LE BIOMASSE

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Apr 142016
 
Articolo scritto dalle alunne: Marta Gueli, Germana Fonti, Elisena Vitaliano e Teresa Giuffrida
Classe: 3H – Anno: 2015-16

Prefazione a cura del prof. Betto

Dopo diverso tempo riprendo a pubblicare lavori e approfondimenti realizzati dai miei alunni. Sono lavori interessanti, curati graficamente e comunque espressione delle loro capacità e della loro passione. Supervisionati dal sottoscritto durante le fasi di lavorazione, evidenziano doti narrative e capacità interpretative non indifferenti, raggiungendo traguardi a volte sorprendenti. Vi presento oggi un lavoro sintetico ma accurato, espressione di un grande lavoro di equipe. Buona lettura.


Per biomassa si intende ogni sostanza organica che deriva direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. La maggior parte delle biomasse è di origine vegetale; solo circa il 10% è di origine animale. La biomassa vegetale viene prodotta utilizzando l’energia solare per mezzo, come detto, della fotosintesi clorofilliana e si presenta in più forme: in foreste, boschi, colture o dalla componente organica che proviene dalla raccolta differenziata urbana.

Biomassa01

STORIA

Il fuoco, è stata indiscutibilmente la più importante invenzione nella storia dell’uomo ed è stato scoperto grazie alla combustione accidentale del legno. L’invenzione della macchina a vapore, ci ha consentito, poi, di ottenere energia meccanica dalla sua combustione. Solo di recente le prospettive d’esaurimento dei carburanti fossili e l’inquinamento prodotto dalla loro combustione, hanno spinto l’uomo a “riscoprire” l’utilità del legno e dei rifiuti organici (biomassa) come fonti energetiche.

Biomassa05

CLASSIFICAZIONE

Le biomasse possono essere classificate in base a 3 diversi criteri:

  • il contenuto di acqua (biomassa fresca o secca);
  • l’origine (vegetale o animale);
  • la vitalità (presenza di organismi morti o vivi al suo interno).

Oppure a seconda della loro origine si possono distinguere in:

  • Fitomassa: la biomassa proviene da piante;
  • Zoomassa: la biomassa proviene da animali;
  • Biomassa microbica: la biomassa proveniente da microrganismi.

Si possono distinguere anche in:

  • Materiale vegetale da coltivazioni dedicate, biomassa da miscanto, biomassa da sorgo;
  • Materiale vegetale da coltivazioni non dedicate e da prodotti agricoli: vinacce (residuo dalla lavorazione dell’uva), lolla di riso (sottoprodotto derivante dalla lavorazione dei cereali), nocciolino (prodotto ottenuto dalla lavorazione meccanica delle olive );
  • Produzione direttamente da bosco: Interventi selvicolturali, manutenzione forestale, potatura;
  • Sansa di oliva dislocata o biomassa liquida: olio di palma, olio di colza.
COMPOSIZIONE

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La biomassa è formata principalmente da organismi vivi o morti, che a loro volta sono costituiti da una varietà di composti diversi. I composti quantitativamente più importanti dal punto di vista energetico possono essere raggruppati in tre classi:

  • Carboidrati: rappresentano la maggior parte della biomassa e sono costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno. Essi possono essere monosaccaridi come il glucosio e il fruttosio, disaccaridi come il saccarosio, o polisaccaridi quali l’amido e la cellulosa;
  • Grassi;
  • Proteine.
UTILIZZO

Gli impieghi finali delle biomasse sono orientati verso la produzione di energia termica, (acqua calda, riscaldamento, utenze industriali), energia elettrica e biocarburanti.
Alcuni di questi impieghi utilizzano direttamente la biomassa allo stato naturale, senza modifiche alla sua struttura originaria, altri invece, richiedono dei “processi di trasformazione complessi” della biomassa per consentire una maggiore versatilità del suo utilizzo energetico rivolto in particolare (ma non solo) ad alcune applicazioni tecnologiche di tipo “convenzionale” (stufe, caldaie ecc).

CENTRALI DI CONVERSIONE

biomassa02

Le taglie delle centrali possono variare dalle medie centrali termoelettriche alimentate da biomasse solide, solitamente da cippato di legno, sino ai piccoli gruppi elettrogeni alimentati da biocombustibili liquidi. Le tipologie impiantistiche più diffuse sono le seguenti: impianti tradizionali con forno di combustione della biomassa solida, caldaia che alimenta una turbina a vapore accoppiata ad un generatore;  impianti con turbina a gas alimentata dal syngas ottenuto dalla gassificazione di biomasse;  impianti a ciclo combinato con turbina a vapore e turbina a gas; impianti termoelettrici ibridi, che utilizzano biomasse e fonti convenzionali;  impianti, alimentati da biomasse liquide, costituiti da motori accoppiati a generatori.

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HALIADE 150 il gigante dei venti

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Set 192012
 

A piccoli passi, ma inesorabilmente e nonostante la resistenza e reticenza delle grandi multinazionali del petrolio, le fonti alternative stanno pian piano diventando sempre più importanti e si avviano in un immediato futuro a rimpiazzare le costosissime e inquinanti fonti energetiche convenzionali.

Un mega progetto, nel nord della Francia, prevede la realizzazione di tre immensi parchi eolici off-shore, e il consorzio formato da EDF EN, Dong Energy e Nass & Wind e WPD Offshore, si è aggiudicato la commessa.

La società Alstom sarà il fornitore esclusivo di questo consorzio perché si è aggiudicata, a sua volta, la fornitura di 240 turbine eoliche per i tre parchi di Saint-Nazaire, Courseulles-sur-Mer e Fécamp. Alstom, fornirà HALIADE 150, la più grande turbina eolica mai costruita al mondo con i suoi 170 metri di altezza e un rotore del diametro di 150 metri. Questa turbina ruota alla velocità di 300 kilometri orari, generando una potenza di 6 megawatt. E’ stata progettata per resistere alle condizioni più estreme, e agli ambienti più ostili. La prima turbina è stata testata sulla terra ferma, ma la Haliade è una turbina off-shore, cioè funzionante in mezzo al mare dove il vento è più forte e minori sono i problemi di impatto ambientale. Questo test è stato effettuato sul sito di Carnet, vicino a Saint-Nazaire, nel dipartimento della Loira Atlantica (Francia) il 19 marzo di quest’anno. Un secondo test, sarà effettuato in mezzo al mare, nel Mare del Nord, di fronte alla costa belga prima di ottenere la certificazione e procedere all’installazione della centrale sull’oceano Atlantico. La produzione pre-serie è fissata per il 2013, mentre la produzione vera e propria comincerà nel 2014.

La torre sarà composta da una parte sottomarina per 25 metri e una parte emersa alta circa 75, su cui verrà installata la navicella. L’intera struttura ha un peso complessivo di circa 1.500 tonnellate.



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Le CENTRALI GEOTERMICHE

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Mar 212012
 
ARGOMENTO INDICATO PER BES/DSA
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Lo scopo di una centrale geotermica è quello di sfruttare il calore delle profondità terrestri. Infatti, la temperatura interna del nostro pianeta aumenta a mano a mano che si scende verso il centro della terra. Questo aumento chiamato gradiente geotermico è di circa 3 gradi centigradi per ogni 100 metri di profondità ma in alcune zone è molto più elevato, tanto ad avere temperature di 250-350°C a profondità di circa 2000-4000 m.

