Transcript dispense docenti corso di formazione In Alternativa I part

Corso di formazione
per docenti delle scuole Primarie
e Secondarie di II°
Progetto INFEA – CEA 2007
Crediti e Ringraziamenti
CEA capofila
progetto
Rete CEA e PARTNER del progetto
Testi e contenuti corso:
Dott. Massimiliano Nurra
Dott. Vincenzo Crocetti
Illustrazioni corso:
Dott. Mattia Guberti
Dott.ssa Valeria Melloni
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[email protected]
Argomenti trattati
I° INCONTRO
I.1 - Le Proprietà dell’Energia
I.2 - Le filiere di produzione dell’energia
I.3 - Croni-Storia dell’Uso & Consumo dell’Energia
II° INCONTRO
II.1 - Pro & Contro delle Fonti Energetiche
II.2 - Inquinamento Locale & Globale
II.3 - Risparmio & Efficienza Energetica
Modulo Insegnanti
I incontro
I.1
I.1
Definizione
ENERGIA
Dal greco: en (dentro) érgon (lavoro)
in fisica:
Capacità di compiere lavoro ed equivale
ad una Forza per uno Spostamento
É la capacità di un oggetto, un liquido o un gas di fornire calore, suoni, luce
o movimento.
Come si misura?
I.1
L’Unità di Misura dell’energia è il Joule (J)
Un Joule è l’energia necessaria ad alzare di dieci
centimetri un litro di acqua
Il Joule è quindi una quantità piuttosto piccola e in effetti si parla di:
• KiloJoule (kJ) = 1.000J = 103J
• MegaJoule (MJ) = 1.000.000J = 106J
Esistono altre unità di misura per particolari forme energetiche:
KiloWattora (kWh)
Caloria
il kWh derivata dal Watt (W) e ci
fornisce la misura di una “Potenza”,
quindi energia sviluppata nel tempo.
Un Watt equivale ad un Joule al
secondo. Viene usata nelle misure
elettriche e delle potenze di motori e
pompe.
1 kWh = 3.600 kJ
TEP - Tonnellata Equivalente
di Petrolio
questa unità di misura si basa sul
potere calorifero dei combustibili, cioè
sul calore capaci di sprigionare
bruciandone una unità (kg, m3). La
tep è quindi la quantità di energia
ricavata da una tonnellata di petrolio.
1 TEP = 43.000 MJ
è la quantità di energia
necessaria a far aumentare
di 1°C (da 14,5° a 15,5 °C) la
temperatura di un grammo
d’acqua distillata a livello del
mare. Misura il contenuto
Se noi consumiamo 1500 kcal al giorno:
energetico di un corpo.
1 cal = 4,186 J
1500 kcal x 4186 kJ= 6279 kJ / 86400 sec. circa 73 Watt
I.1
Forze conservative naturali
Riusciamo ad accumulare energia solo se viene compiuto del lavoro contro uno dei
campi di forze conservative esistenti in Natura.
• Gravitazionale
• Elettromagnetica
• Nucleare debole
• Nucleare forte
L’esistenza di queste forze determinano varie tipologie di energia
Un corpo che possiede energia potenziale, trasformerà l’energia accumulata in
movimento (energia cinetica) se viene lasciato libero di muoversi (palla che
cade da un tavolo). Analogamente, se un corpo possiede energia cinetica può
trasformare questa in energia potenziale entrando in un campo di forze
conservative (palla lanciata in aria).
I.1
Tipi di energia
ENERGIA MECCANICA
In natura esistono due tipi di energia meccanica: potenziale
e cinetica. La prima è legata alla posizione, o meglio alla
“quota” di un oggetto soggetto alla forza di gravità. Quella
cinetica è legata al movimento di gas, solidi e liquidi.
ENERGIA TERMICA
È legata al movimento caotico delle molecole che
costituiscono la materia. Maggiore è il movimento
molecolare, maggiore è la temperatura di un corpo e quindi
la quantità di energia termica (calore).
ENERGIA CHIMICA
Nasce dalle forze di legame tra molecole e atomi delle
sostanze. Si manifesta sotto forma di energia termica ed
elettrica attraverso opportune reazioni quali ad esempio
ossidazioni e riduzioni.
