MESSINA – 25/05/2010

La generazione dell’energia elettricaLa generazione dell’energia elettricae l’inquinamentoe l’inquinamento

Beniamino Ginatempo

Dipartimento di FisicaFacoltà di IngegneriaUniversità di Messina

Salita Sperone 31 - 98166 MessinaE-mail: Beniamino.Ginatempo@unime.it

Piano del seminarioPiano del seminario

1) Premessa: A che serve la Fisica?2) Leggi di conservazione3) Energia4) Utilizzazione dell’Energia e dissipazione5) La generazione di energia elettrica6) L’energia nucleare e le scorie radioattive7) L’energia solare

Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non ne sogni la tua filosofia (W. Shakespeare)

Chiediamoci Chiediamoci Perché?Perché?

1) Perché il Sole sorge e tramonta?2) Perché gli oggetti cadono?3) Perché esistono solidi e fluidi?4) Perché vedo?5) Perché ci sono oggetti caldi o freddi?6) Perché una pallina che rotola sul pavimento si fermerà?7) Perché ci sono i fulmini?8) Perché un oggetto esposto al sole si riscalda?9) Perché il mare ed il cielo sono azzurri?10) Perché posso udire e produrre suoni?11) Perché il rosso Ferrari è diverso dal rosso della salsa di pomodoro?12) Perché il gesso aderisce alla lavagna o una matita scrive?13) Perché una bussola segna il nord?14) Perché posso vedere in TV real time una partita di calcio?

Milioni sono le domande possibili ed alcune di incredibile sottigliezza.Scoprire le risposte può dare una ineguagliabile gioia, come leggere una poesia o ascoltaredella musica.

Le domande si riferiscono a fenomeni fisici e la Fisica si occupa di cercare le rispostee di capire come sfruttare ciò che comprendiamo per il progresso dell’umanità.

Leggi di conservazioneLeggi di conservazione

Le leggi della Fisica sono spesso formule matematiche che stabiliscono chealcune grandezze fisiche si conservano e altre non si conservano durante unfenomeno fisico

Esempi di leggi di conservazione (sistemi isolati):a) Principio di conservazione della Massab) Principio di conservazione della Carica Elettricac) Principio di conservazione della Quantità di Motod) Principio di conservazione del Momento Angolaree) Principio di conservazione della Parità (Mec. Quant.)f) Principio di conservazione dell’ Energia

La validità delle leggi di conservazione implica che i fenomeni fisiciavvengano mediante la trasformazione di alcune grandezze fisiche in altre(Nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma)

La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei)

EnergiaEnergia

L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzodi forze (macroscopiche o microscopiche) che compiono lavoro

Il lavoro è quella porzione di energia che viene trasferita da un sistema adun altro per l’azione di una forza

In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico

L’energia, come la massa, la quantità di moto, il momento angolare èsoggetta ad un principio di conservazione: per un sistema isolato l’energianon si crea e non si distrugge

AA BB

Un biliardo senza attrito

1) Entra energia dall’esterno

2) L’energia entrata resta per sempre, se non viene dissipata o non fuoriesce

AA

BB

AA

BBAA BBBBAABB

AA

BB

AA BBAAAA BBAA BBAA

BB

AABB

AA BB

AA

BBAA BBAA BB

AA

BB

AA

BB

AA

BBAA BBAA BB

3) Eventualmente l’energia si trasferisce da un sottosistema ad un altro

Utilizzabilità dell’EnergiaUtilizzabilità dell’EnergiaNelle trasformazioni di energia non sempre è possibile utilizzare tutta l’energiadisponibile

Pensate, per esempio, ad un’area di parcheggio: non è possibile utilizzarla tutta,perché le automobili hanno bisogno di spazio (le risorse disponibili) perparcheggiare

L’uso scoordinato delle risorse non ne consente il pieno utilizzo

Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo è una macchina termica:un apparato che consente di trasformare energia da un tipo ad un altro

P.es. un motore d’auto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatoretrasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energiaelettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in calore; etc.

