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TECNOLOGIA e SCIENZE: Le invenzioni dell’uomo.

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1 TECNOLOGIA e SCIENZE: Le invenzioni dell’uomo.
Classe 3a B TECNOLOGIA e SCIENZE: Acqua ed energia. Le invenzioni dell’uomo. Le tecnologie del passato e le tecnologie attuali impiegate per produrre energia elettrica. Aspetti positivi e negativi. Raccolta, analisi e selezione di testi e di immagini per produrre questo lavoro multimediale che è presentato con il CD. Mappa

2 INDICE Glossario Fonti di energia (schema) Mulini ad acqua
Energia dell’acqua Energia solare Turbine Energia nucleare Macchina a vapore Sfruttamento delle maree Geotermia Co-combustione Teleriscaldamento Centrale termoelettrica Inquinamento dell’acqua Bibliografia e sitografia INDICE

3 “… In natura nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma …“
(A. Lavoisier) “ Non esistono energie facili, tutte impongono un prezzo. Il problema non è quello di rinunciare all'energia, ma di consumarla meglio preparando l'alternativa per il futuro “. (Carlo Rubbia) indice

4 Glossario Acqua :elemento indispensabile per la vita. Fonte rinnovabile di energia. Alternatore: è un generatore di corrente elettrica che con la sua forza magnetica spinge gli elettroni di una bobina e si crea corrente elettrica. Ambiente: insieme di condizioni naturali, fisiche, chimiche e biologiche che si presentano all’interno di uno spazio definito. Atomo; elemento base, unità della materia. Biomassa : energia fornita dalla decomposizione di sostanze organiche: biogas, metano. Centrale a specchi solari: centrale che sfrutta il calore del sole per vaporizzare l’acqua in una caldaia e produrre poi energia elettrica. Centrale geotermica: impianto che sfrutta l’energia cinetica di un getto di vapore che esce dalla terra per produrre energia elettrica.

5 Centrale idroelettrica: impianto che sfrutta energia cinetica dell’acqua per produrre energia elettrica. Centrale termoelettrica: impianto in cui si brucia un combustibile per produrre vapore utilizzato per creare energia elettrica. Combustione: processo di combustione contemporanea di combustibili diversi tra loro miscelati per produrre calore, energia Dipendenza energetica: è la quantità di energia importata, che un paese consuma (es. petrolio, metano) Effetto serra: fenomeno fisico causato da gas prodotti dalle attività dell’uomo che provoca mutamenti climatici. Energia: capacità di un corpo, di un sistema di produrre effetti esterni ad esso, un lavoro (attrito, moto, calore …) Energia idraulica: deriva dall’energia potenziale e cinetica posseduta dall’acqua. Energia mareomotrice: è sfruttato il calore dell’acqua dei mari caldi o il moto delle onde o il movimento delle maree per produrre energia elettrica.

6 Fabbisogno energetico: quantità di energia necessaria in un dato ambito (industria, Stato,..)
Fonti di energia: sostanze dalle quali è prodotta direttamente o dopo trasformazione energia utile. Greenpeace: associazione ambientalista impegnata per la tutela dei mari, per la salvaguardia dell’ecosistema, contro l'uso dell'energia nucleare e il controllo del trasporto-stoccaggio dei rifiuti tossici. Impatto ambientale: effetti che una industria, centrale, strada,ecc. produce sul territorio provocando alterazioni di componenti dell’ambiente. Inquinamento: immissione provocate dalle attività dell’uomo nell’aria, nell’acqua o nel terreno di sostanze nocive per l’uomo stesso e\o per l’ambiente. Legambiente : associazione ambientalista che promuove campagne di sensibilizzazione e di monitoraggio dello stato delle acque e dell’ambiente. Qualità ambientale: valore di un bene, di un’area o di un elemento ambientale prima dell’introduzione di un’attività. .

7 Reattore nucleare: struttura in cui avviene e si mantiene una reazione di fissione atomica controllata. Rifiuti radioattivi: materiali prodotti o utilizzati nell’impiego pacifico dell’energia nucleare Risparmio energetico: strategie prese da produttori e consumatori di energia per limitare consumi e sprechi. Teleriscaldamento: riscaldamento di una città o di un quartiere che utilizza a distanza il calore prodotto da un’industria o una centrale termoelettrica. Trasformatore : è una macchina elettrica senza parti in movimento che modifica i valori della corrente elettrica. Turbina: è una macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l’energia cinetica dell’acqua o del vapore. Uranio: materiale utilizzato per ottenere , durante la fissione, energia termica nelle centrali nucleari WWF: (World Wildlife Fund) fondo mondiale della natura che si batte per l'uso sostenibile delle risorse naturali, contro l'inquinamento e l'uso irrazionale dell'energia e delle risorse. indice

8 combustibili fossili petrolio carbone metano Uranio Acqua sole maree
geotermia vento biomassa Fonti rinnovabili = non inquinanti Fonti esauribili inquinanti indice

9 Consumo mondiale di energia diviso
per aree geografiche Europa 37% America del nord 29% America latina 5% Medio oriente 4% Africa 3%

10 Consumo mondiale di energia
petrolio ,8% metano ,4% idroelettrica ,7% fonti rinnovabili 5,7% nucleare ,5% carbone ,1%

11 Mercato dell'energia in Italia (2004) produzione lorda 300,370
produzione netta ,974 richiesta ,974

12 Offerta di energia per settore di produzione idroelettrica 48,730
termoelettrica ,375 geotermica ,428 eolica ,837 Offerta di energia per settore di produzione indice

13 I mulini ad acqua indice

14 I mulini ad acqua Vite a coclea di Archimede
Il mulino ad acqua fu un'invenzione del bacino orientale del Mediterraneo. Era già noto ma poco usato dai Romani all'epoca di Cristo. Solo nell'alto Medioevo diventa la macchina più utilizzata nelle attività produttive. Il primo documento scritto che ne rileva l'esistenza risale al I sec. A. C. La sua introduzione nella molitura segue l'adozione della macina, documentata dagli scavi di Pompei e di Ostia. Le ruote di questi mulini potevano essere verticali od orizzontali. Presso gli egiziani, i greci e i romani, i mulini erano mossi principalmente da animali, da schiavi, da cittadini poveri, condannati. L'espansione del mulino ad acqua avviene nel corso del Medioevo. Vite a coclea di Archimede

