Tokamak: energia per il futuro?

Sembra che per i futuri viaggi spaziali l’energia per spingere le navicelle sarà generata dai motori al plasma.

Cosa sono i motori al plasma?
La mia mente allora va indietro nel tempo, va ai miei ricordi universitari quando erano da poco passati poco più di dieci anni da quando fu concepita una macchina chiamata Tokamak nata per generare una fusione termonucleare allo scopo di estrarre l’energia prodotta dal plasma.

Il nome deriva dal russo to(roidalnj) ka(mera) mak(kina) e significa “macchina (per fusione nucleare) a camera toroidale”, dove il toro in geometria è una figura tridimensionale a forma di ciambella.

Tokamak6

C’è, subito, da dire che la fusione termo-nucleare si basa su un concetto diametralmente opposto alla fissione nucleare.
La fissione nucleare prevede la riduzione, ovvero la rottura, di un nucleo in frammenti di minore dimensioni con emissione di una enorme quantità di energia e radioattività.
La fusione termo nucleare è al contrario una reazione che prevede la fusione di nuclei di due o più atomi emettendo più energia di quanta ne richieda il processo di innesto della fusione.

Il funzionamento di tale macchina simula il meccanismo che avviene nel Sole e le altre stelle. A causa di ciò, sembrava non avere applicazioni pratiche per le altissime temperature generate dal plasma. Nessun materiale avrebbe resistito.

Ricordo che la maggior parte dei plasmi generati in natura sono caratterizzati da alte temperature elettriche: si va dai quasi 30.000 gradi di un fulmine, fino ai milioni di gradi della corona solare e degli esperimenti di fusione termonucleare negli acceleratori.

Ma l’idea geniale degli scienziati (russi) fu quella di confinare il plasma entro una struttura a ciambella (toridale) impedendo il contatto del plasma con il suo contenitore con un elevato campo magnetico.

Perché ne voglio parlare?
La fusione termonucleare controllata è oggi considerata da tutti i paesi più industrializzati una opzione molto concreta come fonte di energia sicura, compatibile con l’ambiente e praticamente inesauribile.
Le attività di ricerca per la fusione vengono eseguite nel nostro paese da alcuni decenni, contribuendo al raggiungimento degli obiettivi e benefici previsti dalla fusione nel lungo periodo. Il programma fusione è coordinato a livello europeo dall’Euratom e vede la partecipazione di tutti i paesi UE più la Svizzera.
Le attività italiane, sono condotte dall’ENEA, che ha la funzione di coordinatore, dal CNR e da molte Università italiane. (fonte: Enea)

Come funziona? Come si fa a generare un plasma?
I fisici teorici, gli ingegneri elettrotecnici e nucleari lo sanno benissimo. Ora lo saprete anche voi.
Si sfruttano le proprietà del campo magnetico ed elettrico.

Il principio fisico si basa sulla cosiddetta Forza di Lorenz.
E’ la forza che si sviluppa su un oggetto carico elettricamente sottoposto ad un campo elettromagnetico.
In pratica è la forza che fa muovere una carica elettrica in un campo magnetico e/o un campo elettrico.

forza di Lorenz

Dove: q=particella carica, v=velocità delle particella, E=campo elettrico, B=campo magnetico.
Più precisamente, la carica si muove in direzione del campo elettrico ad esso proporzionale, ovvero più alto è il campo elettrico più alta è la velocità della particella.

675px-Lorentz_force.svgA che serve il campo magnetico?
Il campo magnetico è perpendicolare al campo elettrico. Il suo effetto contribuisce solamente sulla direzione del moto della particella carica deviandola dal suo verso.

Infatti, poiché la forza applicata ad uno spostamento genera un lavoro, la forza lavoro risulta nulla in quanto l’angolo è di 90° (L=F*s*cosα).
In altre parole serve solo con la sua intensità a deviare la direzione della particella.

Fin qui ci siete? Più o meno.

Passiamo al principio di funzionamento.
Il plasma è un gas estremamente carico elettricamente. E’ considerato il quarto stato della materia.

Dentro una camera toroidale (verde in figura) vi è inizialmente un gas che deve essere portato ad altissime temperature.

