Che cos'è la generazione di energia?

Generazione di energia è un termine che si utilizza per descrivere la produzione di elettricità usando diversi tipi di tecnologie. Alcune di queste, come le caldaie a vapore, hanno più di cento anni di vita e altre, come le turbine eoliche, sono più recenti. In realtà le caldaie a vapore e le turbine eoliche sono molto più antiche. Esse furono inventate inizialmente per far muovere i macchinari e frantumare il grano e ancora lo fanno, anche se ora sono utilizzate di più per creare alettricità.

La maggior parte delle apparecchiature per la generazione di energia producono elettricità facendo roteare un meccanismo in un alternatore. In che modo sia realizzato il meccanismo per roteare dipende da quale tecnologia è stata usata.

Come viene generata l'elettricità?

Tanta energia elettrica è generata nelle centrali elettriche e generatori di energia. Abbiamo detto che un movimento rotatorio è trasmesso a un alternatore e l'alternatore trasforma il movimento in elettricità. Come avviene questo esattamente?

Un alternatore è molto simile a un motore elettrico. I motori elettrici usano l'elettricità per far roteare un rotore. Negli alternatori è il contrario: anziché creare movimento, gli alternatori usano il movimento per creare elettricità. Molti motori, infatti, possono funzionare come alternatori di ripiego.

Gli alternatori si compongono di due parti: uno statore e un rotore. Il rotore rotea dentro all'alternatore ed è progettato per creare un campo magnetico. Lo statore è fondamentalmente una scatola fatta di avvolgimenti di rame avvolte attorno a un nucleo di ferro cavo. Quando il rotore ruota dentro allo statore, anche il suo campo magnetico ruota e tale rotazione crea una corrente elettrica dentro agli avvolgimenti dello statore. Tale corrente elettrica è raccolta e inviata a una rete elettrica.

Come funziona un generatore di energia?

I generatori di energia sono piccole impianti di alimentazione elettrica autonoma costruiti attorno a un motore alternativo e a un alternatore. Il motore e l'alternatore sono solitamente combinati in un unico apparecchio che può essere grande quanto il rimorchio di un trattore o piccolo come una valigia, a seconda di quanta elettricità è necessaria. Sono disponibili generatori con motori adatti a diversi carburanti: diesel, benzina, biocarburanti, gas naturale e altri ancora.

I generatori di energia più grandi sono utilizzati in un'ampia gamma diapplicazioni e settori. Essi possono servire quali alimentazione elettrica primaria o come alimentazione di riserva. Le basi militari impegnate in aree dove non c'è una rete elettrica affidabile, ad esempio, si affidano spesso a generatori presenti in base per tutti i loro bisogni di elettricità. I generatori di emergenza sono istallati per fornire alimentazione elettrica in caso di blackout in tutti quegli edifici in cui questa non può assolutamente mai mancare. I centri di elaborazione dati e gli ospedali sono esempi di edifici che richiedono generatori di emergenza.

Tipi di centrali elettriche

Ci sono molti tipi di centrali elettriche che includono diverse tecnologie: motori alternativi (talvolta denominati motori a combustione interna), turbine a vapore, turbine a gas, turbine idroelettriche, turbine eoliche, geotermiche, nucleari e altro ancora.

Cosa sono le centrali idroelettriche e le centrali eoliche?

Le centrali idroelettriche e le centrali eoliche sono cugine in fatto di tecnologia perché generano elettricità senza l'utilizzo di carburante, solo vento e correnti d'acqua.

Esse, inoltre, utilizzano entrambe le pale roteanti di una turbina per applicare la coppia su un albero rotante di un alternatore. La diga di Hoover, ad esempio, contiene una centrale elettrica idroelettrica famosa che crea una grossa quantità di elettricità sfruttando l'energia potenziale rilasciata dall'acqua mentre scorre attraverso la diga.

Per quanto riguarda le turbine eoliche, ogni torre ha un set di pale di turbina che estrae l'energia eolica e la converte in elettricità.

Cosa sono le centrali solari?