ENERGIA NUCLEARE
È chiamata anche atomica perchè legata alle forze di legame
presenti nei nuclei atomici. Viene liberata da elementi
radioattivi, oppure nei processi di fissione e fusione.
ENERGIA ELETTRICA
È generata dal movimento di ioni o elettroni liberi presenti
in materiali detti conduttori (in particolar modo metalli). In
natura si manifesta ad esempio con i fulmini: enormi
quantità di energia non utilizzabile dall’uomo.
ENERGIA
ELETTROMAGNETICA
Detta anche energia radiante, è l’unico tipo di energia che
si trasmette senza il supporto di mezzi fisici, quindi anche
nel vuoto. Si manifesta attraverso onde elettromagnetiche
come ad esempio i suoni, le onde radio, le radiazioni solari,
la luce, i raggi x, ecc.
Energia da 1 kg di materia
I.1
Tipo di energia
Tipo di materia
J/kg
Meccanica
1 kg di acqua che cade da
un’altezza di 200 m
2,0 x 103
Termica
1 kg di acqua a 100°C che
cede calore a un corpo a
20°C
3,3 x 105
Chimica
combustione di 1 kg di
metano
4,9 x 107
Nucleare - radioattività 1kg di
238U
1,6 x 1012
Nucleare - fissione
1kg di
235U
8,0 x 1013
Nucleare - fusione
1kg di 2H+3H
3,4 x 1014
I.1
Forme e fonti di energia
Nel quotidiano, siamo abituati a confrontarci maggiormente con manifestazioni
energetiche (forme di energia: luce, suoni, calore, ecc.) e con materiali e fenomeni
da cui si può ricavare energia (fonti di energia: petrolio, vento, sole, fuoco, ecc.)
Tutta l’energia utilizzata sulla Terra trae origine da tre principali fonti:
l’energia di legame
degli Atomi
il Sole con le sue onde
elettromagnetiche
il calore presente
all’interno della
Terra
Ciclo dell’Acqua;
fotosintesi clorofilliana
e ciclo del Carbonio;
dinamiche degli oceani e
dell’atmosfera
I.1
Fonti di energia
A seconda di come vengano utilizzate dall’uomo, le fonti si distinguono in:
• PRIMARIE: sono presenti in natura e vengono usate
senza aver subito una trasformazione da parte dell’uomo
– Combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale)
– Biomasse (legno)
– Solare (calore, luce)
• SECONDARIE: derivano da una trasformazione a cui
sono sottoposte le fonti primarie
– Energia elettrica
– Benzina
I.1
Fonti di energia
• NON RINNOVABILI: fonti che presentano un grande tempo
di rigenerazione (milioni di anni) e quindi destinate ad esaurirsi
se sfruttate ad un ritmo maggiore del tasso di rigenerazione
– Combustibili fossili (petrolio, carbone, gas naturale)
– Uranio
• RINNOVABILI: fonti con un breve tempo di rigenerazione e
quindi considerate inesauribili
– Sole
– Acqua
– Vento
– Geotermia
– Biomasse
A parte l’uranio (energia atomica) e la geotermia, tutte le altre fonti, sia rinnovabili
che non rinnovabili, sono generate dal Sole
Proprietà dell’energia
I.1
L’energia ha tre importanti proprietà e può essere:
TRASFORMATA
CONSERVATA
TRASPORTATA
Queste proprietà devono, inevitabilmente, fare i conti con le leggi della
termodinamica
Prima Legge
Legge della Conservazione dell’Energia
“L’energia non si crea e non si distrugge, ma
si trasforma da una forma all’altra”
Seconda Legge
Legge dell’Entropia
“L’energia può cambiare stato, ma solo in
un’unica direzione: da disponibile a
indisponibile, da utilizzabile a inutilizzabile”
L’energia si manifesta sempre in più forme contemporaneamente, con
generazione di calore. Il Sole ci illumina e ci scalda, una lampadina accesa
scalda, un atleta in corsa si muove e si riscalda.