COS’E’ LA GEOTERMIA?

La geotermia è la disciplina della geologia che studia l’insieme dei fenomeni naturali coinvolti nella produzione e nel trasferimento di calore proveniente dall’interno della Terra. Il calore del nucleo terrestre si è generato grazie alla forza di attrazione gravitazionale ed ha continuato ad esistere in seguito a processi di reazione nucleare naturale di elementi quali l’uranio, il torio e il potassio.

Il calore terrestre, dall’interno, viene trasferito verso la superficie mediante moti convettivi (dovuti alla pressione e alla forza di gravità) prodotta dal movimento del magma o di acque profonde. E’ per questo che assistiamo alla maggior parte di fenomeni come le eruzioni vulcaniche, le sorgenti termali, i geyser o le fumarole.

QUALE FORMA DI ENERGIA?

Attraverso canalizzazioni artificiali, il vapore erogato dalla Terra, cioè Energia Termica, viene convogliato in tubazioni, chiamate vapordotti ed inviato alla turbina, dove l’energia viene trasformata in Energia Meccanica di rotazione. L’asse della Turbina è collegato al rotore dell’Alternatore che, ruotando, trasforma l’Energia Meccanica in Energia Elettrica alternata che viene trasmessa al Trasformatore. Questo innalza il valore della tensione fino a 132000 Volt e la immette nella rete di distribuzione. Il vapore in uscita dalla turbina viene riportato alla stato liquido in un Condensatore, mentre i gas incondensabili, contenuti nel vapore, vengono dispersi nell’atmosfera. Una torre di raffreddamento consente di raffreddare l’acqua prodotta dalla condensazione del vapore e di fornire acqua fredda al condensatore stesso. L’acqua condensata in uscita dalle centrali viene reiniettata nelle rocce profonde da cui il vapore è stato estratto.
Quando dai pozzi esce un vapore con temperatura inferiore ai 180°C (quindi insufficiente a far azionare la turbina), il calore del fluido viene utilizzato per far evaporare, in un apposito scambiatore di calore, un altro liquido a basso punto di ebollizione [isobutano (-11°) o isopentano (28°)] che, a sua volta trasformato in vapore, verrà convogliato nella turbina innescando il processo di trasformazione dell’energia descritto precedentemente.

LA CENTRALE GEOTERMICA

Schema Centrale Geotermica

Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale geotermica deve essere realizzata attraverso una serie di apparecchiature fondamentali. L’immagine qui sopra, aiuta a capire di quali elementi si tratta e del suo funzionamento. Gli elementi di cui è costituita una centrale geotermica sono i seguenti:

  1. pozzi di estrazione o produzione;
  2. turbina a vapore;
  3. condensatore;
  4. pompa;
  5. torre di raffreddamento;
  6. pozzo di reiniezione;
  7. alternatore;
  8. trasformatore.

POZZI DI ESTRAZIONE O PRODUZIONE – ricordano molto quelli degli impianti petroliferi. Sono pozzi rivestiti da tubazioni di acciaio che scendono fino alla profondità della zona produttiva (serbatoio geotermico). Questi, vengono poi collegati ad altre tubazioni di acciaio chiamate vapordotti, che permettono il trasporto del vapore fino alla centrale geotermo-elettrica.

TURBINA A VAPORE – è un dispositivo costituito da un grosso asse d’acciaio nel quale sono inserite più “ruote”, costituite da diverse file di palette e la cassa, un involucro cilindrico di acciaio all’interno del quale sono fissati gli ugelli ed altre file di palette. Queste ultime non ruotano, ma formano degli “anelli”, che vanno ad interporsi tra le file di palette del rotore, e servono ad indirizzare nel modo corretto il vapore da una fila di palette mobili all’altra. La cassa è divisa longitudinalmente in due metà, collegate da grossi bulloni. Il vapore, attraversando le successive file di palette fisse e mobili da un’estremità’ all’altra della turbina, mette in rotazione il rotore, trasformando quindi la sua energia di pressione e temperatura in energia meccanica.

Ciclo ad alta pressione

Il vapore entra dalla caldaia e aziona la turbina ad alta pressione.

 

 

 

Ciclo a media pressione

Il vapore entra dalla sezione ad alta temperatura e viene compresso dalla turbina a media pressione.

 

 

 

Ciclo a bassa pressione

Il vapore dello scarico del corpo di media pressione entra tramite la sezione di cross-over nella turbina di bassa pressione e viene spinto nel condensatore.

 

 

CONDENSATORE – è un dispositivo collegato allo scarico della turbina ed e’ costituito sostanzialmente da un volume vuoto, percorso dal vapore, in cui viene spruzzata acqua sotto forma di piccole goccioline, in modo da mettere a contatto tra loro acqua e vapore. L’acqua di condensa viene raccolta in una zona detta “pozzo caldo” da dove viene estratta tramite una pompa che la invia alla torre di raffreddamento. I gas definiti incondensabili propri del vapore geotermico, vengono estratti con un compressore dal condensatore in modo da mantenere il grado di vuoto richiesto.

Casse acque di circolazione

Entrata acque di circolazione

Fascio di tubi

Pozzo caldo

 

 

 

 

 

POMPA – è un dispositivo ad asse verticale mosso da un motore elettrico a 6000 Volt. Serve a mandare l’acqua calda del condensatore nella torre di raffreddamento affinché possa tornare al condensatore a temperatura più bassa.

Schema di una pompa (viola ingresso acqua-rosso uscita acqua)

TORRE DI RAFFREDDAMENTO – è una costruzione a forma di parallelepipedo o circolare dotata di camini corti oppure di un solo camino di cemento largo e alto anche 100 metri. Al suo interno l’acqua gocciola dall’alto in basso, incontrandosi con una forte corrente d’aria che va in senso opposto, entrando dalla base ed uscendo dal camino. Durante questo percorso, una parte dell’acqua evapora, sottraendo calore alla parte rimanente che viene raccolta nella vasca acqua fredda, mentre dall’alto esce aria calda e umida e i vapori incondensabili.

Torri di raffreddamento (schema)

Torri di raffreddamento (foto)

 

 

 

 

 

POZZO DI REINIEZIONE – è un pozzo molto simile a quello per l’estrazione dei vapori. Il condotto è rivestito di  tubazioni in acciaio sino ad una certa profondità. L’acqua recuperata dallo scarico della centrale viene convogliata al pozzo di reiniezione tramite appositi acquedotti ed infine, viene reimmessa nel serbatoio geotermico di origine.

Schema di funzionamento dei pozzi (rosso=produzione – blu=iniezione)

GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Schema di funzionamento

Alternatore

 

 

 

 

 

 

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

GEOTERMIA PRO E CONTRO

La centrale geotermica utilizza come fonte energetica da trasformare, il calore contenuto dalla Terra. Si tratta ovviamente di una fonte gratuita e per molti versi non inquinante. E’ vero, infatti, che i vapori surriscaldati che emergono dalle fratture della crosta terreste, si accompagnano sempre con gas nocivi, letali per l’uomo. Questi, comunque, sono sempre in quantità contenute e si eliminano facilmente nell’atmosfera durante le prime fasi di uscita del vapore dal pozzo. Non è, inoltre, detto che la fuoriuscita di vapore sia accompagnata da questi gas. Possiamo quindi dire che l’energia geotermica è una fonte energetica pulita. E’ anche gratuita, ma ha elevato costo di estrazione e consente di produrre energia in modo assai inferiore a quella realizzata con i combustibili fossili.

