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Fonti di energia

elettrotecnica




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Fonti di energia

Per ridurre il consumo di combustibili fossili, vi sono solo due alternative possibili: l'energia nucleare e le energie rinnovabili. Dopo l'incidente di Cernobyl, che ha avuto un violento impatto sull'opinione pubblica, in molti paesi è stato sospeso o ridotto il funzionamento delle centrali nucleari, ritenute pericolose per la salute pubblica e per l'ambiente.

La quantità di energia che la Terra riceve dal Sole è immensa, tuttavia solo una minima parte di essa è utilizzabile. Attualmente, le più promettenti fonti di energia rinnovabile sono il vento, l'acqua e i biocombustibili, ma la maggior parte di queste sono talmente "diluite" che per il loro sfruttamento si rendono necessari numerosi impianti di grosse dimensioni che avrebbero un forte impatto ambientale.

Le centrali eoliche sono costituite da gruppi di turbine a vento (o aeromotori) accoppiate a generatori di corrente. Nell'incontro con le pale della turbina, il vento perde circa il 40% della propria energia cinetica, che viene utilizzata per azionare la turbina; l'energia meccanica prodotta viene poi trasformata in energia elettrica dal generatore.



La luce solare viene trasformata direttamente in corrente elettrica continua (con un rendimento di circa il 15%) da dispositivi fotovoltaici costituiti da materiale semiconduttore. La corrente continua deve poi essere trasformata in corrente alternata per poter essere immessa nella rete di distribuzione.

Negli impianti idroelettrici, l'energia cinetica dell'acqua che cade attraverso un dislivello viene trasformata in energia meccanica da una turbina idraulica accoppiata a un generatore elettrico.

In alcune centrali termoelettriche, il calore viene prodotto dalla combustione di rifiuti o di metano ottenuto dalla decomposizione di rifiuti. In altre si utilizzano "biocombustibili", cioè materiale di scarto proveniente da procedimenti agricoli, o legna ottenuta dal taglio di piantagioni appositamente coltivate.

Un serio impegno nella ricerca di fonti di energia rinnovabile potrebbe portare nel futuro a impianti di piccole dimensioni basati su tecnologie diversificate, che sostituirebbero le grandi centrali-cattedrale di oggi.

La produzione di energia elettrica

Processo di trasformazione in energia elettrica di altre forme di energia, come l'energia potenziale dell'acqua e dei combustibili, l'energia cinetica del vento e l'energia luminosa della luce solare. Data la varietà delle fonti, questo processo coinvolge tecnologie complesse.





Fonti di energia esauribili


Energia dei combustibili: energia chimica accumulatasi nel sottosuolo, contenuta in sostanze di formazione remota, come il petrolio, il carbone e il gas naturale. Tali fonti possono essere convertite in energia utilizzabile, tramite cicli termodinamici, che però sono generalmente dannosi per l'ambiente, a causa dei prodotti di combustione nocivi che immettono nell'atmosfera.



Energia termonucleare: energia liberata nelle reazioni nucleari: è una conseguenza della trasformazione della materia in energia secondo l'equazione formulata da Einstein, per cui E = mc², dove Ed è l'energia corrispondente all'annullamento della massa m, e c è la velocità della luce. Ad es. nella formazione di un nucleo di elio concorrono a costituirlo 2 protoni + 2 neutroni; poiché il nucleo d'elio ha massa 4,00385, mentre la massa totale dei protoni e neutroni che lo costituiscono e 4,03426, vi è un difetto di massa pari a 0,03041; tale variazione di massa si annulla dando origine, secondo la teoria della relatività einsteiniana, a energia.


Fonti di energia inesauribili

Energia eolica: energia cinetica dovuta al movimento di masse d'aria; per la sua discontinuità è difficilmente utilizzabile per gli impianti di grandi dimensioni, ma può essere impiegata per azionare molini, pompe e piccoli alternatori.


