E N E R G I A• Definizione classica di “energia” capacità di un sistema a compiere lavoro.

• Le due forme fondamentali dell’energia sono: - energia che muove le cose: energia lavoro detta anche di 1^ specie. - energia che riscalda le cose: energia calore detta anche di 2^ specie.

• L’energia è una grandezza trasferibile da un corpo a un altro (es. il calore passa spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo), accumulabile (es. bacino montano, batteria elettrica), misurabile e calcolabile (contatori e formule matematiche).

• Per essa vale il principio fondamentale detto “principio di conservazione dell’energia” per il quale l’energia non si disperde ma si trasforma.

• Nelle automobili otteniamo energia meccanica a spese del calore prodotto dalla combustione della benzina o del gasolio; un motore elettrico trasforma energia elettrica in energia meccanica; in uno scaldabagno spendo energia elettrica per ottenere acqua calda; e così via.

Unità di misura• Dalla definizione data si evince che l’energia si misura come il lavoro, ovvero,

essendo L = F s ,

Energia N m = J “1J di energia corrisponde al lavoro necessario per spostare di 1m la forza di 1N ”• Per avere un’idea pratica facciamo alcuni esempi:

- 1J energia necessaria per sollevare di 10 cm un pacco di massa 1 kg.- 103J energia consumata da un uomo quando cammina per 5 m.- 4105J energia necessaria per riscaldare 1 l di acqua da 0 a 100°C.- 2.5108J energia necessaria a un’automobile media per percorrere 100 km in

autostrada.• Il S.I. di misure prevede i seguenti multipli del J :

- chilojoule: 1kJ = 103J- megajoule: 1MJ = 106J- gigajoule: 1GJ = 109J- terajoule: 1TJ = 1012J- pentajoule: 1PJ = 1015J- exajoule: 1EJ = 1018J

• Un’altra unità di misura, non del S.I., ma utilizzata ancora in certi settori, è la kcal intesa come “la quantità di calore (energia termica) necessaria per innalzare di 1°C la temperatura di 1 kg di acqua”. Si trova che:

• È il caso di accennare ad un’altra unità di misura, anche questa non del S.I., ma molto utilizzata nel campo del condizionamento; si tratta del BTU ( British Thermal Unit ):

• Dalla definizione di potenza, “energia scambiata in 1 s” , deriva un’altra unità di misura, il kWh:

• Quest’ultima definizione può ingenerare confusione tra il concetto di energia e quello di potenza. Essendo E = P t l’energia è data dal prodotto della potenza per il tempo in cui si impegna tale potenza. Ad esempio se una donna stira per 1.5 h con un ferro da stiro di potenza 1200 W , ha speso una quantità di energia: E = 1.2 1.5 = 1.8 kWh (è quella che si paga).

• Infine, quando si parla di grossi numeri, il fabbisogno energetico si esprime in tep (tonnellate equivalenti di petrolio) o in tec (tonnellate equivalenti di carbone).

• Bruciando 1 kg di petrolio si ottengono ca. 44800 kJ di energia termica ovvero ca. 10700 kcal (44800/4.187). 1 ton = 1000 kg

1 tep = 44800 1000 kJ = 44.8 GJ (109/3600000) = 1.24 104 kWh 1 tep = 10.7 106 kcal

• Bruciando 1 kg di carbone si ottengono ca. 29300 kJ di energia termica, cioè ca. 7000 kcal:

1 tep = 1.5 tec

1 tec = 29.3 GJ = 7 106 kcal = 8000 kWh

• Sentiamo spesso parlare di “barile” di petrolio; vediamo di cosa si tratta:

1 barile = 159 litri

• Il petrolio ha una massa volumica di ca. 850 kg/m3 = 0.850 kg/dm3

1 barile = 159 0.850 = 136 kg

• l’equivalenza energetica sarà:

1 barile = 0.136 t = 6.1 GJ = 1.69 103 kWh = 1.45 104 kcal

Esempio

Il fabbisogno energetico annuo di una regione di media grandezza è di ca. 2000 GWh; esprimerlo in tep, in tec e valutare il n° di barili di petrolio necessari.