Infine, il processo di trasformazione, genera un inquinamento indiretto noto come impatto ambientale. Infatti, la realizzazione di tutte le strutture che compongono una centrale, trasformano profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.

GEOTERMIA IN ITALIA

L’Italia è stato il primo Paese al mondo a sfruttare l’energia geotermica, con il primo impianto realizzato nel 1913 a Larderello. Da allora la storia della geotermia è diventata un vanto dell’industria energetica italiana ed un fiore all’occhiello per Enel. L’energia elettrica prodotta con il geotermico, sta crescendo rapidamente e oggi si producono circa 10.000 MegaWatt, che dovrebbero raddoppiare nel prossimi 5 anni.
L’Italia, con i suoi 700 MW, è uno dei maggiori produttori al mondo e il primo in Europa. la maggior parte delle nostre centrali sono concentrate in Toscana rendendola la regione che fa maggior ricorso alle energie rinnovabili nel nostro Paese. Enel è sempre più impegnata in questo campo, sia per l’innovazione tecnologica che per la riduzione dell’impatto ambientale delle centrali. Infatti, si stanno realizzando centrali dette “a ciclo binario” e cioè in grado di sfruttare le risorse geotermiche a media temperatura, cioè tra gli 80° e i 180°C.

Larderello e le sue centrali

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FOTOVOLTAICO e SOLARE a bassa temperatura

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Feb 152012
 

L’energia che sprigiona il Sole può essere utilizzata anche attraverso metodi diversi dalle centrali a concentrazione e per finalità diverse dalla produzione di energia elettrica. Diversi sistemi sono in studio e alcuni ormai sono giunti a maturazione e trovano impiego nelle nostre case e città. Tra queste tecnologie, possiamo citare i pannelli solari per la produzione di calore a bassa temperatura e gli impianti fotovoltaici che trasformano direttamente l’Energia Radiante del Sole in energia elettrica.

PANNELLI SOLARI

Schema di Impianto a Pannelli Solari

I pannelli solari, funzionano essenzialmente per la produzione di calore a bassa temperatura e sfruttano il principio dell’effetto serra. Una piastra captante metallica, raccoglie l’Energia Solare e inizia ad emettere calore (Energia Termica).

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in un impianto a Pannelli Solari?

Come sono fatti gli IMPIANTI A PANNELLI SOLARI?

Gli impianti solari termici utilizzati sono di due tipi:

  • a circolazione naturale;
  • a circolazione forzata.

Gli impianti a circolazione naturale sono sistemi monoblocco a circuito chiuso, che funzionano senza necessità di pompe né di componenti elettrici. Sono costituiti da un collettore solare esposto alle radiazioni solari, all’interno del quale l’acqua si scalda e sale per convezione (effetto termosifone) verso il serbatoio, confluendo quindi nel circuito domestico.

Gli impianti a circolazione forzata hanno il serbatoio montato separatamente (nel sottotetto o nel locale caldaia) e il liquido del circuito primario è spinto da una pompa. La pompa di circolazione viene messa in moto da una centralina elettronica che confronta le temperature dei collettori e dell’acqua nel serbatoio di accumulo rilevata da apposite sonde.

Impianto a Circolazione Naturale Impianto a Circolazione Forzata

I componenti principali di un sistema a Pannelli Solari termici sono:

  1. pannello solare;
  2. serbatoio di accumulo dell’acqua calda;
  3. pompa (solo nei sistemi a circolazione forzata);
  4. centralina elettronica;
  5. collegamenti idraulici ed elettrici.

PANNELLO SOLARE – possono essere raggruppati in 2 tipi principali: con tubi sottovuoto, oppure vetrati. Esistono, comunque, molte varianti come ad esempio pannelli ad aria, pannelli scoperti, a cupola.

  • Pannelli solari sottovuoto – si presentano come tubi di vetro, al cui interno viene tolta tutta l’aria possibile creando il vuoto, in modo che venga impedita la cessione del calore (effetto Thermos). All’interno viene posto un elemento assorbitore di calore, per lo più un tubo di rame, e vengono  denominati “tubi heat-pipe“. In alcune versioni a circolazione naturale all’interno del tubo può circolare direttamente l’acqua da riscaldare. Questo tipo di pannelli ha un ottimo rendimento in tutti i mesi dell’anno e sono adatti ad essere installati anche in condizioni climatiche molto rigide: quindi indicati nel nord Italia, così come al sud.
Schema Pannello Heat-Pipe Pannello Heat-Pipe
  • Pannelli solari vetrati – sono storicamente i primi apparsi sul mercato. Sono composti da un vetro trasparente alla luce del sole, ma opaco ai raggi infrarossi, che sono così trattenuti all’interno. I raggi del sole, che raggiungono la parte interna del pannello, lo scaldano e il calore viene trattenuto all’interno (effetto serra). La superficie di questi pannelli può essere, o meno, trattata con prodotti che ne migliorano il rendimento (ossia la capacità di “trattenere” i raggi). Può, inoltre, essere presente un serbatoio di accumulo integrato, oppure un accumulo separato, più indicato per le località particolarmente rigide.
Schema Pannello Solare a Vetro Pannello Solare a Vetro

Serbatoio, pompa, centralina elettronica e collegamenti idraulici e elettrici sono gli elementi che completano un impianto solare termico a bassa temperatura.

FOTOVOLTAICO

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che permettono di captare l’Energia Solare e di trasformarla in Energia Elettrica. Questo avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico, cioè la capacità di alcuni materiali semiconduttori (normalmente silicio) di generare elettricità quando esposti alla Radiazione Luminosa.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in un impianto fotovoltaico?

Quando i fotoni (unità elementare, priva di carica elettrica e di massa, che si propaga esattamente alla velocità della luce) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia è assorbita dal materiale (silicio drogato) e alcuni elettroni, scalzati dalla loro posizione, scorrono attraverso il materiale producendo una corrente continua che può essere raccolta sulle superfici della cella.

Com’è fatto un IMPIANTO FOTOVOLTAICO?

Gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie: quelli connessi alla rete elettrica (grid-connected) e quelli isolati (stand-alone). Nei primi, la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale esce sotto forma di corrente alternata, tale da poter essere poi trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione. I secondi invece sono in genere dotati di accumulo e possono essere senza o con inverter. Il sistema di immagazzinamento è necessario per garantire la continuità dell’erogazione anche nei momenti in cui non viene prodotta. Questo avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie).

Schema di Impianto Fotovoltaico

Nel sistema grid-connected non è previsto un sistema di accumulo in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico viene alimentato dalla rete.

Un Impianto Fotovoltaico è costituito dai seguenti elementi:

  1. celle fotovoltaiche;
  2. inverter;
  3. contatore energia prodotta (GSE);
  4. contatore energia scambiata (bidirezionale).

CELLA FOTOVOLTAICA – è un diodo (componente elettronico che consente il passaggio della corrente in una direzione e ne impedisce il passaggio in quella opposta) di grande superficie che, esposto ai raggi del sole, converte la Radiazione Solare in elettricità. La cella si comporta come una minuscola batteria e produce una corrente di 3 Ampere con una tensione di 0,5 Volt, quindi una potenza che sfiora 1,5 Watt.

