TECNOLOGIA: Acqua ed energia.

Le invenzioni dell’uomo: le tecnologie del passato e le tecnologie odierne impiegate per produrre energia elettrica. Applicazioni, effetti positivi e negativi.

Ricerca, analisi e sintesi di testi ed immagini per produrre un lavoro multimediale (CD).

Classe 3a D

Mappa

L’ energia Pag. 3

Le fonti di energia e lo schema 4 - 5

I grafici (acqua / energia) 6 - 8

Le ruote e il mulino ad acqua 9 - 10

La centrale termoelettrica 11 - 13

I tipi di turbine 14 - 16

La centrale idroelettrica 17- 20

Il campo a specchi 21 - 23

Il teleriscaldamento 24 - 26

Stop agli sprechi 27- 28

La macchina a vapore 29 - 30

I pannelli solari 31- 33

La centrale geotermica 34- 36

La centrale nucleare 37 - 43

Gli accordi internazionali 44

Il WWF 45

La bibliografia e sitografia 46

Oltre all’energia fornita dai raggi del sole, l’uomo ha imparato a sfruttare anche il vento, l’acqua e altri elementi che si trovano nel sottosuolo da milioni di anni: carbone, petrolio, gas naturale e uranio trasformando queste fonti primarie in elettricità.

L’ energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro.

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Fonti rinnovabili

AcquaVentoMareeGeotermiaBiomassa

Fonti non rinnovabiliCombustibili fossiliPetrolioMetalloCarboneReazioni nucleari

SoleSole

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Impiego acqua:distribuzione in % dell’ acqua prelevata per settore

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Italia: offerta di energia indicata per settore di produzione(dati in GWh - anno 2004)

0%5%

10%

15%20%25%

30%35%40%

Offerta di energia primaria nel mondo.

(fonte: IEA Renewables Information 2003)

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La ruotaE’ stata la prima ad essere costruita ed è rimasta la più comune. Sfrutta l’ energia cinetica dell’ acqua che preme sulle pale e le mette in movimento.E’ stata introdotta verso il 1750. Funziona con la forza dell’ energia cinetica dell’acqua e del peso dell’ acqua in caduta.

Ruote ad acquaI mulini sorgono sulle rive dei fiumi, dove esiste un dislivello d’ acqua: un canale artificiale convoglia l’acqua sulla ruota a pale che cattura l’energia naturale e acquista forza rotatoria.

Mulino ad acqua in frazione Gozzolina (Castiglione D/St.)

Il mulino era impiegato per i lavori più faticosi e ripetitivi, come:

macinare cereali schiacciare olive battere metalli sollevare ed azionare meccanismi.

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Nella centrale termoelettrica il vapore entra nella turbina e trascina i rotazione l’alternatore , che genera la corrente. Il vapore passa nel condensatore dove viene convertito in acqua che viene poi iniettata nel sottosuolo per rifornire le falde acquifere. Prima di essere condensato nel condensatore o nella torre di refrigerazione, il vapore può essere usato per il riscaldamento di case vicine alla centrale o per le serre.

  Nelle centrali elettriche alimentate a carbone fossile, il combustibile viene polverizzato, brucia, mescolato ad aria preriscaldata e iniettato nella camera di combustione di una caldaia che contiene tubi in cui scorre l’acqua.La camera di combustione, o focolare, è la struttura più grande della centrale.Le pareti interne sono rivestite da una serie di tubi a serpentina (che si sviluppano per un totale in diversi chilometri) nei quali scorre acqua che raggiunge il massimo calore possibile con il calore che si sviluppa dalla combustione e si trasforma in vapore surriscaldato ed ad alta pressione. Un impianto di depurazione filtra i gas di scarico in modo da trattenere la maggior quantità possibile di ceneri prima d disperderli nell’atmosfera, attraverso una ciminiera Nelle centrali moderne, gli impianti di depurazione sono progettati ponendo particolare cura all’estrazione delle scorie che contengono zolfo perchè molto nocive per l’ ambiente .

