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Sono fonti esauribili quelle che si prevede possano essere sfruttate ancora per un numero limitato di anni, dopodichè si esauriranno e non potranno essere ricostituite se non in tempi lunghissimi. Sono le fonti di energia più importanti, perché sono utilizzate per produrre il 90% di tutta l’energia che si utilizza nel mondo.
Sono combustibili fossili il Carbone, il Petrolio, il Gas naturale. Queste sostanze sono combustibili perché bruciano in presenza di ossigeno e producono calore; sono fossili perché si sono formati milioni di anni fa nel sottosuolo, a molti metri di profondità.
Il carbone è un combustibile fossile solido, di colore nero formato prevalentemente di carbonio, contiene piccole quantità di idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e acqua.
Il carbone deriva da grandi cumuli di vegetali, che hanno subito un processo di carbonizzazione. La sua formazione è avvenuta in tre fasi:
la crescita di grandi foreste in zone paludose; lo sprofondamento del terreno e la copertura delle foreste con strati di sedimenti; la decomposizione dei materiali organici e la carbonizzazione.
Durante il processo di carbonizzazione gli strati di materiale organico seguono i movimenti della crosta terrestre fratturandosi. Alcuni strati salgono verso l’alto altri sprofondano verso il basso, si formano così i giacimenti che possono essere superficiali o profondi.
È il processo chimico grazie al quale il materiale organico (piante) si trasforma in carbone. Il materiale organico in assenza di ossigeno e grazie alla presenza di batteri comincia a decomporsi. Col passare del tempo dal materiale organico in decomposizione scompare l’idrogeno e l’ossigeno e rimane solo il carbonio unito a qualche impurità (zolfo, sali m.).
I giacimenti vengono localizzati con indagini geologiche e con scavi esplorativi, una volta individuato un giacimento consistente si procede ad installare una miniera che sarà a cielo aperto se il giacimento è superficiale, in sotterranea se il giacimento è profondo. Per i giacimenti superficiali (collocati fino a 1000 m di profondità) e vasti si scavano miniere a cielo aperto, in cui una volta rimossi gli strati superficiali di terreno si estrae il carbone con grandi scavatrici Per i giacimenti profondi si scavano miniere in sotterranea. In questi giacimenti si alternano strati di roccia a strati di carbone (alti da 2-5m fino ad 1 km), per cui per estrarre il carbone si scava un pozzo verticale, nel quale si colloca un montacarichi, dal pozzo si diramano molte gallerie orizzontali che seguono lo strato di carbone. Nelle fasi di scavo delle gallerie orizzontali le infiltrazioni di acqua potrebbero causare crolli per cui si deve procedere a puntellare sia le pareti che il soffitto della galleria.
L’acqua presente nel terreno potrebbe allagare le gallerie per cui si dispongono pompe che provvedono ad eliminarla. Sistema di areazione Sacche di gas.
Esistono molte varietà di carbone (naturali e artificiali) che possono essere più o meno pregiate. La loro qualità dipende:
Antracite L’antracite è il carbone più antico (si è formato circa 300 milioni di anni fa); è compatto; è composto per il 95% di carbonio; ha un alto potere calorifico, brucia in modo regolare per lungo tempo e con poco fumo. Viene estratto con miniere in sotterraneo poiché i giacimenti di questo carbone si trovano a notevoli profondità. Veniva usato come combustibile da riscaldamento.
Litantrace E’ un carbone abbastanza pregiato, formatosi 250 milioni di anni fa, contiene una percentuale di carbonio che va dal 75 al 90%. Ha un buon potere calorifico. E’ nero e lucido viene estratto con miniere in sotterraneo poiché i giacimenti di questo carbone si trovano a notevoli profondità. Si utilizza come combustibile ma anche per la produzione del Coke (carbone artificiale).
