corso di formazione per docenti delle scuole primarie e secondarie di ii° progetto infea – cea...
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Corso di formazioneper docenti delle scuole Primarie
e Secondarie di II°
Progetto INFEA – CEA 2007Progetto INFEA – CEA 2007
Corso di formazioneper docenti delle scuole Primarie
e Secondarie di II°
Progetto INFEA – CEA 2007Progetto INFEA – CEA 2007
Testi e contenuti corso:
Crediti e RingraziamentiCrediti e RingraziamentiCrediti e RingraziamentiCrediti e Ringraziamenti
Dott. Massimiliano Nurra
Dott. Vincenzo Crocetti
Illustrazioni corso:Dott. Mattia Guberti
Dott.ssa Valeria Melloni
CEA capofila progetto
Rete CEA e PARTNER del progetto
I.1 - Le Proprietà dell’Energia
I.2 - Le filiere di produzione dell’energia
I.3 - Croni-Storia dell’Uso & Consumo dell’Energia
I° INCONTRO
II° INCONTRO
II.1 - Pro & Contro delle Fonti Energetiche
II.2 - Inquinamento Locale & Globale
II.3 - Risparmio & Efficienza Energetica
Argomenti trattatiArgomenti trattatiArgomenti trattatiArgomenti trattati
Modulo InsegnantiModulo Insegnanti
I incontroI incontro
Modulo InsegnantiModulo Insegnanti
I incontroI incontro
Le proprietà Le proprietà
dell’energiadell’energia
Le proprietà Le proprietà
dell’energiadell’energia
I.1
Dal greco: en (dentro) érgon (lavoro)
in fisica:Capacità di compiere lavoro ed equivale ad una Forza per uno Spostamento
ENERGIA
É la capacità di un oggetto, un liquido o un gas di fornire calore, suoni, luce
o movimento.
DefinizioneDefinizioneDefinizioneDefinizioneI.1
I.1 Come si misura?Come si misura?Come si misura?Come si misura?
Caloria
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:
TEP - Tonnellata Equivalente di Petrolio
KiloWattora (kWh)
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 energetico di un corpo.
1 cal = 4,186 J
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
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
Se noi consumiamo 1500 kcal al giorno:1500 kcal x 4186 kJ= 6279 kJ / 86400 sec. circa 73 Watt
• Gravitazionale
• Elettromagnetica
• Nucleare debole
• Nucleare forte
Riusciamo ad accumulare energia solo se viene compiuto del lavoro contro uno dei campi di forze conservative esistenti in Natura.
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 Forze conservative naturaliForze conservative naturaliForze conservative naturaliForze conservative naturali
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA TERMICA
ENERGIA CHIMICA
ENERGIA NUCLEARE
ENERGIA ELETTRICA
ENERGIA ELETTROMAGNETICA
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.
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.
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.
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).
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.
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.
I.1 Tipi di energiaTipi di energiaTipi di energiaTipi di energia
Tipo di energia Tipo di materia J/kg
Meccanica1 kg di acqua che cade da un’altezza di 200 m
2,0 x 103
Termica1 kg di acqua a 100°C che cede calore a un corpo a 20°C
3,3 x 105
Chimicacombustione 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 Energia da 1 kg di materiaEnergia da 1 kg di materiaEnergia da 1 kg di materiaEnergia da 1 kg di materia
il Sole con le sue onde elettromagnetiche
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
Ciclo dell’Acqua; fotosintesi clorofilliana
e ciclo del Carbonio; dinamiche degli oceani
e dell’atmosfera
I.1 Forme e fonti di energiaForme e fonti di energiaForme e fonti di energiaForme e fonti di energia
il calore presente all’interno della
Terra
• 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
A seconda di come vengano utilizzate dall’uomo, le fonti si distinguono in:
I.1 Fonti di energiaFonti di energiaFonti di energiaFonti 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
A parte l’uranio (energia atomica) e la geotermia, tutte le altre fonti, sia rinnovabili che non rinnovabili, sono generate dal Sole
I.1 Fonti di energiaFonti di energiaFonti di energiaFonti di energia
• RINNOVABILI: fonti con un breve tempo di rigenerazione e quindi considerate inesauribili – Sole – Acqua – Vento – Geotermia – Biomasse
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 LeggeLegge 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.
