MODI DI PRODURRE L’ENERGIA ELETTRICA: IL TERMOELETTRICO

COS’È LA TERMOELETTRICITÀ In fisica, la termoelettricità è l’insieme dei fenomeni di conversione di calore in elettricità e viceversa. Il settore comprende lo studio degli effetti termoelettrici noti come effetto Peltier, effetto Seebeck ed effetto Thomson. Le applicazioni più importanti della termoelettricità riguardano l'effetto Seebeck, nel campo della misurazione delle temperature, l'effetto Peltier, per il raffreddamento termoelettrico (nel campo dei frigoriferi). Lo sfruttamento dell'effetto Seebeck per la generazione diretta di forza elettromotrice (conversione termoelettrica) è ancora sperimentale. Le prospettive di un utilizzo su scala industriale sono attualmente limitate dal fatto che i materiali utilizzabili non danno trasformazione con rendimento elevato.

L’EFFETTO PELTIER L'effetto Peltier consiste nel fatto che, in un conduttore costituito da una serie di due metalli distinti, A e B, saldati tra loro in modo da avere alternativamente i metalli A e B, le saldature tra A e B si raffreddano mentre quelle tra B e A si riscaldano oppure viceversa, secondo il verso di percorrenza della corrente. La produzione di calore nelle saldature che si riscaldano non può in alcun modo essere interpretata come dovuta a effetto Joule (È detto effetto Joule il fenomeno per cui il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore è accompagnato dallo sviluppo di calore).

L’EFFETTO PELTIER Quando una corrente I viene fatta scorrere nel circuito in figura, una quantità di calore è assorbita dalla giunzione T1 ed emessa dalla giunzione T2. La quantità di calore assorbita da T1 per unità di tempo è: dove Π è il coefficiente di Peltier ΠAB della termocoppia, mentre ΠA e ΠB sono i coefficienti dei singoli materiali. I semiconduttori di tipo p hanno di solito coefficiente di Peltier positivo, e quelli di tipo negativo. Il fenomeno è l'effetto del ritorno all'equilibrio degli elettroni che assorbono energia da un contatto e la cedono nell'altro. Una applicazione dell'effetto Peltier è la cella di Peltier.

EFFETTO PELTIER

L’EFFETTO SEEBECK L'effetto Seebeck consiste nel passaggio di corrente che si ha in un circuito formato da una serie di due metalli diversi quando le saldature di posto pari e quelle di posto dispari sono tenute a temperature differenti; la corrente circola dalle saldature a temperatura minore verso le saldature a temperatura maggiore. Rappresenta l'effetto inverso dell'effetto Peltier e costituisce il fenomeno su cui sono basate le termocoppie.

EFFETTO SEEBECK

EFFETTO SEEBECK

L’EFFETTO THOMSON L'effetto Thomson consiste nel trasferimento reversibile di calore tra un conduttore percorso da corrente e il mezzo circostante; il fenomeno, che si presenta solo se nel conduttore esiste un gradiente di temperatura, è nettamente distinto dall'effetto Joule. È detto anche effetto termoelettrico omogeneo in quanto interessa un singolo materiale.