Proprietà dell’energia
I.1
É la proprietà principale. L’energia che ci circonda
non si consuma ma si trasforma, passando da un
TRASFORMAZIONE livello di maggiore utilità ad uno minore. In questo
processo percorre delle vie preferenziali e dissipa
inevitabilmente una parte dell’energia in ingresso
TRASPORTO
CONSERVAZIONE
L’energia elettrica può essere trasporta nei cavi
elettrici. I combustibili in oleodotti, petroliere,
autocisterne, barili, camion, serbatoi. L’energia può
essere trasporta sotto forma di calore (acqua o
vapore) negli impianti di teleriscaldamento, di
riscaldamento domestico o frigoriferi
L’energia elettrica può essere conservata in
batterie, nella rete elettrica nazionale e
internazionale o generando idrogeno. I
combustibili in depositi, cisterne, barili, legnaie e
carbonaie. Il calore in accumulatori termici
Generare elettricità
Energia primaria
non sempre presenti
I.1
Calore
Generatori di corrente alternata
Movimento
meccanico
Energia elettrica
I.1
Produzione di energia elettrica
Nelle centrali elettriche viene trasformata una fonte energetica per far ruotare una
turbina e generare energia meccanica. La rotazione della turbina viene prodotta in
maniera diversa a seconda del tipo di centrale (termoelettrica, idroelettrica,
nucleare, ecc.). Alla turbina è collegato un generatore, detto anche alternatore, nel
quale avviene la trasformazione da energia meccanica in elettrica.
Schema centrale
termoelettrica
I.1
Trasporto dell’energia elettrica
L’energia elettrica prodotta viene trasportata attraverso la linea di trasmissione. Per
ridurre le perdite di energia lungo la linea, viene aumentare la tensione della
corrente elettrica prodotta nelle centrali, da 6.000 a 220.000 volt (linee ad alta
tensione). Prima di essere utilizzata la corrente elettrica subisce un abbassamento
di tensione, che la porta nuovamente a 6.000 volt e infine, prima di entrare nelle
nostre case, a 220 volt.
I.2
I.2
Esempio filiera: Energia dal carbone
Estrazione
Trasporto
Combustione ed utilizzo
di calore
(energia chimica
trasformata in calore)
Depurazione
(Desolforazione)
Trasporto mediante
elettrodotti
Energia elettrica
nelle nostre case
Movimento dell’alternatore che
produce energia elettrica
(energia meccanica trasformata
in energia elettrica)
Rotazione di una turbina (calore
trasformato in energia meccanica)
Filiera del calore
Filiera dell’elettricità
Combustione nelle
caldaie delle centrali
termoelettriche
(energia chimica
trasformata in calore)
Produzione di
vapore
I.2
Mappa concettuale: Filiera Fonti
I.2
Filiera Fonti
Fonti Rinnovabili
Fotovoltaico: Sole / pannello fotovoltaico / inverter / cavi elettrici / lampadina-elettrodomestico
Solare Termico: Sole / collettore solare / scambiatore di calore / tubo / acqua calda
Eolico: Vento / pala eolica / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico
Idroelettrico: Acqua / diga-condotta forzata / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettr.
Calore da Geotermia: Geyser / tubi captatori / tubi (teleriscaldamento) / termosifone
Elettricità da geotermia: Geyser / tubi captatori / centrale geotermica / turbina / generatore / elettrodotto
/ lampadina-elettrodomestico
Elettricità da biomassa: Legno / centrale termoelettrica (piccola) / turbina / generatore / elettrodotto /
lampadina-elettrodomestico
Calore da biomassa: Legno (pellets-legna) / caldaia / tubi / termosifone
Fonti Non Rinnovabili
Elettricità da carbone: miniera / Carbone / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto /
lampadina-elettrodomestico
Elettricità da petrolio: Piattaforma off-shore / petroliera / raffineria (portuale) / barile / oleodotto /
centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico
Elettricità da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / centrale termoelettrica / turbina /
generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico
Calore da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / terminale di distribuzione / tubi gas
cittadino / caldaia domestica / termosifone
Nucleare: giacimento / Uranio / blindati da trasporto / centrale termonucleare / turbina / generatore /
elettrodotto / lampadina-elettrodomestico
I.3
I.3
L’energia nella storia
La storia dello sfruttamento delle fonti di energia da parte dell’uomo,
coincide in larga misura con la storia della tecnologia. Ogni innovazione
introdotta nel corso dei millenni ha sempre comportato un diverso e,
spesso maggiore, ricorso all’energia.
