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anno IX n. 1
gennaio 2000

indice di gennaio

 ENERGIA PER TUTTI

Le fonti primarie di energia
Una facile esposizione per capire tutto dell’energia (5a parte)


Proseguiamo con la presentazione di una serie di articoli divulgativi relativi al tema «energia».
Questa volta parleremo delle fonti energetiche.
L’energia ha origine da pochissime fonti, e viene resa utilizzabile mediante alcune trasformazioni. Le fonti primarie sono utilizzabili solo se hanno alcune indispensabili proprietà


di GIOVANNI VITAGLIANO
Illustrazioni di
ROBERTO PROIETTI

B) FONTI NATURALI NON SPONTANEE DI ENERGIA
1) Combustibili
Le fonti di energia elencate ai punti 3), 4) e 5) (carbon fossile, petrolio grezzo, gas naturale) possono essere trattate tutte insieme, perché appartengono alla categoria dei combustibili, rispettivamente solidi, liquidi e gassosi.
Abbiamo già detto che il calore rappresenta una forma di energia (energia termica); Illustrazione di Roberto Proiettivediamo adesso, più in dettaglio, che cosa è la combustione e come può tradursi in lavoro.
Si definisce combustione una reazione chimica che avviene tra una sostanza (combustibile) e un’altra (comburente) con un notevole sviluppo di calore (energia termica). Le principali sostanze combustibili sono quelle elencate, ma ne esistono moltissime altre, di solito universalmente note (legno, carta, paglia, olio, alcool, e tantissime altre ancora); la sostanza comburente è sempre l’ossigeno, almeno in tutti i casi che ci interessano.
L’ossigeno è facilmente reperibile in natura, perché –come è noto– l’aria che respiriamo è formata per un quinto di ossigeno e per quattro quinti di azoto (si trascurano altri componenti, contenuti in percentuali piccole o piccolissime, e ovviamente tutte le sostanze immesse dall’attività umana e abitualmente non troppo desiderabili).
Tutti i combustibili sono formati, in generale, da carbonio e idrogeno, combinati tra loro in diverse percentuali. Ma, prima di entrare nei dettagli, è necessario dare alcune importanti definizioni, che ci saranno di aiuto per alcuni confronti tra i vari tipi di combustibile.
Cominciamo con l’introdurre una nuova unità di misura dell’energia, molto usata nel linguaggio comune e particolarmente antipatica a tutti coloro che seguono le diete dimagranti tanto alla moda oggigiorno: la caloria (Cal).
La caloria è la quantità di calore necessaria per elevare di un grado la temperatura di un grammo di acqua: si tratta quindi di una quantità molto piccola, perché un grammo di acqua è formato da poche gocce, e quindi non è adatta a misure di carattere industriale. Di solito, quindi, al suo posto si usa la kilocaloria, o Grande Caloria, che è la quantità di calore necessaria per elevare di un grado la temperatura di un kilogrammo di acqua, ed è quindi 1.000 volte più grande. Per brevità, ci riferiremo sempre ad essa, continuando a usare il termine caloria. Più avanti, saremo costretti a introdurre ancora altre unità, ma daremo sempre i coefficienti di proporzionalità, in modo da permettere a chi lo voglia di calcolarsi i valori in qualunque unità di misura.
Per avere un’idea del valore di una Grande Caloria, calcoliamo quante ne occorrono per elevare la temperatura dell’acqua contenuta in uno scaldabagno a 80 gradi centigradi, supponendo che inizialmente l’acqua sia a una temperatura di 20 gradi. Basta moltiplicare Illustrazione di Roberto Proiettiil peso dell’acqua, di solito per uno scaldabagno 80 Kg, per la differenza di temperatura, che è 80-20 = 60 gradi, e otterremo 4.800, che è esattamente il valore cercato.
È utile ricordare bene questi valori, perché di calorie in seguito se ne parlerà spesso. È anche utile sapere che una Caloria equivale a 1,16 Wattora, cioè a 0,00116 (1/860) Kilowattora. Quindi, le 4.800 Calorie necessarie per riscaldare l’acqua del nostro scaldabagno equivalgono a 4.800 x 0,00116 Kwh, ovvero a 5,6 Kwh, come si può facilmente controllare dal contatore dell’energia elettrica.
Ritorniamo ora ai combustibili: un combustibile, quando brucia, genera una fiamma, che non è altro che energia luminosa emessa dai gas formanti il combustibile portati a temperatura elevata. Per ciascun combustibile, la fiamma raggiunge temperature diverse e caratteristiche del combustibile stesso; naturalmente questa fiamma, messa a contatto con altre sostanze, le riscalda, tendendo a portarle alla sua stessa temperatura. Tutti usiamo questo sistema per cucinare, e quindi anche questo è un fenomeno ben noto.
Semplificando un po’ il concetto, diciamo che la temperatura di un Kg della sostanza che viene riscaldata dalla fiamma sarà tanto più elevata quanto maggiore è la capacità della sostanza che brucia di fornire calore. Quest’ultima capacità, riferita a un Kg di combustibile (per i combustibili solidi) oppure a un metro cubo (per i combustibili gassosi) si chiama «potere calorifico», e si misura in Calorie per Kg o per metro cubo. Dopo aver parlato dei combustibili, riassumeremo in una tabella questa quantità per i vari combustibili usati normalmente.