Energia idrica energia potenziale dovuta al ciclo atmosferico dell'acqua e alla forza di gravità. Viene sfruttata la potenza idrodinamica del moto dell'acqua, generalmente di caduta, per la produzione di energia elettrica (centrali idroelettriche). I vantaggi offerti dall'energia idrica sono la lunga durata degli impianti di trasformazione e il basso costo di esercizio. Forme particolari di questo tipo di energia sono quelle dovute allo scioglimento dei ghiacciai, al movimento di masse d'acqua provocato dalle maree e al moto ondoso; ma sono tutti di difficile sfruttamento, per la periodicità e i vincoli geografici relativi a tali fenomeni.


Energia geotermica energia termica accumulata al negli strati superficiali della crosta terrestre e che si manifesta con eruzioni (vulcani, geyser, soffioni) spesso violente e quindi impossibili da controllare e da utilizzare. Sono però sfruttati gli alti flussi termici superficiali, che, pur avendo un'efficienza piuttosto bassa, non producono però alcun impatto ambientale.


Energia solare energia emessa dal sole attraverso radiazioni elettromagnetiche, visibili ed invisibili, si valuta in ca 1034 Joule/anno. Un tale regime energetico non può essere spiegato né da una semplice combustione, né dall'energia gravitazionale che si libera per la lenta contrazione della massa solare. L'energia solare ricevuta dalla superficie terrestre ai limiti dell'atmosfera è pari a ca 2 cal/cmq min. Interessanti ed in via di applicazione pratica sono i tentativi per l'utilizzazione industriale di questa energia, anche se notevoli limitazioni al suo impiego sono poste dalla ridotta concentrazione e dalle variazioni diurni e stagionali.





Produrre energia elettrica estraendo olio minerale.

I progetti eco-sostenibili per lo sfruttamento ottimale delle risorse sono, per Agip, alla base delle moderne politiche energetiche.

In questi casi la partnership con aziende leader nel settore della energia come Cefla s.c.r.l. non può che dare buoni frutti. I frutti, ad Agip, derivano dalla produzione di energia elettrica utilizzando i gas combustibili derivanti dal processo di estrazione dell'olio minerale nel Centro Olio Torrente Tona di Rotello, in provincia di Campobasso. L'energia elettrica prodotta viene immessa con profitto sulla rete di distribuzione nazionale dell'ENEL.

L'impianto Agip estrae olio minerale già da diversi anni, olio destinato a successivi processi di raffinamento. L'estrazione comporta la presenza di gas di pozzo, di solito inadatto ad un utilizzo diretto se non utilizzando macchine appositamente progettate per permetterne la combustione. I gas presenti all'uscita dai pozzi sono un misto tra gas metano, altri gas combustibili, vapore d'acqua, ecc. Questi gas, fino a poco tempo fa, venivano bruciati in torcia, ovvero dispersi e sprecati in quelle fiamme che spesso vediamo bruciare su altissimi tralicci in prossimità di impianti d'estrazione.
Era prevedibile che prima o poi i dirigenti Agip si sarebbero chiesti come sfruttare queste potenzialità, soprattutto in questi tempi dove l'energia è preziosa ed il suo recupero sposa quelle politiche ambientali verso le quali sia il settore pubblico che privato finalmente si dimostrano sensibili. In casi di questo tipo, l'esperienza e la competenza del partner nello studiare la soluzione è fondamentale, ragione per cui è stata interpellata Cefla Scrl, gruppo che opera in diversi settori, tra i quali il settore dell'energia e della cogenerazione.

L'obbiettivo da raggiungere per i tecnici della Divisione Impianti della Cefla era quello di utilizzare i gas combustibili estratti, filtrarli e renderli idonei ad alimentare il maggior numero possibile di generatori, per creare una centrale di produzione elettrica redditizia.

