con il passare del tempo si sono ac-cumulati sul fondo dei mari. In questo modo si sono creati dei depositi marini di sedimenti organici. Questi sedimenti organi-ci vennero via via decomposti dall’azione di batteri che popola-vano, e popolano tuttora, le profondità della Terra. Tali batteri, essendo anaerobici, vivono e si riproducono in assenza di os-sigeno, ricavando l’ossigeno necessario per il loro metabolismo proprio dai sedimenti organici. Ora, le piante sono costituite principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, mentre gli animali sono costituiti principalmente da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Prelevando dai sedimenti organici l’ossigeno per sopravvivere, questi batteri anaerobici ne hanno fatto via via aumentare la loro percentuale di idrogeno e di carbonio.Con il passare del tempo, a causa della continua sedimenta-zione, gli strati che si trovavano a diretto contatto con i fonda-li marini sono stati schiacciati da quelli superiori, e ciò ha portato ad un continuo aumento della pressione e della temperatura al loro interno. L’alta concentrazione di carbonio e di idrogeno presente nei sedimenti, unita alle alte pressioni e alle alte temperature, ha fatto innescare delle reazioni chimiche che hanno portato alla combinazione degli atomi di idrogeno e di carbonio, e cioè alla formazione degli idrocarburi.Contemporaneamente a questo processo, la grande pressione esercitata dai sedimenti su-periori sugli strati più bassi ha provocato la solidificazione dei fanghi e delle argille sui fon-dali marini creando così delle zone di argillite porosa nei cui pori sono avvenute le reazio-ni che hanno portato alla formazione del petrolio.Quindi non dobbiamo pensare al petrolio come a un liquido che scorre nel sottosuolo e che poi ogni tanto affiora in superficie, ma come a miliardi e miliardi di goccioline che impre-gnano queste rocce di argillite porosa che sono dette rocce madri.Con il passare del tempo, e con l’accumulo di ulteriori strati di materiale sedimentoso, que-ste rocce madri vengono compresse, o meglio «strizzate» (proprio come una spugna) e dai loro pori fuoriesce il petrolio che si accumula in altre rocce dette rocce magazzino. Queste ultime sono delle rocce che circondano la roccia madre ma sono più porose di quest’ultima e sono permeabili. Quindi possono assorbire il petrolio fuoriuscito dalle rocce madri, ed

H H c H

HFig. 3 - Una molecola di metano

H HH c c H

H H

CH3CH3

Fig. 4 - Una molecola di etano

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esso può spostarsi da una roccia magazzino all’altra fino a quando non incontra uno strato di rocce impermeabili che lo bloccano nel sottosuolo. Si creano così delle trappole di pe-trolio che sono meglio note come giacimenti petroliferi.

6.3 la ricerca e l’estrazione del petrolio

I giacimenti di petrolio si trovano generalmente a notevoli profondità nel sottosuolo o sui fondali marini e quindi, a meno che il petrolio non affiori in superficie, per riuscire a estrar-lo bisogna innanzitutto cercarlo. Cercare il petrolio non è un’operazione semplice; ci vuole un grosso investimento economico in-sieme ad approfondite competenze tecnico-scientifiche di natura fisica, geofisica e ingegneristica.La ricerca inizia «a tavolino», nel senso che viene studiata la natura del suolo e del sottosuo-lo e viene identificata una possibile zona in cui gli strati di roccia presentino le caratteristi-che tipiche delle rocce magazzino.Successivamente la ricerca si sposta sul luogo prescelto e si effettuano una serie di prove sul terreno per verificare la presenza effettiva del petrolio nella zona.Una volta stabilite l’esistenza e la consistenza del giacimento si passa alla fase di estrazione. Per estrarre il petrolio si perfora il terreno con una trivella, un utensile perforatore a punta rotante che viene conficcato nel terreno e viene fatto ruotare con movimenti elicoidali.Quando la trivella raggiunge la trappola di petrolio, il combustibile fuoriesce all’esterno a causa della spinta del gas e dell’acqua contenuti al suo interno.A questo punto la trivella viene tolta e al suo posto si istalla in cima al pozzo un sistema di valvole e di manometri che contengono la spinta del petrolio, evitano le perdite, consento-no l’erogazione del pozzo e regolano il flusso del petrolio. Questo macchinario è chiamato «albero di Natale» per la sua forma particolare (Figura 6).

Carrucolafissa

Cavo dimanovra

GancioTubo delfango

Pompa per la circolazionedel fango

Asta ditrivellazione

Scalpello

Verricello

Snodo

Piattaforma di lavoro

Tavola rotante

Fig. 5 - Trivellazione del suolo per l’estrazione di petrolio

Petrolio

Albero diNatale

Oleodotto

Tubing

Fig. 6 - Un «albero di Natale»

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6.4 la ricerca fuori costa (off-shore)

Negli ultimi anni ha assunto notevole importanza la ricerca di giacimenti nei fondali marini.A questo scopo sono state costruite delle piattaforme che vengono fissate sul fondo ed emer-gono al di sopra delle acque. Dalle piattaforme vengono direttamente perforati i fondali e, in caso di successo, il petrolio viene poi inviato sulla terraferma mediante un sistema di ole-odotti. L’impiego di piattaforme galleggianti semisommergibili consente di raggiungere pro-fondità di quasi 300 metri. I pozzi esplorativi invece raggiungono quasi i 3.000 metri di pro-fondità.