Tokamak3
Un gas, che ha la proprietà ad ionizzarsi a temperature ordinarie, si ionizza completamente, ovvero gli atomi perdono completamente i propri elettroni, ad alte temperature.
Un gas in condizioni di totale ionizzazione si chiama plasma.

Bene, chiarito questo concetto, vediamo cosa ci vuole per far salire la temperatura del gas.
Si usa un sistema che ricorre a giganteschi campi magnetici che avvolgono la ciambella (contenitore di vuoto toroidale). Sono i magneti centrali che vedete in figura.

Va detto che la temperatura a cui deve essere portato un dato plasma con una ‘compressione’ magnetica non è casuale, è chiamata temperatura di ignizione. E va applicata per un tempo di compressione minimo necessario a raggiungere la temperatura in cui iniziano a fondere i nuclei del plasma medesimo e non superiore per evitare pericolosi innalzamenti incontrollati della temperatura.

L’elevato campo magnetico ha anche la funzione di portare i nuclei del gas sempre più vicini per farli fondere più facilmente.
A questo punto vi ricordate la forza di Lorenz di cui abbiamo parlato precedentemente? Ebbene una particella carica immersa in un campo magnetico che avvolge la ciambella toroidale seguirà una traiettoria elicoidale (detta anche moto di ciclotrone) secondo l’equazione di Larmor, che definisce il raggio di Larmor.

raggio di Larmordove “v” è la velocità della particella perpendicolare al campo magnetico, “m” è la sua massa, “B” è l’intensità del campo magnetico, “Ze” è la carica dello ione (per l’elettrone Z=1, ed “e” è negativa).

Questo significa che una particella (elettrone o ione che sia) non si può allontanare più di tanto dalla linea di campo. Quindi un campo magnetico può confinare in modo efficace un plasma. Il moto delle particelle è in qualche modo vincolato dalla dinamica delle linee di campo magnetico percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro.

tokamakbosa

Ovviamente le cose non sono così semplici come trattato, ma tanto basta per avere una chiara idea.
Un’altra semplice idea ora ce la facciamo nel descrivere come il plasma viene riscaldato.

Accensione del gas.
schema tokamakVa detto che in termini schematici il Tokamak è un trasformatore, il cui primario è rappresentato dal magnete centrale (statore) e il toro il secondario.
Non è importante che capiate il significato, quello che conta è che la corrente fatta circolare nelle spire dello statore crea un campo magnetico che a sua volta genera un forza (forza elettromotrice) sul gas.

Gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri. Si genera così il plasma.

Nel plasma che è un conduttore elettrico si genera una corrente indotta.
A questo punto la corrente elettrica indotta, per effetto Joule, riscalda il plasma a temperature anche molto elevate (qualche milione di gradi).

Nel frattempo nelle bobine  del campo toroidale viene immessa corrente per tenere confinato il plasma.

Magnete del campo verticale.
Ai più attenti di voi non sarà sfuggito, vedendo le figure, di notare dei magneti chiamati “di campo verticale”.
Succede che il campo magnetico creato in questo modo dal magnete centrale (statore) è più debole all’esterno che all’interno del plasma; senza correzioni il plasma si sposterebbe quindi verso l’esterno del toro.
Le bobine chiamate anche “bobine di campo poloidali” dei magneti verticali sono utilizzati per la correzione. Esse generano una corrente secondaria nel plasma, simile ad un trasformatore; questo campo magnetico secondario completa l’inclusione del plasma.
Tuttavia, la corrente nella bobina di campo poloidale non può prendere qualsiasi intensità e non può crescere indefinitamente. Le lunghezze di impulso previste per alcune macchine come “ITER” hanno la durata di alcuni minuti fino ad un’ora.

Conclusione:
Bene, io ho finito con la velleitaria speranza che abbiate capito.
Ora una domanda: c’è la realistica speranza che questa macchina possa essere utilizzata per la produzione di energia e di metterla in rete?