 Il vapore generato dalla caldaia viene inviato a una turbina che trasforma l’energia termica in energia meccanica.Il vapore che ha mosso la turbina e dalla quale esce viene condensato e rimandato nella tubazione della caldaia.La condensazione del vapore richiede grandi quantità di acqua di raffreddamento ( circa 230000 m3

l’ora)che può essere prelevata da un fiume o da un lago vicini alla centrale e può essere riciclata.Il riciclaggio viene operato nelle torri di raffreddamento che disperdono nell’atmosfera il vapore residuo ma richiedono una quantità d’acqua per sopperire a quella persa per evaporazione.

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Turbina Francis:Viene usata nelle centrali di media montagna. La ruota funziona completamente immersa nell’acqua. La turbina Francis è ad asse verticale.

Girante e distributoreLa girante è una ruota d’ acciaio con molte pale; al centro c’è il mozzo per il collegamento all’ alternatore.Turbina Kaplan:

Viene usata nelle centrali fluviali costruite nelle zone pianeggianti, dove il fiume viene sbarrato con una diga e funziona con un salto d’ acqua anche molto piccolo. GiranteE’ formata da un grosso supporto a forma di fungo, con un mozzo centrale dove sono inserite da 4 a 8 pale, per ottenere il massimo rendimento.

Turbina Pelton:è usata nelle centrali di alta montagna, dove si possono sfruttare grandi salti d’ acqua. Non è immersa nell’ acqua ed ha una turbina ad asse verticale.

Distributore

Nelle centrali termoelettriche moderne, alle turbine a vapore o a gas sono collegati direttamente i rotori dei generatori elettrici, gli alternatori , che trasformano in energia elettrica quella meccanica, prodotta dalle turbine.

La turbina è una macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l’ energia cinetica di un fluido in movimento.

L’elemento essenziale è la girante, o rotore, che può essere costituita da un’ elica o da una ruota dotata di alette o pale variamente sagomate che vengono mosse da getti d’ acqua.

Il distributore è un organo fisso da cui l’ acqua esce a forte velocità;

L’energia meccanica acquisita dalla girante viene trasmessa a un albero motore utilizzato per azionare una qualsiasi macchina, un compressore, un generatore elettrico, o un’ elica.

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Le centrali idroelettriche sono state il primo genere di impianto a essere progettate per la produzione di energia elettrica a livello industriale.

L’ energia primaria può provenire dal flusso di un corso d’ acqua (centrali ad acqua fluente) o dal salto che l’ acqua, accumulata in un bacino naturale compie (centrale a serbatoio).Sempre, prima di arrivare alla centrale, l’acqua viene fatta passare attraverso una diga di sbarramento, che crea un salto di diversa dimensione a seconda delle condizioni ambientali.La turbina installata nella centrale e che effettua la conversione dell’energia idraulica in meccanica, dipende dal tipo di centrale.

Numerose istallazioni sono comuni alle centrali idroelettriche, per convogliare e controllare il movimento dell’ acqua e sono:

canali di presa condotte forzate camere di carico o di scarico apparecchi di controllo della rapidità di flusso e della portata idrica

La centrale idroelettrica, collegata ad una diga sul fiume sul quale è stata costruita, ne utilizza la forza e la portata d’acqua.

Nel 1963 fu ultimata la costruzione della diga del Vajont, che avrebbe dovuto sostenere una centrale idro-elettrica per la produzione di 150 Mw di elettricità. Le perizie geologiche erano contrastanti: una parte del bacino che sarebbe stato formato con la diga, sul monte Toc, chiamato così dalle popolazioni locali perché soggetto a frane non dava garanzie di sicurezza.Facendo prove d’ invaso, cioè riempiendo e svuotando la diga, si aprì una frana che cadendo nel bacino sollevò un’ onda gigantesca (50 milioni di m3

d’acqua) che cancellò due paesi dalle carte geografiche e la morte di circa 2200 persone.

