energia meccanica a spese del calore prodotto dalla combustione della benzina o del by 7vT88e2s

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									                          ENERGIA
•   Definizione classica di “energia”  capacità di un sistema a compiere lavoro.

•   Le due forme fondamentali dell’energia sono:
    - energia che muove le cose: energia lavoro detta anche di 1^ specie.
    - energia che riscalda le cose: energia calore detta anche di 2^ specie.

•   L’energia è una grandezza trasferibile da un corpo a un altro (es. il calore passa
    spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo), accumulabile (es. bacino
    montano, batteria elettrica), misurabile e calcolabile (contatori e formule
    matematiche).

•   Per essa vale il principio fondamentale detto “principio di conservazione dell’energia”
    per il quale l’energia non si disperde ma si trasforma.

•   Nelle automobili otteniamo energia meccanica a spese del calore prodotto dalla
    combustione della benzina o del gasolio; un motore elettrico trasforma energia
    elettrica in energia meccanica; in uno scaldabagno spendo energia elettrica per
    ottenere acqua calda; e così via.
                       Unità di misura
•   Dalla definizione data si evince che l’energia si misura come il lavoro, ovvero,
    essendo L = F  s ,
                               Energia          Nm=J
    “1J di energia corrisponde al lavoro necessario per spostare di 1m la forza di 1N ”
•   Per avere un’idea pratica facciamo alcuni esempi:
    - 1J  energia necessaria per sollevare di 10 cm un pacco di massa 1 kg.
    - 103J  energia consumata da un uomo quando cammina per 5 m.
    - 4105J  energia necessaria per riscaldare 1 l di acqua da 0 a 100°C.
    - 2.5108J  energia necessaria a un’automobile media per percorrere 100 km in
                    autostrada.
•   Il S.I. di misure prevede i seguenti multipli del J :
    - chilojoule: 1kJ = 103J
    - megajoule: 1MJ = 106J
    - gigajoule: 1GJ = 109J
    - terajoule: 1TJ = 1012J
    - pentajoule: 1PJ = 1015J
    - exajoule:     1EJ = 1018J
•   Un’altra unità di misura, non del S.I., ma utilizzata ancora in certi settori, è la kcal
    intesa come “la quantità di calore (energia termica) necessaria per innalzare di 1°C la
    temperatura di 1 kg di acqua”. Si trova che:



•   È il caso di accennare ad un’altra unità di misura, anche questa non del S.I., ma molto
    utilizzata nel campo del condizionamento; si tratta del BTU ( British Thermal Unit ):




•   Dalla definizione di potenza, “energia scambiata in 1 s” , deriva un’altra unità di
    misura, il kWh:




•   Quest’ultima definizione può ingenerare confusione tra il concetto di energia e quello d
    potenza. Essendo E = P  t  l’energia è data dal prodotto della potenza per il
    tempo in cui si impegna tale potenza. Ad esempio se una donna stira per 1.5 h con
    un ferro da stiro di potenza 1200 W , ha speso una quantità di energia: E = 1.2  1.5 =
    1.8 kWh (è quella che si paga).
•   Infine, quando si parla di grossi numeri, il fabbisogno energetico si esprime in tep (tonnellate
    equivalenti di petrolio) o in tec (tonnellate equivalenti di carbone).
•   Bruciando 1 kg di petrolio si ottengono ca. 44800 kJ di energia termica ovvero ca. 10700 kcal
    (44800/4.187). 1 ton = 1000 kg 

            1 tep = 44800  1000 kJ = 44.8 GJ (109/3600000) = 1.24  104 kWh

                                       1 tep = 10.7  106 kcal
•   Bruciando 1 kg di carbone si ottengono ca. 29300 kJ di energia termica, cioè ca. 7000 kcal:

                                         1 tep = 1.5 tec
                           1 tec = 29.3 GJ = 7  106 kcal = 8000 kWh

•   Sentiamo spesso parlare di “barile” di petrolio; vediamo di cosa si tratta:

                                          1 barile = 159 litri

•   Il petrolio ha una massa volumica di ca. 850 kg/m3 = 0.850 kg/dm3 

                                  1 barile = 159  0.850 = 136 kg

•   l’equivalenza energetica sarà:

                1 barile = 0.136 t = 6.1 GJ = 1.69  103 kWh = 1.45  104 kcal
Esempio

Il fabbisogno energetico annuo di una regione di media grandezza è di ca. 2000 GWh; esprimerlo
     in tep, in tec e valutare il n° di barili di petrolio necessari.
                                                 ___ _ ___ _ ___