Lignite È un carbone giovane, formatosi 50 milioni di anni fa, non è molto pregiato infatti il suo potere calorifico non è molto elevato essendo formato solo da 60% – 75% di carbonio. Si estrae con miniere a cielo aperto visto che i giacimenti sono superficiali. Viene utilizzato come combustibile nelle centrali termoelettriche.
Torba È il meno pregiato di tutti i carboni, infatti si è formato in epoche recenti, ha un basso potere calorifico e una percentuale di carbonio pari solo al 60%. È un carbone scuro e spugnoso che si estrae con miniere a cielo aperto visto che i giacimenti sono superficiali. Viene usato come fertilizzante.
In passato è stato il grande protagonista dello sviluppo industriale, ed era utilizzato per molti scopi:
produzione di vapore per ottenere la forza motrice per azionare le macchine delle fabbriche, le navi e le locomotive; riscaldamento delle case; materia prima per ricavare gas di città, catrame, naftalina etc.
Oggi, il carbone è utilizzato, esclusivamente, nelle centrali termoelettriche e nei centri siderurgici, infatti le attuali leggi di protezione ambientale, visto l’elevato potere inquinante, lo hanno escluso dagli impieghi più diffusi (riscaldamento) e lo hanno sostituito con il petrolio e il gas naturale.
Il carbone è il più inquinante dei combustibili fossili, infatti nella fase di estrazione e di trasporto si ha l’inquinamento da polveri, che vengono sollevate dal vento e vanno a disperdersi nell’ambiente; nella fase di utilizzo l’ inquinamento è molto più grave, infatti durante la combustione si disperdono nell’atmosfera sostanze molto inquinanti in particolare:
Sono composti chimici formati da idrogeno e carbonio, ma che racchiudono anche piccole quantità di ossigeno azoto e zolfo.
La formazione degli idrocarburi è avvenuta attraverso fasi successive:
1° fase: Depositi organici Milioni di anni fa microrganismi acquatici animali e vegetali (materiale organico / Plancton) si sono depositati sul fondo marino e mescolandosi con sabbia e argilla hanno formato un fango putrefatto chiamato sapropel.
2° fase: Sprofondamento Lo strato di sapropel (argilloso) viene ricoperto da sedimenti (sabbiosi) che man mano che si accumulano formano uno strato molto pesante, sotto l’azione di questo strato il sapropel sprofonda a livelli molto profondi.
3° fase: Formazione di Idrocarburi In condizioni particolari (mancanza di ossigeno, pressione e temperatura elevata) nel sapropel (argilloso) si innescano le reazioni chimiche che danno origine al petrolio greggio, in pratica nel sapropel le particelle organiche si trasformano in molecole di kerogene. La rottura di queste molecole libera composti di carbonio e idrogeno: gli idrocarburi. Escono prima quelli più pesanti (petrolio), poi quelli più leggeri (metano). Per via della formazione degli idrocarburi la roccia argillosa in cui avviene la formazione prende il nome di “Roccia Madre”.
4° fase: Risalita A causa degli sconvolgimenti della crosta terrestre e della pressione esercitata dagli idrocarburi gassosi, formatisi insieme al petrolio, il petrolio migra dalla roccia madre ad altre rocce vicine spostandosi verso l’alto. La risalita degli idrocarburi, favorita dalla minore densità di questi ultimi, continua attraverso rocce permeabili fino ad incontrare uno strato di roccia impermeabile.
5° fase: Formazione dei giacimenti Sotto alla roccia impermeabile si accumulano gli idrocarburi: in alto il gas metano (più leggero), poi il petrolio, nelle cavità della roccia (che contenendo il petrolio prende il nome di “Roccia serbatoio”. Sotto resta l’acqua più pesante.
