Tecnologia - Gli impianti di produzione energetica

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Gli impianti di produzione energetica

 


DEFINIZIONE DI ENERGIA
L’energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro.

L’energia si può trovare nello stato di potenziale e nello stato di atto. Tutto ciò che esiste nell’Universo è energia, in quanto la materia è energia. Al momento attuale delle conoscenze scientifiche tuttavia non è possibile dare una definizione precisa di energia, ma si può dire che l’energia è tutto ciò che è.


ORDINE E DISORDINE
L’energia può trovarsi “ordinata” quando è allo stato potenziale ed è in grado di poter compiere il lavoro; può essere invece “disordinata” quando ha svolto il lavoro e non è più grado di rifarlo. Quando tutta l’energia “ordinata” diventa “disordinata” il sistema è in equilibrio. L’Universo è un sistema isolato che tende al disordine.

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LA TRASFORMAZIONE ENERGETICA 
Secondo la Legge di conservazione dell'Energia, l’energia non è un’entità che può essere costruita o distrutta, ma può essere solo trasformata (o convertita). Il processo di conversione dell’energia è ciò che l’uomo, fin dalla scoperta del fuoco, utilizza per attingere ad essa al fine di svolgere dei lavori che altrimenti non sarebbe in grado di fare con le proprie risorse naturali a disposizione. Questa energia aggiuntiva, rispetto alla propria naturale, è un’energia “suppletiva”.

Il progresso tecnologico quindi è il percorso dell’uomo che impara, nel corso della sua storia, a convertire l’energia suppletiva ottimizzando ogni volta di più la resa lavorativa della stessa.

In natura esistono 6 forme di energia, che sono:

  1. L’energia meccanica
  2. L’energia chimica
  3. L’energia elettromagnetica
  4. L’energia gravitazionale
  5. L’energia termica
  6. L’energia nucleare

L’uomo ha imparato a convertire una forma di energia in un’altra al fine di ottenere la capacità di svolgere dei lavori. Nel processo di conversione energetica non tutto il valore energetico di una forma, viene trasformato nell’altra. Durante questa fase infatti avviene una fisiologica dispersione che è tanto maggiore quanto più il sistema è inefficiente. La dispersione consiste nell’aumento dell’energia disordinata rispetto a quella ordinata, facendo quindi diminuire la quantità di energia capace di svolgere un lavoro.

Produrre energia significa quindi “trasformare” o “convertire” energia da una forma all’altra. 



GLI IMPIANTI DI PRODUZIONE ENERGETICA

Per impianti di produzione energetica si intendono quelle infrastrutture in grado di produrre l'energia fondamentale per il funzionamento di una società industriale moderna: l'energia elettrica. Quindi, a livello industriale, quando si parla di produzione energetica s’intende “produzione di energia elettrica”.


FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE ELETTRICA
Gli impianti di produzione energetica, detti "centrali", convertono l'energia termica, nucleare, idraulica, solare, eolica...etc in energia elettrica. La conversione avviene cambiando il livello di tensione attraverso degli alternatori che portano l'energia ad un moto costante.

Le centrali elettriche vengono classificate prima di tutto per la tipologia di fonte energetica che trasformano e poi per l’impatto ambientale che tali infrastrutture determinano, sia in base alla risorsa da cui attingono, che può essere ecologica o non ecologica, sia in base ai prodotti di scarto che tali lavorazioni determinano, le quali, a loro volta, possono essere rinnovabili o meno.

Le fonti energetiche non rinnovabili sono: il carbone, gli olii combustibili, i combustibili nucleari, il gas naturale, l’olio di scisto e l’olio di torba.

Le fonti energetiche rinnovabili sono: le biomasse, i vapori geotermici, i corsi d’acqua, l’energia solare, la radiazione solare, le maree, il moto ondoso, il vento.

L'IMPIANTO DI PRODUZIONE ENERGETICO PIU' GRANDE DEL MONDO: HUBEI, CINA
Attualmente (2021), la diga delle Tre Gole (Hubei, Cina) è l’impianto energetico più grande del mondo. La mega infrastruttura è ubicata nella Cina continentale centro orientale ed è in grado di produrre 22.500 MW di energia elettrica.

Il record di produzione energetica cinese è attualmente indiscusso, sebbene ci siano progetti di realizzare impianti con capacità ben superiori, come in Congo (39.000 MW) e in Russia (87.100).

LE CENTRALI ENERGETICHE
Le centrali energetiche esistono da quando la storia dell’uomo ha conosciuto la rivoluzione industriale (1760) e sono dei sistemi complessi, altamente tecnologici, dove l’energia viene raccolta in una forma e trasformata in un’altra.