6.5 la lavorazione del petrolio

Il petrolio che viene estratto dalle trivelle (petrolio greggio) non può essere utilizzato in quanto è composto da un miscuglio di idrocarburi molto diversi fra loro.È dunque necessario separare questa miscela di idrocarburi mediante un processo detto di raf-finazione o di distillazione frazionata, che avviene in grandi complessi chiamati raffinerie.La raffinazione del petrolio greggio avviene per trattamenti successivi. Il primo trattamento è la distillazione frazionata (in inglese topping) e avviene nella tor-re di frazionamento (Figura 7), che contiene al suo interno un certo numero di piatti posti ad altezze diverse.Questo trattamento sfrutta un principio chimico-fisico molto semplice: ogni idrocarburo ha una propria temperatura di condensazione (passaggio dallo stato di vapore allo stato liqui-do) che dipende dal numero di atomi di carbonio che costituiscono la sua molecola. mag-giore è il numero di atomi di carbonio, più alta è la temperatura di condensazione.Il petrolio greggio viene riscaldato fino al punto di evaporazione (350°C) e i vapori ottenu-ti vengono convogliati nella torre di frazionamento. man mano che si sale all’interno della torre la temperatura diminuisce, i vapori perdono il calore e ritornano allo stato liquido.Siccome la temperatura di condensazione varia da idrocarburo a idrocarburo e diminuisce con il diminuire degli atomi di carbonio, sui piatti posti più in alto, che si trovano quindi a temperature minori, condenseranno gli idrocarburi più leggeri mentre sui piatti posti più in basso condenseranno gli idrocarburi più pesanti.Al fondo della torre condenseranno i componenti più complessi che costituiscono il residuo della distillazione frazionata.

In particolare:

• oltre i 350°C si condensa l’olio pesante che viene utilizzato come combustibile nelle centrali termoelettriche;

• tra i 350° e i 260° si condensa il gasolio utilizzato come combustibile nei motori die-sel e per il riscaldamento domestico;

• tra i 260° e i 200° si condensa il kerosene utilizzato come propellente per gli aerei a reazione e per gli impianti di riscaldamento e la nafta utilizzata come combustibile e come materia prima nella produzione di materie plastiche, farmaci, pesticidi e fertiliz-zanti;

• tra i 200° e i 35° si condensano le benzine che vengono utilizzate come carburanti per automobili e aerei;

• a 35° rimangono i gas: metano, etano, propano e butano.

Gli idrocarburi che vengono ottenuti dalla prima distillazione non possono ancora essere utilizzati come combustibili ma devono subire ulteriori processi di raffinazione per elimi-nare le impurità e migliorare le caratteristiche fisico-chimiche.

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Il residuo di topping viene ulteriormente distillato ottenendo in questo modo keroseni, ga-soli e oli lubrificanti che vengono impiegati per diminuire l’attrito fra gli organi in movimen-to del motore e nei dispositivi meccanici in generale.Dal residuo di questa seconda distillazione si ottengono i bitumi che sono utilizzati princi-palmente nella produzione di asfalto per la copertura delle strade.

Nafta pesante

T>350°c

Lubrificanti

Oli pesanti-bitumi

Idrocarburi gassosi 60°c

Benzina 120°c

Cherosene 250°c

Nafta leggera

Gasolio 300°c

Fig. 7 - Torre di frazionamento per la distillazione del petrolio

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7. il gas naturale

Il gas naturale è una miscela di idrocarburi e di gas inerti in proporzioni variabili; esso è composto principalmente da metano (per questo è comunemente chiamato con questo nome) e da piccole quantità di etano, butano, pentano, azoto, elio e anidride carbonica. Anche il gas naturale, come il petrolio, è un idrocarburo; anzi è l’idro-carburo più semplice: la formula chimica del metano è CH4, un ato-mo di carbonio è legato a 4 atomi di idrogeno (Figura 8).L’origine del gas naturale è simile a quella del petrolio ed è dovuta alla decomposizione di sostanze organiche che sono poi rimaste in-trappolate in sacche sotterranee. Il gas naturale si trova generalmen-te nella parte superiore dei giacimenti petroliferi ma può trovarsi in zone povere o prive di petrolio, in quanto i gas tendono a spostarsi nel sottosuolo con maggiore facilità rispetto agli idrocarburi liquidi e solidi.

8. il gpl

Nelle aree non raggiunte dalla rete di distribuzione del gas si utilizza il GPL (gas di petrolio liquefatto) che è una miscela di idrocarburi allo stato liquido formata essenzialmente da propano e butano.

Il GPL viene trasportato con delle autocisterne e il suo utilizzo è in rapido sviluppo in quanto:

• è facile da trasportare, ovunque c'è una strada può essere consegnato;• soddisfa ogni esigenza. Infatti può essere utilizzato dal riscaldamento domestico a quel-

lo industriale, passando dall'uso artigianale, turistico (villaggi, hotel e ristoranti), per ar-rivare ad usi speciali quale il riscaldamento agricolo (serre, allevamenti ecc.);

• ha un alto potere calorifico;• è ecologico. Non fa fumi, non lascia residui, la sua combustione libera prodotti non in-

quinanti.

Fig. 8 - Una molecola di gas

10,7% 28,7% 55,6% 5%

usi in cucina e acqua

calda

riscaldamento domestico

grandi industrie e

centrali termoelettriche

piccolaindustria eartigianato

Importazione58,8%

Disponibilità 100%

Produzione Nazionale41,2%

Fig. 9 - Il gas in Italia

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Il GPL viene anche utilizzato come carburante per le automobili ma, in questo caso, le mac-chine devono essere munite di contenitori speciali.