Ricerca dei giacimenti La ricerca dei giacimenti (che non sono laghi sotterranei ma vaste aree di rocce spugnose impregnate di pretorio), è affidata in prima fase ai geologi che individuano le regioni in cui la ricerca potrebbe risultare promettente . Successivamente intervengono i geofisici che approfondiscono ulteriormente l’indagine utilizzando diversi metodi:
Carotaggio Quando tutti gli esami preliminari hanno dato esito positivo, si procede allo scavo di un pozzo esplorativo da cui si estrarranno lunghe fette di roccia (carote) che permette una lettura ancora più approfondita dei dati precedentemente raccolti, infatti queste indagini oltre a dimostrare la presenza di idrocarburi sono in grado di rivelare anche la consistenza dei giacimenti.
Perforazione Se i risultati di tutte le indagini sono positivi si comincia la perforazione (trivellazione) vera e propria. Per fare ciò si innalzano le torri di trivellazione (Derrik), armature di metallo che devono sostenere la trivella, una specie di grosso trapano che porta sulla cima uno scalpello (detto sonda di trivellazione, che si consuma velocemente durante lo scavo per cui va sostituito spesso). Il movimento di rotazione viene impresso alle aste della trivella da una tavola rotante azionata da potenti motori diesel. Man mano che lo scalpello avanza perforando le rocce si aggiungono nuove aste alla trivella. Nelle aste che sono cave viene fatto circolare un fango sotto pressione che svolge due funzioni:
Estrazione Quando il pozzo raggiunge la trappola petrolifera, gli idrocarburi che impregnano la roccia fuoriescono spinti dalla pressione dell’acqua. Si toglie allora la sonda di trivellazione e si inserisce un tubo forato. Alla testa del pozzo viene sistemato un complesso di valvole chiamato albero di natale che regola il flusso degli idrocarburi, che saranno poi sistemati in appositi serbatoi dai quali saranno incanalati negli oleodotti o gasdotti. In particolare per il petrolio il serbatoio serve per sedimentare il greggio cioè liberarlo dal fango dai frammenti di roccia e dall’acqua.
Liquido oleoso molto denso e viscoso costituito da un miscuglio complesso di idrocarburi (sostanze con molecole formate da atomi di carbonio ed idrogeno.
Il petrolio viene trasportato dai pozzi alle raffinerie in due modi:
Gli oleodotti e le petroliere portano il petrolio greggio (miscuglio di idrocarburi liquidi, gassosi e solidi) alle raffinerie, dove si procede alla sua lavorazione, che consiste nella separazione dei vari componenti. Per fare ciò il greggio viene introdotto nella torre di frazionamento attraverso una serpentina,il fuoco prodotto da un bruciatore lambisce la serpentina e scalda il greggio a 360°C a questa temperatura tutti gli idrocarburi sono allo stato gassoso. Nella torre i gas cominciano a salire verso l’alto e a diverse altezze e a diverse temperature condensano e si ottengono i vari componenti: 1° livello Bitumi 2° livello Gasolio 3° livello Kerosene 4° livello Nafta 5° livello Benzine 6° livello Gas.
Il petrolio è un prodotto notevolmente inquinante. Durante la fase di trasporto marittimo si sono verificati numerosi incidenti che hanno messo in serio pericolo la flora e la fauna marina; durante la lavorazione del greggio e la combustione dei suoi derivanti si immettono nell’atmosfera sostanze particolarmente nocive per gli uomini, gli animali e l’atmosfera come il biossido e il monossido di carbonio, responsabili dell’effetto serra, gli ossidi di zolfo e azoto, che provocano le piogge acide, i residui della combustione che aggrediscono l’apparato respiratorio dell’uomo procurandogli gravi danni.
Il gas naturale è incolore, inodore e pesa circa la metà dell’ aria. E’ formato da una miscela di idrocarburi gassosi ( leggeri) con molecole formate atomi di carbonio e di idrogeno. E’ composto principalmente di metano ( 90 % ), ma sono presenti anche etano propano e butano. Il metano è facilmente separabile dagli altri gas ed ha un alto potere calorifico e brucia producendo una fiamma bluastra poco luminosa.