Schema di funzionamento di una cella di silicio

Sono di colore blu scuro a causa dell’ossido di titanio presente nel rivestimento antiriflettente, fondamentale per massimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. La loro forma è quasi sempre quadrata o circolare e le misure variano dai 10cm x 10cm ai 15cm x 15cm. Sono costituite principalmente da silicio,  arsenuro di gallio e telloluro di cadmio, tutti semimetalli. Il flusso di elettroni è orientato, ossia fluisce in una determinata direzione, all’interno della cella; su questa sono sovrapposti altri due strati di silicio (tipo n e tipo p), trattati ognuno con un particolare elemento chimico (operazione detta di drogaggio), fosforo e boro. Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica. L’efficienza di conversione delle celle commerciali al silicio è compresa tra il 10% e il 20%.

Cella fotovoltaica Celle ultrasottili

Il fotovoltaico può essere usato anche per realizzare delle centrali per la produzione di energia elettrica. In questo caso, bisognerà collegare in serie o in parallelo, più celle fotovoltaiche tra di loro.

Campo fotovoltaico

Sapendo che ogni cella produce circa 1,5W di potenza elettrica, basterà conoscere il consumo dell’area da servire per stabilire quante celle dovranno essere collegate tra loro per fornire l’energia necessaria. Per stabilire queste connessioni e renderle fattibili, le celle vengono combinate tra di loro in strutture regolari sempre più grandi che prendono i seguenti nomi (vedi schema sopra):

  • modulo;
  • pannello;
  • stringa;
  • campo.

MODULO – i più comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Queste sono assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (il tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi e i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e le taglie normalmente in commercio vanno da 100 a 300 Watt di potenza.

Struttura di un pannello fotovoltaico

PANNELLO – è un insieme di più moduli collegati in serie o in parallelo su una struttura rigida.

STRINGA – per fornire la tensione richiesta, più moduli o più pannelli, possono essere collegati elettricamente in serie costituendo una stringa.

CAMPO – è un collegamento elettrico di più stringhe. Nella fase di progettazione devono essere effettuate alcune scelte determinanti. Innanzitutto bisogna scegliere tra una configurazione in serie o una in parallelo dei moduli.

Collegamento in Serie Collegamento in Parallelo

La distanza minima fra le file di pannelli non può essere casuale ma deve essere fatta in modo da evitare che l’ombra della fila anteriore possa coprire quella immediatamente posteriore. È quindi necessario calcolare la distanza minima tra le file in funzione dell’altezza dei pannelli, della latitudine del luogo e dell’angolo di inclinazione dei pannelli.

Pannello fotovoltaico Stringa fotovoltaica Campo fotovoltaico

INVERTER –  i pannelli fotovoltaici generano corrente di tipo continuo. Il sistema di distribuzione dell’energia nazionale avviene, invece, in corrente alternata. Per questo motivo, viene installato un dispositivo elettronico chiamato inverter, capace di trasformare l’energia elettrica da continua ad alternata. A questo punto, per rendere la corrente prodotta da una centrale fotovoltaica idonea alle utenze da servire, bisogna installare una serie di dispositivi che prendono il nome di B.O.S. (Balance of System) che comprendono, oltre all’inverter, il trasformatore, i quadri elettrici e i sistemi ausiliari di centrale.

CONTATORE ENERGIA PRODOTTA (GSE) – serve a misurare l’energia prodotta giornalmente dall’impianto. Questo dispositivo è essenziale per capire quanto si sta guadagnando dalla produzione di energia del proprio impianto fotovoltaico. I  dati di questo contatore vengono periodicamente trasmessi al Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) il quale li elabora e calcola l’incentivo totale sull’energia prodotta.

CONTATORE ENERGIA SCAMBIATA (bidirezionale) – questo strumento elettronico, serve nel momento in cui il nostro impianto fotovoltaico produce più energia di quanto l’utenza ne possa consumare. Allora serve un secondo contatore che consenta il passaggio di un flusso di energia elettrica dall’impianto fotovoltaico verso la rete pubblica (flusso uscente). Tale contatore garantisce, inoltre, il flusso di corrente in senso opposto (flusso entrante) nei momenti in cui l’impianto fotovoltaico non è in grado di sopperire alle esigenze dei carichi elettrici (ad esempio nelle ore notturne o in assenza di Sole).

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Le CENTRALI SOLARI a Concentrazione

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Feb 082012
 

Il Sole fornisce quotidianamente una quantità immensa di energia gratuita, pulita e inesauribile. Si è misurato che irraggia ogni metro quadro di superficie del nostro pianeta con 1Kw di energia al giorno. Il Sole, inoltre, determina l’esistenza anche di altre forme di energia sulla Terra; si pensi all’acqua e al vento per citarne qualcuna. Le uniche fonti di energia non influenzate direttamente dal Sole sono la geotermica e la nucleare. Esistono diversi modi per sfruttare e impiegare l’energia solare. Tra questi abbiamo il riscaldamento, la produzione di acqua calda e la produzione di energia elettrica. Il processo che consente di sfruttare l’energia del Sole, è come negli altri casi complesso e richiede diversi passaggi di stato.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale solare?

Una centrale solare è costituita essenzialmente da specchi o altri strumenti che fungono da captatori per l’Energia Radiante del Sole. Questi concentrano i raggi catturati in un punto chiamato ricevitore che viene fortemente riscaldato trasformando l’energia catturata in Energia Termica. Questa consente di far evaporare dell’acqua che diventa vapore surriscaldato ad alta temperatura, in grado di far ruotare una turbina a vapore; l’energia termica viene così trasformata in Energia Meccanica e infine, attraverso un generatore collegato alla turbina, questa diventa Energia Elettrica.

Com’è fatta una CENTRALE SOLARE?

Innanzitutto bisogna sapere che esistono diversi sistemi oggi in uso per sfruttare l’energia solare. Questi sistemi vengono comunemente chiamati a “concentrazione solare” e sono distinti in:

  • Impianti parabolici lineari;
  • Impianti a torre;
  • Impianti lineari Fresnel;
  • Impianti a disco parabolico.
IMPIANTI PARABOLICI LINEARI

Schema di Centrale Parabolica Lineare

Sono in assoluto quelli più diffusi. Per ottenere la trasformazione energetica descritta, questo tipo di centrali è costituita da specchi che hanno una forma parabolica, tale da riflettere i raggi solari tutti su di un punto (il fuoco della parabola) dove si trova il tubo assorbitore.

Schema di funzionamento

Per comprendere il principio di funzionamento basta pensare ad una lente di ingrandimento puntata su un foglio: essa raccoglie i raggi solari concentrandoli in un unico punto (che corrisponde al nostro assorbitore). Dopo qualche istante, quel punto raggiunge temperature talmente elevate da far incendiare il foglio. Nello specchio parabolico l’assorbitore è un tubo che attraversa per lungo tutti gli specchi che vengono messi in serie. E’ possibile cambiare l’orientamento degli specchi ma unicamente ruotandoli su se stessi (un grado di libertà). Gli elementi costituenti una centrale parabolica lineare sono:

  1. pannelli solari (riflettore);
  2. tubo ricevitore (captatore);
  3. generatore di vapore;
  4. turbina a vapore;
  5. generatore;
  6. trasformatore.
PANNELLI SOLARI – sono specchi dalla forma curva (parabola) progettati per concentrare i raggi solari in un unico punto (fuoco). Sono realizzati in un particolare vetro in grado di concentrare una elevatissima quantità di raggi solari e sono montati su di una struttura in alluminio comandata da un computer in grado di farli ruotare in una direzione per seguire il Sole. Questi pannelli di vetro vengono montati in file parallele lunghe alcune centinaia di metri che formano un campo solare.