 

 COMBUSTIBILE
 Antracite
 Litantrace
 Lignite
 Torba (essiccata)
 Coke
 Benzina
 Gasolio
 Nafta pesante
 Alcool etilico
 Metano
 Idrogeno
POTERE CALORIFICO (Cal/Kg)
7.800
7.500
4.000
3.500
7.000
11.200
11.000
10.500
7.200
13.000
34.000

Esaminiamo ora i vari tipi di combustibile, e vediamo per ciascuno di essi l’uso che se ne fa per ricavarne energia, e, conseguentemente, lavoro. Cominceremo dal petrolio grezzo, invertendo l’ordine con cui abbiamo presentato i combustibili, per motivi pratici.
1.1) Petrolio grezzo
Abbiamo detto che i combustibili sono formati prevalentemente da idrogeno e carbonio; i composti di idrogeno e carbonio vengono chiamati idrocarburi, parola derivata chiaramente dai due componenti. Il petrolio grezzo, cioè quello che si trova in natura, è una mescolanza di diversi idrocarburi, la cui composizione varia a seconda del luogo di provenienza (Stati Uniti, Paesi arabi, Libia ecc.). Il petrolio, oltre ai suoi componenti fondamentali, contiene anche altre sostanze non essenziali per la combustione, e talora anche nocive e dannose (per esempio, lo zolfo) dette «impurità».
Per vedere come viene usato il petrolio, premettiamo che molto raramente esso viene usato così come si trova in natura, ma viene trattato mediante complessi procedimenti (distillazione frazionata) attraverso i quali vengono estratti vari derivati (Gas di petrolio liquefatto o Gpl, benzina, kerosene, gasolio, residui di distillazione). Più avanti verrà dato qualche dettaglio di questi procedimenti, mentre per ora prenderemo in esame i due tipi di motori che possono essere azionati con questi combustibili, che sono:
– i motori a combustione interna;
– i motori a combustione esterna.
I motori a combustione interna sono motori nei quali la combustione avviene, come dice la parola stessa, internamente al motore. Essi si basano sul principio che la combustione della miscela usata (combustibile + comburente) produce in ciascun caso un aumento di pressione, che viene sfruttato per generare il movimento di un organo (motori a scoppio, motori Diesel, e altri meno usati) o agisce direttamente sul sistema da porre in movimento secondo il principio di azione e reazione. Per inciso, ricordiamo che il principio di azione e reazione dice: «Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.»
Le applicazioni sono fin troppo note, ma è bene elencarle, per potere in seguito fare un bilancio totale dell’energia. Con i motori a combustione interna si fornisce energia ad automobili, autocarri, macchine agricole, macchine per i movimenti di terra, motrici ferroviarie, aerei, navi, e simili).