E = 2000 GWh = 2000  106 kWh = 2000  106 / 1.24  104 = 161290 tep

E = 161290  1.5 = 241935 tec

N° barili = 2000  106 / 1.69  103 = 1183432



•   In questi giorni 1 barile di petrolio costa ca. 55$, perciò il costo energetico annuo della regione
    in esame è di ca. 65090000 $ = 50070000 € ( 1 €  1.3 $ ).
               TIPI DI ENERGIA


               Combustibili fossili   Carbone
                                      Petrolio
                                      Gas naturale
ESAURIBILI
               Combustibili nucleari Uranio
                                      Torio
                                      Solare
                                      Idraulica
                                      Eolica
INESAURIBILI
                                      Biomasse
               Energie rinnovabili    Geotermia
                                      Onde del mare
                                      Moto delle maree
Energie esauribili:
sono quelle che si formano in tempi lunghissimi, incommensurabili relativamente alla vita
degli esseri umani.


Energie inesauribili:
sono quelle disponibili con continuità sul nostro pianeta.


Energie rinnovabili:
sono quelle derivanti da prodotti che, in teoria, non possono essere totalmente consumati,
grazie alla loro capacità di riprodursi o di rigenerarsi (es. il patrimonio ittico del mare, le
foreste ecc.)


Energie alternative:
è una definizione che si attribuisce a quelle fonti di natura rinnovabile o non rinnovabile che,
seppure già sperimentate, non sono ancora competitive, per costi e dimensione, con i
processi classici.
           PRODUZIONE DI ENERGIA IN ALCUNI PAESI EUROPEI

                                    Dati 2004



                Germania   Spagna    Francia    Italia   Austria   Polonia   Regno Un

Carbone           48.3      28.3       4.5       16.0     12.3      91.8       33.4


Petrolio           1.7      8.5        1.0       24.4      2.8       1.6       1.2

Gas               11.6      20.3       3.7       48.6     19.1       3.3       40.3


Nucleare          27.6      22.7       78.4       0         0         0        20.2


Idroelettrica      1.1      1.0        0.9       4.4       3.9       1.1       0.7


Rinnovabile        9.5      17.9       11.5      6.2      61.6        2        3.7


Altre fonti        0.2      1.3         0        0.4       0.3       0.2       0.7
convenz.
100%



80%


                                              Altre fonti
60%                                           Rinnovabile
                                              Idroelettrica
                                              Nucleare
40%                                           Gas
                                              Petrolio
                                              Carbone
20%



 0%
       Germania   Francia   Austria   Regno
                                      Unito
         Totali in Europa

Carburanti solidi      29.5%

Petrolio                   4.5%
                                   Carburanti solidi
                                   Petrolio
Gas                    19.9%      Gas
                                   Nucleare

Nucleare                   31%    Rinnovabili
                                   Altro

Rinnovabili            13.7%

 Altro                     1.4%
                           SISTEMI ENERGETICI


Centrali elettriche a combustibile fossile

Queste centrali utilizzano come fonti energetiche: il carbone, il petrolio e il gas naturale.

Hanno dimensioni medie di 500  800 MW , con picchi di ca. 1500 MW.

Sfruttano “il ciclo del vapore” e hanno un rendimento massimo del 40%.

Nelle centrali “a ciclo combinato”, un ciclo con turbina a gas precede quello con turbina a
vapore; in questo modo il rendimento può superare il 50%.

Utilizzando l’energia di scarico della turbina per il “teleriscaldamento” il rendimento può
arrivare anche all’ 80%. Si parla allora di “cogenerazione”: produzione contemporanea di
energia elettrica e calore.
Schema semplificato di un impianto a vapore
                                    Energia nucleare
•   Reazioni nucleari:

•   fissione  si ottiene bombardando l’uranio con dei neutroni; gli
              atomi di uranio si scindono dando luogo ad una reazione
              a catena con produzione di elevatissima energia cinetica
              che si trasforma in calore. Presentano il grosso
              problema delle scorie radioattive.

•   fusione  consiste nel fondere tra di loro atomi di idrogeno, in modo da
             formare un solo nucleo, liberando una grandissima quantità di
             energia. Per ottenere ciò occorrerebbe portare l’idrogeno a più
             di 100 milioni di gradi per almeno 1 secondo: non si è ancora
             riusciti a farlo. Sarebbe un’ottima soluzione perché questo
             metodo, oltre a non produrre scorie, utilizza l’ H che è l’elemento
             più diffuso sulla Terra.