15 Il mulino ad acqua è costituito da una ruota con pale (ruota idraulica) fissata a un albero (asse) e mossa dalla corrente d'acqua che le imprime un movimento rotatorio continuo. Il moto è trasmesso direttamente, o attraverso una serie di ingranaggi, a macine, seghe o altre macchine. Il principio del funzionamento del mulino ad acqua è stato applicato a molte macchine operatrici (pompe, filatoi, magli, ecc.), in grado di utilizzare sia il movimento circolare continuo sia quello rettilineo alternato attraverso l'impiego di alberi a camme e del meccanismo biella-manovella Il mulino per cereali Macina i chicchi per fare la farina. La macchina operatrice è una cassa sospesa su quattro gambe con due macine di pietra, una delle quali riceve il moto dalle due ruote dentate. La ruota fa muovere alberi e ingranaggi, organi di trasmissione e trasmette il movimento alla macina superiore. Un altro strumento, il bossolo, chiude l'occhio della macina inferiore per impedire la caduta del cereale. Pressa a trave Serve per pigiare l’ uva azionando le aste dell’argano si fa girare la vite che fa scendere la trave e schiaccia l’uva. Argano idraulico Serviva per estrarre l’acqua dalle gallerie delle miniere. Il motore è la ruota idraulica con due file di pale orientate in senso opposto; La macchina operatrice è il cilindro dove si avvolge la catena. Azionando le aste che comandano le “chiuse” del serbatoio, il secchio scendeva nel pozzo e risaliva colmo d’acqua.

16 Ruote idrauliche I mulini sorgono sulle rive dei fiumi, nei punti in cui esiste un certo dislivello d'acqua. Uno stretto canale artificiale, detto gora, convoglia l'acqua sulla ruota idraulica. Una saracinesca aumenta o riduce il flusso d' acqua. Le ruote più usate che utilizzavano l’energia dell’acqua erano di due tipi: la prima sfruttava l’energia cinetica dell’acqua. nella seconda l’acqua agiva perché i cassetti della ruota, riempiti d’acqua, scendevano per effetto del peso, provocando un moto rotatorio L’ energia dell'acqua incanalata verso il mulino, mette in movimento una ruota idraulica (motore), costruita in legno, con cerchioni e perni in ferro. Il mugnaio, attraverso uno strumento detto paratoia, regolava l'immissione dell'acqua sulle pale della ruota.

17 Ad asse verticale Ad asse orizzontale
Nei mulini ad acqua più antichi, quelli greci, l'asse era verticale rispetto alla direzione della corrente e l'intera ruota era immersa nell'acqua. Fissato all'albero in rotazione, il disco superiore della macina ruota alla stessa velocità delle pale e, per attrito con un disco fisso, macina il grano. Il mulino greco era di piccole dimensioni e piuttosto lento e lo si usava nelle zone di collina dove le correnti d'acqua erano più forti e imprimevano una rotazione rapida alle pale. Ad asse verticale Le due macine sono costruite in pietra. La loro distanza è regolata dal mugnaio attraverso un dispositivo in legno ad argano a vite. Quella superiore, girando sopra quella inferiore, che è fissa, frantuma il cereale, contenuto in un recipiente di legno, a imbuto, definito tramoggia. Altri due strumenti in legno, detti coppo e cantarella, dirigono il grano verso l‘apertura della macina superiore e ne regolano la caduta. Sfruttando tecniche costruttive più perfezionate le ruote idrauliche furono fissate ad un asse orizzontale. Le più antiche erano alimentate dal basso e sfruttavano il moto della corrente Un sistema di ruote dentate trasferiva il movimento della ruota e del suo asse a una macina. Successivamente si sono costruite ruote idrauliche alimentate dall'alto. La ruota non viene azionata  solo dalla corrente ma anche dal peso dell'acqua in caduta. La potenza di un mulino può essere accresciuta aumentando il diametro della ruota. Ad asse orizzontale indice

18 Energia dell'acqua indice

19 Distribuzione delle acque sulla terra in milioni di Km3
L' ACQUA NEL MONDO... Nel mondo non cambierà la quantità totale d’ acqua, in quanto quando il calore del Sole fa evaporare l’ acqua sulla superficie della Terra, l’ acqua si sposta per ricadere sulla Terra stessa.

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21 ENERGIA IDROELETTRICA
Questa forma di energia, è ottenuta sfruttando la caduta dell’acqua attraverso un dislivello. L’energia idroelettrica è utilizzata quando ci sono le caratteristiche naturali adatte ma la costruzione di impianti idroelettrici produce un notevole impatto sull’ ecosistema. La realizzazione o ristrutturazione delle piccole centrali idroelettriche risponde a esigenze di grande attualità perché lo sfruttamento della risorsa “ acqua” è quello che crea minori danni ambientali. Le turbine si presentano con forma compatta e completamente automatizzate, sono costruite per l’ utilizzo dei generatori e sono di facile installazione. Per garantire la sicurezza i controlli vengono estesi su tutti i componenti: la manutenzione e la produzione di energia è sicura e massima. L' ENERGIA PER IL FUTURO...