L'elettricità solare è generata nei pannelli fotovoltaici che utilizzano la luce del sole per attivare le cellule di silicio che contengono. Quando i fotoni del sole colpiscono le cellule di silicio, essi distruggono gli elettroni dagli atomi presenti nel silicio. Le cellule sono progettate in modo tale che gli elettroni possano viaggiare solo in una direzione. Così, quando il collettore di elettroni della cella è collegato a un carico elettrico, gli elettroni si allineano per viaggiare fuori dalla cella ed entrare nel carico elettrico. In altre parole viene generata una corrente elettrica.

La tecnologia per l'energia solare si è allargata alle centrali solari termoelettriche con turbine a vapore. In alcune configurazioni, gli specchi sono sistemati attorno a una torre e il riflesso è indirizzato a un recettore in cima alla torre. È come quando si utilizza una lente di ingrandimento per concentrare i raggi del sole per accendere un fuoco. La sommità della torre ha una caldaia a vapore dalla quale il vapore caldo viene convogliato giù a una turbina a vapore a livello del suolo.

Cosa sono le centrali geotermiche?

Le centrali geotermiche hanno tubature che vanno in profondità dentro alla terra dove l'acqua è riscaldata dal calore emanato dal magma in prossimità. L'acqua si trasforma in vapore e tale vapore è usato da un set composto da una turbina a vapore e un alternatore per produrre elettricità. Un esempio di acqua che viene trasformata in vapore da un'attività geotermica sono i molti gaysers al Parco Nazionale di Yellowstone nel Wyoming.

Cosa sono le centrali elettriche a gas?

Nelle centrali elettriche a gas che si affidano a una turbina a gas il processo funziona a questo modo:

1. L'aria è risucchiata in un compressore dove viene compressa;
2. L'aria compressa è condotta in un combustore dove si mischia al carburante e la miscela aria-carburante viene accesa;
3. Il gas pressurizzato risultante dalla combustione fa roteare le pale della turbina;
4. Come per i motori alternativi, il movimento rotatorio è trasmesso all'alternatore che lo converte in elettricità.

I motori a reazione operano in modo molto simile con la differanza che la coppia fa ruotare le pale della ventola e aziona la reazione.

Cosa sono le centrali elettriche alimentate a gasolio?

Le centrali elettriche alimentate a gasolio sono relativamente più piccole nella capacità di generare energia elettrica rispetto ad altre centrali elettriche. Queste centrali elettriche usano spesso i motori alternativi per generare alimentazione elettrica. Questi motori alternativi sono proprio come il motore di un'auto:

• L'aria entra in un compressore quando il carburante viene inieittato.
• Un pistone si alza e si abbassa quando la miscela di aria e carburante brucia.
• Il pistone è collegato a un albero motore che produce un movimento di rotazione.
• Il movimento di rotazione è trasferito a un alterntore che trasforma il movimento in una corrente elettrica.

Le centrali elettriche che si basano su motori alternativi possono in realtà bruciare una varietà di carburanti, tra cui il gas naturale, il petrolio pesante e altro ancora.

Cosa sono le centrali elettriche a carbone?

Nelle centrali elettriche a carbone il processo è il seguente:
 

• Una fonte di combustibile viene accesa per riscaldare l'acqua in una caldaia;
• L'acqua riscaldata della caldaia si trasforma in vapore;
• Il vapore fa girare le pale della turbina a vapore;
• Tale movimento di roteazione viene trasferito all'alternatore che genera elattricità.

Il processo è lo stesso delle centrali nucleari, ma l'acqua viene portata a ebollizione dal calore sprigionato dalla fissione egli atomi di uranio, piuttosto che dalla combustione del carburante.

Le centrali nucleari: come funzionano?

Nelle centrali nucleari, il processo è lo stesso che nelle turbine a vapore, ma l'acqua viene portata a ebollzione dal calore sprigionato dalla fissione degli atomi di uranio, piuttosto che dalla combustione del carburante.

Le centrali nucleari ospitano uno o più reattori nei quali avviene la fissione nucleare. Grandi atomi di uranio vengono divisi per formare atomi più piccoli, rilasciando un'enorme quantità di energia durante il processo. L'uranio è portato al reattore sotto forma di pellet di ossido di uranio raggruppati insieme in tubi di metallo sigillato chiamati barre di combustibile. Le barre di combustibile vengono inserite in un grande recipiente d'acqua e pressurizzate nel recipiente del reattore. Una volta che la fissione è iniziata, le barre di combustibile riscaldano l'acqua presente nel recipiente del reattore formando il vapore. Questo vapore procede poi per far roteare un set composto da turbina a vapore e alternatore elettrico, generando elettricità.