CASUALITA’…
In numerose occasioni l’Uomo è stato stimolato nello studio e nella ricerca
a seguito di un evento spontaneo naturale. I fulmini, la scoperta casuale
del fuoco, la capacità di alcune pietre di attrarre metalli, le proprietà
termiche e meccaniche dei minerali ferrosi.
… CURIOSITA’
Fin dai tempi antichi, le manifestazioni e le fonti energetiche sono state
studiate da illustri filosofi, scienziati, ingegneri, architetti con l’obiettivo di
facilitare le attività umane, alleviare dolori, alleggerire fatiche.
PROGRESSO
I.3
La preistoria
Gli uomini preistorici vivevano esclusivamente di caccia e pesca.
Non cucinavano gli alimenti e le uniche fonti di energia erano il cibo, che
veniva trasformato in forza muscolare e i benefici raggi del sole…
… circa 450 mila anni fa il nostro
antenato Homo Herectus per caso
scopre e domina il fuoco, utilizzato
per scaldarsi fare luce e cucinare…
… con la nascita dell’agricoltura
(10.000 – 9.000 a.C.) l’uomo comincia
ad addomesticare alcuni animali e a
utilizzare la loro forza. Essi divengono
una fonte di energia per trainare l’aratro
e trasportare materiali.
I.3
Le antiche civiltà
Le antiche civiltà col tempo impararono ad utilizzare altre forme di energia…
… nell’Asia minore e del Nord Africa inventano la
vela (3.200 a.C. circa), viene così facilitato il
trasporto via mare e via fiume con imbarcazioni…
… 3.000 a.C. gli egizi presero a sfruttare il
moto delle acque per muovere le prime
macine; comincia ad essere sfruttata l’energia
cinetica contenuta nell’acqua…
… 400-600 d.C. in Cina prima e in Persia dopo,
vengono costruiti i primi mulini a vento, in Europa
appariranno nel 1105 d.C.; l’energia del vento viene
sfruttata per svolgere lavori faticosi: sollevare pesi,
macinare il grano, attingere acqua dai pozzi.
I.3
La rivoluzione industriale
Per tutto il medioevo le fonti di energia continuano ad essere: la legna, la
forza muscolare degli animali e degli uomini, il vento e l’acqua corrente.
Nel XVII secolo gli inglesi cominciano ad utilizzare
sistematicamente come combustibile il carbone, che
permette di accelerare i processi industriali. Questo
combustibile, particolarmente adatto per il riscaldamento
dei forni di fusione dei metalli, diede un grande impulso
ai processi produttivi. Inizio così, in Inghilterra verso la
fine del Seicento, la rivoluzione industriale.
Il salto tecnologico successivo e determinante fu
l'invenzione, nel 1769, da parte di James Watt della
macchina a vapore. Nel 1814 George Stephenson,
sfruttando l’invenzione della macchina a vapore,
inventò la locomotiva, che rivoluzionò il sistema di
trasporto ancora basato sulla forza animale.
I.3
L’energia elettrica
Nel 1799 con l’invenzione della pila da parte di Alessandro Volta, inizia
l’era dell’energia elettrica.
Nel 1878 Thomas Edison inventa la prima lampadina a
incandescenza, che rivoluziona il sistema di illuminazione fino ad
allora basato su lampade alimentate ad olio o a gas e candele.
Nel 1888 il fisico piemontese Galileo Ferrarsi realizza il primo motore
elettrico a corrente alternata.
Nel ‘900 aumenta l’utilizzo di energia elettrica,
nascono le prime centrali termoelettriche
capaci di produrne grandi quantità. Esse
vengono alimentate all’inizio con il carbone,
successivamente con petrolio e gas naturale;
fonti non rinnovabili e inquinanti.
I.3
Il ‘900 nucleare
Nel 1933 l’italiano Enrico Fermi scopre l’energia nucleare di fissione,
debutta una nuova era nel settore dell’energia.