Cefla si è dimostrata in grado di fornire ad Agip il progetto "chiavi in mano", dalle infrastrutture edili ai generatori, dal software di automazione e controllo alla gestione della centrale e del personale impiegato. Il pieno successo del risultato ottenuto permette oggi ad Agip di disporre di una centrale di produzione elettrica da 20.000 kW, prodotti da un sistema costituito da 8 generatori azionati da motori alimentati da quello stesso gas che prima era "bruciato" in atmosfera.

Risorse alternative rinnovabili.


In tutto mondo si stanno costruendo nuovi impianti per l'energia eolica Perché è pulita e inesauribile. Ma soprattutto perché, grazie ai progressi tecnologici è diventata la fonte di energia più economica in assoluto.

Text Box:

Supercentrale

Entro il 2020 la richiesta mondiale di energia sarà tre volte superiore a quella del 1970 (dati Intemational energy admunistration). E per quella data anche le riserve di petrolio e gas inizieranno ad assottigliarsi. Per questo il governo europeo ha proposto una normativa per favorire l'elettricità prodotta sfruttando fonti rinnovabili (e Inesauribili) che entro il 2010 dovrebbe far raddoppiare l'energia prodotta in questo modo, portandola al 12 per cento del totale.

Tra queste fonti l'eolico (cioè il vento) ha le maggiori credenziali per farsi strada. In Europa produce già 4.500 MW (in Italia 100) e nel mondo 7 mila MW. La Germania ha ora dato il via alla creazione delta più grande centrale eolica al mondo,che sarà costruita un mare, a 20 km dall'isola di Usedom. Lì 200 rotori eolici produrranno 1.000 MW, tanto quanto una centrale nucleare, sufficienti per soddisfare le richieste energetiche di una città di un milione e mezzo di abitanti.

Semplificazioni nei generatori di elettricità, strutture snelle per ridurre pesi e costi, pale sempre più aerodinamiche (l'Italia, con Enel ed Enea, l'Ente nazionale per le energie alternative, si è fatta promotrice di un sistema a pala singola) stanno rendendo l'energia eolica la più economica in assoluto (vedere tabella in questa pagina). Il vento ha anche altri vantaggi: è pulito e gli impianti sono rapidi da installare nel caso di un'improvvisa crescita della domanda.


Il sole è in ritardo

La fonte rinnovabile più attraente era però sempre stata considerata quella solare. Se infatti si riuscisse a convertire tutta l'energia che la terra riceve dai raggi del sole in un giorno soltanto, se ne avrebbe una quantità 50 volte superiore a quella attualmente consumata da tutta la popolazione mondiale in un anno.

Invece il solare non si diffonde, perché i materiali che convertono un elettricità l'energia della nostra stella sono poco efficienti, gran parte dell'energia si perde nel processi di trasformazione e non ci sono stati negli ultimi anni i progressi tecnologici promessi. L'energia del sole si può utilizzare soprattutto in 2 modi: come calore, scaldando in appositi pannelli l'acqua che poi viene usata prevalentemente per usi domestici, oppure,ed è la tecnologia più promettente, trasformarla tramite speciali pannelli detti fotovoltaici direttamente in energia elettrica. Gli attuali pannelli fotovoltaici hanno però un'efficienza solo del 15%, il che significa che per ogni kilowatt prodotto se ne sprecano quasi 6. Utilizzando altri elementi (come l'arseniuro di gallio) al posto del silicio degli attuali pannelli si potrebbero migliorare le prestazioni, ma con costi ancora troppo alti. Le celle al gallio-arseniuro/gallio-antimonio ottengono per esempio rese del 37%, ma con costi tripli rispetto a quelli del silicio.




Nell'idrogeno il futuro

C'è perì un'altra possibile alternativa pulita ai combustibili tradizionali che sta facendo progressi quella dell'idrogeno. Secondo il presidente dell'Enea e premio Nobel Carlo Rubbia, useremo presto questo elemento estraendolo da metano e carbone. I vantaggi dell'idrogeno sono l'enorme disponibilità (l'acqua contiene idrogeno, la "H" di H20) e la pulizia della combustione (l'unico "scarto" sarebbe acqua pura). I problemi finora erano i costi di estrazione e la tendenza a esplodere. Ma le soluzioni sono vicine. E molti pensano che l'idrogeno presto sostituirà la benzina nei motori a scoppio.