I motori a combustione esterna sono motori nei quali la combustione avviene esternamente al motore e viene impiegata per riscaldare un fluido intermedio, elevandone l’energia. L’energia posseduta dal fluido a una certa temperatura viene detta «entalpia», per cui diremo che con il riscaldamento Illustrazione di Roberto Proiettidel fluido si eleva la sua entalpia. L’aumento dell’entalpia si traduce anche in questo caso in un aumento di pressione, che viene usato per mettere in movimento il motore. Il fluido adoperato nella maggior parte dei casi è l’acqua. I motori che applicano questo principio sono i motori alternativi a stantuffo (per esempio, le locomotive a vapore, attualmente una rarità in Italia) e le turbine a vapore, di cui spiegheremo più tardi il funzionamento. Applicazioni importantissime delle turbine sono la generazione dell’energia elettrica e la propulsione navale (turbonavi).
Il petrolio e i suoi derivati vengono inoltre abbondantemente impiegati per produrre energia termica che non viene trasformata in movimento (riscaldamento, forni, siderurgia, ecc.).
1.2 Carbon fossile        
Il carbon fossile si trova in natura, e deriva dalla parziale carbonizzazione di vegetazione prima vissuta in superficie e successivamente conservata negli strati più profondi del terreno; per questo motivo viene detto «fossile». Le miniere più importanti sono quelle del Galles, in Inghilterra.
Esistono quattro specie di carbon fossile: l’antracite, il litantrace, la lignite e la torba. La qualità del carbone è sempre più scadente partendo dal primo elencato ed arrivando all’ultimo, intendendosi per qualità le caratteristiche che ne fanno un buon combustibile, quali il potere calorifico, la purezza, l’assenza di umidità ecc.
Il carbone viene utilizzato come combustibile nei motori a combustione esterna (motori alternativi a stantuffo e turbine a vapore), mentre, come si può intuire facilmente, non si presta all’uso nei motori a combustione interna. Dalla distillazione del carbone si ottengono inoltre altri prodotti solidi, come il carbone coke, e gassosi, come il gas di cokeria e di altoforno, a loro volta utilizzati come combustibili più pregiati.
1.3) Gas naturale
Il più diffuso e importante gas naturale è il metano, attualmente usato come combustibile così come viene raccolto. Il metano è formato da carbonio e idrogeno, nel rapporto 1/4 (la sua formula chimica è infatti CH4), e brucia molto bene, con una fiamma poco luminosa, ma molto calorifica.
Attualmente viene usato abbondantemente sia per usi domestici che per usi industriali, sostituendo anche il gas di città, destinato man mano a scomparire.
Prima di chiudere l’argomento, riportiamo in una tabella qui sotto i poteri calorifici di alcuni combustibili di uso consueto. Per semplicità, sono calcolati tutti in Calorie per Kg, anche quelli gassosi, per renderli più facilmente confrontabili.
Infine, a mo’ di esercizio finale, controlliamo se per i combustibili sono soddisfatte le condizioni che li rendono sfruttabili.

 

Concentrabilità:
Indirizzabilità:
Frazionabilità:
Continuità:

Regolabilità:

Sì (serbatoi o depositi);
Sì (tubazioni, nastri convogliatori ecc);
Sì;
Sì (fino ad esaurimento dei depositi, che è possibile, entro certi limiti, rinnovare);
Sì (mediante variazione della portata).

Questi concetti, per ora appena citati, diventeranno molto più comprensibili quando si parlerà dei sistemi per la produzione dell’energia elettrica.


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