Le fonti energetiche

L' energia rappresenta la nostra fonte di vita,
ogni cosa che facciamo necessita di energia e senza di essa non potrebbe esserci vita sul nostro pianeta. Si può definire l'energia come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro, cioè di compiere uno spostamento. Ogni cosa che si muove deve possedere energia.

Quasi tutta l'energia a disposizione sul nostro pianeta, ad esclusione dell'energia geotermica (calore del sottosuolo) ed energia nucleare (calore dal nucleo atomico)si origina grazie al sole. 

Le forme dell'Energia

Caratteristica principale dell'energia è quella che si può presentare sotto forme diverse, che possono trasformarsi le une nelle altre, partendo dal principio che l'energia non si crea non si distrugge ma si trasforma.

In  base alla forma in cui si presenta possiamo avere quindi:

- Energia cinetica, energia posseduta da un corpo in movimento.

- Energia potenziale, energia non ancora manifestata, ma  potenzialmente posseduta, (es. l'acqua in una diga).

La somma dell'energia cinetica e potenziale rappresentano l'energia meccanica.

- Energia elastica, lavoro compiuto da un corpo deformato che riprende poi la forma iniziale.

- Energia chimica, l'energia che si sviluppa durante la demolizione o formazione di legami chimici.( es quello che avviene con gli alimenti).

- Energia nucleare, energia che tiene uniti i protoni e i neutroni nel nucleo degli atomi.

- Energia termica, energia prodotta durante il movimento degli atomi, può essere considerata una forma di energia cinetica.

- Energia radiante, quella che proviene dal sole sotto forma di onde elettromagnetiche.

- Energia elettrica, energia prodotta dal movimento di elettroni nei corpi conduttori.

Quasi tutta l'energia presente sulla terra viene direttamente o indirettamente fornita dal sole.

le fonti energetiche si possono classificare in:

• Rinnovabili, dette anche inesauribili, dato che si rigenerano in tempi brevi. Ricordiamo tra questi: Energia solare, energia idrica, energia eolica, energia geotermica

• Non rinnovabili, dette anche esauribili, dato che una volta consumate non si riproducono più, Ricordiamo tra questi; Combustibili fossili( petrolio, carbone, metano), uranio.

I combustibili fossili

I combustibili fossili sono sostanze di origine organica  che si sono formate nel corso di milioni di anni nel sottosuolo, sono principalmente costituiti da carbonio e idrogeno  e attraverso la combustione producono calore. 

Possono presentarsi allo stato  liquido( petrolio),  gassoso ( gas naturale)  e solido (carbone).

Il valore di un combustibile  varia in funzione  al suo potere calorifico, (quantità di calore prodotto da un Kg di combustibile). Il petrolio tra tutti, ha il potere calorifico più elevato, seguito poi dal  metano o gas naturale e infine dal carbone.

Petrolio

Il petrolio estratto dal sottosuolo, detto petrolio greggio è un liquido denso, oleoso di colore variabile dal giallo scuro al bruno. Il petrolio è un miscuglio,  di  idrocarburi ( cherosene, benzina, nafta, olii..) che vengono separati attraverso un  processo di raffinazione.

La formazione del petrolio risale approssimativamente a circa 60 milioni di anni fa, quando condizioni particolari  di pressione,  temperatura elevata e microrganismi specifici,  hanno avviato una trasformazione degli organismi marini, come il plancton morto depositato   nel fondo marino, ricoperti poi da strati di sedimenti, come sabbia o altri detriti. Nel tempo questi sedimenti si sono ispessiti, formando uno strato chiamato roccia madre, successivamente altri stati di detriti si sono sovrapposti  e la pressione  esercitata  ha determinato una decomposizione dei materiali organici, fino alla loro liquefazione e per effetto della minore densità,  sono risaliti fino a rimanere intrappolati sotto alle  rocce impermeabili, dando così luogo ai giacimenti petroliferi.

I giacimenti petroliferi non hanno una distribuzione omogenea, per cui cui prima deve effettuarsi una ricerca attraverso studi delle rocce, carotaggi  del terreno, metodi sismici con riflessione delle onde ecc.

Individuato il giacimento si procede con l'estrazione, perforando la crosta terrestre anche per diverse migliaia di metri, operazione costosa in base alla profondità del giacimento. 

Il petrolio greggio viene poi trasportato alle raffinerie attraverso metanodotti ( tubi lunghi anche migliaia di chilometri) o navi petroliere. 

Il petrolio viene valutato in barili, un barile corrisponde a circa 159 litri.

