Giornale Scienze

Anno Scolastico 2019 - 2020

Liceo Scientifico "Emilio Segrè di Marano" - Classe IDM

Caratteristica fondamentale dell'energia è quella di manifestarsi in varie forme che possono trasformarsi l'una nell'altra.

Tutte le forme di energia disponibili sulla Terra, tranne quella nucleare e geotermica, provengono dal Sole.

Definizione

L'energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro e la sua unità di misura è il joule (J). Essa è ciò che muove o trasforma la materia, è in ogni cosa ed è l'essenza dell'universo.

L' importanza dell'energia

Lo sviluppo delle civiltà umane a livello economico, sociale e culturale è sempre stato influenzato dall'utilizzo delle fonti energetiche.

IL BISOGNO DIENERGIA

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Queste fonti si rigenerano molto lentamente: una volta terminate non saranno nuovamente disponibili in tempi brevi, come i combustibili fossili e l'uranio.

Le fonti rinnovabili sono quelle fonti di energia non soggette a esaurimento, come la luce solare, il vento, la pioggia, le maree, le onde e il calore geotermico.

Le fonti non rinnovabili

Le fonti rinnovabili

Le fonti energetiche sono l'insieme delle sostanze e delle forme di energia, le cui conversioni sono utilizzate per produrre una forma di energia finale utile all'uomo. Si dividono in due categorie principali: rinnovabili e non rinnovabili.

LE FONTI ENERGETICHE

Circa due terzi delle emissioni di gas a effetto serra a livello globale, sono connessi all’uso di combustibili fossili a scopo energetico: per il riscaldamento, la produzione di energia elettrica, il trasporto e l’industria.

La mitigazione e l’adattamento ai cambiamenti climatici sono sfide chiave del XXI secolo. Alla base di queste sfide vi è la "Questione Energia" o, più precisamente, il nostro consumo energetico complessivo e la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Per riuscire a limitare il riscaldamento globale, il mondo ha urgente necessità di impiegare l’energia in modo efficiente, avvalendosi delle fonti di energia pulita.

QUESTIONE ENERGIA

responsabile del fenomeno delle piogge acide.Il loro utilizzo determina un incremento della quantità di CO2 in atmosfera, un gas non direttamente inquinante, ma oggi considerato come il maggiore imputato dell'effetto serra e - di conseguenza - del surriscaldamento globale.

I combustibili fossili sono inquinanti, anche se, con l'utilizzo di macchine moderne, questo problema si è notevolmente ridotto. Una forma di inquinamento è data dalla diffusione in atmosfera di sostanze associate a questi combustibili.Per esempio la liberazione di anidride solforosa (SO2) è

GLI EFFETTI DEVASTANTI DEI COMBUSTIBILI FOSSILI

La Giornata della Terra (Earth Day - 22 aprile) è il giorno in cui si celebra l'ambiente e la salvaguardia del pianeta Terra. Il 22 aprile 2020 ha segnato i 50 anni della Giornata della Terra. La tematica scelta per quest'annversario è stata il "Climate action".I cambiamenti climatici rappresentano la più grande sfida per il futuro dell'umanità e per lo stesso pianeta Terra.

EARTH DAY: i 50 anni della giornata della Terra

L'organizzazione del movimento è iniziata quando la svedese, Greta Thunberg, ha organizzato tutti i giorni del mese di agosto 2018, un'azione di protesta sedendosi al di fuori del Riksdag, con un cartello che recitava "Skolstrejk för klimatet" (Sciopero scolastico per il clima). Il suo slogan, Fridays For Future, ha attirato l'attenzione di tutto il mondo, ispirando gli studenti a scioperare per il clima.

Venerdì per il futuro (Fridays for Future) è un movimento internazionale di protesta, composto da studenti che decidono di non frequentare le lezioni scolastiche per partecipare a manifestazioni in cui chiedono e rivendicano azioni atte a prevenire il riscaldamento globale e il cambiamento climatico.

FRIDAYS FOR FUTURE:manifestazioni per l'ambiente

Trasformandola in energia elettrica tramite conversione fotovoltaica, che sfrutta i moduli fotovoltaici.