Diga del Vajont

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La centrale campo a specchi o eliostati , permette di ottenere con il sole temperature di circa 500 gradi , che scaldano l’acqua di una caldaia per produrre vapore .In Sicilia , ne è stata costruita una nel 1980.La centrale è formata da tre parti principali:il campo a specchila torre con la caldaial’ edificio della centrale

È una superficie molto ampia in cui sono stati installati centinaia di eliòstati, cioè grandi pannelli rivestiti di specchi piani.Ogni eliòstato è regolato da un meccanismo di puntamento, comandato da un calcolatore, per seguire il sole e riflettere il massimo del calore alla caldaia.

Campo a specchi

È un traliccio alto anche 100 m, alla cui sommità è installata una caldaia dove circola l’ acqua da trasformare in vapore

Torre con caldaia

È l’edificio che contiene la turbina a vapore accoppiata con l’alternatore per produrre energia meccanica - elettrica

Centrale

Ogni eliòstato viene puntato contro il sole , in modo che ne rifletta il calore e la luce esattamente sulla caldaia .Il calore concentrato porta l’acqua contenuta nella caldaia a temperature elevate da 400 a 500 C° e la fa evaporare.

Il vapore inviato nella turbina accoppiata con l’alternatore, genera corrente elettrica che, tramite linee di alta tensione verrà portata alla distribuzione.

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Il teleriscaldamento è un sistema di produzione del calore prodotto nei termoutilizzatori o in altri tipi di centrali di cogenerazione.

Con il teleriscaldamento: si limita il prelievo di fonti energetiche non rinnovabili (petrolio, carbone) si sostituiscono caldaie vecchie spesso poco sicure e non efficienti si riduce l’inquinamento dell’aria

La termovalorizzazione è il processo che allo stesso tempo permette di:

smaltire i rifiuti produrre energia elettrica recuperare calore.

Il calore può essere usato per le industrie o distribuito, dopo avere riscaldato l’acqua, attraverso reti di riscaldamento a distanza

La termovalorizzazione è possibile mediante i termoutilizzatori, gli inceneritori che garantiscono:

elevate rese energetiche riduzione delle emissioni gassose limitato impatto ambientale.

Cogenerazione == produzione combinata di elettricità e calore .

L’ uso di questo calore può avvenire nell’ industria siderurgica, cartaria, per il teleriscaldamento domestico, per usi igienico – sanitari

Il teleriscaldamento è possibile sfruttando una rete di tubature sotterranee.

Attraverso canalizzazioni progettate e realizzate a tale scopo, il vapore raggiunge abitazioni, negozi, scuole, uffici ecc. dove viene sfruttato per usi domestici sostituendosi alle tradizionali caldaie a metano o a gasolio

Con questo metodo si distribuisce acqua calda o vapore nelle case.

È una soluzione nuova impiegata a Parigi, Monaco, Copenaghen.

In Italia esistono diversi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento a Brescia, Como, Modena, Reggio Emilia, ecc.

Cogenerazione e teleriscaldamento sono applicabili alle centrali termoelettriche a carbone,a centrali con impianti termoelettrici a metano che possono servire per riscaldare anche pochi quartieri abitati.

Bruciando rifiuti si ottiene energia

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Il consumo e la produzione di energia hanno un impatto importante sull’ ambiente,contribuiscono agli squilibri del clima e alla distruzione degli ecosistemi, con effetti sulla salute umana.

I consumi di energia sono in progressivo aumento.L’ Agenzia Internazionale dell’ Energia (IEA) sostiene che fino al 2030 la richiesta di energia nel mondo aumenterà dell’1,7% ogni anno.Se le politiche energetiche non si orienteranno rapidamente verso l’utilizzo di energie rinnovabili, piuttosto che verso i combustibili fossili (come il petrolio e il carbone ), si prevede che le emissioni di inquinanti come l’anidride carbonica aumenteranno significativamente e dall’1,8% raggiungeranno i 38 miliardi di tonnellate entro il 2030.

I maggiori responsabili di questo aumento dei consumi sono i trasporti anche se il consumo di elettricità ha un peso significativo perché si utilizzano sempre più apparecchiature che, per funzionare, dipendono dall’energia elettrica.

