Home page                   Le fonti di energia

L'uomo ha bisogno di circa 2500 Kcal di energia al giorno per compiere le sue funzioni vitali, muoversi e lavorare, ma ne consuma una quantità superiore per altri scopi, ad esempio per costruire le case,le strade, i mezzi di trasporto e le macchine che usa nelle industrie, per illuminare e riscaldare i luoghi in cui vive e per comunicare con gli altri.

Per fare queste cose l'uomo mette in gioco un numero impressionate di trasformazioni di energia, ma utilizza un limitato numero di forme di energia di partenza: l'energia chimica che si libera dalla combustione dei combustibili fossili (petrolio, gas naturali e carbone), l'energia potenziale dell'acqua, l'energia racchiusa nel nucleo dell'uranio e liberata nella fissione. I combustibili fossili, l'acqua e l'uranio sono fonti di energia.

Le fonti di energia L'energia che utilizziamo nelle sue varie forme (meccanica, termica, elettrica, chimica) proviene da alcune fonti originarie ( o primarie). Queste sono:

• Il Sole, che invia sulla Terra energia luminosa o radiante.

• Il calore proveniente dall'interno della Terra, o energia geotermica, che può essere estratta dalle rocce e dalle acque sotterranee calde e resa disponibile come energia termica.

• Il nucleo atomico di elementi radioattivi,detti combustibili nucleari , dai quali può essere liberta energia nucleare e resa disponibile come energia termica.

• La forza di attrazione universale che si manifesta come energia gravitazionale che provoca i movimenti delle acque marine noti come maree (energia mareomotrice, utilizzabile come energia meccanica).

• La maggior parte dell'energia oggi utilizzabile proviene dalla combustione di combustibili fossili (carbone,petrolio, metano). Queste fonti di energia (insieme ai combustibili nucleari ) sono dette non rinnovabili perchè, una volta esaurite, non possono essere più ricostituite.

• Si chiamano fonti di energia rinnovabili  quelle che vengono continuamente rinnovate e quindi non possono esaurirsi.       Sono rinnovabili l'energia del Sole e le altre fonti energetiche da essa alimentate, quali il vento, l'acqua dei fiumi  e i materiali vegetali; sono inoltre rinnovabili anche l'energia delle maree e l'energia geotermica ( connessa al calore interno della Terra).

I combustibili fossili

Essi hanno in comune la proprietà di bruciare in presenza di ossigeno e di produrre anidride carbonica e acqua, liberando una grande quantità di calore.

Un metro cubo di metano alla pressione atmosferica e alla temperatura di 15 °C sviluppa 9000 Kcal. Per ottenere la stessa quantità di calore occorrono 1,5 Kg di carbone oppure 0,9 litri di petrolio.   

Il carbone fossile

I carboni fossili sono i combustibili più antichi. La formazione del carbone ha inizio con il processo della fotosintesi (1) operata dalle piante. In epoche assai remote (periodo Carbonifero, cioè 360-300 milioni di anni fa) vaste regioni erano ricoperte da foreste i cui resti (2,3) si andavano accumulando ricoprendosi di strati di sabbia e di argilla. Sprofondando sempre più in basso, gli strati dei resti vegetali subirono il processo di carbonizzazione (4) e in seguito furono piegati e spezzati dai movimenti della crosta terrestre.  L'origine vegetale è dimostrata dal ritrovamento di pezzi di carbone con tracce delle strutture degli anelli annuali tipici dei tronchi legnosi degli alberi. I carboni con più elevato potere calorifico sono quelli più antichi.

Il carbone fossile contiene elevate percentuali di zolfo che bruciando forma anidride solforosa, uno dei principali responsabili delle piogge acide.

IL petrolio

Il petrolio è un liquido denso,oleoso, nerastro.costituito da una miscela di idrocarburi, così chiamati perchè nelle loro molecole contengono solo atomi di idrogeno e carbonio.I opetroli hanno avuto un'origine più recente;i giacimenti più importanti si sono formati 65 milioni di anni fa in ambiente di mare caldo e poco profondo dalla decomposizione di organismi vegetali e animali a opera di microrganismi anaerobi.Ciò è confermato nella presenza dei giacimenti di petrolio di acqua salata e di microrganismi acquatici; anche il petrolio contiene elevate percentuali di zolfo. Questo, mediante un particolare trattamento di desolforazione, viene eliminato in modo che le benzine e i carburanti contengono un basso tenore di zolfo.