-          I metodi primitivi di conversione energetica

Prima del concepimento delle centrali, l’uomo aveva già imparato a convertire delle energie da una forma all’altra. Per esempio con lo sfruttamento dell’energia meccanica degli animali e, subito dopo, dell’energia termica del fuoco. Seguirono gli utilizzi dell’energia eolica con l’invenzione dei mulini e delle vele; dell’energia idrica (ancora con l’invenzione dei mulini azionati ad acqua) e, non ultimo, la conversione dell’energia gravitazionale con l’invenzione della ruota e la scoperta del piano inclinato.

-         La rivoluzione energetica e la rivoluzione industriale

Dopo secoli di sfruttamento dell’energia con metodi primitivi, con la rivoluzione industriale di metà ‘700, grazie anche al progresso intellettuale e scientifico nei campi della matematica, della chimica, della fisica e della meccanica, nonché di quelli tecnici, l’uomo ha concepito nuove e migliori tecnologie di produzione (trasformazione o conversione) energetica. Ciò è stato possibile con lo sfruttamento a scopi energetici dei combustibili fossili su scala industriale (1859); la nascita del motore endotermico, della biella e del pistone nonché all’invenzione della batteria elettrica.

TIPOLOGIE DI MODERNI IMPIANTI INDUSTRIALI DI PRODUZIONE ENERGETICA 

  • Centrale termoelettrica
  • Centrale eolica
  • Centrale idroelettrica
  • Centrale nucleare
  • Centrale geotermica
  • Centrale fotovoltaica
  • Centrale termodinamica

Cascata del Niagara (2005)

  • La centrale idroelettrica

La centrale idroelettrica è la tipologia di centrale elettrica più antica della storia tecnologica, in quanto il primo impianto fu realizzato tra il 1879 e il 1881 sfruttando l’energia cinetica prodotta dalle Cascate del Niagara (Stati Uniti/ Canada). Oltre ad essere il sistema di trasformazione energetica più antico è anche quello più ecosostenibile, perché sfrutta come risorsa l’energia dell’acqua che si produce lungo i dislivelli dei corsi dei fiumi o delle cascate.

Questa tecnologia dunque non utilizza risorse ad esaurimento (come i combustibili fossili), ma, tuttavia, rimane il difetto che la realizzazione di tali opere richiedono un intervento sul paesaggio molto impattante in quanto possono essere alloccate solo dove le acque interne di fiumi e cascate producono, grazie a dislivelli naturali preesistenti, un’energia potenziale adeguatamente sfruttabile.

  • Le centrali termoelettriche

La centrale termoelettrica è la tipologia di centrale elettrica più antica (New York, 1882) della storia tecnologica dopo la centrale idroelettrica. In questa centrale l’energia viene convertita bruciando carbone, gas o petrolio con l’uso dell’ossigeno. Secondo i dati statistici, ormai storicamente accertati, questa tecnologia non è molto efficiente, al punto che la percentuale di conversione energetica oscilla dal 35% di quelle più obsolete al 60% di quelle più moderne ed efficienti. Ciò significa che l’energia restante (65% - 40%) viene convertita senza produrre lavoro.
Le centrali termoelettriche, oltre ad essere poco efficienti, sono anche molto inquinanti e usufruiscono di una risorsa, i combustibili fossili, che non sono più abbondanti in natura, ma anzi, con molta probabilità ne sono stati già consumati la maggior quantità disponibile a livello mondiale.

  • La centrale nucleare

La centrale nucleare è un impianto di trasformazione energetica che sfrutta l’energia potenziale dei nuclei di alcuni elementi (plutonio e uranio) per trasformarla in energia elettrica. La trasformazione energetica avviene utilizzando delle barre di elemento fissile che vengono accostate l’una all’altra, con in mezzo la barra di “controllo”. Le tre barre vengono immerse in grandi contenitori pieni d'acqua e a tenuta stagna. Inizia così il processo di fissione, ovvero di separazione del nucleo attraverso un bombardamento di neutroni veloci. La resa energetica è data dalla produzione di una quantità importante di energia termica data dal riscaldamento dell’acqua che porta in pressione il reattore. Dopo di che, il liquido surriscaldato viene convogliato in un circuito idraulico uno primario, dove il flusso radioattivo viene trattenuto e uno secondario in cui l'acqua in ebollizione e decontaminata viene raffreddata e reimmessa nel circolo ambientale. 

Le centrali nucleari sono una soluzione abbastanza vantaggiosa dal punto di vista della resa energetica, perché per avere tanta energia si utilizza una quantità di fonte materiale inferiore rispetto ai sistemi idroelettrici o termoelettrici. Questo tipo di impianti tuttavia pur non producendo nessuna forma di inquinamento diretto quando è ben funzionante, ha una pessima reputazione nell'opinione pubblica mondiale a causa degli incidenti che possono succedere e le cui conseguenze possono essere catastrofiche per l'ambiente e per l'uomo. Altro problema delle centrali nucleari è la questione dello stoccaggio delle materie di scarto, il cosiddetto "fissile" del nucleo, in quanto deve essere raccolto in sede di produzione, isolato in fase di trasporto e infine stoccato sottoterra, dove vengono appositi scavi che devono poi essere richiusi riducendo al massimo il rischio di contaminazione radioattiva del terreno e degli esseri viventi che stanno attorno.

