Energia elettrica
Collegamenti utili gratuiti
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Produzione e distribuzione dell’ENERGIA ELETTRICA
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Per energia idroelettrica si intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia cinetica e quindi, grazie a una turbina accoppiata ad un alternatore l'energia elettrica.
È una fonte di energia pulita e rinnovabile. L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe o di condotte forzate. L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata, attraverso condutture forzate, a valle acquistando così energia potenziale che, una volta arrivata a valle, verrà trasformata, grazie alle turbine, in cinetica e, a sua volta, attraverso la dinamo ad esse collegata, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Nelle centrali idroelettriche di ultima generazione, l'acqua viene convogliata in cisterne a monte durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di corrente elettrica è maggiore si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia.
Energia nucleare
Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energiain seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. L'energia nucleare insieme a quella solare è una fonte di energia primaria.
Volendo precisare, possiamo distinguere l'energia atomica in reazioni di fissione nucleare e reazioni di fusione nucleare.
Nelle reazioni di fissione, nuclei di atomi con alto numero atomico come, ad esempio, l'uranio si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore e liberando una parte di energia. Esempio naturale di ciò è la radioattività. Tale processo è usato per produrre energia nelle centrali nucleari. Le prime bombe atomiche, del tipo di quelle sganciate su Hiroshima e Nagasaki, erano basate sul principio della fissione.
Nelle reazioni di fusione, atomi con nuclei con basso numero atomico, come l'idrogeno, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia.
In natura le reazioni di fusione sono quelle che producono l'energia proveniente dalle stelle.
È invece attualmente possibile ottenere grandi quantità di energia attraverso reazioni di fusione incontrollate, come ad esempio nella bomba all'idrogeno.
Il suo funzionamento è molto simile a quello di una convenzionale centrale termoelettrica convenzionale a differenza che l’acqua viene riscaldata da un reattore nucleare dove l’uranio viene fissato. Tre sono le parti principali della centrale:- Edifico contenete il reattore: enorme cilindro di cemento armato dove al centro è collocato il reattore
- Sala macchine: un edificio dove è sistemata la turbina e l’alternatore
- Edifici ausiliari: contengono le piscine schermate per la conservazione temporanea degli scarti radioattivi della centrale.
Il funzionamento della centrale è abbastanza semplice: viene pompata dell’acqua attraverso il reattore che la fa evaporare attraverso il calore emesso dalla fissione dell’uranio. Il vapore viene inviato direttamente nella turbina che trasferisce la propria forza meccanica all’alternatore che genera corrente elettrica.
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Il reattore è un cilindro di acciaio inossidabile di grandi dimensioni. Alla sommità è fissata una calotta che può essere aperta all’occasione. Sulla piastra di base sono situati dei fori per far scorrere le barre di controllo. L’interno del reattore è vuoto (quando non è stato ancora introdotto il materiale combustibile) a parte una griglia superiore e una inferiore e due bocchettoni per l’entrata dell’acqua e l’uscita del vapore. Per caricare il reattore con le sbarre di uranio si apre la calotta si infilano le sbarre (con una gru) infine si richiude la calotta. Il procedimento di rinnovamento del carburante avviene circa ogni anno. Per mettere in funzione il reattore invece si attivano le cinque sorgenti di neutroni e si sfilano le sbarre di controllo; la reazione a catena ha inizio e l’energia emessa fa evaporare l’acqua.
Schema di una centrale Nucleare
Energia solare
Risorse globali di energia solare. I colori sulla mappa indicano l'energia media che raggiunge la terra, in un periodo di tre anni dal 1991 al 1993 (24 ore al giorno, tenendo conto anche della copertura nuvolosa indicata dai satelliti meteorologici). La scala è in watt per metro quadrato. L'area necessaria per fornire l'energia equivalente alla richiesta primaria di energia attuale è indicata dai dischetti scuri.
Per Energia solare si intende l'energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando direttamente l'energia irraggiata dal Sole verso la Terra.
Ogni istante il Sole trasmette sull'orbita terrestre 1367 watt per m². Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera (e quindi i raggi arrivano spesso angolati) che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare sulla superficie terrestre mediato sulle 24 ore e sulle 4 stagioni è, alle latitudini europee di circa 200 watt/m².
La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa mille volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, un'affermazione spesso uitlizzata da chi da questa forma di energia si lascia affascinare: l'uomo, infatti ha bisogno non solo di energia ma anche di potenza. Altra illusione è l'affermazione che vuole questa energia gratuita: l'umanità ha bisogno soprattutto di energia meccanica o elettrica e quindi l'energia solare va trasformata, cosa che si realizza con prodotti della tecnologia che sono tutt'altro che gratis. L'energia solare è quindi poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile (principalmente in elettricità) con efficienze accettabili. Varie tecnologie sono state sviluppate per poterla sfruttare al meglio.
Generatori eolici
Esistono anche generatori a pale mobili che seguono l'inclinazione del vento, mantenendo costante la quantità di elettricità prodotta dall'aerogeneratore, e a doppia elica, per raddoppiare la potenza elettrica prodotta. Non mancano generatori silenziosi; il problema principale resta la dimensione delle pale e la mancanza di generatori a "micropale" non visibili a occhio nudo che risolverebbero l'impatto negativo sul paesaggio.