___ _ ___ _ ___

E = 2000 GWh = 2000 106 kWh = 2000 106 / 1.24 104 = 161290 tep

E = 161290 1.5 = 241935 tec

N° barili = 2000 106 / 1.69 103 = 1183432

• In questi giorni 1 barile di petrolio costa ca. 55$, perciò il costo energetico annuo della regione in esame è di ca. 65090000 $ = 50070000 € ( 1 € 1.3 $ ).

TIPI DI ENERGIA

ESAURIBILI

Combustibili fossili Carbone

Petrolio

Gas naturale

Combustibili nucleari Uranio

Torio

INESAURIBILI

Solare

Idraulica

Eolica

Energie rinnovabili

Biomasse

Geotermia

Onde del mare

Moto delle maree

Energie esauribili: sono quelle che si formano in tempi lunghissimi, incommensurabili relativamente alla vita degli esseri umani.

Energie inesauribili: sono quelle disponibili con continuità sul nostro pianeta.

Energie rinnovabili: sono quelle derivanti da prodotti che, in teoria, non possono essere totalmente consumati, grazie alla loro capacità di riprodursi o di rigenerarsi (es. il patrimonio ittico del mare, le foreste ecc.)

Energie alternative: è una definizione che si attribuisce a quelle fonti di natura rinnovabile o non rinnovabile che, seppure già sperimentate, non sono ancora competitive, per costi e dimensione, con i processi classici.

PRODUZIONE DI ENERGIA IN ALCUNI PAESI EUROPEI

Dati 2004

Germania Spagna Francia Italia Austria Polonia Regno Un

Carbone 48.3 28.3 4.5 16.0 12.3 91.8 33.4

Petrolio 1.7 8.5 1.0 24.4 2.8 1.6 1.2

Gas 11.6 20.3 3.7 48.6 19.1 3.3 40.3

Nucleare 27.6 22.7 78.4 0 0 0 20.2

Idroelettrica 1.1 1.0 0.9 4.4 3.9 1.1 0.7

Rinnovabile 9.5 17.9 11.5 6.2 61.6 2 3.7

Altre fonticonvenz.

0.2 1.3 0 0.4 0.3 0.2 0.7

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Germania Francia Austria RegnoUnito

Altre fonti

Rinnovabile

Idroelettrica

Nucleare

Gas

Petrolio

Carbone

Totali in Europa

Carburanti solidi 29.5%

Petrolio 4.5%

Gas 19.9%

Nucleare 31%

Rinnovabili 13.7%

Altro 1.4%

Carburanti solidi

Petrolio

Gas

Nucleare

Rinnovabili

Altro

SISTEMI ENERGETICI

Centrali elettriche a combustibile fossile

Queste centrali utilizzano come fonti energetiche: il carbone, il petrolio e il gas naturale.

Hanno dimensioni medie di 500 800 MW , con picchi di ca. 1500 MW.

Sfruttano “il ciclo del vapore” e hanno un rendimento massimo del 40%.

Nelle centrali “a ciclo combinato”, un ciclo con turbina a gas precede quello con turbina a vapore; in questo modo il rendimento può superare il 50%.

Utilizzando l’energia di scarico della turbina per il “teleriscaldamento” il rendimento può arrivare anche all’ 80%. Si parla allora di “cogenerazione”: produzione contemporanea di energia elettrica e calore.

Schema semplificato di un impianto a vapore

Energia nucleare

• Reazioni nucleari:

• fissione si ottiene bombardando l’uranio con dei neutroni; gli atomi di uranio si scindono dando luogo ad una reazione a catena con produzione di elevatissima energia cinetica che si trasforma in calore. Presentano il grosso problema delle scorie radioattive.

• fusione consiste nel fondere tra di loro atomi di idrogeno, in modo da formare un solo nucleo, liberando una grandissima quantità di energia. Per ottenere ciò occorrerebbe portare l’idrogeno a più di 100 milioni di gradi per almeno 1 secondo: non si è ancora riusciti a farlo. Sarebbe un’ottima soluzione perché questo metodo, oltre a non produrre scorie, utilizza l’ H che è l’elemento più diffuso sulla Terra.