Gli idrocarburi del petrolio vengono separati con la raffinazione, un processo di distillazione in cui il petrolio viene portato ad ebollizione,  i vapori salgono lungo le alti torri e man mano condensano e si separano  attraverso delle tubature. Nella parte più alta si condensano le frazioni più leggere come la benzina, nella parte più bassa le frazioni più pesanti come olii e bitumi.

Il carbone

Il carbon fossile è il prodotto della carbonizzazione di antichi resti vegetali che si sono accumulati e stratificati in ambiente anaerobico oltre 300 milioni di anni fa.

In base all'epoca di formazione si possono distinguere diversi tipi di carbone, dal più antico abbiamo

Antracite

litantrace

lignite 

torba

Il carbone più antico ha una maggiore concentrazione di carbonio e quindi un maggiore potere calorifico.

L'estrazione del carbone, se il giacimento è in superficie (30-50 m) avviene a cielo aperto, se la profondità è superiore si procede all'estrazione scavando gallerie sotterranee.

Il carbone trova impieghi in molteplici settori, come combustibile nelle centrali termoelettriche, industria metallurgica, industria chimica, ecc.

Energia Nucleare

L'energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura atomica. La materia può trasformarsi in energia secondo la legge fisica scoperta da A. Einstein 
E = mc²

 dove E (energia prodotta) corrisponde alla massa (m)  per il quadrato di una costante (C) posto uguale alla velocità della luce ( 300.000 Km al secondo).

Esistono due tipi di energia nucleare
- Fissione nucleare
- Fusione nucleare

Fissione nucleare
La fissione nucleare è la reazione che avviene quando un nucleo pesante si  divide in due nuclei più leggeri le cui masse, se sommate, non raggiungono la massa originaria: parte infatti di questa viene sprigionata sotto forma di energia (calore e radioattività). per fare avvenire una reazione di questo tipo però l’atomo originario deve essere di un materiale adatto alla fissione nucleare, allo scopo vengono utilizzati uranio 235 o plutonio 239 (altamente instabili). 
Quando un nucleo di atomo fissile viene bombardato da un neutrone, questo si scinde liberando, oltre all'energia,  due o tre neutroni che vanno a bombardare altri nuclei, innescando una reazione a catena, che opportunamente controllata, dentro reattori nucleari, permette la produzione di enormi quantità di energia (calore) che alimenterà le centrali termoelettriche per la produzione di corrente elettrica.

Fusione nucleare
La fusione nucleare è un processo che avviene normalmente nelle stelle.  Quando due nuclei di deuterio e trizio (isotopi dell'idrogeno) si fondono, formano un atomo pesante di elio e  liberano  grandi quantità di energia. Ad oggi, con la tecnologia a disposizione,  il processo  è stato utilizzato solo per la produzione di micidiali bombe a idrogeno, in quanto le elevatissime temperature occorrenti per fare avvenire la reazione, non sarebbero controllabili. Attualmente si investe nella ricerca per la realizzazione della fusione a freddo; se si riuscisse in questa impresa sarebbe garantita energia pulita a costi bassi.

Trasformazioni energetiche 

  

La centrala nucleare funzione come una centrale termoelettrica, con la differenza che il calore prodotto non proviene da combustibili fossili, ma dalla rottura dei nuclei di uranio dentro i reattori nucleari. 
Nel mondo le centrali nucleari attualmente in funzione sono circa 450, di cui 140 solo in Europa.

Vantaggi e svantaggi del nucleare.

Il vantaggio principale nell'uso del nucleare, consiste  nella produzione a ciclo continuo e per diversi decenni ( 70/80 anni) di corrente elettrica  a basso costo e  senza produzione di gas serra. 

Per contro, gli svantaggi sono legati soprattutto  ai pericoli per l'ambiente  e per  l'uomo in caso di incidenti nucleari. Nel processo di fissione nucleare  inoltre, vengono prodotte scorie, di cui una parte,  altamente radioattiva, da stoccare il luoghi di massima sicurezza, per lunghissimi periodi( anche migliaia di anni), in attesa di un abbassamento della radioattività.  

                                

Le Fonti Rinnovabili

Energia geotermica

Le centrali geotermiche sfruttano il calore presente nelle profondità terrestri per produrre elettricità.

La terra, man mano che si scende in profondità diventa sempre più calda,  circa 3° C ogni 100 metri. Attraverso fratture degli strati rocciosi, l'acqua e i vapori si riscaldano e salgono in superficie. Per mezzo di  trivellazioni, il vapore viene  convogliato in tubazioni detti vapordotti, e da quì  fino alla turbina, dove la sua energia viene trasformata in energia meccanica di rotazione. L'asse della turbina è poi collegato al rotore dell'alternatore, che  ruotando trasforma l'energia ricevuta in energia elettrica.