Una notevole potenza elettrica viene dissipata nel rotore che deve avere una velocità di 3000 giri/minuto per erogare una corrente alla frequenza di rete di 50 hertz. I giri al minuto dell'aerogeneratore sono molto variabili come è la velocità del vento; ma la frequenza di rete deve essere costante a 50 hertz, perciò i rotori vengono collegati a una serie di inverter prima di immettere l'energia in rete. Ecco perché il rendimento elettrico di tale dispositivo può essere considerato simile all'efficienza del motore ad aria compressa, intorno al 70%. La cinematica del generatore eolico è caratterizzata da bassi attriti, assenza di surriscaldamento e di un sistema di refrigeranti (olio ed acqua) e un costo di manutenzione pressoché nullo.
Problemi connessi
L'installazione di impianti eolici desta proteste da parte di alcuni movimenti ambientalisti sia per il loro forte impatto ambientale sull'estetica del paesaggio, sia perché rumorosi. Inoltre, la generazione eolica è concettualmente un sistema a bassa densità di energia, e che, quindi, richiede ampie aree ad uso esclusivo; non è, quindi, adatto alla localizzazione in zone ad alta densità di popolazione, come ad esempio la pianura padana. Ciò malgrado, la potenza fornita da un generatore è comunque superiore all'utilizzo locale, e l'energia (in genere elettrica) deve essere trasportata, richiedendo quindi impianti di trasformazione e distribuzione. Infine, il sistema è concettualmente discontinuo, essendo dipendente dalla presenza (e dalla velocità) del moto dell'aria, e, quindi, deve essere supportato da altri sistemi indipendenti dalla reperibilità del motore eolico, quali sistemi termoelettrici di tipo convenzionale o nucleare.
Impatto visivo
LE CENTRALI IDROELETTRICHE
In generale una centrale idroelettrica è costituita da un’opera di captazione delle acque, opere di trasporto delle acque, macchinari che trasformano l’energia idraulica in energia meccanica e quest’ultima in elettrica.
L’energia idraulica rappresenta approssimativamente 1/4 dell’energia totale prodotta nel mondo e negli ultimi anni sta considerevolmente aumentando d’importanza; L’impianto Itaipu sul Rio Paranà, tra Brasile e Paraguay, ufficialmente inaugurato nel 1982, ha la più grande capacità del mondo (12.600 megawatt a pieno regime).
In alcuni paesi sono stati costruiti impianti idroelettrici di piccole dimensioni, con capacità comprese tra un kilowatt e un megawatt. In molti distretti della Cina, ad esempio, piccole centrali di questo tipo costituiscono la fonte principale di energia.
La tecnologia della maggior parte dei grandi impianti è rimasta la stessa per tutto il secolo. Gli impianti sono serviti da un grande bacino di riserva, a monte di una diga, dove il flusso dell’acqua può essere controllato per mantenere un livello pressoché costante. Dalle condotte forzate, l’acqua entra nelle turbine attraverso valvole che controllano la quantità del flusso secondo la domanda d’energia ed esce passando attraverso il canale di scarico . I generatori sono montati direttamente sopra le turbine, su alberi verticali. Il tipo di turbina dipende dal salto e dalla portata d’acqua: per alti salti si usano turbine Pelton, per medi salti si usano turbine Francis, per dislivelli relativamente bassi e con grandi portate si usano turbine Kaplan.Negli impianti idroelettrici moderni vengono impiegate generalmente turbine Kaplan fino a 60 m. e turbine Francis fino a 600 m. L’impianto che dispone del dislivello maggiore (circa 1770 m.) si trova a Reisseck, in Austria, e utilizza una turbina Pelton.
Schema di impianto di piccole dimensioniEsistono fondamentalmente due tipi di centrali idroelettriche che sfruttano rispettivamente o grandi altezze di caduta, o grandi volumi d’acqua. Nel primo caso l’energia viene fornita soprattutto dal dislivello: spesso si parla di
centrali con impianto di pompaggio: tali centrali sono costituite da due serbatoi posti a quote differenti e collegate attraverso una condotta forzata. La differenza, rispetto ad una normale centrale idroelettrica è rappresentata anche dal generatore che, in certi momenti, funziona come un motore. Immgazzinare l’energia elettrica in modo economico non è possibile, ma l’azionamento della cosiddetta pompa-turbina nelle ore notturne in cui il consumo è ridotto consente di pompare nel bacino di raccolta a monte una quantità di acqua che può essere poi riutilizzata nelle ore di massimo consumo. Negli ultimi anni la tecnologia della pompa-turbina si è sviluppata notevolmente, tanto da essere applicata a dislivelli oltre 800 metri . Nel secondo caso si parla di centrali ad acqua fluente dove si sfruttano enormi masse d’acqua che cadono da un piccolo dislivello. Una centrale di questo tipo si trova a Presenzano:
Tipi di Turbine
Tipi di GIRANTI in uso nei sistemi di produzione dell’Energia Elettrica
Turbina Francis
La turbina Francis, è una turbina a reazione, sviluppata da James B. Francis nel 1848, un ingegnere inglese trasferitosi in america, oggi rappresenta il tipo di turbina più utilizzato.
Girante Francis: si nota dall'esterno,la chiocciola, il distributore (in verde) e la girante all'interno. Il flusso di liquido è rappresentato in azzurro È una turbina a flusso centripeto: l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, statorica, indirizzano il flusso per investire le pale della girante. La turbina è detta a reazione, poiché non sfrutta solo la velocità del getto d'acqua, anzi quando giunge nella girante è ancora in pressione. Tramite il condotto convergente delle pale del distributore e della girante si finisce di trasformare la pressione ancora presente in velocità (energia cinetica). Addirittura all'uscita della girante per sfruttare al massimo il fluido, si cerca di ricomprimerlo, così da creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora di piu la differenza di pressione. Questo è un fenomeno che è possibile realizzare tramite un diffusore, ovvero un cono che dall'uscita della girante va ad immergersi sul canale di scarico. Se si esagera nella ricerca del vuoto però si ricade nel fenomeno, sgradito, della cavitazione, l'acqua si trasformerebbe in vapore per effetto della bassa pressione, corrodendo i palettamenti della girante.