EFFETTO THOMSON

STORIA DELLA TERMOELETTRICITÀ La data di nascita della termoelettricità viene oggi collocata al 10 febbraio 1794, quando Alessandro Volta rilevò il collegamento esistente fra calore ed elettricità osservando come, riscaldando le estremità di un arco metallico, si ottenesse una "tensione elettrica" destinata a scomparire con il loro raffreddamento. Nel corso del secolo successivo la termoelettricità assunse contorni sempre più definiti grazie alla scoperta dei suoi principali effetti, dovuti agli studi di Thomas Johann Seebeck, Jean Charles Athanase Peltier e William Thomson (Lord Kelvin). Il primo fenomeno termoelettrico ad essere scoperto fu il cosiddetto effetto Seebeck nel 1821, quando il fisico estone notò che, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori diversi (rame e bismuto) ma collegati fra loro, una differenza di temperatura generava una deviazione dell'ago magnetico. In realtà Seebeck interpretò le proprie osservazioni collegandole al campo magnetico terrestre, fu il fisico danese Hans Christian Ørsted a rendersi conto due anni dopo che il fenomeno aveva invece origine elettrica. L'effetto Seebeck è alla base del funzionamento delle moderne termopile e termocoppie. Nel 1834 venne scoperto l'effetto Peltier. Nel 1838 il fisico russo Heinrich Lenz dimostrò che quel calore era assorbito o liberato in un punto di congiunzione dei conduttori secondo il verso di percorrenza della corrente. L'effetto Peltier è oggi sfruttato soprattutto per ottenere il raffreddamento termoelettrico nei piccoli frigoriferi (cella di Peltier). Nel 1851, il fisico inglese William Thomson dimostrò il legame tra gli effetti Seebeck e Peltier. Nel ventennio 1950-1970, sono stati scoperti numerosi materiali con proprietà termoelettriche piuttosto interessanti. È il caso ad esempio del tellururo di bismuto (Bi2Te3), impiegato nelle celle di Peltier in commercio, o delle leghe di silicio e germanio (SiGe) utilizzate per l'alimentazione delle sonde spaziali nei generatori termoelettrici a radioisotopi. Tuttavia il loro scarso rendimento energetico e gli alti costi dei sistemi di conversione termoelettrica ne hanno limitato l'impiego a ristrette nicchie di mercato, anche se i nuovi progressi tecnologici, unitamente alla crescita dei costi dell'energia e a una maggiore sensibilità per le esigenze ambientali, stanno sollecitando importanti ricerche scientifiche in questo campo.

LA CENTRALE TERMOELETTRICA Una centrale termoelettrica è un impianto che usa il vapore e/o gas per la produzione di energia elettrica. Essa è divisa in più elementi essenziali: la caldaia, la turbina, l'alternatore, il bruciatore e l'impianto di raffreddamento. Essendo necessaria acqua distillata con un contenuto di sali a livello di poche parti per milione, si ha bisogno di un impianto per il trattamento chimico di demineralizzazione, essenziale per preservare il funzionamento e la durata nel tempo delle tubazioni, ma soprattutto delle pale della turbina.

COMBUSTIBILI UTILIZZABILI I combustibili utilizzabili per la produzione di energia termoelettrica sono: Il petrolio e derivati Carbone Biomasse Gas naturale

IL PETROLIO E DERIVATI Il petrolio (dal termine tardo latino petroleum, composto di petrae, "della roccia", e oleum, "olio", cioè "olio di roccia"), anche detto oro nero, è un liquido infiammabile, viscoso, di colore che può andare dal nero al marrone scuro, passando dal verdognolo fino all'arancione, che si trova in alcuni giacimenti dentro gli strati superiori della crosta terrestre. È detto greggio o grezzo il petrolio così come viene estratto dai giacimenti, cioè prima di subire qualsiasi trattamento teso a trasformarlo in successivi prodotti lavorati. Quasi sempre ha una massa volumica inferiore a quella dell'acqua. È composto da una miscela di vari idrocarburi, sostanze formate solo da idrogeno e carbonio (in prevalenza alcani, ma con variazioni nell'aspetto, nella composizione e nelle proprietà fisico-chimiche).

IL PETROLIO E DERIVATI Il petrolio è un combustibile fossile, così come il carbone e il gas naturale. Tali combustibili sono prodotti da resti di piante e animali morti centinaia di milioni di anni fa, quando l’uomo non era ancora comparso sulla Terra. Quelle piante e quegli animali, esattamente come accade oggi, hanno accumulato l’energia proveniente dal Sole e, dopo la loro morte, sono rimasti sepolti per milioni di anni fino a trasformarsi in petrolio e carbone. Le piante e gli animali preistorici ci restituiscono oggi, sotto forma di calore ed energia elettrica, l’energia solare accumulata in passato. Dai combustibili fossili, in particolare dal petrolio, proviene la maggior parte dell’energia che utilizziamo attualmente. Più precisamente, il petrolio è una miscela naturale di idrocarburi liquidi e altre sostanze di origine fossile, contenuta in rocce sedimentarie e associata a idrocarburi gassosi e solidi (bitumi) in quantità minori. Tutte le molecole degli idrocarburi esistenti sono costituite da due soli tipi di atomi: atomi di carbonio e atomi di idrogeno. In base alla quantità di atomi di carbonio presenti nella molecola, gli idrocarburi sono gassosi, liquidi e solidi. Gli idrocarburi costituiscono un’ampia categoria di sostanze, dal momento che il carbonio ha molte possibilità di legarsi ad altri atomi di carbonio e idrogeno in catene aperte (lineari o ramificate), chiuse (ad anelli, gli idrocarburi ciclici come il benzene ne hanno uno solo) o miste (con parti aperte e parti ad anello). Esistono migliaia di idrocarburi con una diversa struttura molecolare, ma la stessa composizione chimica. Vi sono idrocarburi con legami semplici (gli alcani o idrocarburi saturi, come il metano), doppi (gli alcheni, come il propilene) o tripli (gli alchini, come l’acetilene). Trattando a caldo e in assenza d’aria gli idrocarburi più pesanti (questo processo è chiamato cracking), è possibile romperne i legami e ottenere molecole più leggere e versatili con le quali si compone l’infinita gamma dei prodotti petrolchimici.

