Come funziona una centrale elettrica
Oh, no: un temporale ha fatto saltare la luce! Così, per qualche ora, sei rimasto in casa al buio e – quel che è peggio – con tutti i tuoi dispositivi che mostravano un messaggio allarmante: batteria scarica! Ma non tutto il male viene per nuocere, e quelle ore passate all'oscuro, scollegato, ti hanno portato a riflettere su quanto sia essenziale l'elettricità e su quanto, troppo spesso, la diamo per scontata.
In particolare, ti è venuta voglia di capire come funziona una centrale elettrica, il posto dove effettivamente avviene la “magia” della generazione della corrente. Quasi tutti, infatti, sanno che viene trasportata attraverso i cavi sospesi sopra il suolo con pali e tralicci, gli stessi che spiccano nelle nostre campagne, ma… seguendo il percorso tracciato dai cavi, dove si arriverebbe, esattamente?
La risposta vien da sé: a una centrale elettrica alimentata a carbone, gas, acqua (tra le altre materie prime), oppure – nei Paesi in cui sono consentite – a una centrale nucleare. In questo articolo, ti illustrerò approfonditamente il funzionamento di ciascuna, per chiudere con una breve nota sulle centrali portatili. Pronto a saperne di più? Se è così, non mi resta che augurarti buona lettura e un… luminoso futuro!
Indice
- Come funziona una centrale termoelettrica
- Come funziona una centrale idroelettrica
- Come funziona una centrale elettrica nucleare
- Come funziona una centrale elettrica portatile
Come funziona una centrale termoelettrica
Una centrale termoelettrica è un impianto che genera energia elettrica convertendo l'energia termica prodotta dalla combustione di determinate materie prime (di solito carbone, petrolio o gas naturale). Tali materie prime si chiamano proprio “combustibili fossili”.
Passando a illustrare il funzionamento nel dettaglio, c'è da dire che la prima fase corrisponde esattamente alla combustione delle materie prime. In pratica, il carbone, il petrolio o il gas vengono bruciati in una caldaia, producendo contestualmente una grande quantità di calore.
Questo calore, subito dopo, viene utilizzato per riscaldare l'acqua contenuta nelle tubazioni della caldaia, che si trasforma in vapore ad alta pressione.
Il vapore è la principale forza motrice che permette di convertire l'energia termica in energia meccanica. Come? Beh, molto semplice: il vapore ad alta pressione viene inviato a una turbina a vapore. Quando questo passa attraverso le pale della turbina, provoca la loro rotazione. La rotazione, dunque, trasforma l'energia termica del vapore in energia meccanica di rotazione.
La turbina è collegata a un generatore elettrico, il cui nome è alternatore. Quando la turbina gira, ruota anche l'alternatore, che – mediante l'induzione elettromagnetica – converte l'energia meccanica in energia elettrica.
È opportuno dire qualcosa in più sul funzionamento interno dell'alternatore. Semplicemente, l'alternatore è costituito da fili di rame avvolti a spirale (da qui il nome di spire) che, quando l'alternatore ruota, si muovono all'interno di un campo magnetico. Questo movimento crea elettricità grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che ti citavo sopra.
In altre parole e ancora più sinteticamente, il movimento dei fili di rame nel campo magnetico genera corrente elettrica, che poi viene inviata alla rete elettrica e quindi agli utilizzatori finali. La rete elettrica è costituita da linee di trasmissione ad alta tensione che la distribuiscono a case, industrie e utenze in generale.
Ma che fine fa il vapore, dopo aver attraversato la turbina? Questa è la parte interessante, che fa capire quanto un impianto di questo tipo funzioni in maniera “perfetta”. O meglio: perfettamente ciclica.
Succede, dopo l'attraversamento della turbina, che il vapore perde energia e si raffredda. Passa quindi da un condensatore, dove viene raffreddato ulteriormente utilizzando dell'acqua gelida proveniente da una torre di raffreddamento o da una fonte naturale (un fiume o un lago). In questo modo, il vapore si trasforma nuovamente in acqua liquida.
L'acqua così (ri)ottenuta viene riciclata, cioè pompata ancora nella caldaia per essere riscaldata e ritrasformata in vapore.
Come funziona una centrale elettrica a carbone
Abbiamo appena visto come funziona una centrale termoelettrica. Ebbene: una centrale a carbone non è altro che una centrale di questo tipo che sfrutta il carbone, nello specifico, come combustibile principale.
Per prima cosa, il carbone viene prelevato dalle miniere e trasportato fino alla centrale tramite treni, camion o nastri trasportatori. Successivamente, viene sottoposto a un processo di raffinazione, al fine di aumentare l'efficienza della combustione.
Durante la raffinazione, il carbone viene frantumato in pezzi più piccoli e poi polverizzato, in modo da bruciare in maniera omogenea.
La polvere di carbone, quindi, viene immessa nei bruciatori della caldaia insieme a una corrente d'aria. La miscela aria-carbone viene incendiata, producendo una fiamma molto calda. Da questo punto in poi, vale quanto detto nel capitolo precedente.