Caratteristiche
Questa girante viene impegata in corsi d'acqua con dislivelli da 10 m fino a 300 400 m. e portate da 2-3 m³ fino a 40-50 m³. La sua regolazione avviene grazie alla variazione di apertura (angolo di incidenza) delle pale nel distributore, quindi modificano il condotto convergente che essi creano determinando una variazione della portata elaborata dalla girante. Questa variazione modifica anche il flusso sulle pale della girante, facendolo arrivare con un angolo diverso da quello di progetto e per la composizione delle velocità si determinano componenti rotazionali che non hanno contributo di potenza, in condizioni estreme può accadere che il fluido non aderisca più alla pala provocando cavitazione sul lato aspirazione o pressione (potrebbe distaccarsi o urtare contro la pala), introducendo oltre alla perdite di potenza anche fenomeni di erosione della superficie. Per questi motivi la turbina francis ha un modesto campo di regolazione, se non si vuole uscire dalle condizioni ottimali di efficienza. Quando le portate si accrescono è necessario realizzare giranti piu grandi, con una sezione di maggiore dimensione, questa geometria fa peggiorare ancora di piu la possibilità di una regolazione.
Turbina Kaplan
La turbina Kaplan, fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan.
Girante Kaplan: ai lati si notano le due sezioni del condotto a chiocciola, poi le pale del distributore (in verde), centralmente la girante. Le linee azzurre rappresentano le linee di fluido. In basso la macchina continuerà con il tubo diffusore.
E' una turbina idraulica a reazione che sfrutta piccoli dislivelli, fino a qualche decina di metri, ma con grandi portate, da qualche decina di m³ in su. Costruttivamente è un'elica, ove le pale si possono orientare, al variare della portata d'acqua permettendo di mantenere alto il rendimento fino a portate del 20-30% della portata nominale.Il liquido giunge sulla turbina grazie ad un condotto a forma di chiocciola che alimenta tutta la circonferenza, poi attraversa un distributore fisso che da al fluido una rotazione vorticosa, essenziale per imprimere il moto alla girante, ove il flusso deviato di 90° la investe assialmente.
Allo scarico come per la turbina Francis è possibile recuperare energia grazie al diffusore.
Caratteristiche
Turbina Kaplan accoppiata con l'alternatore
Con una turbina ad elica la regolazione è praticamente nulla, quindi può funzionare solo per una certa portata, ragion per cui il distributore non è nemmeno regolabile.
Con la turbina Kaplan, grazie all'orientazione delle pale della girante, è possibile l'adattamento alla portata presente. Questo perché ad ogni regolazione del distributore corrisponde un'orientazione delle pale e ciò permette di farla lavorare con rendimenti molto alti (fino al 90%) in un grande intervallo di portate.
Si è soliti usare insieme turbine ad elica e turbine Kaplan: le turbine ad elica funzioneranno a pieno regime e il fluido eventualmente eccedente viene destinato alle turbine Kaplan, qualsiasi sia la sua entità. In questo modo si limitano i costi di installazione poiché una turbina Kaplan è più costosa di una turbina ad elica, perciò installare solamente turbine Kaplan sarebbe molto piu dispendioso.
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La Turbina Pelton fu inventata da Lester Allan Pelton, carpentiere, nel 1879 mentre lavorava in California, e risulta essere ancora oggi la turbina con rendimento piu elevato. E' utilizzata per grandi salti (maggiori di 50 m) e piccole portate (inferiori a 50 m³/s), si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini.
L'energia potenziale dell'acqua (U = mgh) accumulata ad elevate altitudini giunge alla turbina tramite dei "condotti forzati" (grosse tubature) che conducono l'acqua a valle. Un ugello (o piu' di uno) indirizzano l'acqua sulle pale della pelton determinandone la rotazione. L'ugello grazie alla sua forma trasforma in energia cinetica (E = 1 / 2mv2) tutta la pressione contenuta sui condotti, così il getto sulla turbina non sarà in pressione: proprio per questo la turbina Pelton è una turbina ad azione (vedi stadi ad azione).
La forma delle pale è quella di due cucchiai appaiati, tra i quali si trova un tagliante che divide a metà il getto, per farlo uscire ai lati sotto forma di due getti separati e equilibrare la spinta sui due lati della turbina.
Turbina PeltonSezione della pala con getto incidenteIl flusso di acqua in uscita dall'ugello viene deviato di circa 180° dalle pale della turbina, che, come conseguenza, subiscono una spinta (verso l'alto nel disegno) come reazione alla deviazione del flusso stesso. Tale spinta è pari a:
dove: Q = portata, Vu = componente tangenziale della velocità in uscita, Vi = componente tangenziale della velocità in ingresso.Le pale "in presa", contribuenti alla rotazione poiché contengono acqua, sono sempre più di una, questo è necessario per avere regolarità nella spinta.
Un aspetto da non trascurare è il diametro della girante: più è grande, minore sarà la velocità di rotazione ω,
dove: u è la velocità tangenziale , D il diametro della girante
una girante lenta è poco apprezzata su di una centrale idroelettrica, poiché fa aumentare i costi a parità di energia prodotta.
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Caratteristiche
La massima spinta avviene a girante ferma, ovvero quando la differenza tra la velocità del getto e della girante è piu grande, quindi una caratterisica positiva di questo tipo di turbina è avere un transitorio di avviamento molto breve. Un'altro aspetto particolarmente apprezzato è l'ampio margine di regolazione della girante, si può regolare la portata del getto, riducendolo in sezione (quindi ottenere una potenza minore), senza che vada ad influire negativamente sul rendimento della trasformazione energetica.
