Energia elettrica (produzione)

Energia elettrica (produzione)

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

L'energia è presente in natura in forma disordinata e ordinata (vedi Fisica: Secondo principio della termodinamica). Un'energia in forma disordinata, ad esempio il calore, può essere convertita in una forma ordinata, come l'energia meccanica, per mezzo di un motore termico; quest'ultimo può essere a combustione esterna (cioè una macchina a vapore) o a combustione interna, di tipo volumetrico (come il motore a pistoni delle automobili) o di tipo continuo (come la turbina a gas). Il rendimento dei motori termici è piuttosto basso, in genere inferiore al 40%: ciò significa che meno del 40% dell'energia termica assorbita dal motore viene erogata in forma di energia meccanica utilizzabile.

L'energia in forma ordinata, di cui sono esempi classici l'energia elettrica e quella meccanica, viene detta energia 'di qualità superiore' perché può essere convertita in altre forme con un rendimento prossimo al 100%. Un motore elettrico, ad esempio, può convertire energia elettrica in energia meccanica con un rendimento di oltre il 90%.

I vantaggi dell'elettricità

Per diverse ragioni l'energia viene trasportata e resa disponibile sotto forma di elettricità. L'energia elettrica, infatti, può essere trasportata dai generatori alle utenze mediante una rete di cavi facilmente installabile e senza perdite apprezzabili; può essere trasformata con alto rendimento in energia termica, meccanica e chimica; alimenta un altissimo numero di apparecchi elettrici ed elettronici e di sistemi di illuminazione; è controllabile istantaneamente nel punto di utilizzo: per accendere o spegnere un dispositivo elettrico è sufficiente lo scatto di un interruttore.

Centrali elettriche

La quasi totalità dell'energia elettrica viene attualmente prodotta in impianti che sfruttano l'energia cinetica di una massa d'acqua in caduta controllata (centrali idroelettriche) oppure l'energia termica che si sviluppa durante un processo di combustione (centrali termoelettriche). In senso lato, quest'ultimo caso comprende anche le centrali nucleari, che sfruttano il calore prodotto da una reazione nucleare.

Nelle centrali elettriche alimentate a carbon fossile, il combustibile viene polverizzato, mescolato ad aria preriscaldata e iniettato nella camera di combustione di una caldaia a tubi d'acqua, dove brucia come un gas. La camera, o focolare, rappresenta la struttura più grande della centrale; le pareti interne sono rivestite da una serie di tubi a serpentino, nei quali scorre acqua, che si sviluppano per un totale di diversi chilometri allo scopo di estrarre il massimo calore possibile dal combustibile: durante il percorso all'interno dei tubi, infatti, l'acqua raggiunge il punto di ebollizione e si trasforma in vapore surriscaldato e ad alta pressione. Un impianto di depurazione filtra i gas di combustione, in modo da estrarre la maggior quantità possibile di ceneri, prima di disperderli nell'atmosfera attraverso una ciminiera. Nelle centrali più moderne gli impianti di depurazione sono progettati ponendo particolare cura all'estrazione delle scorie solforate, che si sono rivelate estremamente nocive per l'ambiente.

Il vapore generato nella caldaia viene inviato a una turbina che trasforma l'energia termica in energia meccanica, sia pure con il basso rendimento caratteristico dei motori termici. Il vapore a bassa pressione e bassa temperatura che esce dalla turbina viene condensato e l'acqua ottenuta viene nuovamente pompata nella tubazione della caldaia, chiudendo il ciclo. La condensazione del vapore richiede grandi quantità di acqua di raffreddamento (circa 230.000 m³ l'ora per una centrale da 2000 mW), che può essere prelevata da un fiume o da un lago presente nelle vicinanze della centrale, oppure deve essere riciclata. Il riciclaggio viene operato nelle torri di raffreddamento, che disperdono nell'atmosfera il calore residuo e richiedono una quantità relativamente ridotta di acqua per sopperire a quella persa per evaporazione.

Le centrali alimentate a gasolio o a gas funzionano in modo analogo. Nelle centrali nucleari, invece, a generare calore è la reazione di fissione di un combustibile nucleare, cioè di un materiale radioattivo come l'uranio. Il calore viene estratto da un liquido refrigerante e quindi utilizzato per vaporizzare una determinata quantità d'acqua per mezzo di un apposito apparecchio detto scambiatore di calore. Le fasi successive del processo sono analoghe a quelle delle centrali termoelettriche. Esistono vari tipi di reattore nucleare, basati su strutture e refrigeranti diversi. Una serie di barre di materiale con elevata capacità di cattura neutronica permette di controllare la velocità di reazione e può, in caso di emergenza, determinare lo spegnimento completo del reattore, mentre uno 'schermo biologico' di calcestruzzo, spesso parecchi metri, circonda il reattore per proteggere gli operatori dalle emissioni fortemente radioattive del nocciolo. Vedi Energia nucleare

Recentemente ha avuto molto successo un nuovo tipo di centrale termoelettrica con turbina a gas, detta a ciclo combinato (CCGT, dall'inglese Combined Cycle Gas Turbine). In questo tipo di centrale la trasformazione dell'energia termica nell'energia meccanica necessaria ad azionare un generatore elettrico avviene in due tempi, con un rendimento totale che si avvicina al 55%. Il gas combustibile viene bruciato in una turbina a gas accoppiata a un generatore elettrico e i gas di scarico vengono usati per produrre il vapore necessario ad azionare una turbina a vapore accoppiata a un secondo generatore.

Nella produzione di energia elettrica, alla turbina, a gas o a vapore, è accoppiato il rotore di un generatore elettrico, solitamente un alternatore costituito anche da una parte fissa, denominata statore. Il rotore è un cilindro di materiale ferromagnetico, rotante alla velocità di 3000 giri al minuto, in cui è inserito un avvolgimento percorso da corrente continua. Per effetto della corrente che lo circonda, il rotore si comporta da elettromagnete, producendo quindi un campo magnetico rotante. Lo statore è costituito da un avvolgimento in cui il campo magnetico induce tensioni alternate variabili generalmente con una frequenza di 50 hertz (cicli al secondo). L'energia meccanica prodotta dalla turbina viene quindi trasformata in energia elettrica, con un rendimento prossimo al 100%.

Problemi di produzione dell'energia elettrica

L'energia elettrica è fondamentale per il mantenimento del tenore di vita nelle società altamente industrializzate ed è indispensabile per i paesi in via di sviluppo. A lungo termine, tuttavia, si pone il problema dell'esaurimento dei combustibili fossili e nucleari. All'attuale tasso di consumo, le stime di durata delle scorte vanno da 40-60 anni per il gas naturale e il petrolio, a 200 anni per il carbon fossile. Un problema più pressante è quello dei sottoprodotti della combustione di carbon fossile, gas naturale e derivati del petrolio, che sono estremamente nocivi per l'ambiente. L'accumulo negli ultimi decenni di anidride carbonica, il gas che più contribuisce all'effetto serra, viene considerato il maggiore imputato dell'aumento della temperatura sulla superficie terrestre (riscaldamento globale).

Fonti di energia elettrica

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

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

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

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

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

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

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