Durante la combustione del carbone vengono emessi vari inquinanti, come l'anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto, (NOx), ossidi di zolfo (SOx) e particolato. Per questo motivo, le centrali moderne presentano in più dei sistemi di controllo delle emissioni, come filtri elettrostatici, scrubber e tecnologie di cattura del carbonio. Il tutto, s'intende, al fine di minimizzare l'impatto ambientale.
Come funziona una centrale elettrica a gas
Una centrale elettrica a gas è un altro tipo di centrale termoelettrica. Rispetto a quelle a carbone, le centrali a gas sono più efficienti, meno inquinanti, essendo il gas naturale per sua natura più pulito.
Anche in questo caso, il primo aspetto di cui preoccuparsi è il trasporto della materia prima. Il gas, nello specifico, si trova in giacimenti sotterranei o sottomarini, vale a dire nelle profondità del sottosuolo. Viene dunque praticato un foro nel terreno per raggiungerlo, ovvero per farlo risalire in superficie.
Dopo l'estrazione, viene trasportato ai centri di consumo (in questo caso, le centrali elettriche) attraverso una vasta rete di gasdotti (pipeline). Si tratta di tubazioni sotterranee che possono snodarsi per chilometri, anche tra diversi Paesi e continenti.
Un altro sistema per trasportare il gas consiste nella sua trasformazione in liquido (GNL, Gas Naturale Liquefatto), attuata raffreddandolo a circa -162 °C. Il GNL è più compatto e può essere trasportato agevolmente via mare, su navi metaniere. Arrivato a destinazione, viene rigassificato e immesso nei gasdotti locali per la distribuzione effettiva.
In alcuni casi, negli immediati pressi delle centrali, si trovano serbatoi di stoccaggio che garantiscono alle stesse una fornitura continua. Comunque, lungo il percorso dei gasdotti, sono presenti stazioni di compressione che mantengono la pressione necessaria per il flusso del gas naturale lungo tutta la rete fino alla centrale.
Ma cosa succede, quando finalmente il gas arriva all'interno dell'impianto? Semplice: viene inviato a una turbina e miscelato con aria compressa, al fine di garantire una combustione completa e più efficiente (il gas, da solo, non brucerebbe completamente, non contenendo abbastanza ossigeno).
La combustione del gas, nell'apposita camera, produce una miscela di gas caldi ad alta temperatura e pressione. I gas caldi vengono indirizzati verso le pale della turbina a gas, quindi usati per spingerle. Le pale, difatti, girano rapidamente producendo energia meccanica, la stessa che infine verrà trasformata in energia elettrica come illustrato sopra.
Un problema specifico delle centrali elettriche a gas sono le emissioni di ossidi di azoto (NOx), che possono contribuire alla formazione di smog e piogge acide. Per questo motivo, molte centrali includono bruciatori a basse emissioni e sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR).
In più, per migliorare l'efficienza energetica, si tende a predisporre cicli combinati. In un ciclo combinato, il gas in combustione genera non solo elettricità, attraverso la turbina a gas, ma i gas di scarico, ancora caldi, vengono utilizzati per generare vapore che alimenta una turbina a vapore aggiuntiva.
Come funziona una centrale idroelettrica
Il funzionamento di una centrale idroelettrica (come di tutte le centrali a fonti green) è per certi versi molto più semplice rispetto al funzionamento delle controparti a carbone, gas ecc.
In particolare, viene semplificata tutta la prima parte inerente alla produzione di energia meccanica (quella da convertire in elettrica mediante un generatore-alternatore). Come sempre, il primo step consiste nella raccolta della materia prima, in questo caso l'acqua, proveniente per esempio da fiumi o laghi. La raccolta viene effettuata tramite una diga, che crea un bacino di accumulo, aumentandone il livello e consentendo una gestione più controllata del flusso.
L'acqua accumulata viene in seguito convogliata verso le turbine (onnipresenti, nelle centrali elettriche, ormai l'abbiamo imparato!), usando canali o tubi detti condotte forzate. La quantità di acqua che passa attraverso le condotte può essere regolata tramite delle valvole, il che permette di controllare la produzione di energia in base alla domanda.
Quando infine l'acqua colpisce le pale delle turbine, le pale girano grazie alla forza del flusso, e le turbine azionano il generatore (alternatore) a esse collegate. È sempre il generatore a convertire l'energia meccanica in energia elettrica (qui abbiamo visto approfonditamente come).
Da ultimo, l'acqua utilizzata nel processo viene restituita al fiume o al lago.
Come funziona una centrale elettrica nucleare
Vediamo ora, invece, come funziona una centrale elettronucleare. Siamo alle prese con il tipo di centrale più controverso, e per diversi motivi, legati sia ai rischi diretti associati a possibili malfunzionamenti, sia a questioni più ampie di sicurezza e impatto ambientale. Ma di questo parleremo a fine capitolo, dopo aver illustrato nel dettaglio il funzionamento.