TUBO RICEVITORE – è costituito da un tubo di acciaio inox, ricoperto con vari strati di materiali altamente assorbenti e inguainato in un tubo di vetro Pirex sottovuoto. Grazie alla presenza del vetro, il fluido termovettore (normalmente un olio minerale) può raggiungere anche temperature di 400°C e oltre a seconda del tipo di rivestimenti. Il vetro è trattato con strati antiriflettenti sia internamente che esternamente ed è dotato di soffietti alle estremità che consentono di chiudere ermeticamente il fluido e di essere connessi con facilità agli altri tubi per realizzare un percorso continuo.

GENERATORE DI VAPORE – si tratta di un apparecchio che trasferisce calore ad un liquido (generalmente acqua) in modo da generare vapore. Il calore in questo caso è quello sviluppato dall’azione irraggiante del Sole sul tubo ricevitore e quindi, sull’olio minerale contenuto al suo interno.

TURBINA A VAPORE – è il componente di una centrale termoelettrica dove l’energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.
CONDENSATORE – è un dispositivo per il trattamento dei vapori caldi e contaminati che sfrutta il fenomeno della condensazione per rimuovere gli elementi inquinanti da un flusso d’aria. La condensazione può essere ottenuta attraverso un aumento della pressione o con una riduzione di temperatura o combinando i due processi.
GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Alternatore (generatore)

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

PRO e CONTRO di una Centrale Parabolica Lineare

I vantaggi di questo tipo di centrale derivano dal fatto che si tratta di una tecnologia ormai matura e collaudata, gli svantaggi sono però molteplici. Innanzitutto la temperatura operativa raggiunta dal fluido termovettore non è sufficientemente alta, gli specchi curvi sono molto costosi e difficili da sostituire e da mantenere, il fluido termovettore è altamente infiammabile e tossico, per cui si pone l’ulteriore problema dello stoccaggio. Infine, questo tipo di centrale risulta poco conveniente da un punto di vista dei costi di gestione.

IMPIANTI A TORRE

Schema di Centrale a Torre

Il sistema a torre centrale è una evoluzione di quello lineare, del quale cerca di superare tutti i limiti. E’ costituto da un campo di eliostati che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricevitore posto alla sommità di una torre. Nel ricevitore fluisce un fluido che riscaldandosi ad alta temperatura è in grado di produrre energia o di immagazzinarla sotto forma di calore. Se il fluido è acqua si ha produzione di vapore ad alta pressione direttamente nel ricevitore, se nel ricevitore circolano aria o sali fusi, il vapore viene prodotto in un generatore di vapore nel blocco energetico dell’impianto. Gli elementi fondamentali di un impianto di questo tipo sono:

  1. eliostati (riflettore);
  2. torre (captatore);
  3. serbatoi accumulo sali caldi e freddi;
  4. generatore di vapore;
  5. torre di raffreddamento;
  6. turbina a vapore;
  7. generatore;
  8. trasformatore.

ELIOSTATI – sono grandi specchi, piani o leggermente concavi, in grado di concentrare fino a 30 volte la radiazione solare a grande distanza, attualmente fino a 1Km. Vengono disposti radialmente attorno alla torre secondo una configurazione a scacchiera in modo da permettere la riflessione della radiazione solare sul ricevitore della torre durante il movimento del Sole. Ogni eliostato si muove in modo diverso dagli altri per effetto della sua posizione relativa rispetto alla torre.

Al crescere delle dimensioni cambia la distribuzione degli eliostati, da ventaglio a campo circolare; l’efficenza è funzione della disposizione degli specchi sul campo. Questa efficienza può essere ridotta a causa di alcuni fattori errati di progettazione; questi sono:

  • Shadowing (proiezione dell’ombra di un eliostato su quello posteriore);
  • Blocking (intercettazione della radiazione riflessa da un eliostato posto anteriormente);
  • Spillage (frazione di radiazione riflessa da un eliostato che esce dal bersaglio del ricevitore).

TORRE – struttura a torre posta al centro dell’impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

SERBATOI DI ACCUMULO – nelle centrali a torreil fluido termoconvettore è costituito da sali fusi, una miscela di nitrati di sodio e potassio, che consentono temperature operative più elevate (500-550°C), rispetto all’olio diatermico, con migliore rendimento nella trasformazione in energia elettrica. I sali fusi, hanno inoltre, una discreta capacità di accumulo e conservazione del calore, consentendo di ovviare alla variabilità giornaliera della radiazione solare e alla sua assenza notturna. Presentano però l’inconveniente di solidificare a temperature tra 142 e 238°C, è necessario perciò mantenerli sempre in circolazione a temperature maggiori, per evitarne la solidificazione.

Le centrali di questo tipo funzionano prelevando con una pompa dal serbatoio freddo, i sali in esso depositati e facendoli circolare nel collettore solare, fino a raggiungere la temperatura di 550°C; a questo punto i sali così riscaldati vengono inviati in un serbatoio caldo dove vengono accumulati. Dal serbatoio caldo i sali passano nel generatore di vapore, cedono calore all’acqua contenuta in esso, la trasformano in vapore surriscaldato e ritornano nel serbatoio freddo. Il vapore surriscaldato aziona la turbina della centrale elettrica. L’accumulo con sali fusi consente una limitata autonomia di funzionamento in assenza o insufficienza insolazione.

GENERATORE DI VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TORRE DI RAFFREDDAMENTO – è un’installazione che preleva calore dall’acqua tramite evaporazione e conduzione. L’acqua viene pompata in cima alla torre di raffreddamento e quindi fluisce giù attraverso involucri di plastica o di legno. Ciò causa la formazione di goccie. Mentre fluisce verso il basso, l’acqua emette calore che mescola con la corrente d’aria superiore, raffreddandosi di 10-20 °C. Parte dell’acqua evapora, emettendo più calore. Il vapore acqueo può a volte essere osservato sopra la torre di raffreddamento.

Torri di Raffreddamento

TURBINA A VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

GENERATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TRASFORMATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

PRO e CONTRO di una Centrale a Torre

Le centrali a torre risolvono molti dei problemi delle centrali paraboliche. Innanzitutto con gli eliostati piani che, hanno un costo notevolmente inferiore, consentono una più facile manutenzione e pulizia e sono più facilmente installabili.

I sali, usati al posto degli oli, consentono di accumulare il calore e di riutilizzarlo durante i periodi di scarso irraggiamento. Inoltre, operano a temperature più elevate e quindi sono più efficienti dal punto di vista energetico. Infine, i sali non sono tossici e una volta dismessi dalla centrale possono essere riutilizzati in agricoltura come concimi.