Dalla spiegazione (quasi) teorica che ho fornito sembrerebbe tutto facile. Tuttavia il percorso verso la fusione nucleare è solo agli inizi, anche se le ricerche vanno avanti da decenni, perché le difficoltà tecniche sono molte e di enorme portata.
A questo va aggiunto che molti paesi avanzano in ordine sparso. Si confida ora sulla macchina: “International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)” il più avanzato progetto internazinale di ricerca sulla fusione nucleare, in costruzine nel sud della Francia.
Gli ottimisti puntano attorno agli anni 2040. Ma c’è chi addirittura spera che tale macchina possa sostituirsi ai generatori nucleari di quarta generazione basati sulla fissione.
Saranno i prossimi decenni e le considerazioni di ordine politico a decidere.


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Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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25 risposte a Tokamak: energia per il futuro?

  1. Rebecca Antolini ha detto:

    Ho letto con attenzione, e mi domando subito una cosa quanto costarebbe un attrezzo di questo genere..??? e quanti di questi ci vuole per tutta la terra…??????? La parola termo-nucleare mi stressa leggermente tutto quello che ha da fare con il nucleare e nocivo.. Sono per il fotovoltaico e eleolico …😉

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    • bruce ha detto:

      Buongiorno Rebecca, ti capisco, come capisco tutti quelli (ambientalisti) che sono terrorizzati dalla parola termo nucleare. Impaurisce chi non sa cosa significa una fusione termo nucleare.
      La fusione nucleare è il processo più naturale dell’universo per produrre energia. Lo fa il sole e tutte le stelle. O per dirla con termini religiosi è la fonte di energia creata da Dio.
      E’ la fonte di energia più ecologia e pulita esistente. ci vorrà ancora del tempo, ma è l’energia del futuro quando gli idrocarburi del sottosuolo verranno a mancare. Sempre se qualcuno di poco buon senso ci si mette di mezzo.
      Quanto costa? Tutto costa, ma il prezzo viene ampiamente ripagato dai benefici in termini di economia e sicurezza. Hai mai considerato i costi per trasportare il gas dalla Siberia o dalla Libia con condotte lunghe migliaia e migliaia di chilometri? E quante navi occorrono per trasposrtare il petrolio in mare per altre migliaia e migliaia di chilometri? E per sempre. Al contrario delle centrali termonucleari che si ammortizzano da sole in pochi decenni.
      Ti porto un esempio: un mio amico ingegnere nucleare che lavora con l’Enea mi dice che per alimentare Milano e provincia occorrono 10/12 milioni di tonnellate di petrolio, pari a riempire la basilica di S. Pietro, compresi i sotterranei. Con la fusione nucleare basta qualche centinaio di grammi di trizio o qualcosa di simile.
      Il fotovoltaico e l’eolico? Certo, servono anche quelli ma come fonte alternativa. La gente comune non sa che queste due fonti messe insieme non arrivano al 30% del fabbisogno nazionale, nè potranno aumentare considerevolmente per lo spazio che dovrebbero occupare. Questo significa che se non usiamo il petrolio o il gas o l’energia nucleare il restante 70% resta ….. al buio senza riscaldamento, senza luce e corrente per la lavatrice.
      Ti faccio un altro esempio: per alimentare solo Milano con il fotovoltaico serve tanta area pari alla sua intera superficie e forse di più. Per alimentare tutto il mondo con il fotovoltaico non c’è spazio sulla terra perchè dovremmo sottrarlo alla agricoltura o provvedere al disboscamento, infatti gli scienziati stanno pensando di mettere i pannelli sulla Luna. Questo non è possibile con l’eolico perchè sulla Luna non c’è vento🙂
      Ciao e buona giornata cara.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Si e vero il gas, il gasolio, e tutti altri cose che bruciano (incluso anche legno e pellets) lasciano sempre qualcosa nocevole nella aria… abbiamo gia pocchi boschi e forestre, per forza dobbiamo cercare energie alternativi … nei prossimi anni aumenta trasticamente la popolazione sulla Terra… panelli solari sulla luna ? come possiamo poi qui otenere l’energia… (tipo teletrasportatore ???) ho difficolta ad immaginarmi le cose.. comunque non sono una fanatica ambientalista ma sono contro il specco … buona giornata anche a te😉

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        • bruce ha detto:

          Ah ah, pannelli e pale eoliche sulla Luna?
          Era solo un modo simpatico per dire che queste energie hanno un impatto limitato e insufficiente per soddisfare il fabbisogno mondiale di energia se vogliamo puntare solo su queste. Per compensare la restante parte del mondo che resterebbe al buio dovremmo prenderla altrove, forse proprio sulla Luna, chissà, forse non è una ipotesi campata in aria magari con enormi specchi sulla Luna che poi ci convogliano i raggi solari su qualche centrale elettrica, come facevamo da bambini con le lenti di ingrandimento per bruciare la paglia.

