ENERGIA PER
TUTTI
Le fonti primarie di energia
Una facile esposizione per capire tutto dellenergia (5a
parte)
Proseguiamo con la presentazione di una serie di
articoli divulgativi relativi al tema «energia».
Questa volta parleremo delle fonti energetiche.
Lenergia 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); vediamo
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 unaltra (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 lossigeno, almeno in tutti i casi che ci
interessano.
Lossigeno è facilmente reperibile in natura, perché come è noto
laria 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 dallattività 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 lintrodurre una nuova unità di misura dellenergia, 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 unidea del valore di una Grande Caloria, calcoliamo quante ne occorrono
per elevare la temperatura dellacqua contenuta in uno scaldabagno a 80 gradi
centigradi, supponendo che inizialmente lacqua sia a una temperatura di 20 gradi.
Basta moltiplicare il peso dellacqua, 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 lacqua del
nostro scaldabagno equivalgono a 4.800 x 0,00116 Kwh, ovvero a 5,6 Kwh, come si può
facilmente controllare dal contatore dellenergia 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. Questultima 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 luso che se ne fa per ricavarne energia, e, conseguentemente, lavoro.
Cominceremo dal petrolio grezzo, invertendo lordine 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 dellenergia. 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
lenergia. Lenergia posseduta dal fluido a una certa temperatura viene detta
«entalpia», per cui diremo che con il riscaldamento del fluido si eleva la sua
entalpia. Laumento dellentalpia 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 lacqua. 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 dellenergia 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: lantracite, il litantrace, la lignite e
la torba. La qualità del carbone è sempre più scadente partendo dal primo elencato ed
arrivando allultimo, intendendosi per qualità le caratteristiche che ne fanno un
buon combustibile, quali il potere calorifico, la purezza, lassenza 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 alluso 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 largomento, 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 dellenergia
elettrica.
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