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TECNOLOGIA: Acqua ed energia. Le invenzioni delluomo: le tecnologie del passato e le tecnologie odierne impiegate per produrre energia elettrica. Applicazioni,

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1 TECNOLOGIA: Acqua ed energia. Le invenzioni delluomo: 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 3 a D Mappa

2 L energia L energia Pag. 3 Le fonti di energia e lo schema Le fonti di energia e lo schema I grafici (acqua / energia) I grafici (acqua / energia) Le ruote e il mulino ad acqua Le ruote e il mulino ad acqua La centrale termoelettrica La centrale termoelettrica I tipi di turbine I tipi di turbine La centrale idroelettrica La centrale idroelettrica Il campo a specchi Il campo a specchi Il teleriscaldamento Il teleriscaldamento Stop agli sprechi Stop agli sprechi La macchina a vapore La macchina a vapore I pannelli solari I pannelli solari La centrale geotermica La centrale geotermica La centrale nucleare La centrale nucleare Gli accordi internazionali Gli accordi internazionali 44 Il WWF Il WWF 45 La bibliografia e sitografia La bibliografia e sitografia 46

3 Oltre allenergia fornita dai raggi del sole, luomo ha imparato a sfruttare anche il vento, lacqua 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. Indice

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5 Fonti rinnovabili Acqua Vento Maree Geotermia Biomassa Fonti non rinnovabili Combustibili fossili Petrolio Metallo Carbone Reazioni nucleari Sole Indice

6 Impiego acqua: distribuzione in % dell acqua prelevata per settore Indice

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

8 Offerta di energia primaria nel mondo. (fonte: IEA Renewables Information 2003) Indice

9 La ruota E 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 Funziona con la forza dell energia cinetica dellacqua e del peso dell acqua in caduta. Ruote ad acqua I mulini sorgono sulle rive dei fiumi, dove esiste un dislivello d acqua: un canale artificiale convoglia lacqua sulla ruota a pale che cattura lenergia naturale e acquista forza rotatoria.

10 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. Indice

11 Nella centrale termoelettrica il vapore entra nella turbina e trascina i rotazione lalternatore, 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.

12 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 lacqua. 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 nellatmosfera, attraverso una ciminiera Nelle centrali moderne, gli impianti di depurazione sono progettati ponendo particolare cura allestrazione delle scorie che contengono zolfo perchè molto nocive per l ambiente.

13 Il vapore generato dalla caldaia viene inviato a una turbina che trasforma lenergia 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 m 3 lora)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 nellatmosfera il vapore residuo ma richiedono una quantità dacqua per sopperire a quella persa per evaporazione. Indice

14 Turbina Francis: Viene usata nelle centrali di media montagna. La ruota funziona completamente immersa nellacqua. La turbina Francis è ad asse verticale. Girante e distributore La girante è una ruota d acciaio con molte pale; al centro cè 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. Girante E 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

15 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.

16 La turbina è una macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l energia cinetica di un fluido in movimento. Lelemento 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; Lenergia meccanica acquisita dalla girante viene trasmessa a un albero motore utilizzato per azionare una qualsiasi macchina, un compressore, un generatore elettrico, o un elica. Indice

17 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, lacqua 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 dellenergia idraulica in meccanica, dipende dal tipo di centrale.

18 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

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

20 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 m 3 dacqua) che cancellò due paesi dalle carte geografiche e la morte di circa 2200 persone. Diga del Vajont Indice

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

22 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 ledificio che contiene la turbina a vapore accoppiata con lalternatore per produrre energia meccanica - elettrica Centrale

23 Ogni eliòstato viene puntato contro il sole, in modo che ne rifletta il calore e la luce esattamente sulla caldaia. Il calore concentrato porta lacqua contenuta nella caldaia a temperature elevate da 400 a 500 C° e la fa evaporare. Il vapore inviato nella turbina accoppiata con lalternatore, genera corrente elettrica che, tramite linee di alta tensione verrà portata alla distribuzione. Indice

24 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 linquinamento dellaria

25 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 lacqua, 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.

26 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 Indice

27 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 dell1,7% ogni anno. Se le politiche energetiche non si orienteranno rapidamente verso lutilizzo di energie rinnovabili, piuttosto che verso i combustibili fossili (come il petrolio e il carbone ), si prevede che le emissioni di inquinanti come lanidride carbonica aumenteranno significativamente e dall1,8% raggiungeranno i 38 miliardi di tonnellate entro il 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 dallenergia elettrica.

28 Trasporti: potenziare i trasporti pubblici, usare meno lautomobile e controllarne lefficienza (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 sulluso 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 Indice

29 Le macchine a vapore forniscono lavoro sfruttando il movimento alternativo di uno stantuffo che si sposta allinterno di in cilindro nel quale si espande il vapore surriscaldato. Limportanza storica della macchina a vapore è enorme in quanto la rivoluzione industriale fu possibile solo grazie allinvenzione che fornì il primo metodo per produrre energia indipendentemente dalla disponibilità di venti e corsi dacqua. Oggi è utilizzata raramente.

30 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 allinterno altro vapore Alla fine il vapore rimasto viene compresso in attesa dellinserimento 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. Indice

31 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 dellacqua cui sono associate le precipitazioni e della circolazione dei venti. Lenergia 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 PANNELLO Per 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.

32 Energia solare Alcuni sistemi a energia solare prevedono che le strutture degli edifici vengano progettate in modo da sfruttare lenergia 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 dacqua servono a incamerare durante il giorno il calore necessario durante la notte.

33 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. Indice

34 La centrale geotermica sfrutta lenergia 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 lacqua piovana. ln questa caldaia naturale le rocce riscaldano lacqua 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.

35 S ono tubature che portano il vapore dal luogo di estrazione fino alla centrale. Ogni segmento di tubo è lungo circa qualche chilometro, Landamento 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.

36 Nelle centrali termoelettriche e geotermiche e` una torre di cemento alta anche circa 100 m. che serve per raffreddare lacqua proveniente dal condensatore evitando così linquinamento termico dei fiumi. Linterno della torre è cavo e nelle fondamenta sono presenti delle aperture per assicurare meglio la circolazione dell aria. Lacqua calda arriva alla torre attraverso una tubatura e viene distribuita in tubazioni secondarie, con molti fori, che la fanno cadere a pioggia dallaltezza di 12 m. raffreddandola. Il vapore acqueo, satura linterno della torre e comincia a salire, creando una forte corrente ascensionale. Laria esterna più fredda, viene aspirata alla base della torre, incontra il vapore acqueo e ne abbassa la temperatura a 25 C. Lacqua 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. Indice

37 Lenergia nucleare tiene unita la parte interna dellatomo 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

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39 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 macchine È simile a quella di una centrale termica con una turbina a vapore accoppiata a un alternatore con varia potenza.

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41 Nel reattore viene pompata dal basso lacqua 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 allalternatore 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 lanno: 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

42 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.

43 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 dellenergia 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 Indice

44 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. Lapplicazione del protocollo di Kyoto, è lobiettivo minimo per affrontare a livello mondiale il problema dellinquinamento dellaria. Lobiettivo per l Italia è la diminuzioni del 6,5% delle emissioni entro il 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% allapporto complessivo di gas serra. Indice

45 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 sulluso 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

46 Mappa G.Paci Il mondo della tecnica Zanichelli AAVV. Prospettive G. DAnna. E.N.E.A._ Sviluppo Sostenibile T.C.I.Intorno al mondo Omnia De Agostini Multimedia


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