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      • Fabio ha detto:

        Bell’articolo, segnalo però che l’osservazione sul fotovoltaico non è veritiera. Già oggi in Italia il 10% dell’energia prodotta viene dal fotovoltaico e i pannelli presenti non stanno rubando eccessivo spazio (basta guardarsi in giro o guardare con google earth). Si potrebbe eventualmente arrivare tranquillamente al 100% col fotovoltaico con l’utilizzo di accumulatori, in ogni caso è del tutto verosimile arrivare al 100% con sole fonti rinnovabili (fotovoltaico, eolico ed idroelettrico).
        C’è abbondante documentazione su internet a prova di quanto ho scritto.

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        • bruce ha detto:

          Ti ringrazio per il complimento.
          In merito al tuo – “è del tutto verosimile arrivare al 100%” – mi piacerebbe sapere se è una speranza o una affermazione. Nel primo caso la cosa è condivisibile da tutti, al contrario sarebbe il caso di sapere quali considerazioni te lo fa supporre. Forse è il caso di essere più preciso, per esempio riportando calcoli di fattibilità e non generiche supposizioni, magari anche costi, luoghi di installazione, lo smaltimento, la competenza della realizzazione delle opere e tempistica.
          Ciao.

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  2. Rebecca Antolini ha detto:

    Ciao Silvano, ti ho nominato per il “Blogger Recognition Award” vedi qui nel mio post https://rebeccaantolini.wordpress.com/2015/09/25/grazie-a-marco-del-blog-un-po-di-mondo-per-il-blogger-recognition-award/ un abbraccio Pif♥

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    • bruce ha detto:

      Ciao Rebecca, mentre te scrivevi questo commento alle 5,15 , erano già più di 15 minuti che io ero fuori con Bleff (sotto la pioggia). Mi è venuto a svegliare per fare i suoi bisogni. Bavo il mio cane, non la fa in casa. Ma poi mi sono rimesso a dormire🙂
      Ho visto e ti ringrazio, ora faccio colazione e poi scrivo qualcosa sul tuo blog. Un abbraccio.

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  3. MARGHIAN ha detto:

    Ciao. Posso capire, Rebecca, i pannelli solari sulla Luna, ma le pale eoliche…e il vento, sulla Luna? Ciao Rebe’🙂

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  4. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Fin qui, la fusione calda (e’ ahche il mio sogno, la fusione nucleare controllata). Ma hai gia’ trattado della fusone fredda? Ciao.

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  5. enricogarrou ha detto:

    Madonna che difficile Bruce, ma affascinante. Sei geniale, un abbraccio

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    • bruce ha detto:

      Ti ringrazio Enrico, ma per me è cosa facile, questa è materia mia.
      Nella stessa misura non capisco come tu faccia a scrivere quelle bellissime poesie/racconti/pensieri.
      Un caro saluto.

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  6. bruce ha detto:

    Genova, 29 set. (askanews) – Enea e Asg Superconductors hanno presentato oggi a Genova il primo modulo di magnete superconduttore per il reattore sperimentale di fusione nucleare JT-60SA, in costruzione a Naka in Giappone e destinato a riprodurre la stessa reazione che avviene nelle stelle.
    “E’ la più grande bobina superconduttrice mai realizzata”, ha sottolineato Federico Testa, commissario dell’Enea.

    La realizzazione del Tokamak, il nome scientifico del tipo d’impianto che brucerà il primo plasma nel 2019, rientra nel programma Broader Approach che Europa e Giappone stanno portando avanti con l’obiettivo di accelerare la ricerca sulla fusione nucleare. Il Tokamak euro-nipponico costituisce una tappa fondamentale nel programma di fusione nucleare che vede in Iter uno dei più grandi e complessi progetti a livello mondiale, attualmente in fase di realizzazione a Cadarache in Francia.