9. le sostanze radioattive

Per comprendere come mai le sostanze radioattive (e in particolare l’uranio) sono così im-portanti per la produzione di energia nucleare è necessario capire come è formata la materia. Tutte le sostanze sono formate da atomi. Questi si legano in-sieme formando le molecole (ad esempio, una molecola d’ac-qua è formata da un atomo di ossigeno e da due atomi di idro-geno). Un atomo è a sua volta formato da particelle subatomiche: protoni, neutroni ed elettroni (Figura 10). I protoni e i neu-troni costituiscono il nucleo dell’atomo mentre gli elettroni percorrono delle orbite all’esterno del nucleo.I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni la han-no negativa e i neutroni non hanno carica.Uno dei principi fondamentali della Natura stabilisce che par-ticelle aventi lo stesso tipo di carica elettrica si respingono mentre particelle che hanno carica opposta si attraggono.Da ciò deriva che i protoni, avendo carica positiva, tendono a respingersi e non potrebbero restare confinati all’interno dell’atomo se non esistessero del-le forze nucleari intensissime che li costringono a restare vicini. È un po’ come se cercas-simo di comprimere al massimo una molla per poi rinchiuderla in una scatola piccolissima: per comprimere la molla dovremmo applicare una forza contraria a quella della molla stes-sa e nel comprimerla noi faremmo un lavoro dato dal prodotto della forza applicata per la compressione della molla. In questo processo la molla acquista energia e quindi, mentre è compressa nella scatola, ha una certa quantità di energia dovuta al fatto di essere stata com-pressa (energia potenziale elastica). Questa energia verrà rilasciata una volta aperta la sca-tola quando la molla tornerà nella posizione iniziale.Allo stesso modo, le forze nucleari compiono un certo lavoro sui protoni per «rinchiuderli» all’interno del nucleo. Questo vuol dire che il nucleo, come la molla nella scatola, possiede una certa energia, detta in questo caso energia di legame, che continuerà a rimanere con-finata fino a quando il nucleo non si «rompe».Nel momento in cui avviene la rottura del nucleo l’energia immagazzinata al suo interno dalle forze nucleari verrà rilasciata e l’energia prodotta è proprio l’energia nucleare.

9.1 l’uranio e la fissione nucleare

L’uranio è il più pesante degli elementi chimici naturali. L’isotopo dell’uranio U-235, in par-ticolare, ha una proprietà molto interessante: il suo nucleo può essere «bombardato» con dei neutroni e, a seguito di questo bombardamento, il nucleo dell’uranio 235 si scinde e dal-la scissione (fissione) si generano due atomi leggeri, la cui massa complessiva è inferio-re alla massa di partenza, e tre neutroni che si muovono in tutte le direzioni (Figura 11). La «massa mancante» viene trasformata in energia secondo la formula E = mc2.I neutroni liberati possono muoversi in tutte le direzioni e quindi possono incontrare altri atomi di uranio 235 innescando così una reazione a catena.In generale l’energia prodotta da ogni singola fissione è molto grande: la reazione di 1kg di uranio 235 sviluppa 18,7 milioni di chilowattora.I reattori nucleari e le bombe nucleari sfruttano proprio la reazione a catena dell’uranio.

Nucleo

Elettrone

Fig. 10 - Composizione dell’atomo

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Nei reattori nucleari il processo viene controllato con delle «barre di controllo» (come ve-dremo in seguito) mentre nelle bombe nucleari, le bombe atomiche, la reazione a catena che si produce durante l’esplosione è incontrollata.

9.2 il ciclo dell’uranio

L’uranio deve subire una serie di trattamenti prima di poter essere utilizzato per generare energia.

1. estrazione e macinazione L’uranio viene estratto in miniere che possono essere a cielo aperto o sotterranee. Da queste miniere le rocce contenenti il minerale vengono trasportate in un centro di

macinazione dove vengono macinate e filtrate in modo da separare l’uranio dalla roccia. L’uranio viene quindi ridotto a ossido di uranio (U3O8) ed è pronto per essere venduto. Per mantenere una centrale nucleare attiva per un anno ci vogliono circa 200 tonnella-te di ossido di uranio.

2. Conversione L’uranio viene quindi trasformato in gas (uranio esafluoride UF6) per essere arricchito.

3. Arricchimento La maggior parte delle centrali nucleari necessita di uranio arricchito, cioè di un uranio in

cui la percentuale dell’isotopo U-235 sia maggiore del 3,5% . Siccome in natura l’U-235 è presente in una percentuale dello 0,7% l’uranio esafluoride viene arricchito con uranio 235.

4. Fabbricazione del carburante L’UF6 arricchito viene quindi convertito in biossido di uranio (UO2), ridotto in polvere e

compresso in pastiglie. Queste pastiglie vengono inserite in tubi sottili (barre di combustibile) che vengono poi

saldati insieme per formare gli elementi di combustibile, i quali sono trasportati al reat-tore pronti per essere utilizzati. Una centrale nucleare consuma in media 25 tonnellate di carburante nucleare all’anno.

5. Utilizzo nel reattore Nel reattore nucleare viene indotta la fissione degli atomi di uranio 235 e in questo pro-

cesso viene rilasciata un’enorme quantità di energia, che viene utilizzata per riscaldare l’acqua presente nel reattore e trasformarla in vapore.