22 CENTRALE IDROELETTRICA
Le centrali idroelettriche presentano una diga per creare un bacino d’accumulo o un salto d’acqua lungo un fiume. Sono composte da turbine, generatori e apparecchiature di comando, ma nelle centrali di grande potenza si hanno più gruppi di turbina – alternatore. Le centrali idroelettriche si classificano in base alla collocazione nel territorio in: Alta Caduta Media Caduta Bassa Caduta Condotte forzate

23  Le dighe sono costruite trasversalmente attraverso bacini d’acqua e hanno due scopi: il primo è quello di alzare il livello dell’acqua, il secondo è a creare una riserva d’acqua. Alcune dighe non hanno la capacità di conservare riserve d’acqua inoltre possono includere scarichi, numerose condotte per portare acqua alla centrale elettrica e meccanismi per rimuovere dal bacino il limo. Vi sono sistemi che consentono il passaggio di imbarcazione attraverso la diga. Le dighe

24 Condotte forzate Canale collegato ad una centrale idroelettrica

25 VANTAGGI E SVANTAGGI DI UNA CENTRALE IDROELETTRICA
offrono energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime sfruttano una fonte di energia totalmente rinnovabile o illimitata. con una manovra, chiamata pompaggio, (che consiste nel rimandare l’ acqua nei bacini superiori) si può accumulare energia prodotta dalle altre centrali della rete e per restituirla di giorno nelle ore in cui la domanda di energia, raggiunge il massimo. SVANTAGGI: hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia nell’ impatto visivo ed estetico. il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali, portano ad un cambiamento di microclima locale. portano nel tempo a variazioni nella flora e fauna locale Si depositano solidi di sospensione sul fondo dell’invaso.

26 Diga Vajont indice

27 Energia solare indice

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29 CENTRALE A CAMPO SPECCHI
ENERGIA SOLARE L’energia solare, oltre ad essere pulita è gratuita e quasi illimitata. Oggi si sta cercando di ampliarne l’uso in due settori: Utilizzare l’energia solare per produrre energia termica sia per uso domestico che per uso industriale; Trasformare l’energia solare in elettricità con le centrali solari o i  collettori distribuiti. Questa centrale, permette di ottenere con il sole temperature di circa 500°c, che scaldano l’acqua di una caldaia per produrne vapore. Oggi, la tecnologia del campo specchi è ancora poco appezzata. E’ formata da 3 parti: Campo specchi; Torre con caldaia; L’ edificio della centrale CENTRALE A CAMPO SPECCHI

30 Funzionamento La centrale entra in funzione quando il sole è alto sull’orizzonte e continua a funzionare fino a poche ore dal tramonto. Ogni eliostato è puntato automaticamente verso il sole in modo che rifletta la luce alla caldaia. Il calore prodotto dagli gli specchi, porta l’acqua della caldaia ad una temperatura elevata e questa evapora. Il vapore aziona una turbina-alternatore generando corrente elettrica.

31 Pannelli solari I pannelli solari catturano l'energia che giunge dal Sole sulla Terra perché si utilizzi per produrre acqua calda Una lastra di vetro, posta superiormente all’ assorbitore, protegge i tubicini nei quali passa lo scambiatore di calore ma permette il passaggio dei raggi solari. L’ assorbitore, scaldandosi, emette energia, in forma di radiazione infrarossa: rispetto ad essa il vetro si comporta come se fosse opaco e quindi la trattiene all’ interno il calore, permettendo l’ effetto serra. Un circuito porta il liquido caldo ad una caldaia. Qui cede il calore all’acqua in essa contenuta che può essere usata per riscaldare serre o piscine o per la climatizzazione di ambienti.

32 Impianti a circolazione naturale Impianti a circolazione forzata
Gli impianti a circolazione naturale sono sistemi a circuito chiuso che funzionano senza pompe o componenti elettrici. I pannelli solari sono costituiti da tubi, all'interno dei quali passa una miscela acqua-olio che, esposta alle radiazioni solari, si scalda, diviene più leggera e sale come nel termosifone verso il serbatoio. Il fluido, attraverso un'intercapedine, cede il calore all'acqua contenuta nel serbatoio dal quale confluisce e da qui al circuito domestico. Impianti a circolazione forzata Negli impianti a circolazione forzata il liquido del circuito primario è spinto da una pompa di circolazione che viene messa in moto da una centralina elettronica che confronta le temperature dei collettori e dell'acqua nel serbatoio di accumulo rilevata da apposite sonde. Quando la temperature dei pannelli solari scende al disotto di quella dell'acqua nel boiler la pompa si arresta, per evitare il raffreddamento dell'acqua accumulata.

33 Pannello solare schema
I pannelli solari sono in grado di produrre energia termica anche se non c'è sole: la radiazione su un pannello non è data solo dai raggi solari, ma anche dalle radiazioni comunque presenti. Per poter disporre di acqua calda è utile ricorrere a soluzioni integrative della radiazione solare. Ciò può essere realizzato in due modi: se nella casa già esiste una caldaia istantanea a gas a controllo elettronico per la produzione dell'acqua calda è possibile collegare il sistema solare all'impianto termico esistente così che l'impianto solare integra quello tradizionale, con risparmio di energia e costi. Se non è possibile collegarsi alla caldaia a gas, occorre inserire nel serbatoio una resistenza elettrica con termostato tarato sui 40 °C. E se non c'è sole? Pannello solare schema indice

34 TURBINA IDRAULICA La girante trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica sfruttata dall'albero motore. Se la trasformazione del moto da potenziale a cinetica avviene nel distributore, si ha una turbine ad azione, altrimenti è una turbine a reazione. La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica. E’ costituita da un organo fisso, il distributore e da uno mobile, la girante. Il primo ha tre compiti: indirizza la portata d’acqua in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta regola la portata dell’acqua provoca la trasformazione dell'energia di pressione posseduta dalla portata in energia cinetica. indice

35 TURBINA PELTON Sono turbine ad azione nelle quali uno o più valvole, ugelli trasformano pressione dell'acqua in energia cinetica. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo. Un deflettore ha lo scopo di deviare il flusso dell’acqua dalle pale per evitare movimenti bruchi nella turbina L'acqua abbandona le pale a velocità molto bassa per cui la cassa che contiene la ruota non deve resistere a nessuna pressione e può quindi essere molto leggera. Queste turbine sono usate per salti d’acqua compresi tra i m.

36 TURBINA KAPLAN AD ELICA
Sono turbine a reazione utilizzate per bassi dislivelli d’acqua: tra i 2 – 20 m. Le pale della ruota della turbina Kaplan sono regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili.