Come sfruttarla?

Trasformandola in energia meccanica (e quindi elettrica), tramite mezzi termodinamici come i collettori solari.

Trasformandola in energia termica a bassa temperatura, tramite i pannelli solari.

Le radiazioni provenienti dal Sole offrono una grandissima quantità di energia, circa 10000 volte maggiore dell'energia necessaria alle attività dell'uomo (173 quadrilioni di Watt).Ecco perché negli ultimi anni questa fonte di energia è diventata di interesse mondiale.

ENERGIA DAL SOLE

Pannelli solari termici

Collettori solari

Sono apparecchiature che ricevono la radiazione solare grazie a specchi che la concentrano sul contenitore del fluido, poi riscaldato, che proseguirà il suo ciclo. Quest'ultimo poi trasformatosi in vapore, passerà per una turbina accoppiata ad un alternatore, producendo così energia elettrica. Su questo schema si basano le centrali solari a specchi (a torre o con specchi parabolici).

Sono dei dispositivi dotati di tubazioni, in cui scorre un fluido riscaldato dal Sole, che trasmette il calore ad un serbatoio di acqua, la quale scorrerà negli impianti di riscaldamento dei vari edifici.

Sono dei pannelli coperti di celle fotovoltaiche, al cui interno vi è un materiale che genera energia elettrica se colpito dalla radiazione solare. Le centrali fotovoltaiche utilizzano tali moduli per inviare l'elettricità alle reti di distribuzione.

Pannelli fotovoltaici

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Quanta energia produce?

È stimato che la centrale solare termodinamica del progetto Archimede sia capace di produrre, all'incirca, 5 MW di potenza elettrica.

Come è strutturata?

Il campo è composto da 30.000 m² di specchi che fanno convergere la luce solare su 5.400 metri di tubazioni, nelle quali scorre il fluido. Si tratta di un impianto di piccole dimensioni che utilizza i sali fusi per incanalare energia solare. L'utilizzo di questi sali permette alla centrale di essere produttiva per molte ore, anche in assenza del Sole.

IL PROGETTO ARCHIMEDE

Questa centrale solare è un esempio d'impianto a specchi parabolici, la quale prende il nome da Archimede. È un impianto solare termodinamico, inaugurato il 15 luglio 2010 a Priolo Gargallo (Siracusa), con la collaborazione dell’ENEA e dell’ENEL.

L'interesse mondiale

Per riuscire a soddisfare le necessità di tutto il mondo, bisognerebbe costruire centrali a pannelli fotovoltaici di diverse centinaia di migliaia di chilometri quadrati. Ecco perché alcuni paesi come quelli dell'Africa e del Medio Oriente, sono candidati a essere la sede ideale per la realizzazione di queste centrali solari, avendo condizioni favorevoli d'insolazione e vasti territori sfruttabili.

Al momento gli stati che hanno sviluppato impianti solari all'avanguardia sono gli USA, il Giappone, la Russia, la Germania e la Francia. La costruzione di queste centrali prevede basse spese di gestione e offre energia non inquinante. Le centrali fotovoltaiche sono più diffuse, però attualmente necessitano di un investimento notevole in termini economici per la loro realizzazione, ma in futuro si prevede che diverranno più efficienti in termini sia economici che energetici. Magari in un futuro prossimo sarà possibile trovare sostentamento solo da queste centrali solari, sostituendo le centrali a combustibili fossili.

L'inserimento degli impianti solari nel mondo

Esistono diversi sistemi geotermici, ma attualmente vengono sfruttati a livello industriale solo i sistemi idrotermali.

La geotermia è la scienza che studia le sorgenti di calore terrestre e il loro sfruttamento come fonti di energia. I suoi principi sono sfruttati a livello tecnologico attraverso le centrali geotermiche a partire dall'energia geotermica associata.

Che cos'è la geotermia?

LA GEOTERMIA

Per lo sfruttamento del calore geotermico sono state create le centrali geotermiche, i cui elementi principali sono:

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.