Queste centrali presentano però alcuni inconvenienti: il sistema caldo-freddo richiede un processo di distribuzione molto complesso, cosa che aumenta i costi di progettazione e costruzione. La disposizione degli specchi a semicerchio rende difficoltosa la loro collocazione per evitare che si influenzino negativamente reciprocamente e risulta più complessa la concentrazione dei raggi sul captatore man mano che aumenta la distanza da questo. Infine anche in questo caso la centrale crea un forte impatto sull’ambiente.

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IMPIANTI LINEARI FRESNEL

Schema specchi Fresnel

E’ un sistema di collettori abbastanza recente. Solo da poco tempo si stanno iniziando a realizzare impianti per la produzione di calore ad alta temperatura di questo tipo. E’ costituto da un campo di eliostati lineari che riflettono e concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore posto in posizione orizzontale fissa. Gli eliostati sono in grado di ruotare lungo l’asse longitudinale in modo da inseguire il moto del Sole e mantenere costantemente la radiazione solare riflessa sul tubo ricevitore.
Il tubo ricevitore è in genere costituito da un tubo in acciaio protetto da vetro; attualmente non è mantenuto sottovuoto, tuttavia sono in corso esperienze anche con tubi ricevitori del tipo usato per le parabole lineari.
Gli impianti finora realizzati prevedono la produzione di vapore in campo fino a 270°C, anche se sono state realizzate esperienze con produzione di vapore fino 400°C.

PRO e CONTRO di un Impianto FRESNEL
Questo tipo di impianti presenta alcune caratteristiche che li rendono competitivi nei riguardi di quelli più diffusi. Permettono, infatti, di risparmiare parecchio suolo rispetto a quelli parabolici lineari e hanno un costo di installazione di gran lunga inferiore dato il minor uso di materiali da impiegare.

Per contro, però, il loro rendimento è inferiore a causa della minore efficienza sia dei collettori (temperatura, ombreggiamenti, tubo ricevitore non isolato in vuoto) che del ciclo termodinamico.

Impianto solare Fresnel

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IMPIANTI A DISCO PARABOLICO

Schema impianto a Disco Parabolico

Detti anche sistemi Dish–Stirling sono generatori solari termoelettrici di piccole dimensioni. In questi sistemi un paraboloide di alcuni metri di diametro concentra la radiazione sul ricevitore di un motore Stirling di alcuni kW, in grado di azionare un alternatore collegato direttamente alla rete elettrica.
Sono in grado di funzionare in modo completamente automatico: si accendono al mattino, inseguono il Sole nel suo modo diurno e ritornano in posizione di alba a fine giornata, restando in condizioni di attesa durante la notte.

Questi sistemi possono funzionare o isolati, senza sorveglianza continua, oppure in cluster o solar farm da centinaia o migliaia di esemplari.


L’elevata efficienza di conversione, la facilità di installazione e la possibilità di riduzione dei costi con la produzione in grande serie, rendono questi sistemi applicabili alla generazione distribuita ed in prospettiva competitivi anche con i grandi impianti solari termodinamici.

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Schema di Impianto Solare a Concentrazione con Sistema di Accumulo del Calore

Le CENTRALI EOLICHE (Wind Farm)

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Gen 082012
 

Una centrale eolica o wind farm consente di sfruttare l’energia cinetica del vento per ottenere energia elettrica. Anche questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede alcune trasformazioni prima che l’energia contenuta nelle masse d’aria che si spostano, possa divenire elettricità.

Ma cos’è il vento?

Il vento, in parole povere è lo spostamento di masse d’aria tra zone con diversa pressione. In pratica la terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione. Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Tanto maggiore è questa differenza, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi il vento. A queste bisogna anche unire l’influenza esercitata sul fenomeno dalla rotazione terrestre.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale eolica?

La centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori, sorta di mulini a vento progettati per sfruttare l’Energia Cinetica contenuta nel vento. Questo, impattando sulle pale del rotore, lo costringe a muoversi ruotando sul proprio asse. In questo modo l’energia cinetica del vento si trasforma in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che è collegato ad un generatore elettrico (alternatore). In questo modo, l’energia meccanica cambia il proprio stato e diventa Energia Elettrica.


Com’è fatta una CENTRALE EOLICA?

Schema di centrale eolica

Un impianto eolico è costituito da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aerogeneratori. Questi possono essere di medie dimensioni o di grandi dimensioni (la dimensione è stabilita dalla quantità di energia che riescono a produrre: dai 600 ai 1000 chilowatt per i medi e oltre 1 megawatt per quelli grandi) e funzionare già con un vento di circa 3m/s (10km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17m/s (50÷60km/h). Questi sono collegati in serie tra di loro mediante cavi sotterranei. A conclusione di questa rete, si trova una cabina elettrica, chiamata stazione di consegna, che è collegata alla rete elettrica nazionale ed immette sulla stessa l’energia prodotta dalla centrale. Un aerogeneratore, è costituito da una serie di elementi che sono:

  1. navicella o gondola;
  2. torre;
  3. rotore;
  4. anemometro;
  5. moltiplicatore di giri;
  6. generatore elettrico;
  7. sistema di controllo;
  8. supporto e cuscinetto;
  9. trasformatore.

NAVICELLA o GONDOLA – è il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aerogeneratore. E’ montato sopra la torre e ruota su di essa per seguire la direzione del vento, attraverso  un meccanismo a ruote dentate detto deriva di rotta. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All’estremità dell’albero lento e all’esterno della gondola è fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale.


Torre a traliccio

Interno della Torre

TORRE – struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommità la gondola o navicella. Nei grandi e medi impianti la torre ha al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori) che portano alla navicella per l’ispezionabilità e la manutenzione. L’altezza media di una torre e’ compresa tra i 40 e i 60 metri. E’ ancorata al terreno mediante strutture di fondazione.


ROTORE – è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3, con un diametro di circa 50m) che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero di trasmissione lento, che ruota alla stessa velocità del rotore.

Dato che i venti di intensità elevata si verificano per tempi molto brevi, non è economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso. Questo aumento di costo può essere evitato limitando il processo di conversione di energia in regime di vento molto forte. Questa limitazione è di solito ottenuta adottando pale a passo variabile (cioè orientabili) la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Nelle macchine più recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte più vicina alla punta.


Anemometro

ANEMOMETRO – è uno strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” il vento. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.


MOLTIPLICATORE DI GIRI – serve ad aumentare i giri di rotazione che vengono trasmessi al generatore. L’albero lento è dirattamente connesso al rotore. Tramite un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), trasmette questa rotazione, accelerandola, all’albero veloce che è direttamente collegato con il generatore.


GENERATORE – è collegato all’albero veloce ed è posizionato di norma dopo il sistema frenante. In genere si tratta di un alternatore collegato attraverso cavi elettrici che, scorrono dentro la torre fino a terra dove, prima di essere collegati alla rete elettrica, entrano in un trasformatore.


SISTEMA DI CONTROLLO – è formato da una serie di strumenti elettronici controllati da un computer che hanno la funzione di monitoraggio di tutte le parti dell’aerogeneratore e del supporto-cuscinetto. Il sistema registra in ogni momento la piena funzionalità del sistema ed in caso di malfunzionamento blocca l’aerogeneratore e invia un avviso di intervento ai tecnici della centrale.


SUPPORTO e CUSCINETTO – il moto della navicella (gondola) rispetto alla torre e’ realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo’ essere di tipo elettrico o idraulico.