In Italia il 40% del gas che si utilizza viene astratto dal nostro sottosuolo (ci sono giacimenti di gas sparsi in alcune regioni come la Lombardia, Veneto, Marche Basilicata, Sicilia …etc.) mentre il 60% viene importato da Algeria, Paesi Bassi e Russia attraverso metanodotti
Il gas estratto viene incanalato in un sistema di tubazioni, dette gasdotti o metanodotti, e trasportato ai luoghi di consumo. Il gasdotto, formato da tanti tubi saldati tra loro, rivestiti di iuta e incatramati, è invisibile perché collocato in uno scavo appositamente predisposto e poi ricoperto. A distanze variabili vengono posizionate le centrali di ricompressione che imprimono al gas la spinta necessaria per compiere centinaia di Km.
Il gas contenuto nei gasdotti nazionali attraverso le derivazioni (tubazioni più piccole) arriva alle grandi utenze industriali (cementifici, stabilimenti chimici, centrali elettriche turbogas, ecc …), e alle periferie delle città. Qui la società che gestisce la distribuzione compie sulla materia prima alcuni trattamenti: riduzione della pressione a valori molto bassi; purificazione dallo zolfo e successiva introduzione di una particolare sostanza odorizzante, che serve per avvertire eventuali fughe; immagazzinamento di una parte in appositi serbatoi metallici, che permettono di far fronte alla maggior richiesta nelle ore di punta. Terminate queste operazioni, il gas, viene immesso nelle tubazioni sotterranee che percorrono tutte le vie cittadine, fino alle diramazioni dei singoli edifici.
Gas di città Detto anche “gas illuminante” perché nell’ ottocento veniva usato soprattutto per l’ illuminazione. Questo gas che si otteneva dalla distillazione (riscaldamento a 1000 °C) era più tossico del gas naturale e aveva metà del potere calorifico posseduto dal gas naturale.
Gas di petrolio ( GPL) Ha in gran parte sostituito quello precedente negli anni ’50 e ’60. E’ un derivato della distillazione del petrolio.
Il gas naturale Detto anche metano ed è diventato il gas di maggior uso dagli anni ’70 in poi. Questo, a differenza dei precedenti, viene estratto direttamente dal terreno e quindi non è un prodotto di trasformazione.
Usi industriali molte industrie usano il gas naturale come combustibile, per diversi usi: forni per la cottura di ceramiche e porcellane, forni per la fusione del vetro e per la produzione del cemento; le industrie chimiche invece lo usano come materia prima da cui si ricavano le gomme sintetiche, i fertilizzanti sintetici, ecc; le centrali termoelettriche lo usano come carburante per azionare le turbine a gas, che muovono gli alternatori.
Usi domesticiil gas nelle abitazioni è impiegato soprattutto per la cottura dei cibi, la produzione di acqua calda, il riscaldamento degli ambienti.
Rispetto agli altri combustibili fossili è meno inquinante, ma durante la combustione anch’esso produce acido nitrico, che ricade sul terreno sottoforma di piogge acide. Questo fenomeno non è dovuto al combustibile in sé ma alla temperatura e alla modalità con cui avviene la combustione.
E’ l’energia che tiene legata la parte interna dell’ atomo, o meglio le particelle che formano il nucleo
E’ la parte più piccola della materia. La materia che ci circonda (aria, acqua, terra, oggetti ed esseri viventi) è tutta costituita da atomi.
E’ composto da un nucleo e da un certo numero di elettroni, che gli girano attorno senza un'orbita precisa . Il nucleo è composto da protoni, da neutroni. Solitamente il numero di protoni è pari a quello degli elettroni.
La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici. Quello che cambia da un elemento all’altro è il “numero atomico” Z (numero di protoni e elettroni), e il “numero di massa” A (numero protoni + neutroni). La variazione di A da vita agli isotopi.
Es.
Z = 8 OSSIGENO Z = 26 FERRO A = 28 A = 30 ……. Z = 92 URANIO A = 235 A = 238 …..