Le sorgenti geotermiche si possono dividere in tre tipi:

• sorgenti idrotermiche;
• sorgenti geopressurizzate;
• sorgenti petrotermiche.

Le centrali e le sorgenti geotermiche

LA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA

La geotermia a bassa entalpia sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore. Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, in estate il calore in eccesso, presente negli edifici, viene ceduto al terreno. Una pompa di calore, sfruttando la differenza di temperatura fra il terreno e l'esterno, assorbe calore dal terreno e lo rende disponibile per uso umano. La pompa di calore necessita di energia elettrica per funzionare.

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LE SONDE GEOTERMICHE

Compatte

Verticali

Orizzontali

Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche che si dividono in:

• verticali;
• orizzontali;
• compatte.

Svantaggi

vantaggi

• Le centrali emanano un cattivo odore;
• le centrali sono antiestetiche.

• Risparmio dell'80% sui costi rispetto ad altre forme di energia
• Non produce C02 , quindi non inquina e non provoca gravi danni all'ecosistema.

Quella del vento, però, è la fonte di energia più competitiva tra le fonti tradizionali nella produzione di energia elettrica.

Tuttavia, l'energia dei venti presenta dei limiti:

• la concentrazione energetica è molto bassa;
• l'irregolarità nel tempo, nello spazio, nell'intensità e nella direzione.

L'energia eolica è stata una delle forme di energia maggiormente impiegate nell'antichità.

ENERGIA DEL VENTO

Le possibilità di utilizzare l'energia del vento riguarda soprattutto le zone della Terra sottoposte ai venti costanti e regolari: tali zone possono essere individuate grazie alla meteorologia.Di difficile soluzione è invece, il problema con la bassa frequenza dei venti: in questi casi, le piccole potenze ricavabili, possono avere applicazioni limitate. Al fine di ottenere potenze di qualche centinaio di MW, si ricorre alla costruzione di parchi eolici.

Oggi l'energia eolica è in grado di competere, sul piano economico, con i combustibili fossili, per la produzione di energia elettrica. . Attraverso il perfezionamento dei controlli elettronici degli aerogeneratori, la produzione di energia elettrica ha avuto un incremento notevole, contenendo i costi.

IMPATTO AMBIENTALE

Un aspetto che occorre considerare è quello dell'impatto ambientale prodotto dagli aerogeneratori che oltre a risultare ingombranti, possono risultare letali per l'avifauna locale, Un modo per risolvere questo problema potrebbe essere la localizzazione degli aerogeneratori in mare, creando parchi eolici offshore.L'istallazione di aerogeneratori in zone marine, non lontane dalle coste, permette anche di accrescere la produzione di elettricità, dato che sul mare i venti sono più costanti e intensi.

Da dove viene ricavata?

Essa sfrutta l'energia cinetica che poi verrà trasformata in energia elettrica.

L'energia idroelettrica si ricava dai laghi e dai fiumi.

Che cos'è?

L’energia idroelettrica è considerata una fonte di energia rinnovabile, originata dall'acqua.

L'ENERGIA IDRICA

TRASFORMAZIONE IN ENERGIA ELETTRICA

Per ricavare energia idroelettrica, ci sono diverse fasi:

• Costruzione di una diga;
• Formazione di un bacino;
• Arrivo dell'acqua nelle turbine;
• Arrivo nell' alternatore;
• Produzione dell'energia elettrica.

Una volta prodotta l'energia elettrica, essa viene trasformata per poi essere trasportata a grandi distanze, e ciò avviene grazie al trasformatore.

Francis

Kaplan

Pelton

Le turbine sono formate da un distributore e da una ruota. Si dividono in:

LE TURBINE IDRAULICHE

vantaggi e svantaggi dell'eneRgia idroelettricA

La produzione di energia idroelettrica non provoca emissioni gassose o liquide che possano inquinare l'aria o l'acqua.Tuttavia, la trasformazione in energia elettrica può causare un allungamento del tempo di ricambio delle acque e l’alterazione del clima nella zona.

L'eNErgia marina

Che cos'è il moto ondoso?