IL CARBONE Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile o roccia sedimentaria estratto da miniere sotterranee, a cielo aperto o prodotto artificialmente. La formazione del carbone risale a circa 300 milioni di anni fa, quando un clima caldo ed umido ed un'elevata concentrazione di CO2 favorirono la crescita di alberi giganti: la loro morte (favorita da inondazioni) e la successiva degradazione, assistita da funghi e batteri, hanno portato a quelli che conosciamo come carboni fossili. È un combustibile pronto all'uso, formatosi entro rocce sedimentarie di color nero o bruno scuro; composto principalmente da carbonio, tracce di idrocarburi, oltre a vari altri minerali accessori assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. L'inizio del suo massiccio sfruttamento è spesso associato alla Rivoluzione Industriale, ancor oggi il carbone rimane un combustibile assolutamente importante, e un quarto dell'elettricità di tutto il mondo viene prodotta usando il carbone. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto e per riscaldamento degli edifici. L'uso del carbone per la produzione di energia è globalmente uno dei fattori principali dell'emissione di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre, principale causa dell'effetto serra e del riscaldamento globale.

LE BIOMASSE Con il termine “biomassa” si indicano una serie di materiali di origine biologica, generalmente scarti di attività agricole, che possono essere modificati attraverso vari procedimenti per ricavarne combustibili o direttamente energia elettrica e termica. Le biomasse sono particolarmente importanti in due diversi campi quali quello ecologico e quello delle energie rinnovabili, dove rappresentano una fonte di energia di origine biotica.

GAS NATURALE Il gas naturale è una miscela di sostanze chimiche dette idrocarburi che generalmente si trovano allo stato gassoso. Il gas naturale lo si trova nel sottosuolo, quasi sempre associato al petrolio. È costituito in massima parte da metano e, per il resto, da piccole quantità di etano, propano, butano, pentano, ecc. Per questo motivo il gas naturale viene comunemente chiamato 'metano'.

CENTRALE TERMOELETTRICA PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Le centrali termoelettriche, sostanzialmente, sono costituite da sistemi di conversione che utilizzano l'energia chimica dei combustibili per trasformarla in energia elettrica. Le centrali termoelettriche sono caratterizzate da una caldaia, alimentata automaticamente dal deposito che contiene il combustibile e attraversata da una serpentina nella quale circola l'acqua. L'acqua, grazie alla combustione e all'energia termica conseguente, viene riscaldata fino a 300°C e si trasforma in vapore; questo viene ulteriormente riscaldato fino a 450°C ed acquisisce una notevole pressione. Il vapore convogliato sulla turbina, cede la sua energia cinetica facendo ruotare la stessa. La turbina, collegata all'asse dell'alternatore lo trascina in rotazione. Nell'alternatore, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, l'energia meccanica trasmessa dalla turbina, viene trasformata in energia elettrica. L'energia elettrica prodotta dall'alternatore viene trasmessa al trasformatore che ne innalza la tensione, per diminuire le perdite, prima di immetterla nella rete di distribuzione. Il vapore che esce dalla turbina viene riportato allo stato liquido nel condensatore e ripompato nella caldaia. Il camino provvede ad espellere nell'atmosfera i fumi della combustione.