Trasporti:potenziare i trasporti pubblici, usare meno l’automobile e controllarne l’efficienza (motore, pneumatici, stile di guida)

Impianti termici: isolare muri, solai, controllare i serramenti, inserire doppi vetri, regolare ragionevolmente il termostato, far controllare, secondo norma, periodicamente la caldaia e le apparecchiature elettriche.

Elettrodomestici:scegliere la classe (A, AA) o modelli a basso consumo energetico con il Marchio Italiano di Qualita’. Forniscono garanzie sull’uso ridotto nel consumo elettrico se usati seguendo i consigli del produttore che rimanda alle normative europee.

Illuminazione:preferire lampade fluorescente o a “risparmio energetico” a lampade ad incandescenza o alogene

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Le macchine a vapore forniscono lavoro sfruttando il movimento alternativo di uno stantuffo che si sposta all’interno di in cilindro nel quale si espande il vapore surriscaldato.L’importanza storica della macchina a vapore è enorme in quanto la rivoluzione industriale fu possibile solo grazie all’invenzione che fornì il primo metodo per produrre energia indipendentemente dalla disponibilità di venti e corsi d’acqua.Oggi è utilizzata raramente.

Nella caldaia il vapore entra nel cilindro attraverso una valvola di immissione che si chiude per aumentare la pressione dello stantuffo che attraversa il cilindro.Viene aperta una valvola che provoca la fuoriuscita del vapore mentre viene riaperta quella di immissione che spinge all’interno altro vaporeAlla fine il vapore rimasto viene compresso in attesa dell’inserimento di altro vapore> il moto alternativo dello stantuffo e` convertito in rotatorio con un albero a gomiti azionato da un sistema di biella / manovella.

La macchina a vapore è stata `pensata` dal tecnico inglese Newcomen che nel 1705 scoprì la forza del vapore e applicò la sua invenzione ad una macchina che venne poi perfezionata da Watt.Nel tempo questa invenzione fu usata per scopi industriali nel settore tessile e per muovere i primi veicoli a vapore: dal battello alle locomotive.

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Energia solare: energia raggiante prodotta nel sole per effetto di reazioni nucleari e` trasmessa alla terra sotto forma di radiazioni elettromagnetiche .La fotosintesi consente lo sviluppo della vita vegetale, del ciclo dell’acqua cui sono associate le precipitazioni e della circolazione dei venti.L’energia solare accumulata negli oceani dà luogo a variazioni di temperatura, a venti che possono essere sfruttati per produrre energia meccanica trasformabile in elettricità.

   I COLLETORI A PANNELLOPer sfruttare la radiazione solare si ricorre a impianti a pannelli solari, o collettori solari.L’ energia ottenuta può essere usata sottoforma di calore per riscaldare un gas o un fluido.Esistono due tipi fondamentali di collettori: a pannello e a concentrazione.

Energia solareAlcuni sistemi a energia solare prevedono che le strutture degli edifici vengano progettate in modo da sfruttare l’energia raccolta sia per il riscaldamento che per il raffreddamento. Nel progetto di questa casa uno "spazio solare" funge da collettore di calore in inverno (con gli schermi solari aperti) e da intercapedine in estate (a schermi chiusi). Le cisterne d’acqua servono a incamerare durante il giorno il calore necessario durante la notte.

I pannelli solari vengono installati sul tetto degli edifici.

Un pannello solare è composto da una superficie metallica che si riscalda per effetto della radiazione solare; il calore e` ceduto a un liquido termovettore che circola in una serpentina e successivamente trasferito al sistema utilizzatore, ad esempio l’ acqua dell’ impianto di riscaldamento domestico.I collettori a pannello sono in grado di riscaldare i fluidi fino a circa 80 C.

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La centrale geotermica sfrutta l’energia cinetica del vapore intrappolato nel sottosuolo ed e`costruita su un` area detta AREA GEOTERMICA.Il getto di vapore che esce dal sottosuolo viene inviato nella centrale per mezzo di vapordotti. Nella centrale ci sono le turbine a vapore collegate ad un generatore di corrente. All` esterno vi sono> il condensatore, i trasformatori e la torre di refrigerazione .