    Le bobine Enea – Asg Superconductors andranno a comporre il magnete superconduttore di JT-60SA, cuore pulsante del reattore a fusione con il compito di confinare nel Tokamak il plasma, la materia di cui il sole e le stelle sono composti, che raggiunge una temperatura di milioni di gradi in modo da replicare lo stesso processo di produzione di energia del sole e delle stelle.

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  7. MARGHIAN ha detto:

    Ma ho sentito, ora ricordo, che il Giappone sta facendo qualcosa per la fusione nucelare. Tant’e che, leggendo le prime righe del post ho pensato “giappone? Ah, no, Russia!”. Ci va tempo a che la fusione nucleare diventi un modo standard di produrre energia, ma quando questo succedera’, sara’ una grande conquista. Ciao.

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  8. Marco Panizza ha detto:

    e pensare che una versione più piccola dell’ITER era già a buon punto … così si dice…. per me l’ITER è un megalite troppo oneroso … ma si sa… i finanziamenti non son per tutti… https://it.wikipedia.org/wiki/IGNITOR … giusto l’ENEA aveva ventilato un progetto parallelo all’ ITER da sviluppare in Italia… non ricordo l’acronimo .. comunque concordo… la stella sulla terra sarà presto realtà

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  9. Tiberio Simonetti ha detto:

    Buongiorno, saluto tutti gli utenti del blog, ed inserisco una mia relazione che parla di come possa essere possibile produrre energia usando come vettore energetico aria liquida avendo come apporto energetico solo energia termica a temperatura ambiente.