In natura esistono circa 90 elementi (dall'idrogeno, il più leggero, all'uranio, il più pesante) e circa 270 isotopi
Fenomeno per cui alcuni nuclei, instabili, si trasformano in nuclei stabili emettendo particelle corpuscolari. esistono molti materiali radioattivi: Uranio Torio Plutonio Radio
La scoperta della radioattività avvenne alla fine dell’800 ad opera di Henry Bequerel e dei coniugi Pierre e Marie Curie che ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per le loro ricerche. Essi scoprirono che alcuni minerali, contenenti uranio e radio, avevano la proprietà di impressionare delle lastre fotografiche poste nelle loro vicinanze. Le lastre fotografiche, una volta sviluppate, presentavano delle macchie scure.
Fissione (Nucleare) di elementi pesanti come l’uranio, il plutonio e il torio; Fusione (Nucleare) di elementi leggeri come l’idrogeno
…..
L’uranio è un metallo molto pesante, di colore argenteo. In natura, non si trova allo stato libero ma associato a vari minerali dai quali deve essere estratto e successivamente trasformato per essere poi utilizzato come combustibile nucleare. L’uranio presente in natura contiene meno dell’1% di uranio 235 (fissile) mentre il restante 99% è uranio 238 (non fissile), ciò significa che all’ interno del nucleo di uranio si ha spontaneamente il fenomeno della fissione (rottura) dell’atomo, ma, tale fenomeno, si produce in maniera molto lenta per cui non è possibile ricavarne energia. Per ottenere energia dal nucleo dell’uranio si deve sottoporre tale materiale ad un processo di lavorazione (l’arricchimento) che permette di aumentare la percentuale di uranio 235, nel metallo naturale.
A seconda della percentuale di arricchimento dell’uranio si ottengono due diversi risultati:
Dal nucleo dell’Uranio (o del plutonio o del torio) si può ricavare energia attraverso la:
Per essere utilizzato come combustibile nucleare deve prima essere liberato dai minerali che lo contengono e poi sottoposto all’arricchimento.
L’arricchimento è un processo fisico in cui la percentuale di uranio fissile viene aumentata
A seconda della percentuale di Arricchimento si ottengono 2 diversi risultati:
Bomba atomica (la percentuale di uranio 235, fissile viene portata al 90%)
Reattori nucleari (la percentuale di uranio 235, fissile viene portata al 3%)
1935- 1938 emanazioni leggi razziali in Germania e in Italia (fuga di cervelli)
1939 einstein (su sollecitazione di szilard) scrive al presidente degli stati uniti roosevelt
1941 ingresso stati uniti in guerra
1942 parte il “progetto manhattan”
2-12-1942 fermi ottiene la prima fissione nucleare in laboratorio
16-7-1945 esplosione del primo ordigno nucleare nel new mexico
6-8-1945 bomba su hiroshima (78.000 morti)
9-8-1945 bomba su nagasaki (39.000 morti)
L’uso pacifico dell’energia nucleare ha una storia abbastanza recente, infatti ha inizio nel 1951 negli Stati Uniti con l’istallazione della prima centrale nucleare. Da questa data, sono state installate in molti Paesi, inclusa l’Italia, centrali per la produzione di energia elettrica che avevano come combustile l’uranio. Oggi nel mondo sono attive circa 400 centrali elettronucleari che producono il 16% dell’energia elettrica utilizzata. L’uso di tale fonte di energia è sicuramente vantaggioso se si pensa che dalla fissione di 1Kg di uranio 235 si ottengono circa 20 miliardi di Kcal (equivalente di circa 2000 tonnellate di petrolio). Ciò nonostante l’uso di questa fonte di energia crea ancora molti dubbi legati sia ai notevoli costi per il suo utilizzo in condizioni di massima sicurezza e all’impiego di personale altamente specializzato sia per le conseguenze che un incidente in una centrale nucleare può causare (Chernobyl 1986), tanto che in Italia nel 1987 un referendum popolare ha deciso per la chiusura delle quattro centrali attive (Latina - ‘63 - Garigliano - ’64, Caserta- Trino –’65 Vercelli- Caorso –’81 Piacenza- )
L’enorme quantità di energia che si libera all’atto dell’esplosione nucleare produce nel punto di scoppio temperature di milioni di gradi e pressioni di milioni di atmosfere; le conseguenze più evidenti di tale esplosione sono i seguenti effetti:
Meccanico: onda d’urto devastante seguita da un’onda di risucchio che polverizza ogni cosa;
Termico: temperature così elevate che tutto ciò che viene a contatto con l’onda d’urto prende fuoco;
Radioattivo: emissione di radiazioni che provocano malattie e che durano per molto tempo.