I salti su cui si impiegano le turbine Pelton, vanno generalmente dai 1400m fino anche ai 300m, ovviamente l'architettura della girante tra i due estremi varierà abbastanza. Man mano che il salto decresce, cioè scendendo a valle, si ha un bacino di raccolta maggiore con conseguenti portate più impegnative. Per far fronte a questo fenomeno è necessario impiegare pelton con cucchiai più grandi oppure suddividere il getto in piu parti, così da avere la pelton poligetto, questa seconda soluzione permette di utilizzare giranti piu piccole di diametro e quindi che ruotano piu velocemente. Un difetto intrinseco di questa turbina è il fatto che una parte del salto va sempre perso. La girante non potendo immergerla sul canale di scarico, si mantiene sollevata, e quindi una quota del salto, maggiore del suo raggio è persa.
Per approfondire l’argomento siamo andati a visitare la centrale Idroelettrica di Ceprano
CENTRALE IDROELETTRICA DI CEPRANO
Per concludere il nostro viaggio nelle centrali elettriche abbiamo visitato la centrale idroelettrica di Ceprano. La centrale idroelettrica di Ceprano è una delle centrali situata e alimentata dal fiume Liri, attualmente non necessita di personale stabile in quanto telecontrollata dal centro servizi di Napoli (per quanto riguarda avvio-ripristino e segnalazione piccoli guasti).
La centrale di Ceprano sorge nel 1929. Classificata a bacino, è alimentata dagli invasi di S. Eleuterio e Rio Cancello situati nel comune di Arce; tramite gallerie sotterranee sono collegati all’invaso di Collemezzo (FR). Nel giugno del 1944 la centrale fu volontariamente inondata per evitare la distruzione bellica dei macchinari e dopo interventi di ristrutturazione, rientrò regolarmente in funzione.
DIGHE DI S. ELEUTERIO-RIO CANCELLO (Invaso di S. Eleuterio) :
La diga di S. Eleuterio è del tipo muraria a gravità ed è costituita di 4 paratoie piene.
La diga di Rio Cancello consiste in una traversa in cemento armato con paratoie piene di scarico di fondo.
L’invaso di S. Eleuterio, della capacità di circa 900 x 10^3 mc, l’acqua viene convogliata tramite gallerie lunghe circa 4Km, nel bacino di Collemezzo.
DIGA DI COLLEMEZZO
(invaso di Collemezzo)
L’invaso è ricavato sbarrando mediante 2 dighe in terra di caratteristiche identiche – 2 contigui avvallamenti di corsi d’acqua minore, il Rio San Giacomo e il Rio San Rocco. L’invaso ha la capacità pari a 1000x10^3 mc (circa 320 piscine olimpiche). In destra idraulica dell’invaso è situato l’imbocco della galleria di derivazione, in pressione, lunga circa 1400m.
POZZO PIEZOMETRICO
La galleria di derivazione termina nel pozzo piezometrico della capacità utile di 3x10^3 mc.
CONDOTTA FORZATA
Dal pozzo piezometrico si diparte la condotta forzata, lunga circa 100m, che termina in un imponente blocco ripartitore destinato ad alimentare i 3 gruppi attualmente installati in centrale.
CANALE DI SCARICO
Le acque turbinate vengono raccolte in una vasca e mediante un canale di restituzione a pelo libero, della lunghezza di circa 250m, sono scaricate nel fiume Liri.
TUTELA AMBIENTALE
Enel pone la massima attenzione all’ambiente con l’obiettivo di assicurare uno sviluppo industriale sostenibile, garantendo energia e servizi di qualità a prezzi competitivi insieme a
un’elevata tutela dell’aria, delle acque e del suolo.
per questo motivo Enel e fortemente impegnata nell’applicare, per tutti i propri siti produttivi, i migliori sistemi di gestione ambientale.
L’impianto di Ceprano, con la sua producibiltà media annua è in grado di soddisfare il consumo medio annuo di circa 11000 famiglie italiane.
Distribuzione di energia elettrica
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La distribuzione elettrica è l'ultima fase nel processo di consegna dell'elettricità all'utente finale dopo la produzione e la trasmissione.
La trasmissione di energia elettrica
Lo scopo della trasmissione è quello di portare l'energia dalle centrali elettriche fino ai luoghi di utilizzo, città e zone industriali, che possono essere distanti decine o centinaia di chilometri. La posizione geografica delle centrali è infatti vincolante nel caso di impianti idroelettrici, geotermici o eolici, è determinata da convenienza economica per l' approvvigionamento di combustibile o dettata da esigenze di sicurezza o inquinamento.La rete di trasmissione ha anche la funzione di interconnettere i centri di produzione non solo nazionali ma anche transnazionali al fine di ottimizzare la produzione. Il consumo energetico non è infatti costante, ma cala notevolmente durante le ore notturne, ma mentre alcune centrali possono essere portate a regimi di produzione inferiori (es. le centrali idroelettriche), per altre non è possibile. Grazie alla rete di trasmissione è possibile riallocare le risorse riducendo gli sprechi energetici. Alcuni impianti idroelettrici inoltre sono reversibili, possono cioè sollevare acqua dal bacino inferiore a quello superiore durante la notte per accumulare energia prodotta da altre centrali, ricevuta attraverso la rete. Generalmente comprende linee elettriche ad alta tensione (tra i 60 e 150 KV), linee a media tensione (tra i 5 e i 25 KV) e linee a bassa tensione (inferiore a 1000 V, normalmente 400 V), impianti di trasformazione AT/MT (cabine primarie), trasformatori su pali o cabine elettriche a media tensione (cabine secondarie), sezionatori ed interruttori, strumenti di misura.