NeutroneNeutrone

Neutrone

Neutrone235U

236U+

Prodotti della fissione

Fig. 11 - Schema di fissione del nucleo di un atomo di uranio 235

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Questo vapore mette in azione una turbina connessa ad un generatore il quale produce elettricità.

In un reattore nucleare la fissione dell’uranio è quindi utilizzata come sorgente di calo-re esattamente come il carbone, il gas o il petrolio vengono utilizzati in una centrale ter-moelettrica.

6. Smaltimento delle scorie radioattive Il combustibile nucleare, una volta bruciato, pur continuando ad essere altamente radio-

attivo non è più utilizzabile per la produzione di energia. Esso viene conservato in con-tenitori metallici pressurizzati per circa un mese e poi viene immerso per un anno in va-sche di raffreddamento poste nelle vicinanze del reattore.

7. Sistemazione finale delle scorie Le scorie vengono quindi poste in bidoni adeguatamente schermati, e questi ultimi ven-

gono sistemati in siti geologicamente stabili e costantemente monitorati.

9.3 le scorie radioattive

Un notevole inconveniente legato all’utilizzo dell’energia nucleare è rappresentato dall’eli-minazione delle scorie radioattive, cioè di ciò che rimane del materiale radioattivo (l’ura-nio) dopo la fissione. Le scorie infatti possono ancora essere molto pericolose perché restano radioattive per mol-te migliaia di anni.Attualmente questo problema non ha ancora trovato una soluzione del tutto sicura.Le scorie vengono racchiuse in bidoni che vengono poi interrati nei fondali marini e isolati con dei tappi di calcestruzzo.

9.4 la fusione dell’idrogeno

Un altro modo con cui è possibile ottenere energia a livello atomico è sfruttando la fusione dell’idrogeno.Facendo «fondere» tra di loro un nucleo di deuterio e uno di trizio (si tratta di due isotopi dell’idrogeno) si ottiene un nucleo di elio-4, più leggero della somma degli altri due. Anche in questo caso, la quantità di «materia mancante» si è trasformata in energia, secondo la ce-lebre formula E = mc2.Rispetto alla fissione, la fusione presenta diversi vantaggi: innanzitutto è impossibile che si ve-rifichi una reazione a catena incontrollabile perché basta interrompere l’emissione di deute-rio e trizio per far cessare immediatamente la reazione. Un altro punto a favore è dato dalla pro-duzione di scorie; anche la fusione produce delle scorie radioattive, ma in cento anni esse per-dono la loro pericolosità mentre per i prodotti della fissione occorrono molte migliaia di anni.L’unico inconveniente della fusione è legato al fatto che, perché possa avvenire, devono ve-rificarsi delle condizioni eccezionali: i nuclei devono trovarsi ad altissime temperature (su-periori ai 100 milioni di gradi centigradi) e devono essere sottoposti a fortissime pressioni. Queste condizioni si verificano soltanto nel sole e nelle stelle, e infatti l’energia con cui il sole ci irradia deriva da una reazione termonucleare che porta alla fusione dell’idrogeno.Finora i risultati più avanzati della ricerca sono stati realizzati al Joint European Torus (JET), l’esperimento dell’Unione Europea in attività a Culham, in Gran Bretagna, il più grande re-attore termonucleare a fusione oggi esistente nel mondo. La fusione ottenuta a Culham, tut-tavia, genera una potenza quasi uguale a quella necessaria per mantenere attivo il reattore stesso. Quindi complessivamente JET non produce energia. ma nel 2006 è iniziata la costru-zione di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): il primo grande reat-tore a fusione in grado di fornire più energia di quella che assorbe per funzionare.

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Il combustibile di ITER sarà un gas creato con una miscela di deuterio e di trizio, mantenu-to alla temperatura di 200 milioni di gradi, circa tredici volte la temperatura del sole!In queste condizioni i nuclei di trizio e di deuterio si avvicineranno tra loro fino a fondersi producendo nuclei di elio e neutroni e liberando una spaventosa quantità di energia.

10. l’acqua

Fin dai tempi antichi l’uomo ha capito che poteva sfruttare l’energia cinetica dell’acqua per azio-nare le macchine. Il motore più antico che si conosca, e che utilizza proprio la forza dell’acqua, è la ruota idraulica, inventata attorno al III secolo a.C. dai Greci e utilizzata fino al XIX secolo.Questo tipo di mulino era ad asse verticale: l’acqua colpiva l’albero verticale che a sua vol-ta faceva ruotare la macina mobile sulla sua sommità.La ruota idraulica venne usata per moltissimi secoli, tuttavia all’inizio del 1800 le macchi-ne che si basavano su questo principio erano diventate ormai insufficienti per colmare la ri-chiesta di energia.Fu così che nacque la turbina, molto più veloce.Le prime turbine idrauliche vennero utilizzate per azionare i macchinari delle fabbriche in Europa e negli Stati Uniti e subirono continui perfezionamenti durante tutto il XIX secolo.La grande richiesta di energia elettrica che si verificò sempre nel XIX secolo spinse gli ingegne-ri a studiare la possibilità di utilizzare le turbine per produrre energia elettrica. Nacquero così i primi turboalternatori, grazie ai quali si poteva generare energia elettrica dall’energia idrica.