PRO e CONTRO di una Centrale Eolica

La centrale eolica utilizza come fonte energetica da trasformare, il vento. E’ facile intuire come si tratti di una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante. Per contro, il vento è una forma di energia incostante, cambia spesso intensità e direzione. Le centrali per il suo sfruttamento, non producono polveri sottili, inquinamento atmosferico o radioattivo. Producono, però, un forte impatto ambientale, modificando permanentemente l’aspetto del luogo sul quale sono realizzate, sono relativamente rumorose e la loro efficienza energetica è tale solo quando le torri installate sono molte e di grande dimensione.

Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un’utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare.


I PROGRESSI TECNOLOGICI

Questa tecnologia è sicuramente una di quelle più promettenti e sono in corso di studio differenti nuove soluzioni atte a realizzare impianti sempre più efficienti e che riducono l’impatto ambientale.

Impianti OFFSHORE – Una dimostrazione sono gli impianti offshore, ossia installazioni che montano macchine da 1 MW ed oltre su sistemi galleggianti in mezzo al mare, dove più costante e frequente è l’azione del vento. Si stima che gli impianti eolici nei mari europei protrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Attualmente sono operative 5 centrali costruite in Olanda, Svezia e Danimarca con una potenza totale di 30 MW. In Italia non esiste ancora alcun impianto offshore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di 3.000 MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% degli attuali consumi di elettricità.

 


Sistemi a ROTORE VERTICALE – le turbine ad asse verticale sono, le più antiche concepite dall’uomo, utilizzate in Mesopotamia sopratutto per irrigare. Negli ultimi anni stanno risvegliando l’interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori. I principali vantaggi dell’asse verticale sono: funzionamento costante indipendentemente dalla direzione del vento, migliore resistenza alle alte velocità dei venti e alle turbolenze. I progetti più interessanti sono quelli delle turbine windside, Darrieus e Savonius.


La CENTRALE IDROELETTRICA

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Gen 062012
 
Questo argomento è anche in versione: IO STUDIO Arrow IoSTUDIO

Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni prima che l’energia contenuta potenzialmente dall’acqua possa divenire elettricità.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale idroelettrica?

La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale. In una centrale idroelettrica, l’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica. L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare. L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica. La turbina è collegata a un generatore elettrico, l’Alternatore che, trasforma l’Energia Meccanica della turbina in Energia Elettrica, completando il ciclo.


Com’è fatta una CENTRALE IDROELETTRICA ?

Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali. L’immagine qui sopra ci aiuta a capirne meglio il funzionamento. Gli elementi costituenti per una centrale idroelettrica sono:

  1. bacino o serbatoio;
  2. diga;
  3. condotta forzata;
  4. turbina;
  5. generatore;
  6. trasformatore;
  7. opere di restituzione.

BACINO – è un invaso d’acqua ottenuto mediante lo sbarramento del corso di un fiume. Può essere naturale (lago) o artificiale e la sua forma è determinata dalle caratteristiche geologiche della zona in cui insiste. Altre caratteristiche da tener presenti nella formazione di un bacino idrografico sono la densità dei corsi d’acqua minori, le precipitazioni annuali e stagionali, il tipo di terreno e di vegetazione, oltre che le opere umane.


DIGA – è l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico. Le dighe si possono dividere in due grandi categorie:

  • diga a gravità;
  • dighe ad arco.

Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. La resistenza alla spinta dell’acqua è dovuta essenzialmente al peso della costruzione stessa.

Diga a Gravità

Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura. In questo caso hanno forma convessa e possono essere costruite solo per sbarrare valli non molto larghe con fianchi rocciosi a cui la diga è ancorata.

Diga ad Arco

CONDOTTA FORZATA – è costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere realizzate in metallo o calcestruzzo armato. Queste, generalmente, sono costruite all’interno della montagna (in galleria) o possono scorrere anche all’esterno sul crinale della stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base le paratoie di intercettazione delle acque che hanno garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua. Ancora più in basso sono posti appositi organi di regolazione, connessi direttamente con le turbine che, hanno lo scopo di regolare la portata dell’acqua.

In una centrale idroelettrica, gli organi di chiusura utilizzati possono essere di tre tipi: valvole a farfalla, valvole a rotativa e valvole a fuso.

TURBINA – è la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido, ad esempio acqua o vapore acqueo, in energia meccanica. Può essere utilizzata direttamente come ad esempio in un classico mulino ad acqua che fa funzionare una macina, oppure nel caso delle vecchie filande per far funzionare le macchine tessili. E’ costituita da un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Il movimento rotatorio del girante viene trasferito mediante un asse detto albero a un alternatore che produce energia elettrica.

Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale. Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono costruiti differenti tipi di turbine idrauliche. I parametri considerati nella loro costruzione sono due: l’altezza e la portata (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo). Si realizzano quindi 3 tipi di turbine idrauliche:

  • Turbina Pelton

Utilizzata di solito con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Sono costituite da un distributore a uno o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

  • Turbina Francis

Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie. In queste turbine l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

  • Turbina Kaplan

Utilizzata di solito con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Alternatore

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

OPERE DI RESTITUZIONE – sono costituite da un canale o galleria, che attraverso uno sbocco, restituiscono le portate utilizzate al corso d’acqua.

PRO e CONTRO di una Centrale Idroelettrica

La centrale idroelettrica utilizza come fonte energetica da trasformare, l’acqua. Per cui utilizza una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante.

Comunque nel processo di trasformazione, anche una centrale idroelettrica genera inquinamento. Infatti, la realizzazione di tutte le strutture che compongono una centrale, trasformano profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.

FUKUSHIMA: siamo davvero in pericolo?

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Dic 162011
 
Articolo scritto dagli alunni della 3I/2011
Federico Di Gaetano, Carola Bartilotti, Bruno Bonnici, Claudia Nipitella

Prefazione a cura del prof. Betto

Ancora una volta un interessante articolo scritto da uno studente della Dante Alighieri. Gli alunni si sono cimentati con un argomento di attualità ricco di incognite e di stupore di fronte alla catastrofe in uno dei posti sulla Terra con il maggior sviluppo tecnologico. Questo ha fatto dubitare il mondo intero e si è presentato con una precisione cronometrica nel momento in cui in Italia si riavviava il programma nucleare bocciato dopo Chernobyl nell’87. Non sappiamo quale sarà lo sviluppo di questa vicenda e del nucleare nel mondo ma è divertente scoprire il taglio narrativo che i ragazzi hanno utilizzato per raccontare la vicenda. Buona lettura a tutti.


Il 24 maggio 2011 nei giorni seguenti al devastante maremoto che si è abbattuto sul Giappone nord-orientale la centrale nucleare di Fukushima, situata a pochi chilometri dalla omonima cittadina nella prefettura, appunto, di Fukushima, ha subito gravissimi danni. A causa di questi, nei suoi reattori 1, 2 e 3, è avvenuta la fusione dei nuclei.