Nell'era pionieristica dell'elettricità la produzione era effettuata in corrente continua e la consegna avveniva entro brevi distanze alla stessa tensione. Oggigiorno è utilizzata pressoché ovunque la corrente alternata con il sistema trifase, che permette il funzionamento dei trasformatori e quindi la trasmissione e distribuzione a notevole distanza.Gli elettrodotti portano l'energia ad altissima tensione (tra i 150 e i 380 KV) dalle centrali elettriche fino alle stazioni ricevitrici alle porte delle città o dei distretti di distribuzione. Qui enormi autotrasformatori (con potenze che vanno dai 100 ai 400 MW) riducono la tensione secondo le esigenze della distribuzione primaria, con tensioni che possono essere di 150, 132 o 60 KV; attraverso elettrodotti aerei o in cavo (con isolamento ad olio o in gomma etilenpropilenica EPR) l'energia elettrica giunge negli impianti di trasformazione AT/MT (alta tensione / media tensione), denominati cabine primarie, dove, con trasformatori di potenza compresa tra i 10 e i 60 MW, viene ulteriormente abbassata ad una tensione tra i 5 e i 25 KV, per essere immessa poi nella rete elettrica a media tensione. L'elettricità prosegue su elettrodotti minori su tralicci e pali in aree di campagna, oppure in cavi isolati nel sottosuolo urbano, fino alle sottostazioni di media tensione (Cabine Secondarie). Nelle cabine secondarie di media tensione (MT) altri trasformatori (con potenze comprese tra 50 e 1000 KW) riducono la tensione al valore finale di consegna all'utente, in Italia 400 V trifase. Da questo punto fino al contatore dell'utente si può parlare di consegna di energia elettrica, la quale avviene utilizzando cavi isolati e, più raramente e nel caso di località rurali, su linee aeree su palo. Gli avvolgimenti primari e secondari del trasformatore di consegna possono essere configurati a stella o a triangolo. (Nota: esiste anche il collegamento a zig-zag che sebbene permetta di unire i vantaggi degli altri due è caduto in disuso per ragioni economiche)Le combinazioni possibili sono quattro:
- triangolo-triangolo
- triangolo-stella
- stella-stella
- stella-triangolo
Il sistema più usato nel mondo ed anche in Italia è il triangolo-stella. In questa configurazione il centro stella del secondario, chiamato neutro, viene consegnato alle abitazioni assieme ad una delle tre fasi (sistema monofase). In un sistema trifase a 400V, la tensione presente tra fase e neutro è di 230V. Agli utilizzatori maggiori (laboratori, industrie ecc) vengono consegnate tutte e tre le fasi più il neutro.
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Messa a terra
In cabina di trasformazione il punto di neutro è messo a terra, ovvero collegato con un picchetto (dispersore) infisso nel terreno. Per ridurre la resistenza di contatto la stessa cosa è ripetuta in più punti lungo la linea di consegna. L'impianto elettrico privato è solitamente messo a terra attraverso un proprio impianto e con un proprio dispersore. In questo modo in caso di guasto verso terra di un apparecchio, si crea una corrente di ritorno attraverso la terra che provoca lo scatto degli interruttori magnetotermici o differenziali di protezione. Questo sistema è detto Terra-Terra (TT), poiché la corrente di guasto ritorna al neutro attraverso la terra.
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Contabilizzazione
La consegna a 230/400 V avviene attraverso un contatore di energia, che ha gli scopi di contabilizzare i consumi per la fatturazione, definire il punto di consegna e offrire una prima protezione contro sovraccarichi e cortocircuiti grazie a un interruttore magnetotermico integrato. Lo strumento è essenzialmente un wattmetro integratore meccanico o, negli apparecchi recenti, elettronico, in grado di totalizzare l'energia attiva (potenza attiva integrata nel tempo) consumata. Nelle consegne trifasi rilevanti, viene contabilizzata a parte anche l'energia reattiva, sulla quale è applicata una sovrattassa, in quanto dannosa per l'ente erogatore.
Fine articolo energia elettrica
LE CENTRALI NUCLEARI
Produzione dell’energia elettrica
La produzione dell’energia elettrica, elemento essenziale nella vita di tutti i giorni, avviene presso le centrali elettriche. In esse, l’energia meccanica, prodotta in vari modi, viene trasformata in energia elettrica per mezzo di macchine convertitrici. Un esempio di ciò sono le macchine elettriche rotanti.
Funzionamento delle macchine elettriche rotanti
Il funzionamento delle macchine elettriche rotanti si basa su due fenomeni fisici correlati. Il primo è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto nel 1831 dal fisico britannico Michael Faraday: se un conduttore si sposta in un campo magnetico, o più precisamente, se varia il flusso concatenato con il conduttore, viene indotta in quest'ultimo una corrente elettrica. Il secondo fenomeno fu invece osservato per la prima volta nel 1820 dal fisico francese André-Marie Ampère: un conduttore percorso da corrente e immerso in un campo magnetico è sottoposto a una forza che dipende dalla geometria del sistema.
Per ricavare l’energia meccanica necessaria per innescare le reazioni che fanno funzionare le macchine convertitrici esistono moltissimi modi, alcuni più o meno produttivi di altri, altri meno pericolosi, altri meno inquinanti. Si può ricavare energia da qualsiasi fonte che metta in movimento direttamente o indirettamente, le turbine del generatore. Ma negli ultimi anni si sta venendo sempre più delineando l’utilizzo, per quanto contestato, dell’energia nucleare, per la produzione di elettricità.