Curiosità

• In alcune zone dove sembra non ci sia vento le onde però sono presenti. Perché? Le onde risentono dello spirare del vento anche in lontananza.
• Le parti fondamentali di un'onda sono: il ventre, la creste e i parametri dell'altezza e lunghezza.

Il moto ondoso è dovuto principalmente allo spirare del vento sulla superficie marina, che provoca delle increspature. Possiamo distinguere due tipi di onde: le onde di oscillazione, prodotte in mare aperto dove le molecole dell'acqua percorrono orbite circolari; onde di traslazione originatesi in seguito all'interazione dell'acqua con il fondale marino: il punto di impatto tra onda e costa, porta alla formazione di un frangente di spiaggia.

L'impianto è strutturato sulla costa e consta di impianti idraulici in grado di intercettare l'impatto delle onde sulla roccia. Il flusso di acqua sulla scogliera viene incanalato in un sistema di condutture, in cui sono presenti le turbine. La rotazione delle turbine può essere generata sia dal flusso d'acqua stesso, che dallo spostamento dell'aria sovrastante il flusso d'acqua. L'energia meccanica, così generata, viene trasformata in energia elettrica tramite i generatori elettrici. Le turbine sono reversibili per sfruttare sia il flusso in entrata che in uscita.

Impianto sulla costa

Impianto in mare aperto

L'impianto a moto ondoso è composto da una struttura galleggiante e da motori idraulici. Il movimento delle onde genera lo spostamento dei pistoni di un motore idraulico. L'energia meccanica è trasformata in energia elettrica tramite un generatore e viene trasmessa via cavo alla centrale elettrica sulla terraferma. Le strutture galleggianti possono essere situate vicino alla costa o in mare aperto. Questa tecnologia è alla base del progetto Pelamis nelle isole Ebridi in Gran Bretagna.

Le maree sono un fenomeno periodico oceanico costituito da ampie masse d'acqua (oceani, mari e grandi laghi) che si innalzano (flusso, alta marea) e abbassano (riflusso, bassa marea), con frequenza giornaliera o frazione di giorno (solitamente circa ogni sei ore), dovuto alla combinazione di due fattori:

• l'attrazione gravitazionale esercitata sulla Terra dalla Luna, che, pur essendo circa duecento volte meno intensa dell'attrazione esercitata dal Sole, è la principale responsabile delle maree;
• la forza centrifuga dovuta alla rotazione del sistema Terra-Luna intorno al proprio centro di massa.

LE MAREE

Il moto delle acque viene convogliato in una serie di condutture idrauliche per essere tradotto in energia meccanica tramite apposite turbine e, infine, trasformato in energia elettrica dai generatori. Il principio di funzionamento è lo stesso di una centrale idroelettrica, ma si basa sull'oscillazione orizzontale dell'acqua.L'acqua defluisce attraverso tali condutture idrauliche, all'interno delle quali sono presenti turbine collegate ai generatori elettrici. Nelle condutture il moto dell'acqua acquisisce pressione e velocità, generando la rotazione delle turbine.

ENERGIA DALLE MAREE

Maree sinonimo di energia rinnovabile

Con il termine “biomassa” si indicano una serie di materiali di origine biologica. Si tratta generalmente di scarti di attività agricole, che possono essere modificati attraverso vari procedimenti, per ricavarne combustibili o direttamente energia elettrica e termica. Le biomasse comprendono:

Che cosa sono?

LE BIOMASSE

• allo stato solido.
• allo stato liquido.
• allo stato gassoso.

I biocombustibili possono presentarsi:

cogenerazione

elettricità

biocarburanti

gas combustibili

calore e vapore

La biomassa può essere trasformata in diverse forme di energia applicando vari processi di conversione, questi tipi di energia sono:

I PROCESSI DI TRASFORMAZIONE DELLA BIOMASSA

Il biogas si forma spontaneamente dalla fermentazione di materia organica. Può essere usato come carburante, combustibile per il riscaldamento e per la produzione di energia elettrica.

BIOGAS

Una centrale a biomassa è una tipologia di centrale elettrica che utilizza energia rinnovabile, ricavandola dalle biomasse attraverso diverse tecniche.