In nessuna fase del processo è impiegato carburante fossile e pertanto le centrali nucleari non generano alcuna emissione di carbonio. Quello che generano, tuttavia, è una grande quantità di barre di combustibile esausto altamente radioattivo che nessuno davvero sa che cosa farci.

Ci sono circa 94 reattori nucleari installati in 57 centrali nucleari negli Stati Uniti e circa 450 reattori in tutto il mondo nell'anno 2021.

Centrali a ciclo combinato

Le turbine a vapore possono accorpare le turbine a gas per dare vita a una centrale a "ciclo combinato" che utilizza il calore di scarico dalla turbina a gas per produrre vapore. Il calore di scarico della turbina a gas produce ora elettricità aggiuntiva. Ecco perché le centrali a ciclo combinato hanno una migliore efficienza e una resa più alta delle centrali a ciclo semplice.

I vantaggi delle diverse tecnologie di generazione di energia elettrica

Ciacun tipo di centrale elettrica e tecnologia per la generazione di energia elettrica ha aspetti positivi e negativi.

Le centrali nucleari producono tanta energia con poco carburante ed emissioni vicine allo zero, ma le scorie nucleari sono un problema serio che deve ancora essere risolto.

Le turbine a gas generano meno emissioni e sono più efficenti della maggior parte delle centrali elettriche basate su turbine a vapore, ma tendono a essere costose da mantenere. Esse vanno inoltre meglio a gas naturale, il quale non è disponibile ovunque.

I motori alternativi hanno una grande flessibilità: hanno una capacità di avvio e arresto rapida e possono andare a vari tipi di carburante, sono molto efficienti e hanno costi relativamente bassi sia per la costruzione che per il mantenimento.

Le turbine eoliche e i pannelli solari non generano emissioni dirette e non richiedono carburante, ma la loro produzione è variabile e talvolta imprevedibile. In una giornata senza vento la centrale eolica non genererà molta energia.

Mentre cresce a livello globale il desiderio di un'energia più pulita e di emissioni ridotte per le generazioni future, il passaggio a fonti di energia pulite e rinnovabili continua ad aumentare. Con così tante centrali eoliche e solari sulla rete elettrica è importante avere centrali elettriche abbastanza flessibili che possono azionarsi o fermarsi rapidamente per compensare l'irregolarità delle centrali eoliche e solari. Le turbine a gas e i motori alternativi si prestano bene a questo e sono un'opzione popolare tra le società elettriche.

Le fonti di energia per la generazione di energia elettrica

Tutti i sistemi e le centrali elettriche per la generazione di energia funzionano convertendo energia disponibile, in una forma o nell'altra, in elettricità.

I pannelli solari e le centrali eoliche convertono l'energia presente nel loro ambiente, la luce solare e il vento, in elettricità. Similmente, le centrali idroelettriche estraggono l'energia potenziale dell'acqua della diga, o l'energia cinetica presente nei fiumi per generare elettricità. L'energia proveniente dal vento, sole e acqua è considerata rinnovabile perchè la sua fonte è costantemente rifornita, anche se la sua disponibilità dipende dalle condizioni climatiche.

Altre tecnologie per la generazione di energia richiedono carburante come fonte di energia. Quasi tutto ciò che può essere bruciato è stato utilizzato come carburante per generare elettricità. Ci sono centrali elettriche che vanno con i rifiuti urbani, vecchi pneumatici, gas di fogna, foglie di mais, rifiuti industriali, ecc. Detto questo, la maggior parte dell'energia non rinnovabile provine dal carburante fossile, una categoria che include il carbone, il gas naturale e distillati di petrolio come il diesel.

I biocarburanti sono una categoria di carburanti sempre più importante perché sono carbon neutral. Ciò significa che quando bruciano, il carbonio che rilasciano non proveniva da una fonte fossile. I biocarburanti sono fatti da materiali organici come le colture enrgetiche, sottoprodotti agricoli o addirittura l'olio di frittura esausto. I biocarburanti si presentano in forma solida, liquida e gassosa dando origine a una varietà di utilizzi nelle applicazioni di generazione di energia elettrica. Il biodiesel, ad esempio, è un tipo di biocarburante liquido ampiamente utilizzato.