Reattori nucleari
I primi reattori su larga scala, costruiti per la produzione di armi nucleari, usavano come combustibile uranio metallico naturale e come moderatore grafite.
Reattori ad acqua leggera o pesante
Ai nostri giorni esiste in tutto il mondo una gran varietà di reattori per la produzione di energia nucleare, che differiscono l'uno dall'altro per il tipo di combustibile, il moderatore o il sistema di raffreddamento. Nei reattori moderati e refrigerati ad acqua, viene generalmente usata acqua naturale (non pesante) e questo richiede l'impiego, come combustibile, di uranio arricchito.
Nel reattore ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor, PWR), l'acqua viene portata a una pressione di circa 150 atm, pompata nel nocciolo del reattore, quindi immessa in un generatore di vapore per mezzo di un circuito secondario. Il vapore così prodotto aziona uno o più generatori a turbina e poi viene pompato nuovamente nel generatore di vapore. Il circuito secondario è isolato dal nucleo del reattore, perciò non è radioattivo. Un terzo circuito di acqua, proveniente da un fiume, un lago o una torre di raffreddamento, serve per condensare il vapore.
Nel reattore ad acqua bollente (Boiling Water Reactor, BWR), l'acqua refrigerante è mantenuta a una pressione inferiore, e portata all'ebollizione nel nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente nel generatore a turbina, condensato, e quindi ripompato nel reattore. Sebbene il vapore sia radioattivo, non c'è bisogno di alcuno scambiatore di calore intermedio tra reattore e turbina, con il conseguente guadagno in efficienza. Come nel PWR, l'acqua di raffreddamento del condensatore proviene da un'altra fonte, come un fiume o un lago.
Il livello di potenza di un reattore in funzione viene costantemente controllato da una serie di strumenti di vario genere. La potenza in uscita viene regolata mediante l'inserimento o la rimozione dal nocciolo del reattore di barre di controllo, cioè di elementi costituiti da un materiale capace di assorbire neutroni molto efficientemente. La posizione delle barre viene determinata in modo che la reazione a catena proceda a ritmo costante.
Durante il funzionamento, e anche dopo l'interruzione, un grosso reattore da 1000 Mw ha una radioattività di miliardi di curie. Le radiazioni emesse dal materiale radioattivo vengono assorbite da opportune schermature poste intorno al reattore e al circuito di raffreddamento primario. Altre strutture di sicurezza sono il sistema di raffreddamento del nucleo, che evita che quest'ultimo raggiunga temperature pericolosamente elevate in caso di avaria dei sistemi di raffreddamento principali, e, nella maggior parte dei casi, ed una struttura di contenimento di tutto il materiale radioattivo che eviti qualunque fuga radioattiva in caso di rottura.
Sebbene all'inizio degli anni Ottanta fossero già operanti negli Stati Uniti più di 100 impianti per la produzione di energia nucleare, in seguito all'incidente di Three Miles Island le preoccupazioni per la sicurezza e vari fattori di tipo economico hanno bloccato ogni ulteriore sviluppo nel campo dell'energia nucleare. Dal 1978 in poi non sono stati messi in cantiere altri impianti nucleari, e alcuni di quelli completati dopo quella data non sono stati resi operativi. Nel 1990 circa un quinto dell'energia elettrica prodotta negli Stati Uniti e ben i tre quarti di quella prodotta in Francia veniva da impianti nucleari.
Nei primi anni Cinquanta, quando iniziò lo sfruttamento dell'energia nucleare, l'uranio arricchito era disponibile solo negli Stati Uniti e nell'allora Unione Sovietica; di conseguenza i primi programmi di produzione di energia nucleare di Canada, Francia e Gran Bretagna prevedevano l'impiego di uranio naturale. Questo tipo di combustibile, meno efficace dell'uranio arricchito, richiede l'uso di ossido di deuterio (D2O), o acqua pesante; l'acqua naturale, infatti, ha la caratteristica di catturare un numero eccessivo di neutroni che d'altra parte sono necessari in elevate quantità a causa del basso rendimento del combustibile.
I primi reattori, alimentati con barre di uranio naturale, moderati a grafite e refrigerati con ossido di deuterio, furono in seguito soppiantati da reattori a uranio arricchito, e dai più avanzati AGR (Advanced Gas-cooled Reactor, Reattore avanzato raffreddato a gas). In Francia, in seguito alla costruzione di impianti per l'arricchimento di uranio, sono stati costruiti reattori del tipo PWR. La Russia e gli altri stati dell'ex Unione Sovietica hanno un programma molto ampio di sfruttamento dell'energia nucleare, che prevede sia il sistema PWR sia quello moderato a grafite. All'inizio degli anni Novanta erano in costruzione in tutto il mondo più di 120 nuovi impianti per la produzione di energia nucleare.
Purtroppo all’uso dell’energia nucleare sono legati gravissimi rischi. Tra i quali figurano quelli legati alla radioattività delle scorie prodotte e delle località limitrofe. Basti pensare che dopo la chiusura di una centrale e il suo smantellamento per circa 200 anni dall’allontanamento del materiale, l’aria occupata è ancora radioattiva.
La radioattività
La Radioattività consiste nella disintegrazione spontanea di nuclei atomici con emissione di particelle subatomiche e di onde elettromagnetiche. Il fenomeno fu scoperto nel 1896 dal fisico francese Antoine-Henri Becquerel, il quale osservò che l'uranio emetteva delle radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica protetta da uno schermo opaco ai raggi luminosi.