All'aeroporto di Monaco è già in funzione un distributore di idrogeno che rifornisce una Bmw e tre autobus. Per aggirare i problemi del trasporto (a temperatura ambiente occupa uno spazio 10 volte superiore alla benzina, perché si trova allo stato gassoso e, per renderlo liquido, è necessario portarlo a 253° sotto zero) è però probabile che la soluzione saranno le celle a combustibile, in pratica pile nelle quali entra idrogeno ed esce elettricità e acqua pura. Con questo sistema la Mercedes ha costruito un'auto, la Necar 4, che tocca i 145 km/h. E a Milano è attivo un impianto a idrogeno dimostrativo da 1 MW: produce energia elettrica che viene già Immessa nella rete.

Esistono poi progetti per sfruttare i fiumi del nord del mondo per produrre l'energia che servirebbe per l'idrolisi dell'acqua, la separazione cioè, dell'idrogeno dall'ossigeno. L'idrogeno, quindi, verrebbe trasportato su navi cisterna in enormi thermos.


Salvare il nucleare?

L'energia dell'atomo potrebbe risolvere il problema dell'effetto serra. Ma oggi ha troppi svantaggi: costa molto, produce scorie radioattive ineliminabili, fa ancora paura. In futuro però con i nuovi reattori.

Sono 448 i reattori nucleari oggi in attività e producono il 17% dell'energia elettrica richiesta 2.100 miliardi di kW/h all'anno. In Europa sono invece 150 e soddisfano il 36% del fabbisogno. La Francia con 1'80% di produzione di energia elettrica dal nucleare detiene il primato. L'uso di questa forma di energia evita l'immissione nell'atmosfera di quasi 2 miliardi di tonnellate di anidride carbonica (il gas più coinvolto nel cosiddetto effetto serra) al giorno. Ma costa ancora troppo, soprattutto se si tiene conto delle spese per rendere gli impianti più sicuri e per smaltire le scorie radioattive che si producono nel processo. E crea preoccupazione (ultimo caso l'incidente nucleare in Giappone del settembre 1999). Per questo negli ultimi 10 anni, dopo cioè il terribile incidente di Cernobyl del 1986, sono entrate in funzione poco meno di 100 centrali e la maggior parte nel Terzo mondo.


Se la sicurezza è passiva

In futuro l'energia nucleare potrebbe tornare: più sicura e conveniente. In tutto il mondo si studiano oggi centrali dette "a sicurezza passiva", basate cioè su contromisure che entrano in azione automaticamente, senza bisogno di energia esterna o di intervento umano.

Un progetto di centrale supersicura è stato ideato in Italia, da ricercatori dell'università di Roma, ed è stato chiamato Mars (Multipurpose advanced reactor inherently safe: reattore avanzato multifunzionale intrinsecamente sicuro). In questo reattore vi è un sistema che, quando all'interno del nocciolo (il luogo dove avviene la reazione nucleare3 si supera una temperatura prefissata, fa spegnere l'impianto prima che si verifichi la temuta fusione del nocciolo, come avvenne in un altro incidente molto noto, a Three Mile Island negli Stati Uniti. È stato calcolato che la probabilità di incidente con questo reattore è pari a 1 evento ogni 50 milioni di anni, omero 5 volte inferiore alla probabilità che un grande meteorite colpisca la Terra. Mars, inoltre, potrebbe dare soluzione a un altro problema irrisolto dell'energia nucleare: quello dello smantellamento. Gli attuali reattori, molti dei quali termineranno la loro esistenza tra il 2010 e il 2020, dovranno essere sepolti sotto una coltre di cemento e rimanere così per millenni. Mars invece è composto da semplici pezzi di metallo imbullonati, il che ne consente lo smantellamento rapido e totale.