    INTRODUZIONE AL PROGETTO DI UN IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA MECCANICA CHE HA COME APPORTO ENERGETICO SOLO ACQUA O ARIA A TEMPERATURA AMBIENTE (concessione brevetto UIBM N° 0001383773) Si vuole prima di tutto evidenziare le potenzialità del fluido acqua a temperatura ambiente. Ad esempio, è possibile considerare una temperatura media annua intorno ai 20 °C se il liquido riempie una vasca munita di opportuni assorbitori montati verso l’esterno.Ora un kg d’acqua a 20 °C può cedere all’impianto (il sistema ha all’interno come fluido vettore aria liquida a 130 Kelvin) 15 Kcalorie, (diminuzione di temperatura da 20 a 5 ° C ) che corrispondono grosso modo a 63 KJoul / sec, ed è come se un impianto Solare termodinamico concentrasse la bellezza di 63 specchi di 1,2 metri quadrati ognuno (per un totale di 63 kw) su un volume di 1 dm cubo, sapendo che il Sole irradia 1000 w / sec su un metro quadrato di superficie. In questo modo il ricevitore montato nella zona del fuoco parabolico fonderebbe nel giro di pochi secondi. La nostra mente, purtroppo,abituata allo studio ed al funzionamento degli impianti a carbone, gas o petrolio mal interpreta un’idea che basa la sua teoria sull’uso dell’energia prodotta assorbendo energia termica ambiente. Vorrei fare un paragone adesso, tra un impianto a vapore ed un impianto ad aria liquida. Nel vapore il fluido vettore è appunto l’acqua che deve essere prima vaporizzata e poi surriscaldata ad una temperatura almeno di 400 ° C per renderla simile ad un gas. Per poter operare in questo modo sono necessari alti valori energetici prelevandoli dal carbone. Ora è vero che se scegliamo come fluido vettore l’acqua che ha una temperatura CRITICA di 374 ° C è necessario per forza usare carbone, mentre tutta questa energia potrebbe non essere necessaria se al posto dell’acqua venisse usata ARIA LIQUIDA. Quest’ultima infatti ha TEMPERATURA CRITICA pari a 132,7 Kelvin ( circa 140 °C sottozero) ed una eventuale passaggio di stato da liquido a gas potrebbe essere effettuato usando solo esclusivamente energia termica ambiente (estraendola in questo caso dall’acqua o se si vuole anche dall’aria esterna).Il superamento della temperatura critica, renderebbe il fluido incomprimibile se racchiuso in uno spazio molto ristretto, (spazio precedentemente occupato allo stato liquido) sviluppando pressioni tali da rompere il contenitore metallico in cui è racchiuso, comportandosi come una bomba ad orologeria. L’esempio adesso descritto è del tutto simile ad un impianto Solare termodinamico ad alta concentrazione in cui l’energia radiante converge su un punto e cede energia al fluido all’interno del concentratore. Ma anche l’acqua (che ha assorbito energia dal Sole) cede energia al fluido criogenico, mettendolo in condizioni di sviluppare energia di pressione per centinaia di atmosfere. Tornando allora all’acqua contenuta nella vasca è intuibile che la cessione di 15 kcal /sec ad un gas criogenico liquido, è una potenza rilevante se proporzionata al volume in cui è contenuta (volume di 1 kg di aria liquida = 1,14 dm cubi). Se poi, il ricevitore criogenico (che assorbe energia scambiando con l’acqua esterna) dell’impianto è a 143 °C sottozero e la cui temperatura critica vale ad esempio 132,7 Kelvin, possiamo programmare lo sviluppo di una pressione intorno alle 60 – 300 Atm ( ma se si vuole se ne possono ottenere anche 600 senza alcuna spesa energetica, infatti lo sviluppo della pressione ad inizio ciclo viene decisa in base al volume che il fluido occupa nello stato liquido quando ha già superato la barriera della valvola di non-ritorno) ed una espansione isobara, isotermica durante (a 293 Kelvin), ed infine adiabatica, con produzione di lavoro positivo (con energia assorbita dall’ambiente) superiore di ben 3 volte a tutta l’energia negativa necessaria affinchè il fluido vettore torni di nuovo allo stato liquido. Il progetto rispetta ampiamente il II° principio termodinamico in quanto ha un generatore di energia a temperatura ambiente ed un pozzo a circa 153° C sottozero perfettamente isolato in autosostenimento . Il gas infatti all’interno del pozzo assorbe prima l’energia di liquefazione (entalpia residua + energia ed attriti della compressione isotermica, come in un normale condensatore di vapore nelle centrali a vapore) essendo questo ad una temperatura iniziale di 120 Kelvin, e poi restituisce la quantità di calore all’aria, quando questa, essendo di nuovo entrata nel settore di inizio espansione, ha bisogno di energia per espandere ( sistema ad autosostenimento). Il gas per fare questo, effettua prima una compressione adiabatica-isotermica fino ad una temperatura di 150 Kelvin CEDENDO UNA PARTE DELL’ENERGIA DI COMPRESSIONE ALL’ARIA LIQUIDA ed essendo questa ancora a 130 Kelvin (quindi più fredda rispetto al gas) riprenderà tutto il calore ceduto nella liquefazione (sbalzo di temperatura tra i 150 K del gas ed i 130 K dell’aria ). Il gas poi alla fine, effettuerà un’espansione adiabatica (espansione su una turbina adiabatica creando lavoro positivo e quindi un ulteriore raffreddamento del fluido) , restituendo parte dell’energia usata per la sua compressione, e terminerà con una temperatura di 2 / 3 Kelvin inferiore alla temperatura di partenza. E’ sempre e solo una questione di ENERGIA RADIANTE IN TRANSITO. Se batte sulla sabbia del deserto è reirradiata quasi istantaneamente, se batte su un impianto fotovoltaico si trasforma subito in energia elettrica, mentre se batte sull’acqua può essere trasformata prima in energia di pressione e poi in energia meccanica con il movimento di una turbina ( l’acqua dovrà recuperare energia termica tornando in ambiente). Il conto energetico andrà alla pari, quando l’energia fotovoltaica o quella meccanica si saranno trasformate di nuovo in energia termica ambiente che verrà espulsa verso gli strati più alti della nostra atmosfera. Le macchine elettriche, alimentate dall’impianto, non faranno altro che cedere energia in ambiente al posto dell’acqua. Per dare una proporzione tra potenza sviluppata e volume occupato è possibile fare un calcolo di massima : una stanza lunga 10 metri, alta 2 e larga 5 (ossia 100 metri cubi) può contenere un impianto da 100 kw / ora elettrici. In sostanza vengono prodotti 1 kw elettrico per ogni metro cubo di volume occupato.