cabina di distribuzione LA DISTRIBUZIONE Lo schema mostra la successione delle trasformazioni di tensione subite dalla corrente alternata nel trasporto dalle centrali di produzione alle abitazioni tralicci cavi Acqua o vapore 6.000 volt 220.000 volt 6.000 volt 220 volt turbina generatore trasformatore trasformatore cabina di distribuzione Quando la corrente elettrica passa attraverso un conduttore dissipa, sotto forma di calore, una certa quantità di energia: quanto più alta è l’intensità di corrente, tanto maggiore è il calore dissipato. Su distanze di centinaia di Km. si avrebbero perdite consistenti. Per diminuirle occorre abbassare l’intensità di corrente: si ottiene così anche il vantaggio di poter usare cavi di diametro più piccolo e quindi meno costosi. ( P = V * i ) Per poter erogare con correnti basse le grandi potenze che sono necessarie, bisogna aumentare la tensione. Con la corrente alternata ciò è possibile ricorrendo ad appositi dispositivi che prendono il nome di trasformatori.

SCHEMA DI PRODUZIONE E DISTRIBUZIONE: DALLA TURBINA AL TRALICCIO CAVI AD ALTA TENSIONE Cambiamento continuo del campo magnetico Corrente elettrica ALTERNATORE TRASFORMATORE TURBINA

L'ALTERNATORE Macchina elettrica che trasforma energia meccanica in energia elettrica a corrente alternata. L'energia meccanica è fornita da motori: turbine idrauliche, a vapore o a gas, motori a carburazione e Diesel. Gli alternatori sono costituiti da due parti fondamentali, una fissa e l'altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. I due avvolgimenti si dicono induttore e indotto; a seconda del tipo di alternatore l'induttore può essere disposto sul rotore e l'indotto sullo statore e viceversa. Gli alternatori sincroni sono macchine reversibili, ossia possono funzionare anche come motori, cioè si mettono in movimento rotatorio se ricevono energia elettrica. In essi generalmente si dispone sullo statore l'avvolgimento indotto e sul rotore l'induttore. Quest'ultimo è realizzato con elettromagneti eccitati in corrente continua (poli). . In breve L'alternatore è una macchina semplice e affidabile. Viene utilizzato per la produzione elettrica nelle centrali. La corrente viene prelevata sotto forma di corrente alternata, che cambia periodicamente senso e intensità. La potenza del generatore viene espressa in VA (voltampere) ed è data dal prodotto dell'intensità di corrente per la differenza di potenziale: V * I

IL TRASFORMATORE Macchina elettrica statica atta a trasferire, sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, energia elettrica a corrente alternata da un circuito a un altro modificandone le caratteristiche. Schematicamente un trasformatore è costituito da due avvolgimenti, ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolte attorno a un nucleo di ferro di elevata permeabilità magnetica, dei quali uno, detto primario, riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l'altro, detto secondario, è collegato ai circuiti di utilizzazione. Il rapporto tra le forze elettromotrici nei due avvolgimenti è uguale a quello dei numeri di spire. Negli autotrasformatori si ha un unico avvolgimento in cui il secondario è derivato dal primario. In breve il trasformatore serve ad alzare il voltaggio della corrente in uscita dall'alternatore per evitare eccessive perdite di energia elettrica in linea. Trasformatore di alimentazione . I trasformatori di alimentazione o di potenza, industriali e residenziali, possono essere monofase o trifase, e servono per produrre alte tensioni e correnti intense. Un efficiente sistema di trasmissione di potenza richiede un trasformatore elevatore, che innalzi il voltaggio e conseguentemente riduca la corrente, in corrispondenza della centrale di produzione dell'energia elettrica. Poiché le perdite lungo le linee elettriche sono proporzionali al prodotto del quadrato dell'intensità di corrente e della resistenza della linea stessa, per le trasmissioni a lunga distanza conviene utilizzare voltaggi molto alti e correnti poco intense. Al punto di arrivo, i trasformatori abbassatori riducono il voltaggio ai livelli tipici degli usi residenziali o industriali, cioè generalmente intorno ai 230 V. Il rendimento dei trasformatori, tanto maggiore quanto minore è la quantità di energia dissipata sotto forma di calore durante il processo di trasformazione, supera generalmente il 99%, La dissipazione di una quantità anche piccola di potenza trasmessa da un grande trasformatore sviluppa grandi quantità di calore, per cui sono richieste speciali misure per il raffreddamento. I trasformatori di potenza più comuni sono installati in contenitori sigillati, all'interno dei quali si fa circolare olio o qualche altra sostanza che faccia da tramite per il trasferimento all'ambiente circostante del calore sviluppato

FINE!