Impianto di Fukushima

Il quarto, il quinto e il sesto reattore della centrale sono stati portati in pochi giorni dall’incidente allo “spegnimento stabile” (temperatura sul fondo dei recipienti di contenimento dei reattori inferiore a 100 gradi) mentre i primi tre hanno raggiunto lo stadio di “raffreddamento stabile” (funzionamento del sistema di raffreddamento a regime e senza aumento del livello dell’acqua accumulata e conseguente diminuzione continua della temperatura e della radioattività) il 20 luglio 2011. Secondo le previsioni, questi tre reattori saranno portati allo “spegnimento stabile” nel gennaio del 2012.

E l’Italia?

Detto questo, viene spontaneo chiedersi, dopo l’esperienza di Chernobyl se anche noi corriamo qualche pericolo. Tranquillizziamoci sugli effetti della «nube radioattiva», generata dall’esplosione della centrale di Fukushima, in Giappone. Non si tratta neppure di una vera nube, in realtà sono delle particelle di iodio e cesio disperse nell’atmosfera. Molti, però, nonostante tutti gli esperti siano d’accordo sull’assenza di pericoli, si sono fatti prendere dal panico cercando in farmacia kit antiradiazioni, quando non ce n’è davvero alcun bisogno. Ma andiamo con ordine.

Intanto questa famosa «nube» arriva o no?
Dovrebbe arrivare. Dal Giappone è passata alle coste della California, poi a quelle di New York e ora in Europa. Già in California la nube era innocua, figuriamoci in Europa. Noi, del resto, conviviamo sempre con un po’ di radioattività: tutti i giorni nel terreno e nell’acqua è presente più radioattività di quanta ne porterà la “nube” dall’Oriente. È esposto a molte più radiazioni chi prende un aereo o chi fa una Tac. Le radiazioni “giapponesi”, che viaggiano con i venti, si sono diluite nell’atmosfera. E hanno fatto un percorso lungo da Fukushima fino a noi. Almeno la metà del giro della terra. E quindi, è  assolutamente inutile comprare mascherine e contatori Geiger (strumenti di misurazione delle radiazioni) che, oltretutto, in questo caso non riescono nemmeno a percepire il livello di questa radioattività essendo così diluita nell’atmosfera.

  

E a Fukushima si devono difendere dalle radiazioni? Gli eroi che hanno lavorato intorno ai reattori certamente sì. Lì la radioattività raggiungeva 400 millisievert all’ora. Anche se, i giapponesi che sono stati nella zona dell’esplosione, si sono protetti così bene che probabilmente neanche loro avranno conseguenze sulla salute.

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La chiave di volta dell’energia: FUSIONE A FREDDO

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Nov 212011
 
Articolo scritto da un alunno della 3D/2012
Claudia Calanna, Francesco Trovato Manuncola

La fusione nucleare fredda, detta comunemente fusione fredda o fusione a freddo, oppure nella forma inglese di cold fusion (CF) è un nome attribuito a reazioni di natura nucleare, che si produrrebbero a pressioni e a temperature molto minori di quelle necessarie per ottenere la fusione nucleare “calda”, per la quale sono invece necessarie temperature dell’ordine del milione di gradi.

Il termine fusione fredda (“cold fusion”) fu coniato nel 1986 da Paul Palmer, della Brigham Young University, durante una ricerca di geo-fusione sulla possibilità di esistenza di fenomeni di fusione all’interno dei nuclei planetari.

La fusione nucleare a freddo, deriva da quella “calda” che, consiste nel fondere 2 atomi leggeri (due isotopi dell’idrogeno: deuterio e trizio) per formarne uno più pesante elio.

Processo di Fusione a Caldo

Il processo è analogo a quello che avviene nel Sole e nelle stelle e può teoricamente essere riprodotto artificialmente anche sulla Terra. Per far sì che la fusione avvenga, però, sono necessarie temperature elevatissime (milioni di gradi) che ancora oggi è quasi impossibile raggiungere. Dalla fusione nucleare si ottiene un’enorme quantità di energia: infatti, una volta che i due atomi si fondono, la loro massa non è pari alla somma delle masse dei due nuclei, ma minore. La differenza tra la somma delle masse di partenza e la massa finale si è convertita in energia secondo la legge di Einstein (E=mC2) dove E rappresenta l’energia, m la massa e Cuna costante, la velocità della luce pari a circa 300.000 km/s.

La possibilità teorica che queste reazioni possano avvenire a freddo è controversa. Secondo i sostenitori delle teorie che permetterebbero tale fenomeno, è necessario avvicinare i nuclei atomici di deuterio e trizio a distanze tali da vincere la reciproca forza di repulsione dei nuclei. Tuttavia, diversamente dalle reazioni di fusione termonucleare “calda”, essi affermano che si può raggiungere lo stesso risultato spendendo molta meno energia, grazie allo sfruttamento di un catalizzatore, come il palladio.

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L’ESPERIENZA ITALIANA

Anche in Italia gli studi in merito fervono e i risultati non mancano. Infatti, il 28 ottobre scorso Andrea Rossi ha mantenuto la prima delle sue promesse. In un container alla periferia di Bologna, l’ingegnere inventore della nuova fusione fredda italiana, ha presentato una mini centrale termica da un megawatt, apparentemente funzionante. È composta da 107 E-Cat (“Energy Catalyzer”), cioè catalizzatore di energia, il misterioso apparato che è il cuore della sua macchina e che consente di produrre, fino a 27 kW termici, attraverso una reazione di fusione nucleare (diversa dalla fissione delle tradizionali centrali nucleari) tra nichel e idrogeno, SENZA RADIAZIONI O SCORIE.

È davvero la soluzione dei tanti problemi energetici del pianeta, come qualcuno pensa?

Le prove non sono ancora sufficienti. Anche se la cosiddetta LENR, “Reazioni nucleari a debole energia”, e il fenomeno su cui è basata, ha ormai molti riscontri: in fenomeni come la cavitazione, il plasma elettrolitico o la sonoluminescenza.

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TOKAMACK (prof. BETTO)

Un tokamak è una macchina di forma toroidale che, attraverso il confinamento magnetico di isotopi di idrogeno allo stato di plasma, crea le condizioni affinché si verifichi, al suo interno, la fusione termonucleare allo scopo di estrarne l’energia prodotta. (Wikipedia).

Schema del Tokamack

L’idea è quella di realizzare un campo magnetico ad anello intorno a una forma geometrica a ciambella che impedisce alle particelle di uscire restando così confinate all’interno dello spazio magnetico. Il campo magnetico ad anello viene chiamato in linguaggio tecnico campo toroidale.

In un tokamak, come condizione iniziale viene creato un vuoto spinto o ultraspinto, mediante apposite pompe a vuoto. L’accensione della corrente di plasma nel contenitore toroidale avviene in tre tempi:

  1. si immette corrente nelle bobine di campo toroidale;
  2. viene immessa una piccolissima quantità di gas (generalmente una miscela di deuterio e trizio) di cui si vogliano studiare le proprietà.
  3. si immette corrente nel solenoide centrale, che occupa il buco centrale del toro, creando un flusso nel nucleo del Tokamak: esso costituisce il circuito primario di un trasformatore, di cui il toro costituisce il circuito secondario;

Gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri. Il gas non è più neutro, ma è diventato plasma: a questo punto la corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda il plasma a temperature anche molto elevate (qualche milione di gradi).

La speranza è quella di poter estrarre energia da fusione nucleare, senza che questa rilasci scorie radioattive, né sia passibile di esplosioni o fughe di radiazione e in tal senso è un’energia completamente “pulita”.

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