• Con la fissione di 1 kg di 235U si producono 24 milioni di kWh di energia.

• 1 kg di 235U equivale energeticamente a ca. 3000 t di carbone.

Energia idraulica • È una delle più antiche fonti di energia utilizzate dall’uomo.

• Sfrutta il dislivello altimetrico tra la quota alla quale si trovano grandi masse di acqua e il punto in cui si vuole ottenere energia.

• L’acqua si lascia cadere in una condotta forzata dove avviene la trasformazione di energia potenziale in energia di pressione e cinetica.

• In fondo alla condotta c’è una turbina che trasforma l’energia posseduta dal liquido in energia meccanica sull’asse. Sullo stesso asse della turbina è collegato un alternatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.

• È evidente che il limite è costituito dalla limitata presenza di acqua in quota.

• Una soluzione molto interessante di queste centrali è rappresentata dal “pompaggio”; nelle ore notturne, quando la richiesta di energia è minore, l’acqua viene riportata nell’invaso tramite pompe oppure dalla stessa turbina costruita per funzionare nei due sensi. Il generatore di corrente può essere invertito per funzionare da motore.

Energia solare

• L’ energia solare viene tecnologicamente sfruttata secondo due modalità:

• 1. trasformazione dell’energia irraggiata in calore: effetto fototermico; il calore viene

raccolto da un fluido e impiegato per il riscaldamento di ambienti o per la

generazione di elettricità in turbina.

• 2. trasformazione dell’energia irraggiata in elettricità mediante celle a semiconduttori: effetto fotovoltaico.

Energia eolica

• Il vento è dovuto al moto di rotazione del pianeta e alle differenze di temperatura e di pressione da luogo a luogo.

• Affinché un sito venga giudicato idoneo per l’installazione di una centrale eolica, è necessario che il vento soffi ad una velocità > di 4-5 m/s per almeno 2000 ore all’anno.

• Windfarm “fattoria del vento”

• Nell’Europa settentrionale, e in particolare in Danimarca, sono diffuse le “offshore Windfarm”; si tratta di centrali eoliche costruite al largo del mare. Rispetto alle centrali terrestri, quelle marine, oltre al minor impatto ambientale, hanno il vantaggio di un flusso ventoso molto più regolare, in quanto risultano alquanto ridotti i vortici e le turbolenze generate dalle irregolarità del suolo. La più grande si trova a Horn Rev, in Danimarca, e ha una potenza di ca. 200 MW

• Nella mappa, in chiaro, sono riportate le

zone più ventose d’Europa.

• Si prevede di poter ottenere 75000 MW

eolici entro il 2010 nell’U.E. ; con tale

potenza si fornirebbe elettricità a circa

86 milioni di cittadini.

Energia geotermica

• È l’energia che proviene dal calore endogeno della Terra. • Si ritiene che il nucleo terrestre sia sottoposto a pressioni di ca. 3500 kbar = 3.5105 MPa

e a temperature comprese fra i 3000 e i 6000°C.

• Tale calore si diffonde in modo disomogeneo fino alla crosta; affinché ci sia la possibilità pratica ed economicamente vantaggiosa di sfruttarlo, è necessario che esso si trovi concentrato in zone a profondità accessibili.

• Nelle profondità terrestri, con l’aumentare della pressione, aumenta anche la temperatura di ebollizione dell’acqua; ad esempio, a 500 m di profondità la pressione vale ca. 50 bar e l’acqua bolle a 263°C: ciò vuol dire che nel sottosuolo l’acqua si mantiene liquida anche ad elevate temperature. Se in questo punto si scava un pozzo, la diminuzione di pressione fa vaporizzare l’acqua che esce sottoforma di vapore.

• A Larderello si arriva a 1500m di profondità dove la temperatura dell’acqua è di oltre 300°C. La potenza di questa centrale supera i 400 MW.

Il vapore fuoriesce dal sottosuolo a pressioni variabili tra 4 e 25 bar e a temperature tra 140 e 200°C. Il ciclo che segue si può vedere nello schema.