Il metano

E' l'idrocarburo con la molecola più piccola,formata da un atomo di carbonio  e quattro atomi di idrogeno.E' più leggero dell'aria, non ha né colore né odore. I cosiddetti gas naturali sono costituiti da metano e da una miscela di altri idrocarburi gassosi. Il metano rappresenta il più delle volte lo strato di copertura dei giacimenti di petrolio, ma esistono anche giacimenti di solo metano, il caso più frequente in Italia. Generalmente il metano non contiene zolfo, se presente si deve eliminare prima di essere avviato al consumo.

Nella foto, piattaforma marina per l'estrazione del petrolio

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L'energia solare

Struttura di un pannello solare piano che permette di ottenere acqua calda  per usi domestici. I pannelli solari sono collocati sui tetti degli edifici.

Sopra, centrale solare  a celle fotovoltaiche

Schema di centrale solare a torre a specchi. Gli specchi concentrano l'energia radiante solare su una caldaia disposta su una torre : qui l'acqua viene trasformata in vapore il quale azione una turbina connessa a un alternatore che produce enrgia elettrica.

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L'energia nucleare

La fissione nucleare trasforma la materia in energia.

Schema di una reazione di fissione nucleare a catena. Un nucleo di uranio-235 colpito da un neutrone si scinde in due frammenti liberando energia  ed emettendo altri neutroni, ciascuno dei quali, colpendo altri nuclei di uranio-235, produce gli stessi effetti a catena. In questo modo l'energia liberata alla fine del processo è enorme.

Le centrali termonucleari

La parte più importante di una centrale nucleare è il reattore nucleare.. Esso è costituito da una parte centrale detta nocciolo, in cui è sistemato in forma di barre il combustibile nucleare, in esso si svolge la fissione e si produce il  calore. Il "combustibile" utilizzato è l'uranio-235 che rappresenta lo 0,7% nell'uranio naturale. Il controllo della reazione a catena avviene in due modi:

• inserendo tra gli elementi di combustibile le cosiddette barre di controllo, costituite da materiali capaci di catturare i neutroni;

• facendo rallentare i neutroni con particolari materiali chiamati moderatori, come la grafite o l'acqua pesante (acqua contenente l'isotopo deuterio dell'idrogeno).Il controllo della fissione serve a impedire che essa assume il carattere di una reazione a catena incontrollata che porterebbe all'esplosione.Il calore ottenuto riscalda l'acqua che, trasformata in vapore, va ad azionare una turbina a vapore accoppiata ad un alternatore  per la produzione di energia elettrica.

Schema di una centrale termoelettrica

Il calore prodotto nella reazione nucleare viene asportato da uno scambiatore di calore in cui circola acqua: questa viene trasformata in vapore il quale aziona una turbina collegata ad un alternatore che produce energia elettrica.

In futuro si spera di produrre energia elettrica sfruttando la reazione della fusione nucleare. La fusione nucleare è un fenomeno che si verifica nel sole e nelle stelle e consiste nell'unione di nuclei di atomi più leggeri (atomi di idrogeno) per dare atomi più pesanti (atomi di elio): la resa della fusione è molto maggiore della fissione. La costruzione dei reattori a fusione presenta enormi difficoltà che si spera di superare nei prossimi decenni.Infatti la fusione può avvenire portando il combustibile (l'idrogeno) a temperature elevatissime (100  milioni di gradi ) e nessun contenitore materiale può sopportare tali temperature.

Schema della reazione di fusione tra un nucleo di deuterio e uno di trizio (due isotopi dell'idrogeno). Il prodotto della fusione è un nucleo di elio e u neutrone. Questo tipo di processo è uno di quelli studiati per realizzare in un futuro più o meno lontano un reattore a fusione per produrre energia.