11. l’energia del mare

A partire dal 1973, anno della crisi energetica arabo-israeliana, sono state avviate delle ricerche per riuscire a sfruttare l’energia del mare e, in particolare, l’energia delle onde e delle maree.La forza delle onde deriva in modo indiretto dall’energia solare, la quale genera i venti e quindi il moto ondoso. Uno schema per comprendere la possibilità di sfruttamento delle onde per generare energia può essere visto nella Figura 12 che riporta il meccanismo uti-lizzato in una centrale realizzata nelle Isole Ebridi.

Camera incalcestruzzo

Le onde innalzano e abbassano il livello dell’acqua all’interno della camera

mare aperto

La variazione del livello dell’acqua fa affluire o defluire l’aria

Quando il livello dell’acqua si abbassa, l’aria viene aspirata e azio-na la turbina; quando il livello dell’acqua si innalza, l’aria fuorie-sce mettendo in moto la turbina nella direzione opposta

Fig. 12 - Esempio di come è possibile sfruttare il moto ondoso per produrre energia

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Le maree sono invece dei movimenti periodici della superficie del mare, la quale passa da un livello più alto (alta marea) a uno più basso (bassa marea). Il fenomeno delle maree è dovuto al fatto che l’acqua del mare risente dell’attrazione che i corpi celesti esercitano sulla Terra.Fin dall’antichità si è cercato di sfruttare l’energia delle maree con la costruzione di «muli-ni di mare». L’acqua veniva racchiusa durante il flusso in un piccolo bacino che veniva poi chiuso con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso una ruota che faceva muovere una macina.Attualmente, la più importante centrale che sfrutta il fenomeno delle maree si trova in Fran-cia (Figura 13).

12. il calore terrestre e l’energia geotermica

Il termine «geotermia» deriva dal greco e significa letteralmente «calore della Terra».L’energia geotermica è infatti generata dal flusso di calore che scorre attraverso le rocce dall’interno della Terra verso la superficie.

L’energia geotermica viene generata a causa della conformazione stessa della Terra. Quest’ul-tima può infatti essere suddivisa in quattro zone:

• un nucleo interno solido;• un nucleo esterno liquido;• un mantello che avvolge il nucleo, semi liquido;• una crosta che racchiude il mantello e ci separa dal calore interno della Terra.

Il nucleo della Terra si trova a una temperatura compresa fra i 3.700°C e i 4.300°C e nelle zone del mantello in cui la temperatura del calore aumenta oltre un certo limite la roccia si fonde diventando magma. Il magma, essendo meno denso della roccia circostante, sale ver-so la superficie (crosta) trasportando calore.

AlTA mAreA BASSA mAreA

Paratia della turbina (chiusa)

Turbina idraulica inattiva

Durante l’altamarea l’acqua

passa nellaparatia

Durante la bassa marea questa paratia viene

chiusa

Paratia della turbina (aperta)

mare

L’acqua aziona la turbina

Fig. 13 - Esempio di centrale mareomotrice

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La crosta terrestre in realtà è composta da tante zolle o placche che si incastrano tra loro come in un gigantesco puzzle. Queste placche galleggiano sul magma; hanno uno spessore di circa 40 km e sono formate sia dalle terre emerse che da fon-dali oceanici.Lungo il confine fra due placche adiacenti la temperatura è nettamente superiore alla media in quanto la massa magmatica è mol-to vicina alla superficie, ed è proprio lun-go questi confini che si localizzano vulca-ni, geyser, fumarole, hot spot e altri fe-nomeni di natura termica.Sotto la crosta terrestre si possono trova-re dei veri e propri sistemi geotermici, cioè delle zone in cui il calore terrestre si è con-centrato sotto varie forme. Ad esempio può essere una zona in cui sono presenti delle rocce molto calde, oppure dei bacini di va-pore, di magma o di acqua bollente. Peccato che questi sistemi geotermici si trovino quasi sempre a profondità troppo elevate per essere sfruttati industrialmente. Per una effettiva possibilità di estrazione e di utilizza-zione pratica è quindi necessario individuare le zone in cui il calore si è concentrato in spazi ristretti e a profondità economicamente accessibili. In questi casi si parla di «serbatoi geo-termici» o di «giacimenti geotermici» e generalmente sono rappresentati da sistemi geo-termici idrotermali.

13. il sole e l’energia solare termica

Il Sole è la stella a noi più vicina e senza di essa la vita sul nostro pianeta non esisterebbe.L’energia solare è infatti l’energia primaria da cui dipendono tutte le altre forme di energia: le piante utilizzano il sole per sopravvivere con la fotosintesi clorofilliana; gli animali man-giano le piante e poi l’uomo mangia sia le piante che gli animali per sopravvivere.Dalla decomposizione delle piante derivano i combustibili che sono a loro volta fonte di energia, quindi i combustibili che oggi utilizziamo hanno immagazzinato l’energia solare di milioni di anni fa.ma l’energia del Sole può anche essere sfruttata direttamente: più avanti parleremo dei pan-nelli solari e dei pannelli fotovoltaici, che sfruttano il calore del sole per produrre energia.

14. il vento e l’energia eolica

L’uomo ha imparato molto presto a sfruttare l’energia del vento per navigare, poi per far muovere le pale dei mulini a vento e, ai giorni nostri, per far muovere le pale degli aeroge-neratori (dei quali si parlerà più avanti).

La differenza fra queste tre applicazioni è sostanziale:

• nella navigazione l’energia del vento viene utilizzata direttamente grazie alla spinta che essa imprime alle vele;

• nei mulini l’energia del vento viene invece trasformata in energia meccanica;• negli aerogeneratori l’energia del vento viene trasformata in energia elettrica.