•   Con la fissione di 1 kg di   235U   si producono 24 milioni di kWh di energia.

•   1 kg di   235U   equivale energeticamente a ca. 3000 t di carbone.
                                    Energia idraulica


•   È una delle più antiche fonti di energia utilizzate dall’uomo.

•   Sfrutta il dislivello altimetrico tra la quota alla quale si trovano grandi masse di acqua
    e il punto in cui si vuole ottenere energia.

•   L’acqua si lascia cadere in una condotta forzata dove avviene la trasformazione di
    energia potenziale in energia di pressione e cinetica.

•   In fondo alla condotta c’è una turbina che trasforma l’energia posseduta dal liquido in
    energia meccanica sull’asse. Sullo stesso asse della turbina è collegato un
    alternatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.

•   È evidente che il limite è costituito dalla limitata presenza di acqua in quota.

•   Una soluzione molto interessante di queste centrali è rappresentata dal “pompaggio”;
    nelle ore notturne, quando la richiesta di energia è minore, l’acqua viene riportata
    nell’invaso tramite pompe oppure dalla stessa turbina costruita per funzionare nei due
    sensi. Il generatore di corrente può essere invertito per funzionare da motore.
                                          Energia solare
•   L’ energia solare viene tecnologicamente sfruttata secondo due modalità:

•   1. trasformazione dell’energia irraggiata in calore: effetto fototermico; il calore viene
       raccolto da un fluido e impiegato per il riscaldamento di ambienti o per la
       generazione di elettricità in turbina.
•   2. trasformazione dell’energia irraggiata in elettricità mediante celle a semiconduttori:
       effetto fotovoltaico.
                                    Energia eolica
•   Il vento è dovuto al moto di rotazione del pianeta e alle differenze di temperatura e di
    pressione da luogo a luogo.

•   Affinché un sito venga giudicato idoneo per l’installazione di una centrale eolica, è
    necessario che il vento soffi ad una velocità > di 4-5 m/s per almeno 2000 ore
    all’anno.




•   Windfarm “fattoria del vento”
•   Nell’Europa settentrionale, e in particolare in Danimarca, sono diffuse le “offshore Windfarm”;
    si tratta di centrali eoliche costruite al largo del mare. Rispetto alle centrali terrestri, quelle
    marine, oltre al minor impatto ambientale, hanno il vantaggio di un flusso ventoso molto più
    regolare, in quanto risultano alquanto ridotti i vortici e le turbolenze generate dalle irregolarità
    del suolo. La più grande si trova a Horn Rev, in Danimarca, e ha una potenza di ca. 200 MW

•   Nella mappa, in chiaro, sono riportate le
    zone più ventose d’Europa.

•   Si prevede di poter ottenere 75000 MW
    eolici entro il 2010 nell’U.E. ; con tale
    potenza si fornirebbe elettricità a circa
    86 milioni di cittadini.
                                      Energia geotermica

•   È l’energia che proviene dal calore endogeno della Terra.

•   Si ritiene che il nucleo terrestre sia sottoposto a pressioni di ca. 3500 kbar = 3.5105 MPa
    e a temperature comprese fra i 3000 e i 6000°C.

•   Tale calore si diffonde in modo disomogeneo fino alla crosta; affinché ci sia la possibilità
    pratica ed economicamente vantaggiosa di sfruttarlo, è necessario che esso si trovi
    concentrato in zone a profondità accessibili.

•   Nelle profondità terrestri, con l’aumentare della pressione, aumenta anche la temperatura
    di ebollizione dell’acqua; ad esempio, a 500 m di profondità la pressione vale ca. 50 bar
    e l’acqua bolle a 263°C: ciò vuol dire che nel sottosuolo l’acqua si mantiene liquida anche
    ad elevate temperature. Se in questo punto si scava un pozzo, la diminuzione di pressione
    fa vaporizzare l’acqua che esce sottoforma di vapore.

•   A Larderello si arriva a 1500m di profondità dove la temperatura dell’acqua è di oltre
    300°C. La potenza di questa centrale supera i 400 MW.
Il vapore fuoriesce dal sottosuolo a pressioni variabili tra 4 e 25 bar e a temperature tra 140
e 200°C. Il ciclo che segue si può vedere nello schema.