Scorie utili

Un problema che la tecnologia nucleare non è ancora riuscita al superare è lo smaltimento delle scorie radioattive che si formano durante la produzione. Negli Stati Uniti è stata proposta una soluzione parziale. Normalmente il combustibile "fresco" (uranio), diventa inutilizzabile dopo 3 anni. La nuova tecnica consente invece di continuare a sfruttare lo stesso combustibile per altri 10-14 anni. Il pro getto, chiamato NPTRE, è stato proposto da Claudio Flippòne dell'università del Maryland.

Tra i reattori sicuri e in grado di riutilizzare le proprie stesse scorie c'è anche quello progettato da Carlo Rubbia, oggi presidente dell'Enea. un reattore che permette di usare come combustibile, al posto dell'uranio,il torio, un elemento almeno tre volte più abbondante dell'uranio nella crosta terrestre e che non produce, come scarto, plutonio, una sostanza che rimane altamente radioattiva per decine di migliaia di anni.


Le ultime risorse alternative

Un solo giacimento di gas idrati nell'Atlantico contiene tanto metano da bastare agli Usa per-100 . anni. E con le "melme" si illuminano interi paesi.

La ricerca di fonti d'energia alternative sta prendendo in esame anche nuove soluzioni, sorprendenti ma non per questo meno promettenti. Il giorno in cui si riuscirà ad esempio a estrarre dai fondali oceanici le grandi quantità di gas idrato che sono state individuate nei sedi-: menti degli oceani, si potrà avere a disposizione tanto combustibile da poter soddisfare le esigenze energetiche dell'uomo per almeno un secolo. "Odp Leg 164" è il nome in sigla della perforazione fatta un paio di anni fa al largo del South Carolina, nell'oceano Atlantico, ché ha confermato l'esistenza di almeno 35 miliardi di tonnellate di gas idrato in un unico giacimento. Secondo Gerald Dickens dell'università del Michigan, che si occupa di queste ricerche, «ce n'è Cosi tanto che potrebbe soddisfare le richieste di metano degli Stati Uniti per i prossimi 100 anni». Da allora sono stati individuati almeno altri cento depositi. Il "gas idrato" è una fase solida di una miscela di acqua e gas, principalmente metano, che si presenta come ghiaccio-sporco e che si forma in condizioni di bassa temperatura, alta pressione e alta concentrazione di gas, derivato soprattutto dalla putrefazione di piccoli organismi che si depositano sui fondali. L'estrazione è resa difficile dal fatto che quando si porta in prossimità della superficie tale composto, la minore pressione e la maggiore temperatura provocano un'espansione molto veloce esplosiva, dei gas. Oggi si pensa di aspirarlo e stivarlo in grossi sommergibili che lo trasporterebbero a terra. Queste operazioni tuttavia, potrebbero rendere instabili i versanti in cui è intrappolato il metano e dare vita a gigantesche frane sottomarine.




Energia dalla balena

In mare c'è un'altra fonte importante di energia ancora poco sfruttata: il moto ondoso.Ancorata nella baia di Gokasho, 300 chilometri a ovest di Tokyo, c'è perì una delle prime centrali basate sulle onde. Assomiglia a un gigantesco cetaceo: non a caso il sub nome è "MightyWhale", Balena Potente. La centrale è grande 50 per 30 metri ed è profonda 12 metri. È in grado di produrre 110 kW. Il progetto, la cui fase di sperimentazione terminerà verso la metà di quest'anno, sembra dare buoni risultati. Se verranno confermati si passerà alla costruzione di un secondo prototipo.



Dallo spazio e dalle melme

Nello spazio c'è una quantità illimitata di energia: solare, che in futuro si potrà forse convertire in microonde da inviare sulla Terra. Nel frattempo si può sfruttare un diverso tipo di energia cosmica, almeno per alimentare satelliti o stazioni spaziali: quella del campo magnetico planetario. È sufficiente infatti un cavo conduttore che, tenuto al guinzaglio da un satellite, venga fatto orbitare attorno alla Terra tagliando il suo campo magnetico. Si crea in tal modo una differenza di potenziale che, in base agli esperimenti già condotti, può generare fino a 1 MW di potenza.