37 TURBINA FRANCIS Sono turbine a reazione, a flusso radiale, con distributore a pale regolabili e girante a pale fisse. Sono utilizzate per dislivelli medi tra i 10 – 350 m. Nelle turbine Francis, l'arrivo dell’acqua è sempre radiale, mentre lo scarico è assiale. In queste turbine l'acqua si muove come in una condotta in pressione: attraverso il distributore l’acqua giunge alla ruota e la muove velocemente. Queste turbine vengono adottate in centrali di media / piccola dimensione.

38 TURBINA CROSS - FLOW E’ una turbina ad azione utilizzata con un’ ampia di portata d’acqua e quando il dislivello è tra i m. E’ anche chiamata turbina a flusso incrociato, (Banki-Michell ne sono gli inventori), o turbina Ossberger (nome della ditta che la fabbricò più di 50 anni fa). Il suo rendimento massimo è inferiore all'87%, però si mantiene quasi costante pure se la portata d’acqua scende al 16 % - 10 %. L'acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che funziona quasi sommersa. Il flusso d’acqua superata la prima parte della turbina cambia di direzione al centro della ruota e s'infila nella seconda parte che è ad azione. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano, vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate. Queste ruote sono costruite in modo artigianale nei Paesi in via di sviluppo anche se non raggiungono poi i rendimenti delle ruote realizzate con tecnologie avanzate.

39 Consumi di energia elettrica per settori ( GMW )
Agricoltura Industria terziario Usi domestici Totale 9890,2 151314,1 67364,7 62977,6 286526,6 indice

40 L' energia nucleare : La radioattività; La fusione nucleare;
La fissione nucleare; La centrale nucleare; L’incidente di Cernobyl; Co-combustione e biomassa. indice

41 La radioattività Ogni atomo è formato da un nucleo, costituito da protoni e da neutroni, attorno al quale ruotano gli elettroni. La forza che attrae protoni ed elettroni rende l’atomo neutro e compatto e questo perchè neutroni, protoni ed elettroni sono soggetti ad una forza di grande intensità, la forza nucleare. Questa forza tiene unito il nucleo di tutti gli atomi che hanno all’incirca lo stesso numero di protoni e neutroni. Esistono alcuni elementi che hanno un numero di neutroni diverso da quello dei protoni. In questi elementi la forza nucleare nono riesce a tenere unito e compatto il nucleo, che si disintegra emettendo delle particelle: protoni, neutroni o elettroni. Tale fenomeno è detto radioattività. Gli elementi che hanno tale proprietà sono detti radioattivi e le particelle che essi emettono sono dette radiazioni. indice

42 La fusione nucleare La fusione nucleare è la reazione per cui 2 nuclei leggeri si uniscono e formano un nucleo più pesante. La fusione più conosciuta è quella tra un nucleo di deuterio e uno di trizio, che sono isotopi dell’idrogeno; la loro fusione origina un nucleo di elio e libera energia. Affinché possa avvenire questo processo è necessario un alto livello di energia e questa si ottiene portando a temperature elevatissime i nuclei coinvolti. Per ottenere la temperatura necessaria alla fusione viene utilizzata la fissione dell’uranio. La fusione nucleare è stata realizzata l con la bomba H ma l’energia sprigionata è incontrollabile e altamente distruttiva. La fusione nucleare potrebbe diventare l’energia del futuro, se venisse trovato il modo per controllare l’enorme energia liberata, evitando la produzione di scorie radioattive. Deuterio: isotopo stabile e non reattivo dell'idrogeno. Scoperto nel 1932 dal chimico statunitense Harold Urey, il deuterio fu il primo isotopo isolato con la distillazione frazionata di idrogeno liquido. Costituisce un componente essenziale nella produzione delle armi a fusione nucleare Trizio: isotopo radioattivo dell'idrogeno. Si trova nell‘ alta atmosfera. L'enorme quantità di energia rilasciata quando il trizio reagisce con il deuterio nei processi di fusione nucleare rende questo elemento un costituente fondamentale delle bombe a idrogeno.

43 La fissione nucleare Cilindri di uranio
Tutti gli elementi esistenti in natura hanno un nucleo molto stabile, che non può essere rotto. L’ uranio 235 è uno degli elementi più pesanti esistenti in natura che costituisce un’ eccezione. La fissione o divisione dell’uranio avviene perchè un neutrone viene usato per bombardare il nucleo di uranio, che si spacca in due frammenti e libera altri 2 neutroni. Se accanto all’atomo di uranio se ne aggiungono molti altri, si ottiene una quantità di materiale fissile e una reazione a catena che sprigiona molta energia termica. Cilindri di uranio

44 La fissione nucleare Occorre:
Per sfruttare l’energia prodotta dalla fissione nucleare sono necessarie alcune condizioni. Occorre: innestare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produrre energia con continuità; una grande quantità di nuclei che simultaneamente si dividano; il controllo del processo: la possibilità di regolarne la potenza nel tempo e nella durata. La struttura di un reattore nucleare prevede: un reattore / nocciolo, nel quale si sviluppa la reazione a catena; un sistema di estrazione del calore (raffreddamento) dal nocciolo; una schermatura indispensabile per controllare le radiazioni prodotte sistemi di regolazione dei processi mediante strumenti di controllo La fissione nucleare

45 La centrale nucleare Trasformatori
Nel 1942 si riuscì ad ottenere la prima fissione controllata cioè in grado di liberare energia in piccole dosi e si incominciò a pensare al nucleare come fonte di energia utilizzabile per scopi civili. Una centrale nucleare brucia uranio e produce energia elettrica, ma non sfrutta reazioni chimiche, ma reazioni di fissione nucleari circa un milione di volte più potenti a parità di massa di combustibile (una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw). Trasformatori