In primis, una definizione. Una centrale elettrica nucleare produce elettricità utilizzando l'energia rilasciata durante le reazioni nucleari, segnatamente la fissione nucleare. Al centro del processo c'è il reattore nucleare, esattamente il “punto” in cui avviene la fissione.
La fissione è una reazione in cui i nuclei di atomi pesanti, come l'uranio-235 e il plutonio-239, si dividono in nuclei più leggeri, venendo bombardati da neutroni. La divisione stessa rilascia una grande quantità di energia sotto forma di calore.
Il calore prodotto dalla fissione deve essere trasferito via acqua (o altro fluido di raffreddamento) al generatore di vapore. L'acqua è il “mezzo di trasporto” prescelto in quanto efficiente nell'assorbire e trasferire calore (si dice che ha capacità termica elevata).
L'acqua o un altro fluido adatto circolano attraverso il reattore per assorbire il calore, quindi rilasciarlo al generatore di vapore. All'interno del generatore si trova altra acqua, riscaldata mediante la prima, senza che i due liquidi entrino in contatto diretto.
L'acqua del circuito secondario, ora riscaldata, si trasforma in vapore ad alta pressione e viene inviato alla turbina, dove viene usato per produrre elettricità (il processo è sempre lo stesso).
Per maggiore completezza, ti faccio presente che esistono vari tipi di reattori, ciascuno con caratteristiche e modalità operative precise. Quello che ti ho appena descritto si chiama reattore ad acqua pressurizzata (PWR), ed è il tipo più comune. Gli altri sono i reattori ad acqua bollente (BWR), che invece permettono all'acqua di bollire direttamente al loro interno, i reattori a neutroni veloci (FBR), che utilizzano appunto neutroni veloci e non richiedono un moderatore, e i reattori raffreddati a gas (GCR), che usano anidride carbonica o elio come fluidi di raffreddamento.
Si è citato il moderatore, un altro degli “attori protagonisti” del processo di fissione insieme alle barre di controllo. Il moderatore è un materiale (acqua o grafite) utile a rallentare i neutroni prodotti dalla fissione, rendendoli più efficaci nel causare ulteriori fissioni; le barre di controllo, invece, servono a regolare o arrestare la reazione a catena controllando il numero di neutroni disponibili per la fissione. Sono realizzate in materiali che assorbono i neutroni, come cadmio, argento e boro. In caso di emergenza, possono essere inserite completamente per spegnere il reattore.
Per il resto, mi sembra opportuno annotare qualcosal riguardo alla materia prima, ovvero all'uranio. L'uranio si trova in natura principalmente nella forma di minerali come uraninite e carnotite, ed è dal medesimo uranio che vengono ricavati gli isotopi uranio-235 e plutonio-239. Nelle centrali nucleari, si presentano come piccoli pellet rivestiti da barre di combustibile metalliche, tipicamente realizzate in una lega di zirconio. Le barre vengono inserite così come sono all'interno del reattore, e da lì ha il via il processo di generazione dell'energia.
I cosiddetti combustibili nucleari sono radioattivi e pericolosi per l'ambiente e per l'uomo. Per questo motivo, le centrali nucleari devono rispettare elevati standard di sicurezza (ad esempio, devono essere progettate con barriere di contenimento robuste, altamente isolanti) e gli scarti (scorie, da combustibile esausto) devono essere stoccati in piscine di raffreddamento, per poi essere trasferiti in depositi geologici profondi.
Come funziona una centrale elettrica portatile
Quando le fonti di energie fisse non sono disponibili, può venire in aiuto una centrale elettrica portatile.
Una centrale (o generatore) portatile è essenzialmente un motore che produce energia meccanica, che poi viene convertita in energia elettrica da un alternatore e distribuita tramite prese di corrente. Il motore va di solito a benzina, diesel o gas propano, ed è incluso un sistema di raffreddamento (solitamente a ventola) utile a prevenire surriscaldamenti e danni.
Proprio come le centrali fisse, progettate per fornire energia su larga scala, anche le centrali portatili possono essere green. Esistono infatti centrali portatili a energia solare, che utilizzano pannelli fotovoltaici per catturare i raggi del sole e, spesso, anche batterie per immagazzinare l'energia raccolta. In questo modo, la corrente sarà disponibile anche quando è nuvoloso.
Autore
Salvatore Aranzulla
Salvatore Aranzulla è il blogger e divulgatore informatico più letto in Italia. Noto per aver scoperto delle vulnerabilità nei siti di Google e Microsoft. Collabora con riviste di informatica e cura la rubrica tecnologica del quotidiano Il Messaggero. È il fondatore di Aranzulla.it, uno dei trenta siti più visitati d'Italia, nel quale risponde con semplicità a migliaia di dubbi di tipo informatico. Ha pubblicato per Mondadori e Mondadori Informatica.