In queste trasformazioni, purtroppo, vi sarà sempre una parte della energiainizialmente disponibile che sarà inutilizzabile. Tutte queste macchine, cheservono a migliorare la vita dell’uomo, cioè che sono il progresso,hanno un rendimento inferiore ad 1

Lo “sfrido” di energia e massa in una trasformazione è

l’inquinamentol’inquinamento

La generazione di energia elettricaLa generazione di energia elettrica

L’energia meccanica si può trasformare in energia elettrica mediante dellemacchine termiche dette ALTERNATORI (o dinamo o turbine)

B

t

Contatti striscianti (spazzole)Poli dell’elettromagnete

R

L’alternatore trasforma l’energia meccanica usata per far ruotare una spirain energia elettrica

Centrali idroelettricheCentrali idroelettriche

Le centrali idroelettriche usano l’energia cinetica dell’acqua alla basedi una cascata per far ruotare le turbine. Basso rendimento e grande impattoambientale (dighe, deviazioni di corsi d’acqua, creazioni di invasi artificiali, ecc.)

Parchi eoliciParchi eolici

I parchi eolici sono costituiti da tanti mulini a vento. Il vento fa ruotare le palee questa energia viene trasformata in energia elettrica da un alternatore montatosulla testa del mulino; basso inquinamento, rendimento 40-50%, ci vuole vento

Centrali termoelettricheCentrali termoelettriche

Le centrali termoelettriche convenzionali trasformano l’energia termica che sisviluppa bruciando combustibili (metano, gasolio, carbone, ecc.) in energiameccanica. Questa è usata per far ruotare un alternatore (turbina) che produceEnergia elettrica, come la dinamo di una bicicletta. Basso rendimento ed grandiEmissioni di gas serra e polveri sottili

Effetto di una piccola centrale termoelettricaEffetto di una piccola centrale termoelettricasulla formazione di nuvole dense (PM10)sulla formazione di nuvole dense (PM10)

Distanza = 130Km

www.nasa.gov

AustraliaAustralia Costa Est degli USACosta Est degli USAwww.nasa.gov

Centrali nucleariCentrali nucleari

Le centrali termonucleari trasformano l’energia termica che si sviluppa nellafissione nucleare dell’Uranio per azionare le turbine. Rendimento più alto,limitate emissioni di gas e polveri (40% delle centrali convenzionali), scorieradioattive per milioni di anni, uso di enormi quantità di acqua.

L’atomo ed il nucleoL’atomo ed il nucleo

La materia è costituita da tantissimi atomi (spesso legati in molecole).

L’atomo è costituito da elettroni (leggeri e carichi negativamente) e da un nucleomolto piccolo, rispetto alla distanza degli elettroni

Il nucleo è costituito da protoni (carichi positivamente) e da neutroni, entrambimolto più pesanti degli elettroni

Il nucleo e gli isotopiIl nucleo e gli isotopi

Il numero dei protoni e degli elettroni deve essere lo stesso (numero atomico)mentre il numero dei neutroni è variabile e può essere molto elevato.

Il numero dei protoni caratterizza la specie chimica (p. es. Fe=26, U=92)

La stessa specie chimica può essere presente in natura con differente numero dineutroni: gli isotopi (per esempio 238U, 235U)

+

+

+

+

Isotopi stabili ed instabiliIsotopi stabili ed instabili

Siccome i protoni sono particelle cariche positivamente si respingono, quindisi dovrebbero allontanare ed il nucleo si disintegrerebbe

Tuttavia i neutroni tengono legati i protoni grazie a delle forze attrattive piùintense delle repulsioni elettriche: le forze nucleari

Ma se il numero dei neutroni venisse modificato il delicato equilibrio prodottodalle forze nucleari potrebbe essere alterato.