46 Reattori ad acqua leggera.. ...e pesante
Le centrali nucleari PWR sono le più diffuse perché usano il reattore più semplice, che non pone particolari problemi di reperibilità di materiali, di combustibile e offre garanzie di sicurezza. Funzionamento: nel nocciolo avvengono le reazioni nucleari, che riscaldano a temperature notevoli gli elementi di combustibile impilato in cilindri molto lunghi e stretti. Questi sono lambiti dall'acqua di raffreddamento del circuito primario che assorbe il calore e si riscalda. L'acqua a ° non evapora perché è mantenuta a una pressione di circa 155 atmosfere. L'acqua di raffreddamento cede il calore all’ acqua di un circuito secondario che evapora e il vapore in pressione e a circa 280°C. investe una turbina, collegata a un alternatore che produce energia elettrica. Il vapore a bassa pressione in uscita dalla turbina è raffreddato dall’ acqua di un terzo circuito che viene raffreddato ad aria in torri di raffreddamento. Se la centrale si trova vicino ad un fiume, l'acqua del circuito di condensazione che non è stata a contatto con zone contaminate, è scaricata nel fiume in quantità e temperature tali da non influire sull'ecosistema. Le centrali più diffuse sono di 2 tipi: ad acqua in pressione (PWR / Presurized Water Reactor); ad acqua bollente (BWR / Boiling Water Reactor) Torri di raffreddamento

47 Reattore autofertilizzante
Nel reattore BWR, l'acqua refrigerante è mantenuta ad una bassa pressione e portata all'ebollizione nel nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente nel generatore a turbina, condensato, e quindi inviato nuovamente nel reattore. Sebbene il vapore sia radioattivo, non c'è bisogno di alcuno scambiatore di calore intermedio tra reattore e turbina, con il conseguente guadagno in efficienza. L‘ acqua di raffreddamento del condensatore può provenire da un fiume o un lago vicini. Reattore BWR Un reattore autofertilizzante può produrre partendo da sostanze dette fertili, una quantità di materiale fissile superiore a quella che consuma. Il sistema ad autofertilizzazione più diffuso usa uranio 238 come materiale fertile. L'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238 origina un processo radioattivo durante il quale il nucleo si trasforma nell'isotopo fissile plutonio 239. La fissione di un nucleo di plutonio 239, innescata da un neutrone, provoca una reazione a catena con trollata da barre di cadmio o boro. Reattore autofertilizzante

48 Reattore a propulsione
Sistemi nucleari vengono utilizzati anche nella propulsione di aerei e grandi navi militari, portaerei e sottomarini. In genere i sottomarini a energia nucleare sfruttano uranio arricchito così da permettere una riduzione delle dimensioni del reattore. Le regolamentazioni internazionali relative alla sicurezza e motivi economici hanno ridotto l’uso di questi reattori impiegandoli come motori solo per scopi militari.

49 Smaltimento scorie radioattive
Il problema maggiore è costituito dalle scorie nucleari radioattive che sono i prodotti di fissione: cesio, stronzio, iodio, rubidio, ecc.. molto pericolose da trattare. Per lo smaltimento delle scorie si sono proposti tanti tipi di trattamento anche se attualmente l'unico modo per eliminarle consiste nel chiuderle in bidoni di cemento adeguatamente schermati e porle in luoghi geologicamente stabili e adeguatamene monitorati (miniere di salgemma o vasche di acqua salata).

50 Cernobyl Questo reattore presentava i seguenti pregi:
Quanto accaduto nella centrale di Cernobyl, una città tra l’Ucraina e la Bielorussia, è uno degli incidenti più devastanti della storia nucleare internazionale. Il 26 aprile 1986, dopo un test sul comportamento del sistema di sicurezza in situazioni critiche, il nocciolo, raggiunte temperature troppo elevate, esplose insieme alla sala macchine e all’edificio di contenimento. Indagini internazionali rilevarono: difetti del reattore insufficiente capacità di refrigerazione di emergenza insufficienti e superati sistemi di sicurezza; insufficiente protezione da incendi, allagamenti, esplosioni. Questo reattore presentava i seguenti pregi: bassa potenza del nocciolo; notevoli quantità d’acqua sia sul primario che sul secondario; possibilità di isolamento di ognuno dei circuiti costituenti

51 La nube tossica che si sviluppò dal reattore di Chernobyl
Si creò una colonna di fumo che disperse per tutta l’Europa particelle radioattive. Furono segnalati 40 morti, migliaia di gravidanze interrotte e persone furono costrette ad abbandonare le proprie case. indice

52 LA MACCHINA A VAPORE L’introduzione della macchina a vapore nell’industria manufatturiera avviò l’era della Rivoluzione Industriale. Si trattava di un motore capace di convertite il calore del vapore prodotto dalla combustione del carbone in energia meccanica. indice

53 Espansione della rivoluzione industriale

54 FUNZIONAMENTO DELLE MACCHINE
A VAPORE Lo stantuffo si trova ad una estremità del cilindro e il vapore entra nella camera di distribuzione. Il cassetto di distribuzione consente al vapore di fuoriuscire attraverso la luce di scarico. Il moto dello stantuffo fa muovere un volano che aziona la biella-manovella. Il vapore si espande e sposta lo stantuffo; “il cassetto” si sposta nella posizione di chiusura impedendo l’uscita del vapore. Spinto dalla pressione del vapore, lo stantuffo si sposta ancora e “il cassetto” permette l’uscita del vapore dal cilindro. Il “cassetto” chiude le aperture e lo stantuffo si sposta nuovamente . Il meccanismo di biella – manovella trasforma il moto rettilineo uniforme in moto rotatorio alternato.

55 Cenni storici: le prime macchine
Denis Papin: progettò un cilindro che agiva come una caldaia per ottenere l’espansione del vapore. Il cilindro era posto lontano dal fuoco. Cenni storici: le prime macchine Primo carro a vapore

56 La macchina di Newcomen:
Thomas Savery: alla fine del 1600 il lavoro nelle miniere inglesi era molto difficile a causa dell’acqua che invadeva le gallerie. Savery inventò una macchina che faceva risalire l’acqua in un cilindro ed era poi spinta in alto ed espulsa dalla galleria mediante un getto. La sua macchina venne chiamata “ l’amico del minatore “. Tuttavia le caldaie, i tubi, i cilindri dell’epoca non erano in grado di resistere alle forti pressioni e la sua macchina fu poco impiegata. La caldaia è separata dal cilindro che funziona da condensatore. Il vapore che era immesso nel cilindro, serviva a creare il vuoto sotto il pistone mediante la condensazione. Questo vuoto consentiva alla pressione di spingere lo stantuffo verso il basso con conseguente salita del pistone della pompa. L’acqua veniva espulsa attraverso un tubo e una valvola.