Il vapore uscente dalla turbina viene riportato allo stato liquido, attraverso un condensatore e i gas incondensabili dispersi nell'atmosfera. l'acqua condensata viene reimmessa nel sottosuolo.

L'impatto ambientale della centrale geotermica è basso, dato che  non produce gas serra, ha solo un impatto di  tipo paesaggistico. 

In Italia la prima centrale elettrica, ancora oggi in funzione, è stata costruita nel 1904, a Larderello (Toscana)

 TRASFORMAZIONI ENERGETICHE

ENERGIA TERMICA (magma) → ENERGIA CINETICA (vapore) → ENERGIA MECCANICA ( turbina) → ENERGIA ELETTRICA (alternatore)

Energia idroelettrica

L'energia idroelettrica è quel tipo di energia che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale (posseduta da masse d'acqua in quota) in energia cinetica nel superamento di un dislivello, la quale energia cinetica viene trasformata, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia elettrica.L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari tipi di diga: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle centrali ad acqua fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere una portata considerevole e un regime costante. La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice.L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata, attraverso condutture forzate, a valle trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l'energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.L'energia prodotta dalle centrali idroelettriche è da classificarsi a tutti gli effetti come energia rinnovabile in quanto, almeno in teoria, l'acqua può essere riutilizzata infinite volte per lo stesso scopo senza depauperamento. Il concetto di rinnovabilità è subordinato alla costanza del volume annuo degli afflussi integrali.In Italia l’idroelettrico costituisce la più importante risorsa energetica interna, rappresentando quasi il 25% della potenza efficiente lorda installata e fornendo il 13,2% della produzione elettrica lorda complessiva. La produzione idroelettrica, che si concentra nelle regioni settentrionali e in particolare in Lombardia, Piemonte e Trentino, costituisce inoltre il maggior contributo nazionale (75%) della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.

ENERGIA SOLARE

L'energia termica del sole può essere sfruttata per la produzione di elettricità. Le modalità di sfruttamento di questa risorsa possono avvenire attraverso:
La centrale a specchi
La centrale solare a specchi è costituita da un campo a specchi, i quali attirano i raggi solari mandandoli alla caldaia.

I raggi solari che arrivano alla caldaia, surriscaldano l’acqua presente in essa producendo vapore, il quale vapore aziona una turbina che collegata ad un alternatore   produce energia elettrica.

esempio di centrale solare a specchi

Una delle centrali solari più grandi al mondo (USA)

La centrale fotovoltaica
La centrale fotovoltaica è costituita da un insieme di pannelli detti celle solari o celle fotovoltaiche. In esse è presente un particolare elemento, il silicio che, opportunamente trattato, ha la capacità di generare direttamente energia elettrica quando viene colpito dalla radiazione solare.  La cella fotovoltaica si presenta come un cerchio di 10 cm di diametro e viene affiancata a numerose altre, fino a ottenere la quantità di elettricità richiesta.

Qual è il principio fisico in base al quale una cella fotovoltaica produce energia elettrica quando viene colpita dalla luce del sole?

Quando i fotoni, particelle di energia luminosa, colpiscono la cella fotovoltaica si determina uno spostamento degli elettroni degli atomi di silicio, che attraverso il loro scorrere generano corrente elettrica nel corpo del semiconduttore

Vantaggi dell’Energia Solare

• Sostenibilità: l’utilizzo degli impianti solari permette di produrre energia a basso impatto ambientale, poiché non necessita di materie prime fossili per innescare processi di combustione e quindi non immette sostanze nocive, come gas serra nell'aria
• Risorsa illimitata 

Svantaggi dell’Energia Solare

• Costo di installazione:  il costo dell’impianto fotovoltaico può essere elevato, ma il tempo di ritorno dell’investimento (grazie al risparmio sulla bolletta elettrica) 
• Rendimenti bassi: purtroppo le tecnologie esistenti hanno dei rendimenti molto bassi rispetto agli altri impianti di produzione; ciò significa che l’energia prodotta è circa un terzo dell’energia che si potrebbe teoricamente produrre (le celle di prima generazione che sono le più comuni, hanno rendimenti intorno al 33%, mentre ad esempio una turbina eolica può avere rendimento tra il 40 e il 50%).
• Estesa area di installazione: avendo una bassa concentrazione, la luce solare deve essere captata da superfici il più ampie possibili. Risulta essere un problema realizzare grandi impianti, perché necessitano di grandi aree e possono togliere terreno usufruibile ad esempio per l’agricoltura. Una soluzione attuata recentemente consiste nel localizzare gli impianti vicino a zone desertiche. 
• Discontinuità della risorsa e incapacità di grandi accumuli: il più grande problema è che il sole non sempre c’è. In una giornata nuvolosa e di notte non è possibile contare sull’apporto energetico del sole.