Temperature in gradiCelsius

4.000°

5.000°

2.000

4.000

6.000

Profondità in chilometri

Fig. 14 - Le temperature interne della Terra

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L’energia eolica è una forma di energia non facile da sfruttare. Il vento ha di solito una bas-sa potenza e un’intensità irregolare, può essere del tutto assente o può variare di direzione da un momento all’altro. Quindi non può essere utilizzata in quelle lavorazioni che devono avere un andamento continuo e non intermittente.Con il profilarsi della crisi energetica comunque l’interesse per questa energia pulita e rin-novabile ha avuto un notevole risveglio.

15. la biomassa

Possiamo classificare come biomassa una grande quantità di materiale di natura estrema-mente eterogenea. Le più importanti tipologie di biomassa sono i residui forestali, gli scar-ti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura ecc.), gli scarti delle aziende zootecniche e i rifiuti solidi urbani.I principali vantaggi delle biomasse sono: abbondanza, facilità di estrazione energetica, eco-nomicità. Ancora, le biomasse non contribuiscono all'effetto serra, né alla produzione di piogge acide, in quanto hanno basso tenore di zolfo. Sono rinnovabili e alla fine del loro ci-clo possono essere ancora riutilizzate come fertilizzante.All’avanguardia, nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, sono i Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di riscaldamento alimentati a bio-masse.Nel quadro europeo dell’utilizzo energetico delle biomasse, l’Italia si pone in una condizio-ne di scarso sviluppo, nonostante l’elevato potenziale di cui dispone.La biomassa rappresenta la più consistente tra le forme di energia rinnovabile; peccato che presenti una notevole difficoltà di impiego in quanto, a seconda dei materiali da cui si vuo-le ottenere energia, molto diversi sono sia le tecnologie da usare sia i prodotti ottenuti.

I prodotti più conosciuti che si possono ottenere dalle biomasse sono:

• il biogas;• l’etanolo;• il metanolo;• il biodiesel.

15.1 il biogas

Il problema principale a cui i grandi allevamenti di bestiame e le fattorie hanno da sempre cercato di trovare una soluzione è lo smaltimento dei rifiuti prodotti dagli animali.Fortunatamente è stato scoperto che dalla fermentazione di quei rifiuti è possibile ricavare un gas combustibile: il biogas.I rifiuti vengono posti all’interno di una grande cisterna detta «digestore anaerobico» nella quale l’aria è totalmente assente.In queste condizioni essi vengono «attaccati» da batteri anaerobici i quali, un po’ come ave-vamo visto per la formazione degli idrocarburi, ricavano l’ossigeno per vivere decomponen-do il materiale organico presente nel digestore.Si genera così un gas che contiene il 50-70% di metano, il 35-40% di anidride carbonica e percentuali più ridotte di altri gas.I sottoprodotti di tale processo biochimico sono inoltre degli ottimi fertilizzanti.Il biogas può essere ottenuto anche dalle discariche dei rifiuti urbani. Una discarica com-pletamente isolata mediante impermeabilizzazione naturale o con teli sintetici diviene un «contenitore di accumulo» del biogas che si produce in seguito al processo di decomposi-zione della sostanza organica contenuta nei rifiuti. I principali composti prodotti sono me-tano ed anidride carbonica.

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15.2 l’etanolo

L'etanolo è al giorno d'oggi il biocombustibile più ampiamente utilizzato. Si tratta di un al-cool che viene ottenuto per la maggior parte usando un processo simile alla fermentazione della birra.Può essere usato allo stato puro o come miscela con la benzina. Viene utilizzato principal-mente come additivo del combustibile per ridurre l'ossido di carbonio e le altre emissioni dei veicoli che causano lo smog.

15.3 il metanolo

Il metanolo è anch'esso un alcool che può essere usato come combustibile nei trasporti. Co-munemente denominato «alcool di legno» (wood alcohol), attualmente è prodotto usando il gas naturale, ma potrebbe anche essere prodotto dalle biomasse con un processo termo-chimico.

15.4 il biodiesel

Il biodiesel è un sostituto rinnovabile del combustibile diesel che può essere ricavato chi-micamente combinando olio o grasso naturale con un alcool (solitamente metanolo). mol-ti oli vegetali, grassi animali e grassi di cucina riciclati possono essere trasformati in biodie-sel, e ci sono molti modi differenti per realizzarlo. Il biodiesel può essere usato in forma pura come combustibile alternativo rinnovabile per i motori diesel o come additivo per ridurre le emissioni del veicolo (in genere 20%), ed è questo il suo uso più tipico.

stalla

mangimi

autotrazione

combustione diretta

serre

energia elettrica

digestore

gasometro

piante acquatiche

piscicoltura

fertirrigazione

Fig. 15 - Utilizzo dei rifiuti degli animali per la produzione di energia

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lo sFruttamento delle risorse energetiche

1. dalle Fonti energetiche all’energia elettrica

Nel capitolo precedente abbiamo fatto un’ampia descrizione delle fonti energetiche, e abbia-mo visto che possono essere primarie, secondarie, esauribili o rinnovabili ma non abbiamo ancora parlato di come queste fonti vengono utilizzate per produrre energia: attualmen-te l’importanza delle fonti energetiche è da ricercare nel fatto che l’energia da esse prodotta può essere trasformata in qualcosa per noi estremamente preziosa: l’energia elettrica. Nei paragrafi che seguiranno vedremo proprio come viene utilizzata l’energia prodotta dall’ac-qua, dal vento, dal carbone, dalla fissione nucleare ecc. per produrre energia elettrica.