57 La macchina di Watt aveva il cilindro chiuso e tenuto caldo dal vapore.
Il condensatore era in un pozzo; una pompa ad aria lo manteneva ad una bassa pressione. Quando lo stantuffo si trovava al punto morto superiore veniva aperta la valvola di scarico, per produrre un vuoto e dall’altra estremità veniva fatto entrare il vapore. Il pistone scendeva, chiudeva la valvola di immissione, e apriva quella equilibratrice. Watt Lavoro ai telai meccanici in un cotonificio

58 Impiego dell'acqua Distribuzione % dell'acqua prelevata per settore
indice

59 Sfruttamento delle maree
indice

60 Centrali mareomotrici
E’ possibile convertire almeno cinque tipi di energia presenti nel mare: quella delle correnti, delle onde delle maree delle correnti di marea dell’escursione termica tra superficie e fondali. Oggi esiste solo un impianto per lo sfruttamento delle maree in Francia, mentre sono in corso esperimenti per lo sfruttamento del potenziale energetico delle onde nel Regno Unito, in Norvegia e in Giappone e per lo sfruttamento delle variazioni di calore dell’acqua del mare negli Stati Uniti. L'Unione Europea ha di recente concluso uno studio che identifica circa 100 siti suscettibili di essere utilizzati per la produzione di energia elettrica dalle correnti marine. In Italia è lo stretto di Messina ad essere stato identificato tra i siti più promettenti.

61 Energia dalle onde Turbogeneratore Si studia come:
Esistono varie ipotesi per utilizzare le onde. Si studia come: aumentarne l’altezza e il potenziale di conversione in energia elettrica. prevedere ed utilizzare le variazioni di pressione che esistono sotto la superficie del mare utilizzare dei galleggianti che "copiano" il moto ondoso trasferendolo a generatori per mezzo di pistoni idraulici. Turbogeneratore

62 Principio della colonna d’acqua oscillante
Il turbogeneratore ha la proprietà di mantenere lo stesso senso di rotazione indipendentemente dalla direzione del flusso d’aria. Le turbine ricevono la spinta sia nella fase di compressione che in quella di decompressione e possono essere utilizzate anche come frangiflutti o come protezioni dei litorali, dei porti.

63 Energia dalle maree È noto che la luna esercita una forte forza d’attrazione sull’acqua della terra: dall’innalzamento e dall’abbassamento regolare delle masse d’acqua si ricava energia che può essere sfruttata per una centrale di marea. La tecnica: si sfrutta il dislivello tra l’alta e la bassa marea E’ necessaria un’ ampia superficie la marea deve avere una notevole forza. Le centrali di marea costiere hanno un limite nell'erosione  che esercitano sulle coste e nella sedimentazione all'interno del bacino Con opportune griglie di sbarramento e la contenuta velocità delle turbine di questi sistemi è salvaguardata la flora e la fauna dell’ambiente marino. Ad oggi sono solo 21 i siti dove le caratteristiche delle maree sono adatte all’ installazione di questo tipo di centrali mareomotrici.

64 Ciclo di generazione dell'energia
3 2 1 4 Punto di partenza: Alta marea – Bacino pieno La marea sale creando un dislivello Generazione dell’energia: bassa marea = nessun dislivello La marea sale creando un dislivello: generazione di energia Ritorno al punto di partenza Alta e bassa marea

65 Energia dal gradiente termico
La prima centrale per la conversione dell’en energia termica degli oceani è nata nel 1996 al largo delle isole Hawaii e produce energia sfruttando la differenza di temperatura tra i diversi strati dell’oceano. L’energia solare assorbita dalla superficie del mare la riscalda producendo calore: funziona poi come una centrale termoelettrica. Il potenziale di questa tecnologia è purtroppo sfruttabile solo in alcune zone geografiche. Nell’immagine della terra ( qui riportata) sono evidenziate con i colori giallo e rosso le zone più idonee per lo sfruttamento del gradiente termico indice

66 LA GEOTERMIA Il termine deriva dal greco “gè” e “thermos” e significa “calore della terra”. L’origine di questo calore è in relazione con la natura interna del nostro pianeta e con i processi fisici che in esso hanno luogo. E’ una risorsa inesauribile. Il calore interno della terra oltre alla produzione di energia elettrica è impiegato per: v     Acquicoltura v     Sericoltura v     Teleriscaldamento v     Usi industriali indice

67 La risorsa geotermica è una fonte naturale di energia pulita e rinnovabile, in grado di contribuire ai nostri crescenti bisogni energetici senza compromettere l’ ambiente. Già dal 1872 il calore proveniente dal sottosuolo veniva usato direttamente, senza bruciare legna, per l’evaporazione dell’acqua da cui estrarre l’acido borico. Nel si inizia a sfruttare la geotermia per produrre energia elettrica Oggi in Toscana nella zona boracifera di Larderello, la geotermia copre il 25% del fabbisogno energetico. Le centrali geotermiche producono circa 5 milioni di kWh di energia elettrica, pari al fabbisogno energetico di circa 2 milioni di famiglie italiane e vengono risparmiate tonnellate di petrolio e quindi l’ emissione di circa 4 milioni di tonnellate di anidride carbonica Geotermia

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69 LE CENTRALI GEO - TERMOELETTRICHE
Nelle centrali geotermoelettriche si sfrutta la pressione del vapore contenuto negli acquiferi geotermici per muovere le turbine accoppiata ad un generatore. La pressione dei gyser spinge i vapori fino a 70 m. L’energia di questo fenomeno può alimentare una turbina a vapore e produrre energia. Di questo tipo sono le centrali in Toscana n cui l’ acqua è reiniettata nelle falde acquifere profonde. E’ una centrale ecologica in quanto non ci sono inquinanti dispersi nell’ambiente esterno. Si calcola che solo con le centrali a vapore in Toscana e Lazio si potrebbero produrre una quantità di energia sufficiente per il fabbisogno nazionale di 70 anni.. LA DISTRIBUZIONE DEL CALORE Il sistema di distribuzione può essere diretto o indiretto. Nel primo caso, un unico circuito idraulico collega la centrale di produzione con i termosifoni dell’ utente. Nel secondo caso, sono presenti due circuiti separati, mantenuti in contatto attraverso uno scambiatore di calore.