  • Le centrali eoliche

Le centrali eoliche lavorano trasformando l’energia potenziale del vento con un meccanismo simile a quello dei vecchi mulini a vento. L’energia catturata dalle pale viene convogliata ad un alternatore e trasformata. Questo tipo di impianti hanno una resa che raggiunge il 60% ma, a fronte di ciò richiedono un grande investimento per la loro realizzazione e impattano pesantemente sul paesaggio. E questi sono i motivi per cui anche associazioni ecologiste non sempre si dimostrano favorevoli alla loro installazione. Le centrali eoliche sono eco-rinnovabili perché utilizzano una risorsa naturale non soggetta a esaurimento: il vento.

  • Le centrali geotermiche

Le centrali geotermiche sono gli impianti di trasformazione energetica che utilizzano l’energia pressoria dei fluidi e dei vapori che provengono dal sottosuolo. All’interno del pianeta Terra vi è infatti una continua trasformazione energetica naturale che si realizza attraverso delle reazioni nucleare del tutto simili a quelle che avvengono nelle centrali nucleari artificiali. La Terra è infatti al suo interno una centrale nucleare naturale, dove le grandi quantità di elementi instabili come il torio e l’uranio decadono perché subiscono continue fissioni producendo un’enorme quantità di energia termica che scalda la roccia. Questo fenomeno è la dimostrazione che la Terra è una fonte radioattiva naturale a cui gli esseri viventi presenti su di essa, si sono “dovuti” adattare nel corso dell’evoluzione.

Le centrali geotermiche sfruttano le pressioni dei vapori e dei fluidi sottoterrestri per alimentare grandi turbine collegate a degli alternatori che producono energia elettrica.

Sebbene questi impianti non utilizzino fonti ad esaurimento, la loro resa è tuttavia molto bassa (20%). In più, tale vantaggio è maggiore quanto più in profondità si riesce a penetrare con i pescaggi e ciò comporta un investimento costruttivo iniziale piuttosto oneroso.

  • Le centrali fotovoltaiche

Le centrali fotovoltaiche sono gli impianti che convertono l’energia solare (foto = luce + voltaico = elettricità) in energia elettrica. Si tratta di un processo scoperto per caso da Einstein ai primi del ‘900 e prevede che una radiazione elettromagnetica carica possa cedere la sua energia grazie al trasferimento di elettroni degli orbitali più esterni verso altri orbitali di altri elementi e/o materiali. Convogliando questi elettroni fluttuanti si determina un flusso continuo che produce l’energia elettrica.

La centrale fotovoltaica cattura l’energia solare attraverso appositi pannelli in silicio, un elemento semiconduttore che colpito dalla pioggia di energia solare la trasforma in energia continua la quale poi viene trasformata in alternata per essere usata in ambito civile e industriale.

Le centrali fotovoltaiche devono essere posizionate in punti strategici del territorio dove il sole possa colpirlo in maniera sufficiente ad attivare il processo di semiconduzione. Questo sistema, dal momento che non produce scarti o scorie è considerato tra i sistemi a “energia rinnovabile”.  Dal punto di vista della resa totale tuttavia gli impianti fotovoltaici non sono tra i più produttivi, solo il 2% dell’energia prodotta può essere trasformati, ecco perché tale sistema non è in grado di soddisfare il fabbisogno energetico dei centri urbani, anche piccoli, e per contro, sono necessari terreni estesi e giustamente angolati per produrre, attraverso una gran numero di pannelli, una significativa quantità di energia.

  • Le centrali termodinamiche

Anche le centrali termodinamiche utilizzano l’energia solare ma attraverso un principio differente rispetto alle centrali fotovoltaiche. Questi impianti, attraverso grandi specchi, catturano l’energia solare che viene convogliata in un punto in cui si trova dell'acqua contenuta in una caldaia, la quale, portata a ebollizione, produce il vapore (la fonte energetica del sistema), il quale, convogliato attraverso apposite condotte alle turbine viene tradotto in energia elettrica.

Anche le centrali fotovoltaiche sono considerate dei sistemi rinnovabili, in quanto non producono scarti di trasformazione ed utilizzano una risorsa naturale relativamente inesauribile come l’energia solare. I principi che stanno alla base delle centrali termodinamiche erano già stati scoperti dal matematico siracusano Archimede nel III° secolo a.C. il quale aveva inventato i suoi “specchi ustori”.

L’installazione di una centrale termodinamica sono operazioni molto costose e anche in questo caso il posizionamento è determinate per la cattura ottimale dei raggi solari.

Autore dell'articolo: Pierpaolo Spanu

Foto di copertina: quadro d'epoca di Hermann Ottonar Herzog (Cascate del Niagara)

 

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