2. come si ottiene l’energia elettrica

È sufficiente che in casa vada via la luce per pochi minuti per farci rendere conto di quanto sia importante l’elettricità nella vita di tutti i giorni, e di come ormai per l’uomo moderno sia impossibile vivere senza.Proprio perché l’energia elettrica è un bene così prezioso, dall’invenzione della dinamo in poi l’uomo ha studiato tutte le possibilità per ricavarla dalle fonti energetiche che aveva a disposizione. Ciò non vuol dire che le fonti energetiche vengano utilizzate esclusivamente per produrre energia elettrica, ma sta di fatto che il loro livello di «importanza» dipende dal-la quantità di energia elettrica che da esse si può ottenere.Per poter produrre energia elettrica dobbiamo avere a disposizione una turbina collegata ad un alternatore. Le turbine sono delle macchine che, quando vengono messe in rotazio-ne, trasferiscono la loro energia di movimento all’alternatore. L’alternatore, a sua volta, tra-sforma l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica. Infatti possiamo immaginare un alternatore come una spira che ruota in un campo magnetico: mentre la spira ruota si genera al suo interno una corrente elettrica: in questo modo l’energia meccanica dell’alter-natore viene trasformata in energia elettrica.ma non basta avere una turbina collegata a un alternatore per generare energia elettrica: bisogna anche trovare il modo di far ruotare questo sistema. Attualmente per far ruotare le turbine si utilizza l’energia idraulica o il vapore. Le turbine idrauliche sono molto simili alle ruote idrauliche e vengono utilizzate nelle cen-trali idroelettriche.Le turbine a vapore sono invece costituite da grandi ruote metalliche sulla cui superficie sono fissate numerose palette che hanno il compito di trasmettere l’energia di movimento del vapore a un altro macchinario. Sono utilizzate per mettere in rotazione gli alternatori delle centrali termoelettriche e nucleari.L’energia elettrica può anche essere generata sfruttando l’energia solare ma, in questo caso, oltre alle turbine si può utilizzare l’effetto fotovoltaico di alcuni materiali semiconduttori i quali, quando sono colpiti dai raggi solari, producono direttamente corrente elettrica.In tabella sono elencati i diversi tipi di centrale in cui avviene la produzione di energia elet-trica.

capitolo

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TIPO DI CeNTrAle FONTe eNerGeTICA DISPOSITIVI SFrUTTATI

Centrale termoelettrica Carboni fossili e/o derivati del petrolio Turbina a vapore + alternatoreCentrale a turbogas metano Turbina a vapore + alternatoreCentrale nucleare Risorse radioattive Turbina a vapore + alternatoreCentrale geotermica Calore terrestre Turbina a vapore + alternatoreCentrale idroelettrica Acqua Turbina idraulica + alternatoreCentrale solare a specchi Sole Turbina a vapore + alternatoreCentrale fotovoltaica Sole Pannelli fotovoltaiciCentrale eolica Vento Turbina eolica + alternatoreCentrale mareomotrice Acqua Turbina idraulica + alternatore

3. come si trasporta l’energia elettrica

Abbiamo detto in precedenza che per comprendere il funzionamento di un alternatore pos-siamo paragonarlo a una spira che ruota in un campo magnetico. Durante la rotazione nel-la spira si genera corrente. Per capire come viene «trasportata» la corrente elettrica pos-siamo fare un’analogia con un fiume: la corrente di un fiume, per potersi spostare, deve passare da un punto ad altezza mag-giore (e quindi con un’energia potenziale maggiore) a un pun-to ad altezza minore (e cioè con un’energia potenziale minore, vedi Figura 1).

Analogamente, la corrente elettrica per poter fluire all’interno di un condutto-re deve passare da un pun-to a potenziale maggiore verso uno a potenziale mi-nore (Figura 2).

In entrambi i casi per avere un passaggio di corrente tra due punti, tra di essi ci deve essere una certa differenza di poten-ziale che, in termini elettrici, si chiama tensione.

Quindi mentre l’alternatore ruota nel campo magnetico si ve-rifica che:

• al suo interno scorre della corrente I;• fra i suoi estremi si genera una tensione V.

Il prodotto fra la tensione V e la corrente I definisce la potenza (P) della centrale:

P = V x I

La tensione che si genera ai capi di un alternatore è di circa 15.000 Volt.mediante un trasformatore elevatore, cioè un dispositivo che fa aumentare il livello di ten-sione, essa viene elevata fino a 380.000 Volt e dal trasformatore viene portata tramite cavi elettrici ed elettrodotti al punto di partenza della centrale.Dalla centrale partono le linee di trasporto (gli elettrodotti) che giungono alle stazioni di smistamento delle città dopo aver percorso anche centinaia di chilometri (Figura 3).

