La generazione dell’energia elettrica e l’inquinamento Beniamino Ginatempo Dipartimento di Fisica Facoltà di Ingegneria Università di Messina Salita Sperone 31 - 98166 Messina E-mail: Beniamino.Ginatempo@unime.it MESSINA – 25/05/2010

Piano del seminario Premessa: A che serve la Fisica? Leggi di conservazione Energia Utilizzazione dell’Energia e dissipazione La generazione di energia elettrica L’energia nucleare e le scorie radioattive L’energia solare Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non ne sogni la tua filosofia (W. Shakespeare)

Chiediamoci Perché? Perché il Sole sorge e tramonta? Perché gli oggetti cadono? Perché esistono solidi e fluidi? Perché vedo? Perché ci sono oggetti caldi o freddi? Perché una pallina che rotola sul pavimento si fermerà? Perché ci sono i fulmini? Perché un oggetto esposto al sole si riscalda? Perché il mare ed il cielo sono azzurri? Perché posso udire e produrre suoni? Perché il rosso Ferrari è diverso dal rosso della salsa di pomodoro? Perché il gesso aderisce alla lavagna o una matita scrive? Perché una bussola segna il nord? Perché posso vedere in TV real time una partita di calcio? Milioni sono le domande possibili ed alcune di incredibile sottigliezza. Scoprire le risposte può dare una ineguagliabile gioia, come leggere una poesia o ascoltare della musica. Le domande si riferiscono a fenomeni fisici e la Fisica si occupa di cercare le risposte e di capire come sfruttare ciò che comprendiamo per il progresso dell’umanità.

Leggi di conservazione La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei) Le leggi della Fisica sono spesso formule matematiche che stabiliscono che alcune grandezze fisiche si conservano e altre non si conservano durante un fenomeno fisico Esempi di leggi di conservazione (sistemi isolati): Principio di conservazione della Massa Principio di conservazione della Carica Elettrica Principio di conservazione della Quantità di Moto Principio di conservazione del Momento Angolare Principio di conservazione della Parità (Mec. Quant.) Principio di conservazione dell’ Energia La validità delle leggi di conservazione implica che i fenomeni fisici avvengano mediante la trasformazione di alcune grandezze fisiche in altre (Nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma)

Energia In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzo di forze (macroscopiche o microscopiche) che compiono lavoro Il lavoro è quella porzione di energia che viene trasferita da un sistema ad un altro per l’azione di una forza L’energia, come la massa, la quantità di moto, il momento angolare è soggetta ad un principio di conservazione: per un sistema isolato l’energia non si crea e non si distrugge

Un biliardo senza attrito 1) Entra energia dall’esterno 2) L’energia entrata resta per sempre, se non viene dissipata o non fuoriesce 3) Eventualmente l’energia si trasferisce da un sottosistema ad un altro A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B B A A B A B A B B A B A A B A B B A A B

Utilizzabilità dell’Energia Nelle trasformazioni di energia non sempre è possibile utilizzare tutta l’energia disponibile Pensate, per esempio, ad un’area di parcheggio: non è possibile utilizzarla tutta, perché le automobili hanno bisogno di spazio (le risorse disponibili) per parcheggiare L’uso scoordinato delle risorse non ne consente il pieno utilizzo

Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo è una macchina termica: un apparato che consente di trasformare energia da un tipo ad un altro P.es. un motore d’auto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatore trasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energia elettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in calore; etc. In queste trasformazioni, purtroppo, vi sarà sempre una parte della energia inizialmente disponibile che sarà inutilizzabile. Tutte queste macchine, che servono a migliorare la vita dell’uomo, cioè che sono il progresso, hanno un rendimento inferiore ad 1 Lo “sfrido” di energia e massa in una trasformazione è l’inquinamento

La generazione di energia elettrica L’energia meccanica si può trasformare in energia elettrica mediante delle macchine termiche dette ALTERNATORI (o dinamo o turbine)

L’alternatore trasforma l’energia meccanica usata per far ruotare una spira in energia elettrica B w wt Contatti striscianti (spazzole) Poli dell’elettromagnete R

Centrali idroelettriche Le centrali idroelettriche usano l’energia cinetica dell’acqua alla base di una cascata per far ruotare le turbine. Basso rendimento e grande impatto ambientale (dighe, deviazioni di corsi d’acqua, creazioni di invasi artificiali, ecc.)

Parchi eolici I parchi eolici sono costituiti da tanti mulini a vento. Il vento fa ruotare le pale e questa energia viene trasformata in energia elettrica da un alternatore montato sulla testa del mulino; basso inquinamento, rendimento 40-50%, ci vuole vento

Centrali termoelettriche Le centrali termoelettriche convenzionali trasformano l’energia termica che si sviluppa bruciando combustibili (metano, gasolio, carbone, ecc.) in energia meccanica. Questa è usata per far ruotare un alternatore (turbina) che produce Energia elettrica, come la dinamo di una bicicletta. Basso rendimento ed grandi Emissioni di gas serra e polveri sottili

Effetto di una piccola centrale termoelettrica sulla formazione di nuvole dense (PM10) www.nasa.gov Distanza = 130Km

Australia Costa Est degli USA www.nasa.gov

Centrali nucleari Le centrali termonucleari trasformano l’energia termica che si sviluppa nella fissione nucleare dell’Uranio per azionare le turbine. Rendimento più alto, limitate emissioni di gas e polveri (40% delle centrali convenzionali), scorie radioattive per milioni di anni, uso di enormi quantità di acqua.