Questa fonte di energia si può ritenere inesauribile: basti pensare che il raffreddamento di 1 km3 di
roccia da 200 a 100°C equivale ad una potenza di 30 MW per una durata di 30 anni. Può
considerarsi altresì rinnovabile dato che è prevista la “reiniezione”.

L’inconveniente più grave è la sua non trasportabilità.
                                   Energia dal mare


•   Dal mare si può ottenere energia in tre modi diversi:


•   1. Tecnologia OTEC ( Ocean Thermal Energy Conversion )


      Consiste nell’estrarre, con apposite pompe di calore, l’energia immagazzinata nei
      mari, sfruttando la differenza di temperatura delle acque tra la superficie e il fondo
      del mare.


•   2. Maree

      Le maree derivano sia dalla rotazione della Terra che dalla gravità della Luna.
      Tale energia è stimata globalmente in 22000 TWh annui.
      È sfruttabile solo se il dislivello fra alta e bassa marea è > 3m.
      L’ acqua è raccolta in un bacino di alcuni km2 e durante la bassa marea defluisce
      verso il mare aperto mettendo in rotazione la turbina.
      In figura è riportata la centrale francese di La Rance sulla Manica.
Con l’alta marea la corrente viaggia in direzione del bacino ( verso la baia ). Con la bassa
marea il bacino si svuota e l’acqua mette in rotazione la turbina.
3. Moto ondoso

  È dovuto all’azione dei venti sulla superficie del mare.
  Il principio di funzionamento si basa sul movimento alternato delle onde che agiscono come un
  pistone.




  Le masse sono notevoli di conseguenza lo sono anche le spinte. Si possono ottenere potenze
  dai 70 ai 120 kW.

  Gli inconveniente sono: i costi elevati e la difficoltà di installazione in mare aperto.
                                    Energia dalle biomasse
•   La biomassa è una materia prima rinnovabile che fornisce all’uomo cibo, fibre, concime e che può essere
    utilizzata per la produzione di energia. Può essere di origine vegetale o animale.

•   Ci sono anche le “colture energetiche”: piante espressamente coltivate per scopi energetici.

•   Potenzialmente in Italia si potrebbero produrre ca. 27 Mtep annui da biomassa che eviterebbero l’emissione
    di 43 Mt di CO2 nell’atmosfera.

•   Processi termochimici più comuni delle biomasse:

•   - Carbonizzazione: a t > 200°C la biomassa perde l’umidità e le sostanze volatili, si
                      arricchisce di carbonio;

•   - Pirolisi:         a temperature 400 < t < 800°C in assenza di O2 la biomassa si
                        decompone in gas e in un liquido (olio di pirolisi) che può essere
                        utilizzato come combustibile per caldaie e anche per motori Diesel;

•   - Gassificazione:    a t > 900°C , in ambiente povero di O2 , si ottiene un gas povero
                        (gas di gasogeno) che può essere utilizzato direttamente come
                        combustibile oppure può servire per produrre “metanolo” (alcool
                        metilico CH3OH).

•   Da colture quali colza, soia, girasole, si possono ottenere oli vegetali che col metanolo danno luogo al
    biodeisel:

•   100 kg olio veget. + 11 kg metanolo  100 kg metilestere + 11 kg glicerina
    Il metilestere è noto come “biodiesel” che può sostituire il gasolio.
• Processi di conversione biochimica:

• - digestione anaerobica: i rifiuti organici urbani, le deiezioni animali, gli scarti alimentari e vegetali,
                           in assenza di O2 , producono “biogas” (2/3 CH4 + 1/3 CO2);
                            le sostanze residue vengono utilizzate come fertilizzante.

• - digestione aerobica:     in presenza di O2 , i microrganismi scindono le sostanze organiche
                              complesse in altre più semplici, liberando calore.

• - fermentazione alcolica: le molecole organiche come zuccheri, cereali, patata, scarti legnosi ecc.
                            a seguito di procedimenti biochimici, si trasformano in alcool etilico
                            (etanolo CH2OH) che può essere utilizzato in motori appositamente
                            predisposti.




                                       Energia dai rifiuti urbani

Attualmente, in Italia, solo poco più del 10% dei RSU vengono destinati alla termovalorizzazione,
tramite impianti di incenerimento, allo scopo di ottenere energia termica ed elettrica e per il
recupero delle ceneri a scopi industriali.

								
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