Energia può essere ottenuta anche dalle melme dei fanghi di depurazione. E quanto avverrà nei prossimi mesi a Londra, dove dalla combustione di tali fanghi si produrrà elettricità sufficiente per alimentare 19 mila abitazioni. E chissà che prima o poi non salti fuori qualcosa anche dalla tanto discussa fusione fredda: malgrado lo scetticismo diffuso nel mondo scientifico ci sono ancora ricercatori impegnati a studiarla. E convinti che possa dare risultati.



Elettricità dalle olive: in Spagna si può
Il progetto di Endesa
Endesa, la maggiore società elettrica spagnola, sta costruendo due impianti per generare elettricità dai residui delle olive: si tratta di uno dei primi progetti al mondo per utilizzare gli scarti della produzione di olio d'oliva come combustibile.
Il residuo della spremitura delle olive - in spagnolo "orujillo" è difficile da smaltire e può essere pericoloso per l'ambiente: una volta nei fiumi infatti toglie ossigeno ai pesci e li porta lentamente alla morte. Ma può fornire combustibile pulito per le centrali elettriche.
"In passato l'orujillo era usato per accendere il fuoco e riscaldare le case o nelle fornaci di mattoni; oggi lo usano sempre meno persone, quindi è difficile smaltirlo", spiega Angel Sancho, direttore dei progetti presso l'impresa Ghesa, che sta costruendo i due impianti per conto di Endesa. Le nuove centrali sorgeranno nelle province di Jaen e Ciudad Real, nel nord della Spagna, il cuore della regione delle
olive.

Tecnica sperimentata
Un altro impianto simile a quelli in via si realizzazione è già operativo nella provincia di Cordoba: è alimentato a orujo, un residuo della lavorazione più concentrato dell'orujillo. Ora l'Endesa vuole sperimentare un processo di recupero anche per l'orujillo.
"Il problema principale era come estrarre l'energia da questo residuo: una volta che ci siamo resi conto che poteva funzionare abbiamo deciso di costruire gli altri due impianti". Per realizzare il progetto Endesa investirà più di 39 milioni di dollari, circa 78 miliardi di lire. L'impianto avrà un potenziale di 32 megawatts, e potrà soddisfare le richieste di energia elettrica per uso domestico di 100.000 persone. Quando le due centrali saranno operative, nella seconda metà del 2001, ogni chilovattore consumato da una famiglia brucerà 0,92 chili di residuo di olive. Ogni impianto consumerà circa 105.000 tonnellate di orujillo all'anno.

Il futuro dell'energia pulita
Se l'esperimento funzionerà, Endesa pensa di costruire altre 30 installazioni in tutta la Spagna, per un totale di 500 megawatt, la metà dell'energia prodotta da una centrale nucleare.
L'efficienza di questo di questo tipo di impianti dipende naturalmente dal prezzo dell'orujillo: che al momento è fra le 2,5 e le 4 pesetas (28-46 lire) al chilo. "Mi sembra un progetto interessante perché lo smaltimento dell'orujillo stava iniziando a diventare un problema per noi", ha detto José Ramon Diaz, coordinatore nazionale della produzione di olio dell'associazione dei coltivatori Asaja.
La trasformazione di residui organici in materiale da combustione non si ferma all'olio d'oliva. Hidoelectrica de Catabrico, la società rivale di Endesa, ha annunciato lo scorso novembre che investirà circa 25 milioni di dollari per due impianti che riciclino il letame degli animali. Gli impianti saranno i primi di una serie di dodici. Il primo sorgerà nella regione delle Asturie, nel Nord del Paese.

In corso di elaborazione o di realizzazione ci sono progetti per usare di tutto, dalle barbabietole da zucchero ai noccioli di mandorle, alla cacca degli animali.






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