L’atomo ed il nucleo La materia è costituita da tantissimi atomi (spesso legati in molecole). L’atomo è costituito da elettroni (leggeri e carichi negativamente) e da un nucleo molto piccolo, rispetto alla distanza degli elettroni Il nucleo è costituito da protoni (carichi positivamente) e da neutroni, entrambi molto più pesanti degli elettroni

Il nucleo e gli isotopi Il numero dei protoni e degli elettroni deve essere lo stesso (numero atomico) mentre il numero dei neutroni è variabile e può essere molto elevato. + Il numero dei protoni caratterizza la specie chimica (p. es. Fe=26, U=92) La stessa specie chimica può essere presente in natura con differente numero di neutroni: gli isotopi (per esempio 238U, 235U)

Isotopi stabili ed instabili Siccome i protoni sono particelle cariche positivamente si respingono, quindi si dovrebbero allontanare ed il nucleo si disintegrerebbe Tuttavia i neutroni tengono legati i protoni grazie a delle forze attrattive più intense delle repulsioni elettriche: le forze nucleari Ma se il numero dei neutroni venisse modificato il delicato equilibrio prodotto dalle forze nucleari potrebbe essere alterato. Ecco perché esistono isotopi stabili ed instabili Gli isotopi instabili emettono radiazioni e particelle subatomiche: sono radioattivi

Uranio arricchito Uranio Naturale LEU 3-5% di 235U Reattori nucleari L’isotopo dell’Uranio utile per le reazioni di fissione nucleare è 235U ma allo stato naturale è molto più frequente l’isotopo 238U Uranio Naturale LEU 3-5% di 235U Reattori nucleari HEU 90% di 235U Bombe nucleari

Trattamento dell’Uranio

Radioattività I nuclei instabili tendono a raggiungere uno stato più stabile rilasciando particelle ed energia elettromagnetica ad altissima frequenza Decadimento Particella Percorso in aria Trasmutazione Fissione Particelle a Nuclei di He 6-7 cm Sì Particelle b Elettroni 5-7 metri No Raggi g Onde el. Mag. Qualche Km Neutroni liberi neutroni 30-300m

Reazioni nucleari Esistono due tipi di reazioni nucleari: la fissione nucleare e la fusione nucleare Una reazione di fissione nucleare consiste nel bombardare degli isotopi pesanti provocando l’emissione di protoni, neutroni, elettroni ed energia. Utilizzando i neutroni emessi da un nucleo si può produrre la fissione di altri nuclei vicini dando luogo ad una REAZIONE A CATENA, con una grande produzione di energia e scorie pericolose perché radioattive La fusione nucleare consiste nell’unire atomi leggeri, non ha scorie pericolose ma non sappiamo realizzare delle reazioni a catena, purtroppo

Scorie radioattive In una reazione nucleare non si ha mai una fissione totale di tutto il "combustibile", anzi la quantità di atomi effettivamente coinvolta nella reazione a catena è bassa. In questo processo si generano quindi due principali categorie di scorie Nuclei “trasmutati” (di numero atomico più elevato perché hanno catturato protoni e neutroni) Prodotti di fissione (nuclei effettivamente “spezzati”, più leggeri dei nuclei originari, come il cesio in parte allo stato gassoso) Queste scorie accumulandosi impediscono il corretto funzionamento del reattore, e vanno riprocessate e riutilizzate fin quando è possibile e poi eliminate Purtroppo sono radioattive, quindi pericolose per la nostra salute, per moltissimo tempo

Il tempo di isolamento delle scorie varia molto in dipendenza del tipo di reattore che del tipo di combustibile e varia da 300 a 1 milione di anni

Energia solare Sfruttando l’effetto fotovoltaico si può trasformare la luce solare in energia elettrica Sfruttando delle giunzioni di semiconduttori drogati (silicio) Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi e durata dei pannelli, basso rendimento funziona solo di giorno

Energia solare Solare termico: usa l’energia solare ed un sistema di specchi (Archimede) per riscaldare l’acqua o sali fusi per azionare le turbine Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi, basso rendimento

Celle ad idrogeno Le celle a combustibile sfruttano la proprietà di certe superfici metalliche di ionizzare l’idrogeno per generare energia elettrica. Vantaggi: no scorie o emissioni Svantaggi: costi e durata delle celle, preparazione e stoccaggio dell’idrogeno

Più consumi = Più inquinamento = Minore qualità della vita Conclusioni Le limitazioni nell’utilizzo dell’energia che derivano dalle leggi della Fisica fanno sì che sia inevitabile l’inquinamento, nelle trasformazioni di energia, essenziali per la vita dell’Uomo sulla Terra È tuttavia possibile, benché difficile, utilizzare le risorse in modo da minimizzare l’inquinamento Ma il VERO PROBLEMA è un altro Madre Natura funziona trasformando continuamente i 4 elementi fondamentali: Aria, Acqua, Terra e Fuoco (energia) Come per l’Acqua, noi dobbiamo imparare a non sprecarli Dobbiamo costruire un futuro diverso, più sobrio, di decrescita e diminuzione drastica dei consumi individuali Più consumi = Più inquinamento = Minore qualità della vita