Questa fonte di energia si può ritenere inesauribile: basti pensare che il raffreddamento di 1 km3 di roccia da 200 a 100°C equivale ad una potenza di 30 MW per una durata di 30 anni. Può considerarsi altresì rinnovabile dato che è prevista la “reiniezione”.

L’inconveniente più grave è la sua non trasportabilità.

Energia dal mare

• Dal mare si può ottenere energia in tre modi diversi:

• 1. Tecnologia OTEC ( Ocean Thermal Energy Conversion )

Consiste nell’estrarre, con apposite pompe di calore, l’energia immagazzinata nei mari, sfruttando la differenza di temperatura delle acque tra la superficie e il fondo del mare.

• 2. Maree

Le maree derivano sia dalla rotazione della Terra che dalla gravità della Luna. Tale energia è stimata globalmente in 22000 TWh annui. È sfruttabile solo se il dislivello fra alta e bassa marea è > 3m. L’ acqua è raccolta in un bacino di alcuni km2 e durante la bassa marea defluisce verso il mare aperto mettendo in rotazione la turbina. In figura è riportata la centrale francese di La Rance sulla Manica.

Con l’alta marea la corrente viaggia in direzione del bacino ( verso la baia ). Con la bassa marea il bacino si svuota e l’acqua mette in rotazione la turbina.

3. Moto ondoso

È dovuto all’azione dei venti sulla superficie del mare. Il principio di funzionamento si basa sul movimento alternato delle onde che agiscono come un pistone.

Le masse sono notevoli di conseguenza lo sono anche le spinte. Si possono ottenere potenze dai 70 ai 120 kW.

Gli inconveniente sono: i costi elevati e la difficoltà di installazione in mare aperto.

Energia dalle biomasse

• La biomassa è una materia prima rinnovabile che fornisce all’uomo cibo, fibre, concime e che può essere utilizzata per la produzione di energia. Può essere di origine vegetale o animale.

• Ci sono anche le “colture energetiche”: piante espressamente coltivate per scopi energetici.

• Potenzialmente in Italia si potrebbero produrre ca. 27 Mtep annui da biomassa che eviterebbero l’emissione di 43 Mt di CO2 nell’atmosfera.

• Processi termochimici più comuni delle biomasse:

• - Carbonizzazione: a t > 200°C la biomassa perde l’umidità e le sostanze volatili, si arricchisce di carbonio;

• - Pirolisi: a temperature 400 < t < 800°C in assenza di O2 la biomassa si decompone in gas e in un liquido (olio di pirolisi) che può essere utilizzato come combustibile per caldaie e anche per motori Diesel;

• - Gassificazione: a t > 900°C , in ambiente povero di O2 , si ottiene un gas povero (gas di gasogeno) che può essere utilizzato direttamente come combustibile oppure può servire per produrre “metanolo” (alcool metilico CH3OH).

• Da colture quali colza, soia, girasole, si possono ottenere oli vegetali che col metanolo danno luogo al biodeisel:

• 100 kg olio veget. + 11 kg metanolo 100 kg metilestere + 11 kg glicerina Il metilestere è noto come “biodiesel” che può sostituire il gasolio.

• Processi di conversione biochimica:

• - digestione anaerobica: i rifiuti organici urbani, le deiezioni animali, gli scarti alimentari e vegetali, in assenza di O2 , producono “biogas” (2/3 CH4 + 1/3 CO2);

le sostanze residue vengono utilizzate come fertilizzante.

• - digestione aerobica: in presenza di O2 , i microrganismi scindono le sostanze organiche complesse in altre più semplici, liberando calore.

• - fermentazione alcolica: le molecole organiche come zuccheri, cereali, patata, scarti legnosi ecc. a seguito di procedimenti biochimici, si trasformano in alcool etilico (etanolo CH2OH) che può essere utilizzato in motori appositamente predisposti.

Energia dai rifiuti urbani

Attualmente, in Italia, solo poco più del 10% dei RSU vengono destinati alla termovalorizzazione, tramite impianti di incenerimento, allo scopo di ottenere energia termica ed elettrica e per il recupero delle ceneri a scopi industriali.