70 Elementi di una centrale geotermica
Una centrale geotermica è composta da: -         area geotermica: in cui è rilevata la presenza di fluidi geotermici; -         pozzo di estrazione: con profondità da 60 a 3000 m, dal quale si estrae il vapore; -         vapordotti: tubi in acciaio e carbonio che portano il vapore alla centrale. Sono costruiti a zig zag perché il vapore può provocare la dilatazione; -         turbine a vapore: trasformano l’energia del vapore in energia meccanica e quindi in elettricità; condensatore: converte il vapore in acqua; -         torre di raffreddamento: serve a raffreddare l’acqua proveniente dal condensatore. E’ alta fino a 100 m; -         pozzi di reiniezione: i fluidi estratti sono iniettati di nuovo nel sottosuolo per non impoverirne i giacimenti geotermici.

71 Impatto ambientale Negli anni passati ci furono proteste da parte dei cittadini, residenti in prossimità di centrali geo-termoelettriche, per l’emissione di sgradevoli odori ridotti, se non eliminati, con tecnologie che prevedono la reiniezione dei fluidi geotermici. La produzione elettrica sfruttando le risorse geotermiche è quasi in assoluto la piu’ ecologicamente compatibile. Per quanto riguarda l’utilizzo dei fluidi geotermici per ottenere energia termica, questi sistemi hanno un impatto ambientale positivo in quanto non creano danni alla salute dell’uomo e all’ambiente. indice

72 La co - combustione La biomassa
È un processo di combustione contemporanea di combustibili diversi e miscelati tra loro. Il termine indica la combustione nelle centrali termoelettriche di polvere di carbone unito ad un combustibile ottenuto dal trattamento dei rifiuti solidi urbani. Questa combustione ha un potere calorifico di circa 4000 kcal / kg. Il termine è usato per definire la massa degli organismi viventi. Si misura generalmente come peso secco per unità di superficie e l'unità di misura è il g / m2. La biomassa, costituita da rifiuti animali e vegetali è utilizzata per ottenere materia prima come il metano da impiegare poi per produrre energia termica ed elettrica. La biomassa indice

73 Teleriscaldamento Gli impianti
Un sistema di teleriscaldamento consiste in una rete di trasporto e di una centrale di produzione del calore. Il calore distribuito con l’acqua riscaldata dalle reti di teleriscaldamento può provenire dai combustibili fossili, dallo smaltimento dei rifiuti o da reflui industriali.. Gli impianti Il calore distribuito con i sistemi di teleriscaldamento urbano deriva da impianti a produzione semplice (solo calore) e a produzione combinata (calore più energia elettrica). Le caldaie servono per la produzione di calore in forma di vapore, acqua calda o acqua surriscaldata. Gli impianti di cogenerazione possono essere alimentati da un ciclo a vapore, con motori a combustione interna, con turbine a gas indice

74 La centrale termoelettrica
Fiume Mincio La centrale termoelettrica Centrale di Ponti sul Mincio Una centrale termoelettrica è un impianto per la produzione di energia elettrica tramite il vapore. Il principio di funzionamento di una centrale termoelettrica è semplice. Un combustibile viene bruciato e sviluppa una notevole quantità di calore; questo calore viene trasmesso a una caldaia contente acqua che è trasformata in vapore raggiungendo temperature elevate. Questo è convogliato verso le turbine a vapore che, grazie alla spinta del vapore stesso vengono messe in rotazione. Producono energia cinetica di rotazione che gli alternatori convertono in energia elettrica. Oltre il 60% dell’energia elettrica prodotta nel mondo deriva dalla combustione di fossili: carbone, olio combustibile e gas. indice

75 Costituzione della centrale
Le caldaie: comprendono tubi d’acqua a sviluppo verticale e il vapore è surriscaldato oltre i 400° C ed è necessario perché il rendimento del ciclo termico è tanto più elevato quanto più alta la temperatura del vapore che entra in turbina. La turbina è un motore rotativo che trasforma l’energia posseduta dal vapore ad alta pressione in energia meccanica con un elevato rendimento. E’collegata ad un alternatore e ad un condensatore. L’alternatore è una macchina elettrica rotante che trasforma energia meccanica in energia elettrica. Gli alternatori sono costituiti da due parti: una fissa e l’altra rotante (statore e rotore) su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Il condensatore è un’ apparecchiatura all’interno della quale si ha la condensazione del vapore. Sono degli scambiatori di calore, nei quali si fa circolare il vapore e come fluido refrigerante si usa acqua che, assorbendo calore dal vapore, ne permette la condensazione. Il condensato viene mandato all’interno di un degasatore che elimina i gas.

76 Funzionamento LA DEMINERALIZZAZIONE DELL’ ACQUA
L’acqua usata nel ciclo delle centrali termoelettriche può essere sia acqua di mare che acqua dolce di falda o fiume. In base alla provenienza essa subirà un diverso pretrattamento che, nel caso di acqua salata, prende il nome di dissalamento. Il pretrattamento delle acque avviene in vasche dove l’acque viene purificata dalle scorie solide e dalle sostanze impure e viene ridotta la durezza dell’acqua eliminando il bicarbonato di calcio e magnesio permettendo a questo punto di inserire l’acqua nel ciclo di produzione dell’energia. Funzionamento Il ciclo delle centrali comincia dall’acqua che diverrà vapore in caldaia anche se prima deve essere demineralizzata. La demineralizzazione è essenziale per garantire il funzionamento e la durata nel tempo delle tubazioni.