E` un territorio particolare situato in una zona di origine vulcanica o soggetta a fenomeni sismici. Nel sottosuolo esistono rocce calde abbastanza vicine alla superficie e, sopra di esse, due strati di roccia impermeabili che racchiudono uno strato di terra permeabile: qui filtra e si deposita l’acqua piovana. ln questa caldaia naturale le rocce riscaldano l’acqua fino a trasformarla in vapore. Con trivellazioni profonde dai mille ai tremila metri si porta in superficie il vapore la cui fuoriuscita e` controllata da apposite valvole.

Sono tubature che portano il vapore dal luogo di estrazione fino alla centrale.Ogni segmento di tubo è lungo circa qualche chilometro,L’andamento a zig-zag è reso necessario dalla dilatazione termica dei tubi dove scorre il vapore con temperatura compresa tra i 150 e i 260C°.

È un edificio con una zona dove il vapore entra nella turbina e trascina in rotazione l’ alternatore che genera la corrente.Il vapore passa per il condensatore dove viene convertito in acqua che poi viene iniettata nel sottosuolo per rifornire la falda acquifera.

Nelle centrali termoelettriche e geotermiche e` una torre di cemento alta anche circa 100 m. che serve per raffreddare l’acqua proveniente dal condensatore evitando così l’inquinamento termico dei fiumi.L’interno della torre è cavo e nelle fondamenta sono presenti delle aperture per assicurare meglio la circolazione dell’ aria. L’acqua calda arriva alla torre attraverso una tubatura e viene distribuita in tubazioni secondarie, con molti fori, che la fanno cadere a pioggia dall’altezza di 12 m. raffreddandola.

Il vapore acqueo, satura l’interno della torre e comincia a salire, creando una forte corrente ascensionale.L’aria esterna più fredda, viene aspirata alla base della torre, incontra il vapore acqueo e ne abbassa la temperatura a 25 C’.L’acqua raffreddata dal serbatoio esce nella torre per ritornare nell’ ambiente.Si origina in questo caso una forma di inquinamento termico a causa del calore ceduto all' atmosfera tramite il vapore che viene immesso.

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L’energia nucleare tiene unita la parte interna dell’atomo cioè il nucleo.Per ricavare energia dal nucleo dell’ atomo esistono due procedimenti per > fissione (= DIVISIONE) di un nucleo dell’ uranio fusione (=UNIONE) di nuclei leggeri dell’ idrogeno (= SOLE).

LA FISSIONE DELL’ URANIO

L’ uranio 235 è uno degli elementi più pesanti esistenti in natura.Un neutrone “ sparato” contro il nucleo lo divide in frammenti e libera altri due neutroni.La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni è leggermene minore della massa del nucleo di uranio di partenza perchè nella reazione si è sviluppata una grande quantità di calore e si è generata una reazione a catena.

Cilindri di uranio

Edificio con il reattore L’ edificio è un enorme cilindro di cemento armato.Il reattore collocato al centro è un cilindro di acciaio inossidabile. All’ interno del reattore si trova il “nocciolo”, cioè l’ insieme degli elementi di combustibile contenenti l’ uranio e le barre di controllo per regolare la reazione a catena della fissione atomica.

Sala macchineÈ simile a quella di una centrale termica con una turbina a vapore accoppiata a un alternatore con varia potenza.

Nel reattore viene pompata dal basso l’acqua che filtrando attraverso il combustibile di uranio 235 assorbe il calore emesso dalla fissione e si trasforma in vapore. Questo viene inviato direttamente nella turbina che trasferisce la propria forza meccanica all’alternatore che genera corrente.Il vapore che ha azionato la turbina è inviato ad un condensatore e, ad una temperatura inferiore, ritorna al nocciolo del reattore.