Ecco perché esistono isotopi stabili ed instabili

Gli isotopi instabili emettono radiazioni e particelle subatomiche: sono radioattivi

L’isotopo dell’Uranio utile per le reazioni di fissione nucleare è 235Uma allo stato naturale è molto più frequente l’isotopo 238U

LEU 3-5% di 235UReattori nucleari

HEU 90% di 235UBombe nucleari

Uranio arricchitoUranio arricchito

Uranio Naturale

Trattamento dell’UranioTrattamento dell’Uranio

RadioattivitàRadioattività

I nuclei instabili tendono a raggiungere uno stato più stabile rilasciando particelle edenergia elettromagnetica ad altissima frequenza

Decadimento Particella Percorso in aria Trasmutazione Fissione

Particelle Nuclei di He 6-7 cm Sì Sì

Particelle Elettroni 5-7 metri No No

Raggi Onde el. Mag. Qualche Km No No

Neutroni liberi neutroni 30-300m Sì Sì

Reazioni nucleariReazioni nucleari

Esistono due tipi di reazioni nucleari: la fissione nucleare e la fusione nucleare

Una reazione di fissione nucleare consiste nel bombardare degli isotopi pesantiprovocando l’emissione di protoni, neutroni, elettroni ed energia.

Utilizzando i neutroni emessi da un nucleo si può produrre la fissione di altri nuclei vicinidando luogo ad una REAZIONE A CATENA, con una grande produzione di energia e scoriepericolose perché radioattive

La fusione nucleare consiste nell’unire atomi leggeri, non ha scorie pericolose ma nonsappiamo realizzare delle reazioni a catena, purtroppo

Scorie radioattiveScorie radioattive

In una reazione nucleare non si ha mai una fissione totale di tutto il "combustibile",anzi la quantità di atomi effettivamente coinvolta nella reazione a catena è bassa.In questo processo si generano quindi due principali categorie di scorie • Nuclei “trasmutati” (di numero atomico più elevato perché hanno catturato

protoni e neutroni)• Prodotti di fissione (nuclei effettivamente “spezzati”, più leggeri dei nuclei originari,

come il cesio in parte allo stato gassoso)

Queste scorie accumulandosi impediscono il corretto funzionamento del reattore, e vannoriprocessate e riutilizzate fin quando è possibile e poi eliminate

Purtroppo sono radioattive, quindi pericolose per la nostra salute, per moltissimo tempo

Il tempo di isolamento delle scorie varia molto in dipendenza del tipo di reattore che del tipodi combustibile e varia da 300 a 1 milione di anni

Energia solareEnergia solareSfruttando l’effetto fotovoltaico si può trasformare la luce solare in energia elettricaSfruttando delle giunzioni di semiconduttori drogati (silicio)

Vantaggi: no scorie o emissioniSvantaggi: costi e durata dei pannelli, basso rendimento funziona solo di giorno

Energia solareEnergia solare

Solare termico: usa l’energia solare ed un sistema di specchi (Archimede) per riscaldarel’acqua o sali fusi per azionare le turbine

Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi, basso rendimento

Celle ad idrogenoCelle ad idrogeno

Le celle a combustibile sfruttano la proprietà di certe superfici metalliche di ionizzarel’idrogeno per generare energia elettrica.

Vantaggi: no scorie o emissioniSvantaggi: costi e durata delle celle, preparazione e stoccaggio dell’idrogeno

ConclusioniConclusioni

Le limitazioni nell’utilizzo dell’energia che derivano dalle leggi della Fisicafanno sì che sia inevitabile l’inquinamento, nelle trasformazioni di energia,essenziali per la vita dell’Uomo sulla Terra

È tuttavia possibile, benché difficile, utilizzare le risorse in modo da minimizzarel’inquinamento

Ma il VERO PROBLEMAVERO PROBLEMA è un altro

Madre Natura funziona trasformando continuamente i 4 elementi fondamentali:

Aria, Acqua, Terra e FuocoAria, Acqua, Terra e Fuoco (energia)Come per l’Acqua, noi dobbiamo imparare a non sprecarli

Dobbiamo costruire un futuro diverso, più sobrio, di decrescita e diminuzione drasticadei consumi individuali

Più consumi = Più inquinamento = Minore qualità della vitaPiù consumi = Più inquinamento = Minore qualità della vita