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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.

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1 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.

2 Unità di misura Dalla definizione data si evince che lenergia 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 unidea pratica facciamo alcuni esempi: - 1J energia necessaria per sollevare di 10 cm un pacco di massa 1 kg J energia consumata da un uomo quando cammina per 5 m J energia necessaria per riscaldare 1 l di acqua da 0 a 100°C J energia necessaria a unautomobile media per percorrere 100 km in autostrada. Il S.I. di misure prevede i seguenti multipli del J : - chilojoule: 1kJ = 10 3 J - megajoule: 1MJ = 10 6 J - gigajoule: 1GJ = 10 9 J - terajoule: 1TJ = J - pentajoule: 1PJ = J - exajoule: 1EJ = J

3 Unaltra 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 unaltra 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 unaltra unità di misura, il kWh: Questultima definizione può ingenerare confusione tra il concetto di energia e quello di potenza. Essendo E = P t lenergia 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 = = 1.8 kWh (è quella che si paga).

4 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 kJ di energia termica ovvero ca kcal (44800/4.187). 1 ton = 1000 kg 1 tep = kJ = 44.8 GJ ( 10 9 / ) = kWh 1 tep = kcal Bruciando 1 kg di carbone si ottengono ca kJ di energia termica, cioè ca kcal: 1 tep = 1.5 tec 1 tec = 29.3 GJ = 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/m 3 = kg/dm 3 1 barile = = 136 kg lequivalenza energetica sarà: 1 barile = t = 6.1 GJ = kWh = kcal

5 Esempio Il fabbisogno energetico annuo di una regione di media grandezza è di ca GWh; esprimerlo in tep, in tec e valutare il n° di barili di petrolio necessari. ___ _ ___ _ ___ E = 2000 GWh = kWh = / = tep E = = tec N° barili = / = In questi giorni 1 barile di petrolio costa ca. 55$, perciò il costo energetico annuo della regione in esame è di ca $ = ( $ ).

6 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

7 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.

8 PRODUZIONE DI ENERGIA IN ALCUNI PAESI EUROPEI Dati 2004 GermaniaSpagnaFranciaItaliaAustriaPoloniaRegno Un Carbone Petrolio Gas Nucleare Idroelettrica Rinnovabile Altre fonti convenz

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10 Totali in Europa Carburanti solidi 29.5% Petrolio 4.5% Gas 19.9% Nucleare 31% Rinnovabili 13.7% Altro 1.4%

11 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 MW, con picchi di ca 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 lenergia 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.

12 Schema semplificato di un impianto a vapore

13 Energia nucleare Reazioni nucleari: fissione si ottiene bombardando luranio 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 lidrogeno a più di 100 milioni di gradi per almeno 1 secondo: non si è ancora riusciti a farlo. Sarebbe unottima soluzione perché questo metodo, oltre a non produrre scorie, utilizza l H che è lelemento più diffuso sulla Terra. Con la fissione di 1 kg di 235 U si producono 24 milioni di kWh di energia. 1 kg di 235 U equivale energeticamente a ca t di carbone.

14 Energia idraulica È una delle più antiche fonti di energia utilizzate dalluomo. Sfrutta il dislivello altimetrico tra la quota alla quale si trovano grandi masse di acqua e il punto in cui si vuole ottenere energia. Lacqua si lascia cadere in una condotta forzata dove avviene la trasformazione di energia potenziale in energia di pressione e cinetica. In fondo alla condotta cè una turbina che trasforma lenergia posseduta dal liquido in energia meccanica sullasse. Sullo stesso asse della turbina è collegato un alternatore che trasforma lenergia 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, lacqua viene riportata nellinvaso tramite pompe oppure dalla stessa turbina costruita per funzionare nei due sensi. Il generatore di corrente può essere invertito per funzionare da motore.

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17 Energia solare L energia solare viene tecnologicamente sfruttata secondo due modalità: 1. trasformazione dellenergia 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.

18 2. trasformazione dellenergia irraggiata in elettricità mediante celle a semiconduttori: effetto fotovoltaico.

19 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 linstallazione di una centrale eolica, è necessario che il vento soffi ad una velocità > di 4-5 m/s per almeno 2000 ore allanno. Windfarm fattoria del vento

20 NellEuropa 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 dEuropa. Si prevede di poter ottenere MW eolici entro il 2010 nellU.E. ; con tale potenza si fornirebbe elettricità a circa 86 milioni di cittadini.

21 Energia geotermica È lenergia che proviene dal calore endogeno della Terra. Si ritiene che il nucleo terrestre sia sottoposto a pressioni di ca kbar = 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 laumentare della pressione, aumenta anche la temperatura di ebollizione dellacqua; ad esempio, a 500 m di profondità la pressione vale ca. 50 bar e lacqua bolle a 263°C: ciò vuol dire che nel sottosuolo lacqua si mantiene liquida anche ad elevate temperature. Se in questo punto si scava un pozzo, la diminuzione di pressione fa vaporizzare lacqua che esce sottoforma di vapore. A Larderello si arriva a 1500m di profondità dove la temperatura dellacqua è di oltre 300°C. La potenza di questa centrale supera i 400 MW.

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23 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 km 3 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. Linconveniente più grave è la sua non trasportabilità.

24 Energia dal mare Dal mare si può ottenere energia in tre modi diversi: 1. Tecnologia OTEC ( Ocean Thermal Energy Conversion ) Consiste nellestrarre, con apposite pompe di calore, lenergia 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 TWh annui. È sfruttabile solo se il dislivello fra alta e bassa marea è > 3m. L acqua è raccolta in un bacino di alcuni km 2 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.

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26 Con lalta marea la corrente viaggia in direzione del bacino ( verso la baia ). Con la bassa marea il bacino si svuota e lacqua mette in rotazione la turbina.

27 3. Moto ondoso È dovuto allazione 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.

28 Energia dalle biomasse La biomassa è una materia prima rinnovabile che fornisce alluomo 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 lemissione di 43 Mt di CO 2 nellatmosfera. Processi termochimici più comuni delle biomasse: - Carbonizzazione: a t > 200°C la biomassa perde lumidità e le sostanze volatili, si arricchisce di carbonio; - Pirolisi: a temperature 400 < t < 800°C in assenza di O 2 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 O 2, si ottiene un gas povero (gas di gasogeno) che può essere utilizzato direttamente come combustibile oppure può servire per produrre metanolo (alcool metilico CH 3 OH). Da colture quali colza, soia, girasole, si possono ottenere oli vegetali che col metanolo danno luogo al biodeisel: 100 kg olio veget kg metanolo 100 kg metilestere + 11 kg glicerina Il metilestere è noto come biodiesel che può sostituire il gasolio.

29 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.


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