Le centrali elettronucleari sospendono la produzione di energia una volta l’anno: il reattore viene fermato, si apre la calotta per estrarre gli elementi di combustibile “esauriti” Questi sono altamente radioattivi e vengono conservati per 3-5 mesi in appositi contenitori e trasferiti poi nei più vicini impianti di ritrattamento.

Condensatore

Tuttavia questi sistemi non sono del tutto sicuri : i materiali sepolti possono liberare radioattività in seguito ad eventi naturali, come terremoti. Ancora oggi non è stata trovata una soluzione soddisfacente al problema e grandi quantità di scorie nucleari si accumulano in determinate zone della Terra, in attesa di una soluzione riguardo allo smaltimento definitiva.

Gli impianti di rigenerazione estraggono il plutonio. Ogni anno si producono molte tonnellate di materiali di scarto dette scorie radioattive.

Sono sostanze solide o liquide non più utilizzabili, ma ancora radioattive, che devono essere collocate in luoghi sicuri .

In passato si preparavano dei contenitori a tenuta stagna e si affondavano negli oceani oppure le scorie venivano affondate nel terreno a grande profondità, in cave di sale o miniere.

La scoperta dell’ energia da fissione suscitò, a partire dagli anni 50 entusiasmo.I paesi industrializzati impegnarono ingenti capitali nella costruzione di centrali elettronucleari ma ben presto considerando i rischi presenti e futuri derivanti dall’ utilizzazione di questa energia si mise un freno all`utilizzo dell’energia atomica.

I rischi principali derivano dalla radioattività diffusa intorno agli impianti, dai fluidi contaminati dalla radiazioni che periodicamente devono essere sostituiti e da eventuali incidenti dovuti a cause tecniche come già accaduto nella centrale di Chernobyl.

Chernobyl

Nube

di Chernobyl

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IL protocollo di Kyoto, firmato nel 1997 da 178 paesi, prevede una riduzione mondiale delle emissioni dei gas responsabili dei cambiamenti climatici.Perché il protocollo entri in vigore è necessaria la ratifica da parte della maggioranza dei Paesi aderenti ma ancora oggi non tutti rispettano l’ accordo.

L’applicazione del protocollo di Kyoto, è l’obiettivo minimo per affrontare a livello mondiale il problema dell’inquinamento dell’aria.

L’obiettivo per l’ Italia è la diminuzioni del 6,5% delle emissioni entro il 2050.

Dal 1990 al 1999 il nostro Paese ha aumentato del 5,4% le emissioni di gas a effetto serra. Se continuerà in questo modo, le emissioni nel 2010 raggiungeranno i 615 milioni di tonnellate di anidride carbonica mentre bisognerebbe ridurle di almeno 100 milioni.

In Italia il traffico stradale contribuisce per il 24% all’apporto complessivo di gas serra. Indice

Secondo il WWF è necessario mettere in discussione il modello consumistico dei Paesi ricchi che consumano l’ 80% dell’ energia della terra con un utilizzo smodato dei combustibili fossili che contribuiscono ad incrementare l’ effetto serra naturale. E’ necessario attuare, a livello globale e nazionale, strategie di attività coerenti per:

diminuire le emissioni dei gas nell’ atmosfera ridurre la dipendenza del petrolio sviluppare le fonti di energia rinnovabili migliorare l’ efficienza energetica innovare il sistema dei trasporti

Ritiene prioritari questi obbiettivi:

l’ economia fondata sull’uso dell’ energia solare e sull’ uso dell’ idrogeno lo sviluppo dell’ energia eolica la stabilizzazione dei consumi energetici il potenziamento delle centrali a metano a ciclo combinato e con cogenerazione di elettricità e calore l’ utilizzo delle fonti rinnovabili di energia.

Indice

Indice Mappa

www.isit100 .it

www.acquapotabile.it

www.premioambiente.it

www.wikipedia.it

G.Paci “Il mondo della tecnica” Zanichelli

AAVV. “Prospettive “G. D’Anna.

E.N.E.A._ Sviluppo Sostenibile

T.C.I.”Intorno al mondo”

Omnia 2002- De Agostini Multimedia