77 Trasformazione dell'acqua in vapore
Prima di entrare in caldaia, l’acqua subisce una serie di passaggi che aumentano la sua temperatura; è immessa dall’alto e viene investita dal passaggio di vapore in controcorrente per eliminare residui di gas presenti. Successivamente la pompa di alimentazione manderà l’acqua in caldaia. In caldaia l’acqua raggiunge la temperatura di 100°C e una pressione variabile in base a tipo di generatore. Il calore sviluppato dalla combustione dei bruciatori permette di aumentare lo stato dell’acqua, favorendo il passaggio di stato sino a quello di vapore surriscaldato, che può essere utilizzato in turbina. Dal vapore all'energia dell'acqua Il vapore surriscaldato immesso in turbina trasforma la sua energia termica in energia meccanica di movimento. Il moto della turbina consente la generazione di energia elettrica tramite un alternatore ad essa collegato. Il vapore dalla turbina si scarica in un condensatore dove si condensa in acqua che verrà reimmessa in ciclo grazie a pompe di pressione.

78 Situazione impianti 31 / 12 / 2003
Produttori Autoproduttori Italia Impianti idroelettrici 1715 266 1981 Impianti termoelettrici 478 454 932 Impianti eolici e fotovoltaici 109 Situazione impianti 31 / 12 / 2003

79 Produzione di energia idroelettrica in Italia (GWh)
1995 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Totale 37.781 41.213 45.358 44.205 46.810 39.519 36.674

80 Domanda di energia primaria e consumo per fonti e aree geografiche (valori in percentual e riferiti all’anno 2004) Fonte: ENEA, Rapporto Energia e Ambiente 2004 indice

81 Inquinamento dell' acqua
L’inquinamento delle falde acquifere ha origine dagli scarichi industriali, domestici ed agricoli. Le fognature domestiche spesso confluiscono in corsi d’acqua che a loro volta si gettano nei laghi o nel mare. Quando gli scarichi sono eccessivi le acque non riescono più ad autodepurarsi con il rischio di distruggere ogni forma di vita e generare virus e batteri. Le industrie scaricano spesso nei corsi d’acqua facendo circolare sostanze dannose e tra queste ci sono i metalli che, non essendo riciclabili, si bio-accumulano. Alcuni, come il mercurio, sono velenosi, altri come i solventi a base di cloruro sono cancerogeni, infine le sostanze oleose impediscono il ricambio di ossigeno, soffocando” ogni forma di vita acquatica. È causato dal materiale organico proveniente da esseri viventi, scaricato direttamente nelle acque di un fiume o del mare. Le principali fonti di inquinamento biologico sono gli scarichi delle fogne, i liquami degli allevamenti e gli scarichi delle industrie. In genere le acque si autodepurano, se l’inquinamento presente non raggiunge livelli di guardia. Inquinamento biologico indice

82 Sostanze che contribuiscono all’eutrofizzazione delle acque

83 Desertificazione Eutrofizzazione Disboscamento
Nell’agricoltura i fertilizzanti chimici a base di azoto e fosforo vengono in parte assorbiti dalle piante, in parte trascinati nei corsi d’acqua o nelle falde acquifere dove provocano il fenomeno dell’eutrofizzazione. Eutrofizzare significa “nutrire bene”. È un processo che si potrebbe riassumere così: l’azoto e il fosforo immessi nelle acque provocano un rapido proliferare delle alghe che, morendo, si depositano sul fondo Per riuscire ad aggredirle gli organismi decompositori si riproducono oltre misura consumando grandi quantità di ossigeno. La diminuzione di questo elemento provoca la morte di qualsiasi tipo di vita. Disboscamento

84 Come si formano le piogge acide: l’ anidride solforosa (SO2) è liberata dalla combustione del carbone, del gasolio e dell’olio combustibile. Gli scarichi gassosi vengono immessi nell’atmosfera a quote adeguate per evitare la ricaduta dei gas che i venti trasportano anche per migliaia di km. L’ anidride solforosa subisce delle reazioni chimiche che la trasformano in acido solforico (H2SO4) solubile in acqua. Contribuisce al fenomeno anche l’acido nitrico (HNO3) che deriva dagli ossidi di azoto contenuti nei gas di scarico degli impianti industriali e di riscaldamento. La pioggia acida è perciò un inquinamento che ” viaggia molto” prima di scaricarsi a terra. Le piogge acide sono quelle precipitazioni che contengono acidi diluiti e questo fenomeno si manifesta soprattutto nei paesi industrializzati Le piogge acide creano danni alla vegetazione, agli ecosistemi, ai monumenti e agli edifici delle città.   Le piogge acide

85 I pesticidi Nella seconda metà del ‘900 l’agricoltura si è modificata in modo radicale diventando intensiva. Per aumentare la resa dei terreni gli agricoltori cominciarono ad usare fertilizzanti sintetici e pesticidi. L’uso di queste sostanze con il tempo è diventato dannoso. Le molecole sintetizzate dall’uomo per creare i pesticidi non trovano enzimi in grado di decomporle e si accumulano negli esseri viventi attraverso le catene alimentari. Ha così origine un fenomeno di bio-accumulo che può avere serie conseguenze ( ad es. l’ uso del DDT alcuni Paesi è stato bandito). indice

86 Bibliografia Sitografia Mappa Indice E come Energia – Eni
Borghino e Salerno “Tecnica oggi: sapere e saper fare” Ed. Edisco Encarta Enciclopedia Plus- Microsoft Corp. Omnia De Agostini Multimedia Paci “ Schede di tecnologia” Zanichelli Paci “ Il mondo della tecnica” Zanichelli “Risorse e rifiuti” Regine Lombardia AVV ”Tecnolab” Signorelli Editore T.C.I. “A come Ambiente” E.N.E.A.”Sviluppo sostenibile” Quotidiani (Corriere della Sera, Repubblica) Sitografia Mappa Indice


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