Centrali elettriche e distribuzione Electricity Generation April 13, 2004 Centrali elettriche e distribuzione GCM Lecture 5

Importanza dell’elettricità Oltre un terzo del consumo energetico serve a produrre elettricità nelle centrali. Per es. negli USA le sorgenti sono suddivise come segue (in parentesi il caso italiano): 57% carbone ( 2%) 20% nucleare (0) 10% petrolio ( 20%) 3% gas naturale (34%) 9% idroelettrico (44% incl geo e altro) 0.5% geotermica 0.5% altro(biomasse, eolico, solare) A.A. 2007/8

Situazione italiana Come viene soddisfatta la domanda italiana di energia? A fronte di una domanda di 143,4 Mtep il nostro paese ha offerto nello stesso anno di riferimento ben 195,5 Mtep.La differenza, pari a 52 Mtep (1/3 della domanda nazionale di energia) è composta da consumi e sprechi del settore energetico italiano. Si tratta di una quota molto importante che lascia intravedere un grande margine di miglioramento dal lato dell'efficienza del “sistema energia” italiano. 1 Mtep=4,55 x 10**9 kWh (Milioni di tonn di petrolio equivalente) A.A. 2007/8

(cont.) E' interessante comprendere quali fonti energetiche sono state utilizzate. Semplifichiamo al massimo riportando una tabella dell'ultimo rapporto dell'Authority (2004): Fonte primaria Produzione nazionale : Solidi (carbone ecc.)17,1 Mtep 0,4 Mtep Gas 66,2 Mtep 10,7 Mtep Petrolio 88,0 Mtep 5,4 Mtep Rinnovabili 14,1 Mtep 13,5 Mtep Importata 10 Mtep Totale 195,5 Mtep 30 Mtep L'Italia importa gran parte delle risorse energetiche primarie. Ha una capacità di produzione di energia minima, pari soltanto a 30 Mtep, pertanto deve importare ben 165,5 Mtep di energia dall'estero, pari al 84,6% della domanda energetica nazionale. A.A. 2007/8

Caratteristiche comuni delle centrali Quasi tutte adottano generatori Ad eccezione del fotovoltaico ( ca 0,1%) Quasi tutte usano turbine Ad eccezione di eolico e solare ( ca 0,3%) 90% delle turbine sono azionate a vapore Ad eccezione della idroelettricità A.A. 2007/8

Centrale idroelettrica (intake= immissione penstock=condotta dam=diga) A.A. 2007/8

Centrale a carbone A.A. 2007/8

Centrale nucleare A.A. 2007/8

Centrali Le centrali a petrolio o gas nat. sono simili a quelle a carbone Nelle centrali elettriche funzionano una macchina termica ed un alternatore: Macchina termica: dispositivo che, assorbendo energia termica (sfruttando l’espansione dei vapori di acqua bollente), produce lavoro (Turbina). Alternatore: converte l’energia meccanica in elettrica A.A. 2007/8

Alternatore Bobina di filo conduttore che ruota in un campo magnetico stazionario in modo che varia in continuazione il flusso del c. m. e si genera una forza elettromotrice alternata indotta secondo la legge f.e.m.= -ΔΦ (B)/Δt Contatti a spazzola connettono le bobine rotanti al circuito esterno che viene percorso da una corrente alternata La bobina è costituita di un numero elevato di spire , perchè ogni spira in più contribuisce alla f.e.m. indotta A.A. 2007/8

Trasformatori I Transformatori servono per innalzare o abbassare la tensione e si basano sullo stesso principio. La corrente alternata nella prima bobina (primario) genera una campo magnetico lungo l’asse che viene trasmesso lungo il nucleo di ferro fino alla seconda bobina (secondario) Il secondario viene attraversato da un flusso magnetico variabile per cui si genera una f.e.m. alternata ma con ddp diversa. Il rapporto tra le due ddp è determinato dal rapporto tra il numero delle spire nel primario e nel secondario : V2 = (N2/N1) V1 Questo consente di trasportare la fem ad alto voltaggio fino al punto di utilizzazione dove un trasformatore la porta all’intensità desiderata. A.A. 2007/8

Trasporto dell’energia L’energia elettrica prodotta dalle centrali viene inviata nei luoghi di utilizzazione mediante una rete di linee elettriche che possono essere costituite da linee aeree, da cavi sotterranei o sottomarini. A causa della distanza tra il luogo di produzione eil luogo di utilizzazione accade che, per effetto Joule, nel trasporto si possono avere grandi perdite di energia. E’ necessario rendere minima la quantità di calore che viene sviluppata (e quindi persa) durante il trasporto dell’energia. A.A. 2007/8

(cont. ) R= resistenza del conduttore I= corrente elettrica t= intervallo di tempo Per minimizzare Q occorre diminuire l’intensità della corrente elettrica I. A tale scopo si utilizzano i trasformatori, i quali abbassano l’intensità della corrente che viaggia sulle linee elevando la tensione a diverse migliaia di volt (linee ad alta tensione). In prossimità dei luoghi di utilizzazione, un altro trasformatore (riduttore) compie l’operazione inversa: abbassa i valori della tensione (ad esempio 220 V nelle abitazioni) ed eleva il valore della corrente. A.A. 2007/8

(cont.) Stima della resistenza (di una linea di trasmissione lunga 200 km): R=0.001 Ohm/m x 200 km = 0.001Ohm/m  210**5 m = 20Ohm Che corrente occorre per alimentare una lampadina? P = VI  I = P/V = 120 Watt/12 Volt = 10 A La potenza trasmessa é P = RI **2= 20  100 = 2000 Watt!! (2kW) L’efficienza della linea è 120/2120 = 6%!!! Come possiamo aumentare l’efficienza? A.A. 2007/8

(cont.) Vogliamo ridurre I É la potenza quadrata in P=RI**2 responsabile della disspazione Allo stesso tempo abbiamo bisogno di una potenza elettrica prefissata Se P = VI richiedere meno corrente significa aumentare la tensione Soluzione: linee ad alta tensione Ripetere il calcolo con 12000 Volt fornite: I = 120 Watts/12 kV = 0.01 Amp P = I**2 R = (0.01)**2X20 = 2010**(-4 )Watt P = 0.002 Watt di potenza dissipate lungo la linea L’efficienza è in questo caso 120 /120,002 = 99.998% A.A. 2007/8

Schema di trasporto della energia elettrica step-up to 500,000 V step-down, back to 5,000 V ~5,000 Volts step-down to 120 V 120 V in USA, 220 in Europa A.A. 2007/8

Strutture di trasporto three-phase “live” wires to house 500,000 230,000 138,000 69,000 7–13,000 long-distance neighborhood A.A. 2007/8