FONTE UTILIZZATA: biomassa

CENTRALE A BIOMASSA

LA CENTRALE A BIOMASSA:

• Come fonte energetica per riscaldamenti può generare inquinamento (PM10, monossido di carbonio, diossine).

• Utilizza una fonte rinnovabile, capace di riformarsi in tempi brevi.
• Valorizza i residui agro-industriali.
• Non contribuisce all' inquinamento atmosferico.

SVANTAGGI

VANTAGGI

L'Energia nucleare

Il nucleare però ha anche degli svantaggi

Il nucleare presenta alcuni vantaggi

L'energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia. Insieme alle fonti rinnovabili e alle fonti fossili, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di un'altra forma di energia.

Con energia nucleare (detta anche energia atomica), si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici: tali trasformazioni sono dette "reazioni nucleari".

L'energia nucleare è usata dalle centrali nucleari per produrre energia elettrica. Esistono due tecnologie in grado di sfruttare l'energia atomica, la fissione nucleare e la fusione nucleare. Attualmente, la tecnologia usata nelle centrali nucleari è la fissione, mentre la fusione è ancora in fase sperimentale.

Il problema dello stoccaggio delle scorie

Il processo di fissione del nucleo emette radioattività ad alta intensità. Gli oggetti e i metalli che entrano a contatto diventano anch'essi radioattivi e sono detti scorie nucleari.

Watch

(Reattore numero 4 della centrale nucleare di Chernobyl, 26 aprile 1986.)

Reattore numero 4 della centrale nucleare di Chernobyl. Ora incidente: 1:23. Data incidente: 26 aprile 1986. Reattore numero 4 della centrale nucleare di Chernobyl. Ora incidente: 1:23. Data incidente: 26 aprile 1986.

Una centrale nucleare è circa un milione di volte più efficiente rispetto a una centrale termoelettrica (che brucia carbone, petrolio o gas).Oltre all'elevata efficienza del processo di generazione elettrica, la centrale nucleare ha il vantaggio di non produrre anidride carbonica. Per cui, almeno dal punto di vista delle emissioni di CO2, ha un impatto ambientale minore rispetto alle centrali che bruciano carbone o gas.

I disastri ambientali del nucleare

Il nucleare è ricordato, purtroppo, per i disastri ambientali in seguito a esplosioni di centrali. Sicuramente il più – tristemente – celebre rimane quello di Chernobyl.

Centrale nucleare

Come ha raccontato lo scienziato alla Reuters, sarà possibile testare la tecnologia entro un anno, far funzionare un prototipo entro cinque e metterla a regime entro dieci. Il progetto cerca di “copiare” le stelle e di sfruttare l’energia rilasciata durante la fusione nucleare (gli attuali reattori sono a fissione).

Ad affermarlo è la Lockheed Martin Corporation, società aerospaziale, principale fornitore del Pentagono e sempre più coinvolta in progetti basati sulle energie alternative. Il progetto a cui il team dell’ingegnere Tom McGuire sta lavorando è una struttura di reattore compatto di circa 3 metri per due, 10 volte più piccola degli attuali reattori a fissione.

Centrali nucleari future

Tra 10 anni il mondo funzionerà a fusione

Il nucleare non è in fase discendente

Nonostante i numerosi disastri, l’Agenzia internazionale per l’energia atomica (Iaea) smentisce l’idea che il nucleare sia entrato in una nuova fase discendente e stima che entro il 2030 la potenza nucleare installata aumenterà di 150 nuovi gigawatt. Eppure i dati economici parlano chiaro, il nucleare, soprattutto gli impianti più obsoleti non sono più vantaggiosi da un punto di vista economico e anche le prospettive future non sono positive.

nucleare, verso l’addio?

Sono diversi gli Stati che hanno annunciato l’intenzione di abbandonare la produzione elettrica da nucleare. Ma finora l’Italia è l’unico paese ad aver effettivamente messo fine alla produzione di energia elettrica all’interno dei propri confini sulla scia dei referendum del 1987 e del 2011 seguiti rispettivamente agli incidenti di Chernobyl e di Fukushima.