I.1 Proprietà dell’energiaProprietà dell’energiaProprietà dell’energiaProprietà dell’energia
TRASFORMAZIONE
CONSERVAZIONE
TRASPORTO
É la proprietà principale. L’energia che ci circonda non si consuma ma si trasforma, passando da un livello di maggiore utilità ad uno minore. In questo processo percorre delle vie preferenziali e dissipa inevitabilmente una parte dell’energia in ingresso
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
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
I.1 Proprietà dell’energiaProprietà dell’energiaProprietà dell’energiaProprietà dell’energia
I.1 Generare elettricitàGenerare elettricitàGenerare elettricitàGenerare elettricità
Energia primaria
Movimento meccanico
Energia elettrica
Generatori di corrente alternata
Calore
non
sem
pre
pres
enti
I.1 Produzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione di energia elettricaProduzione 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 elettricaTrasporto dell’energia elettricaTrasporto dell’energia elettricaTrasporto 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
Le filiere di Le filiere di
produzione produzione
dell’energiadell’energia
Le filiere di Le filiere di
produzione produzione
dell’energiadell’energia
I.2 Esempio filiera: Energia dal carboneEsempio filiera: Energia dal carboneEsempio filiera: Energia dal carboneEsempio filiera: Energia dal carbone
Energia elettrica nelle nostre case
Produzione di vapore
Combustione nelle caldaie delle centrali
termoelettriche (energia chimica
trasformata in calore)
Rotazione di una turbina (calore trasformato in energia meccanica)
Movimento dell’alternatore che produce energia elettrica
(energia meccanica trasformata in energia elettrica)
Trasporto mediante elettrodotti
Estrazione
Trasporto
Depurazione (Desolforazione)
Combustione ed utilizzo di calore
(energia chimica trasformata in calore)
Filiera del caloreFiliera dell’elettricità
I.2 Mappa concettuale: Filiera FontiMappa concettuale: Filiera FontiMappa concettuale: Filiera FontiMappa concettuale: Filiera Fonti
I.2 Filiera FontiFiliera FontiFiliera FontiFiliera Fonti
Fonti RinnovabiliFotovoltaico: Sole / pannello fotovoltaico / inverter / cavi elettrici / lampadina-elettrodomesticoSolare Termico: Sole / collettore solare / scambiatore di calore / tubo / acqua caldaEolico: Vento / pala eolica / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoIdroelettrico: Acqua / diga-condotta forzata / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettr.Calore da Geotermia: Geyser / tubi captatori / tubi (teleriscaldamento) / termosifoneElettricità da geotermia: Geyser / tubi captatori / centrale geotermica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoElettricità da biomassa: Legno / centrale termoelettrica (piccola) / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoCalore da biomassa: Legno (pellets-legna) / caldaia / tubi / termosifone
Fonti Non RinnovabiliElettricità da carbone: miniera / Carbone / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoElettricità da petrolio: Piattaforma off-shore / petroliera / raffineria (portuale) / barile / oleodotto / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoElettricità da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / centrale termoelettrica / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomesticoCalore da gas naturale: pozzo di estrazione / Gas / gasdotto / terminale di distribuzione / tubi gas cittadino / caldaia domestica / termosifoneNucleare: giacimento / Uranio / blindati da trasporto / centrale termonucleare / turbina / generatore / elettrodotto / lampadina-elettrodomestico
I.3
Croni-Storia Croni-Storia
dell’Uso & Consumo dell’Uso & Consumo
dell’Energiadell’Energia
Croni-Storia Croni-Storia
dell’Uso & Consumo dell’Uso & Consumo
dell’Energiadell’Energia
L’energia nella storiaL’energia nella storiaL’energia nella storiaL’energia nella storia
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.
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.
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’
CASUALITA’…
PROGRESSO
I.3
La preistoriaLa preistoriaLa preistoriaLa preistoriaI.3
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.
Le antiche civiltàLe antiche civiltàLe antiche civiltàLe antiche civiltàI.3
… 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…
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…
… 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.
La rivoluzione industrialeLa rivoluzione industrialeLa rivoluzione industrialeLa rivoluzione industrialeI.3
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 elettricaL’energia elettricaL’energia elettricaL’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 ‘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.
Nel 1888 il fisico piemontese Galileo Ferrarsi realizza il primo motore elettrico a corrente alternata.
I.3 Il ‘900 nucleareIl ‘900 nucleareIl ‘900 nucleareIl ‘900 nucleare
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 1933 l’italiano Enrico Fermi scopre l’energia nucleare di fissione, debutta una nuova era nel settore dell’energia.
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 rinnovabiliIl ritorno delle fonti rinnovabiliIl ritorno delle fonti rinnovabiliIl 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.
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).
I.3 Il consumo energetico mondialeIl consumo energetico mondialeIl consumo energetico mondialeIl consumo energetico mondiale
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 disegualeUn consumo disegualeUn consumo disegualeUn consumo diseguale
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
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.
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.
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 ItaliaIl consumo energetico in ItaliaIl consumo energetico in ItaliaIl consumo energetico in Italia
L’Italia ha una dipendenza energetica dall’estero che
supera l’80%.
I.3 Il consumo energetico in ItaliaIl consumo energetico in ItaliaIl consumo energetico in ItaliaIl 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.