Purtroppo durante la seconda guerra mondiale gli studi sull’energia
nucleare sono per fini militari. Gli USA nel 1945 con due bombe distruggono
le città di Hiroshima e Nagasaki, uccidendo centinaia di migliaia di persone.
Nel 1951 con la costruzione della prima
centrale termonucleare, finalmente l’energia
nucleare viene posta a servizio dell’umanità
per la produzione di energia elettrica.
Nel 1991 al Centro europeo per la fusione nucleare di Culham in Gran
Bretagna, viene azionato con successo il JET, una macchina per
sperimentare la reazione di fusione nucleare (la stessa reazione fisica
che da 4 miliardi di anni tiene acceso il sole); nascita delle speranze per
l’utilizzo di una “energia nucleare pulita”, ancora in via di studio.
I.3
Il ritorno delle fonti rinnovabili
Nell’800 e 900 il consumo mondiale di energia è cresciuto a dismisura. Per
soddisfare la domanda di energia, l’umanità è ricorsa all’uso delle fonti non
rinnovabili, inquinanti e pericolose, relegando le fonti rinnovabili, note sin
dall’antichità, ad un ruolo marginale.
Infatti le prime centrali idroelettriche vennero costruite
alla fine dell’800…
… nel 1903 a Larderello (Toscana) venne costruito il
primo impianto sperimentale per la trasformazione
dell’energia geotermica in energia elettrica…
… i primi aerogeneratori, capaci di ottenere energia
elettrica dal vento vennero installati nel 1905…
… nel 1953 il fisico Gerald Pearson realizza la
prima cella fotovoltaica in silicio, che permette di
convertire l’energia solare direttamente in
corrente elettrica continua.
I.3
Il consumo energetico mondiale
Nel mondo il consumo totale di energia nel 2004 è stato di oltre 11 miliardi di
tonnellate di petrolio equivalenti (TEP).
Tale valore, ormai da 2 secoli, cresce enormemente; è stato calcolato che un
abitante di un paese industrializzato, consuma oggi 15 volte più energia che 200
anni fa e 3 volte più che nel 1960.
La produzione di energia deriva per
oltre l’80% dalla combustione di
fonti fossili.
L’87% dell’energia prodotta in un
anno deriva da fonti inquinanti e
non rinnovabili (fossili + nucleare).
Il 20% + ricco della popolazione mondiale consuma l’80% dell'energia. In media,
ogni americano consuma il doppio di un europeo, più di dieci volte di un cittadino
cinese e più di cinquanta volte l'energia consumata da un africano!
I.3
Un consumo diseguale
Tale disparità dei consumi energetici genera
nel mondo enormi differenze sociali e
talvolta conflitti. In certi paesi la mancanza
è talmente elevata da impedire lo sviluppo.
Però i danni ambientali provocati dai paesi
ricchi con la combustione dei combustibili
fossili, come il riscaldamento globale del
pianeta, sono costretti a pagarli tutti, anche
chi non ha accesso all’energia.
Molti abitanti di regioni povere ancora oggi
utilizzano la legna come unica fonte di
energia per cucinare, riscaldarsi e
illuminare le abitazioni, comportamento che
produce un serio problema di
deforestazione quando la foresta non viene
curata e rimboschita.
TEP per persona
all’anno
Mondo
1,5
USA
7,9
Russia
3,3
Giappone
4,0
Cina
0,7
Africa
0,15
Europa a 25
3,9
Italia
3,5
Germania
4,1
Francia
4,3
I.3
Il consumo energetico in Italia
In Italia nel 2004 il consumo totale di energia è stato di 196 milioni di tonnellate
di petrolio equivalenti (TEP). Negli ultimi 30 anni il fabbisogno di energia primaria
è aumentato più del 40%, nonostante la popolazione sia rimasta pressochè
stazionaria.
L’Italia ha una dipendenza
energetica dall’estero che
supera l’80%.
I fabbisogni energetici italiani sono coperti
dai combustibili fossili per circa il 92%,
mentre solamente il 7,7% da fonti
rinnovabili.
I.3
Il consumo energetico in Italia
Nei settori dell’industria, dei trasporti e degli usi
civili (residenziale e terziario) consumiamo il 90,1%
di tutta l’energia utilizzata.