Le ricerche iniziate da Becquerel vennero riprese dagli scienziati francesi Marie e Pierre Curie i quali nel 1898 scoprirono che la proprietà di emettere radiazioni penetranti era comune all'uranio e a molti dei suoi composti e diedero al fenomeno il nome di radioattività. Analizzando l'intensità della radiazione emessa per mezzo di una camera di ionizzazione, essi riconobbero che i minerali dell'uranio, in modo particolare la pechblenda, avevano un'attività radioattiva maggiore rispetto ai sali usati da Becquerel. Poiché non esistevano elementi noti sufficientemente radioattivi da giustificare le radiazioni osservate, essi dedussero che i minerali analizzati fossero composti da sostanze ignote estremamente instabili. Dopo una serie di esperimenti chimici sulla pechblenda scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio. La radioattività del torio, dell'attinio e del rado venne osservata in un secondo tempo. Le radiazioni, con i loro decadimenti e i loro raggi emessi, sono rischiose per la salute, per la loro capacita di penetrare le cellule e danneggiare il codice genetico. In questo modo esse possono provocare tumori e gravissime malattie.
Altri rischi legati all’uso di centrali riguardano anche la possibilità, di un evento catastrofico, come nel caso di Cernobil.
I rischi legati all’instabilità delle centrali
La sola cosa che differenzia le centrali nucleari dalle devastanti e pericolosissime bombe, che col solo nome riescono e rievocare ricordi tenebrosi, è la presenza di controllo da parte dell’uomo. Difatti, con sofisticate apparecchiature, riesce a controllare la reazione a catena che da sola tenderebbe a provocare un esplosione nucleare. Questa possibilità, per quanto scarsa, deve essere presa in considerazione. Lo stesso Cernobyl ci mise in allarme, quando in pochi secondi, da un reattore si è sprigionata una energia tale da sfuggire al controllo dell’uomo e devastare la città perennemente. Gli effetti provocati dall’esplosione prendono il nome di Fallout.
Meccanismi di formazione del fallout radiottivo
Un processo di fissione nucleare rilascia notevoli quantità di materiali e particelle radioattive che a loro volta rendono radioattive le molecole di suolo, aria e acqua direttamente investite dall’esplosione (Atomo).
Le singole particelle radioattive sono invisibili e talmente leggere che potrebbero fluttuare indefinitamente senza mai depositarsi al suolo. Tuttavia, se un ordigno nucleare viene fatto esplodere in prossimità della superficie, grandi quantità di materiali di varia natura vengono polverizzate, risucchiate nella nube a tipica forma di fungo e sollevate nell’atmosfera. All’interno della nube le particelle radioattive si aggregano ai materiali polverizzati, che fungono da zavorra e ne provocano successivamente la rideposizione al suolo.
I detriti più pesanti ricadono dopo appena qualche minuto e danno origine a una precipitazione localizzata, detta ricaduta diretta. I frammenti un po’ più leggeri, ma comunque visibili a occhio nudo, vengono trasportati dal vento insieme alla nube atomica e ricadono nel giro di qualche ora o giorno, dando origine a una ricaduta detta pioggia radioattiva locale, la cui natura ed estensione dipendono dalla potenza e dalle caratteristiche dell’ordigno esploso, dalla distanza dal suolo dell’esplosione e dall’intensità e direzione dei venti.
Le particelle microscopiche rimangono, invece, sospese per tempi più lunghi. Se la bomba ha una potenza relativamente ridotta, la nube atomica rimane confinata al di sotto della tropopausa (il limite tra la troposfera e la stratosfera); in questo modo le polveri radioattive vengono trasportate intorno al globo (lungo una fascia che circonda il pianeta alla stessa latitudine a cui è avvenuta la detonazione) e dopo qualche tempo ricadono sulla terra, trasportate dalla pioggia o da altri tipi di precipitazioni e danno luogo a un tipo di ricaduta detto “fallout troposferico”.
Se la bomba ha una potenza tale da riuscire a scagliare i frammenti dell’esplosione oltre la tropopausa, una parte consistente delle particelle radioattive si ferma nella stratosfera, dove rimane esposta all’azione dei venti stratosferici e dà successivamente origine a un tipo di fallout detto “stratosferico” o “globale”. Poiché la stratosfera non è interessata da alcun tipo di precipitazione, le particelle contaminate possono permanere in questo strato atmosferico anche per mesi o anni. In genere vengono trasportate dai venti solo in senso orizzontale e si disperdono, quindi, per tutta la stratosfera, compiendo in alcuni casi più di una rivoluzione intorno al globo. Una volta raggiunte le regioni polari o le zone interessate da correnti discensionali vengono, tuttavia, trascinate nella troposfera, dove si uniscono alle particelle che ricadono sul pianeta per effetto del fallout troposferico.
La prolungata permanenza delle particelle radioattive nella stratosfera fa sì che gli isotopi radioattivi con un tempo di dimezzamento relativamente breve decadano prima di ricadere a terra. Lo stesso discorso vale per alcuni dei radioisotopi sollevati e trasportati fino nella troposfera. Tale processo contribuisce a diminuire in qualche misura la radioattività delle ricadute e, quindi, la dose di radiazioni assorbita dagli organismi esposti al fallout. I radioisotopi con un tempo di dimezzamento relativamente lungo, all’opposto, possono conservare intatta la propria radioattività fino al momento in cui ricadono sulla superficie del pianeta e continuano, quindi, a rappresentare una minaccia per la salute dell’uomo e dell’ambiente per parecchi anni, anche perché possono entrare, ancora attivi, nelle catene alimentari e contaminare i cibi.