Ep1

Ep2

h1

h2

I

Fig. 1 - La corrente I passa dal pun-to h1, ad energia potenzia-le maggiore, al punto h2, ad energia potenziale minore

V1 V2I

Fig. 2 - La corrente I passa dal punto a po-tenziale V1 al punto a potenziale V2

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Gli elettrodotti sono costituiti da grandi tralicci che hanno il compito di sostenere i cavi in cui scorre la corrente e di mantenerli a una distanza di circa 10 m da terra. I cavi sono sor-retti da particolari piatti di vetro o di porcellana (detti isolatori) che hanno la funzione di isolare elettricamente i cavi dalla struttura metallica del traliccio.Dalle sezioni di smistamento la tensione elettrica viene abbassata mediante dei trasforma-tori riduttori (dispositivi che servono a ridurre la tensione) fino a 15.000 Volt e poi traspor-tata tramite altri elettrodotti alle cabine di distribuzione dove la tensione viene ulterior-mente ridotta fino ad arrivare a 380 e 220 Volt per essere utilizzata rispettivamente nelle fabbriche e nelle case.

4. le centrali termoelettriche

Una centrale termoelettrica utilizza il vapore derivato dalla combustione del carbone e di alcuni derivati del petrolio per produrre energia elettrica.

stazione di smistamento

cabina cittadina

cavi sotterranei

traliccidell’alta tensione

trasformatori cheabbassano la tensione

Fig. 3 - Produzione, trasfor-mazione e trasporto dell’energia elettrica

camino

condensatorepompa

caldaia

vapore

turbina

alternatore

trasformatorebruciatore

Fig. 4 - Centrale termoelettrica

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Essa è costituita da una caldaia con un bruciatore, da una turbina a vapore e da un alternatore:

1) il combustibile viene fatto bruciare nel bruciatore;2) il calore ottenuto viene trasferito all’acqua contenuta nella caldaia;3) l’acqua della caldaia, surriscaldandosi per l’elevata temperatura, si trasforma in vapore acqueo;4) questo vapore mette in funzione la turbina producendo energia meccanica;5) l’energia meccanica viene trasformata dall’alternatore in energia elettrica;6) il vapore, dopo essere stato utilizzato, viene inviato a un condensatore che lo ritrasfor-

ma in acqua che, attraverso una pompa, viene nuovamente immessa nella caldaia per es-sere riutilizzata.

5. le centrali a turbogas

Le centrali a turbogas sono costituite da un compressore, una camera di combustione, una turbina, un alternatore:

1) l’aria dell’atmosfera viene aspirata nel compressore e compressa per essere inviata alla camera di combustione;

2) in questa camera viene fatto bruciare del combustibile fossile, e dalla combustione si ge-nera una miscela di gas che aziona le pale di una turbina;

3) l’energia meccanica della turbina viene trasformata in energia elettrica dall’alternatore.

6. le centrali nucleari

Una centrale nucleare sfrutta l’energia termica della fissione degli atomi per produrre va-pore con il quale azionare la turbina a vapore.Una centrale nucleare è formata da:• un reattore in cui avviene la fissione;

compressore

presa d’aria

bruciatore

camera di combustione

turbina

alternatore

trasformatore

camino

Fig. 5 - Centrale a turbogas

274

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• uno scambiatore di calore;• una turbina a vapore;• un alternatore;• un condensatore.

La fissione, cioè la rottura degli atomi del combustibile (in genere uranio-235) è generata da neutroni che colpiscono il nucleo. Ogni rottura del nucleo produce calore e altri neutro-ni, i quali a loro volta colpiscono altri nuclei innescando una «reazione a catena».

Affinché questa reazione a catena prosegua senza intoppi sono necessarie alcune condizioni:

• occorre che un’enorme quantità di nuclei si fissino contemporaneamente;• occorre innescare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produr-

re energia con continuità;• occorre poter controllare la reazione nucleare.

Perché ciò avvenga, la struttura di un reattore nucleare, nel quale avviene la reazione nu-cleare, deve avere:

• un fornello, detto nocciolo, in cui sviluppare la reazione a catena;• un liquido moderatore che rallenti i neutroni emessi durante la reazione. Infatti se i neu-

troni sono troppo veloci la probabilità che colpiscano i nuclei atomici provocandone la fissione sarebbe troppo bassa (ciò fu scoperto da Fermi nel 1934);

• un sistema di controllo della reazione, costituito da un insieme di «barre di controllo» di cadmio o boro, le quali servono ad assorbire i neutroni rallentando o facendo spegnere la reazione;

• un efficientissimo sistema di estrazione di calore dal nocciolo e di raffreddamento. Il pro-cesso di fissione richiede costantemente un flusso refrigerante per controllare il calore emesso dalla reazione e consente di trasformare il calore in vapore acqueo che servirà a far muovere la turbina meccanica per produrre energia elettrica;

• una schermatura per assorbire le radiazioni prodotte dal processo di fissione.

grafiteelementi dicombustibile

fluido refrigerante

barre di controllo

scambiatore di calore condensatore

alternatore

turbina a vapore

Fig. 6 - Centrale nucleare

capi

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275

L'interno del nocciolo è mostrato in Figura 7.Come si può vedere dall’immagine, nel nocciolo si trovano centinaia di barre di combusti-bile (uranio arricchito) alternate con barre moderatrici (berillio o grafite, ma spesso il mo-deratore è l’acqua) e di controllo le quali possono scorrere verticalmente per assorbire più o meno neutroni controllando così la reazione.In questo nocciolo avviene la reazione nucleare a catena controllata.Vediamo ora come il nocciolo del reattore è collegato al resto della centrale (Figura 8).

nocciolo del reattore

ingresso del refrigerante

recipiente di pressione

tubi guida per la strumentazione

acqua

uscita del refrigerante

barre di combustibile

barre dicontrollo

meccanismi di comando delle barre di controllo

Fig. 7 - Il nocciolo di un reattore nucleare