Carbone o olio combustibile. Il carbone è un tipo di roccia che possiede energia chimica, bruciato in una caldaia produce vapore. L’olio combustibile è una sostanza non grassa e infiammabilissima, come il petrolio e la benzina.
Produce energia elettrica bruciando un combustibile (carbone o olio combustibile). In Italia questi impianti sorgono vicino al mare perché il carbone viene trasportato con le navi, mentre l’olio combustibile viene inviato attraverso un oleodotto da una vicina raffineria.
Il combustibile viene pompato dalla cisterna fino alla caldaia; qui i bruciatori producono fiamme che scaldano i tubi bollitori, così l’acqua si trasforma in vapore che passa nei tubi surriscaldatori dove aumenta la sua temperatura e la sua pressione. Il vapore surriscaldato entra nella turbina e spinge con forza le pale del rotore che entra in rotazione. Esso mette in moto l’albero dell’alternatore che genera corrente. Il vapore che esce dalla turbina entra nel condensatore, si raffredda e condensa in acqua. Questa viene poi ripompata nel circuito della caldaia percorrendo un circuito chiuso.
Per ridurre l’inquinamento dell’ambiente a causa dei fumi emessi dalle centrali termoelettriche, l’ENEL ha sviluppato nuovi modelli di filtri per eliminare dai fumi gli ossidi di azoto, zolfo e le particelle sospese. Negli impianti pilota realizzati, i fumi attraversano tre filtri. Il primo è un “elettrofiltro” che trattiene le particelle solide riducendone le emissioni di circa 6 volte. Il secondo filtro riduce le emissioni di azoto e zolfo. Esso immette nel gas elettroni liberi che provocano reazioni chimiche. Queste trasformano gli ossidi in acido nitrico e solforico. Gli acidi reagiscono poi con sostanze basiche e producono dei sali che non sono inquinanti. Il gas trasformato attraversa il terzo elettrofiltro in cui vengono trattenute le sostanze basiche e le particelle solide che hanno attraversato il primo elettrofiltro. Dopo di che i fumi escono nell’atmosfera e sono poco inquinanti anche se l’efficienza dei filtri non raggiunge ancora il 100%.
Combustibile a base di uranio 235 oppure di plutonio o di torio; l’uranio che si usa nelle centrali viene preparato sottoforma di pastiglie, che vengono inserite in barre cilindriche che a loro volta sono raggruppate in reticoli chiamati elementi di combustibile.
Le barre di controllo assorbono i neutroni veloci liberati dalla fissione, rallentando o fermando le reazioni nucleari a catena. Lasciando più o meno scoperte le barre di uranio, si accelera o rallenta la reazione a catena; così si controlla la liberazione dell’energia.
Nel nocciolo si produce la fissione nucleare che produce energia termica che viene assorbita dal liquido in cui è immerso il nocciolo, che essendo ad altissima pressione non vaporizza. Questo calore va a riscaldare l’acqua, pompata dal basso, in un circuito secondario, posizionato intorno al nocciolo, e si trasforma in vapore.
Questo viene inviato nella turbina che trasferisce la propria forza meccanica all’ alternatore che genera corrente.
Fonte: http://www.icgaribaldi.it/new_site/home/file/Dom_Ris_Fonti_Esa.doc
Sito web da visitare: http://www.icgaribaldi.it
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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