Gli effetti a lungo termine prodotti dal fallout equivalgono, in pratica, a quelli prodotti dalle radiazioni ionizzanti. Le radiazioni possono provocare alterazioni genetiche e causare, quindi, la nascita di bambini malformati. Il danno genetico può essere trasmesso alle generazioni successive e manifestarsi anche dopo decenni. A Hiroshima e Nagasaki, fra i bambini nati dopo l’esplosione della bomba nucleare, si registrano ancora casi di gravi malformazioni congenite. Anche tra le popolazioni più esposte al fallout dei test atomici atmosferici degli anni Cinquanta e Sessanta è stata registrata la nascita di bambini con malformazioni congenite.
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LE LINEE ELETTRICHE AEREE
1.1 TIPI DI LINEE
Con il termine linea elettricasi definisce un sistema elettrico avente lo scopo di collegare tra loro due sezioni di una rete elettrica, trasferendo la potenza dal punto di origine a quello di arrivo. In teoria la linea può funzionare nei due sensi e quindi il punto di alimentazione può essere posto a una qualsiasi delle estremità.
Una linea elettrica è formata principalmente da un certo numero di conduttori, da un sistema d’isolamento tra i conduttori e verso massa, da un sistema di sostegno e fissaggio dei conduttori stessi. Le linee elettriche servono quindi al trasporto e alla distribuzione dell’energia elettrica; si dividono in due grandi classi: linee aeree e linee in cavo.
Le linee aeree sono costituite da conduttori non isolati, posati in aria e fissati su sostegni di vario tipo (pali, mensole, ecc.) con l’intermediario di elementi isolanti (isolatori); l’isolamento fra i conduttori è assicurato dall’aria, l’isolamento fra i conduttori e la terra è assicurato dagli isolatori. Le linee in cavo, invece, impiegano cavi elettrici con conduttori isolati fra loro e verso massa mediante appositi materiali isolanti (gomma, carta impregnata, olio, ecc.) e posati in vario modo (canaline, tubazioni, ecc.).
1.2 TIPI DI CONDUTTORI
I conduttori nudi per linee aeree possono classificarsi in 5 categorie:
- conduttori di rame in filo ed in corda (fig. 1.1):
FIGURA 1.1
- conduttori di lega di rame in filo, generalmente per telecomunicazioni;
- conduttori di lega di alluminio ( Aldrey ) solo in corda;
- conduttori di alluminio-acciaio, solo in corda (fig. 1.2):
FIGURA 1.2
- conduttori di rame con anima di acciaio in filo ed in corda, detti copperweld, molto usati come funi di guardia e conduttori di fase per attraversamenti speciali.
Si usano normalmente in Italia come conduttori nelle linee aeree i fili e le corde di rame, e limitatamente alle alte tensioni (oltre 100 KV), le corde bimetalliche alluminio-acciaio. Queste ultime sono composte da un’anima in corda di acciaio, avente essenzialmente funzione di resistenza meccanica, e da un mantello esterno costituito da più strati di trefoli di alluminio isolati fra loro, avvolti a spirale su tale supporto e svolgenti la funzione elettrica. Le corde bimetalliche, rispetto ai conduttori in rame di pari conducibilità elettrica, hanno un più elevato carico di rottura (circa 1,7 volte maggiore), un minor peso per chilometro (circa il 70%) ed un maggior diametro esterno (circa 1,4 volte). Le prime due qualità sono interessanti dal punto di vista meccanico anche in relazione alle campate molto lunghe che si scelgono per i sistemi a tensione elevata mentre dal punto di vista elettrico l’aumento del diametro con una sezione conduttrice (solo il mantello di alluminio) economicamente accettabile si presenta molto favorevole in relazione al problema di limitare il gradiente superficiale sul conduttore per evitare il fenomeno corona. Fra i conduttori in alluminio-acciaio, oggi più diffusi, ha avuto qualche applicazione il tipo “Alcoa” in cui tra l’anima di acciaio e il mantello esterno di alluminio si trovano dei riempitivi di carta o di juta impregnati con olii adatti. Questi conduttori speciali, però sono di costruzione ed applicazione alquanto costose e difficili ed il loro impiego può dar luogo a inconvenienti di natura meccanica soprattutto a causa dei riempitivi di materiale tenero.
Per le medie e basse tensioni si usano talvolta anche conduttori in alluminio puro o in lega di alluminio ( Aldrey). L’impiego dell’alluminio puro nelle linee aeree non appare in generale conveniente a causa soprattutto della scarsa resistenza meccanica, dell’elevato coefficiente di dilatazione termica, del basso punto di fusione ed anche delle difficoltà di esecuzione e di conservazione dei giunti. L’Aldrey ha caratteristiche poco diverse da quelle dell’alluminio, a parte una maggiore resistenza meccanica (circa doppia).
In casi particolari si usano pure conduttori in filo di rame con anima d’acciaio (copperweld), ottenuti con un particolare processo di lavorazione. Vengono impiegati in quei casi in cui la sezione occorrente dal punto di vista elettrico sarebbe assai più piccola di quella minima richiesta agli effetti meccanici e per le linee di telecomunicazione.
I conduttori, a qualunque tipo appartengano, vengono forniti dalle trafilerie in rotoli o matasse quando sono di piccole sezioni; avvolti su bobine quando sono di sezione maggiore. Per ragioni pratiche di trasporto non è mai possibile eccedere un certo peso e quindi una determinata lunghezza di conduttori o, come si dice, “pezzatura”. Come conseguenza è necessario giuntare le varie pezzature per formare la lunghezza desiderata e tale giunzione deve assicurare oltre che la continuità elettrica anche la necessaria resistenza meccanica.
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