    Torno ancora a fare alcune considerazioni in generale sui concetti del II° Principio. Quì non vengono messi in discussione minimamente
    le fondamenta sulle quali tali principi si basano (ci mancherebbe altro). In sostanza l’energia radiante che continuamente batte sulla zona esposta , immagazzina energia termica che viene dissipata nel momento in cui la stessa zona entra in ombra nel periodo notturno. Si è in presenza quindi, di energia costantemente in transito nel periodo giorno-notte. Nel merito , il liquido acqua trasforma in energia termica l’energia radiante durante il giorno e la elimina durante la notte. L’impianto allora non fa altro che accelerare la velocità con cui avviene questo processo, e anzichè impiegare circa 12 ore sottrae all’acqua, in 1 secondo I 15 °C ( 20 K amb – 5 K finali )che invece se ne sarebbero andati in ogni caso verso gli strati più alti della nostra atmosfera. Lo sbalzo di temperatura all’interno dell’impianto non ha come valore finale la T ambiente, ma il valore che il deposito criogenico (imp. interno) ha e che è costantemente a circa -180 °C. Questo deposito non va mai in saturazione (ossia il pozzo non si riempie mai) perchè l’azoto nel momento della risalita (cambio di stato liquido-gas) ha bisogno di energia termica per superare lo stallo in cui si trova. Ecco che allora arriva in aiuto il circuito interno il cui fluido dopo aver assorbito energia di liquefazione dall’azoto ( perchè molto più freddo dell’azoto stesso)subisce una compressione in modo tale (aumento della temperatura a circa 20 K sopra la T dell’azoto , ossia a circa 150 K ) che esso possa scaricare tutta l’energia di liquefazione (compreso gli attriti) verso L’azoto , facendogli superare il punto critico. Il fluido frigorifero, scaricata la “zavorra”, ed essendo stato compresso ISOTERMICAMENTE ( per la presenza dell’azoto che continuamente assorbe energia termica nello scambio) espanderà di nuovo restituendo energia meccanica POSITIVA , con una T finale di qualche Kelvin più bassa rispetto al punto di inizio ciclo. Il saldo energetico è nettamente a favore dell’azoto in tutta la zona soggetta ad espansione, e questo è quello che è stato poi dimostrato nell’idea brevettata. (brevetto concesso nell’anno 2010 n° 0001383773)

    Per poter comprendere l’idea, non è necessaria una preparazione particolare, ma una predisposizione mentale ad accettare il fatto che sia possibile produrre lavoro anche quando in un impianto ci sia, ad esempio, uno sbalzo di temperatura tra ambiente e zero assoluto e che provochi come conseguenza (con i due fluidi ) anche uno sbalzo di pressione. Ora per definizione si sa che un dispositivo è in grado di produrre lavoro quando ha un accumulo in energia termica, ed uno sbalzo tale, in cui una certa quantità di calore possa fluire da un punto più in alto verso un punto a più bassa temperatura. Ora, non è detto che il punto finale debba essere necessariamente un valore a temperatura ambiente (20 °C), ma potrebbe essere una temperatura finale ben al di sotto degli 0°C. Nel merito uno sbalzo tra temp. ambiente e temp. aria liquida (non è una piccola diff. di temp. ma una diff di circa – 180 °C) è più che sufficiente per ottenere un ciclo positivo tale che permetta la costruzione di un impianto per estrarre energia termica ambiente e trasformarla in energia di pressione e qundi in energia meccanica. L’impianto , in sostanza ha 2 circuiti, uno interno in bassa pressione (1-2 bar sempre sotto forma gi gas) che cicla continuamente dal serbatoio di liquefazione a quello di vaporizzazione, ed un altro in alta pressione ( 10 – 45 – 60 bar max) che occupa lo stato liquido-vapore-gas in espansione, e poi lo stato gas-vapore-liquido nel serbatoio di liquefazione. Quando il fluido esterno (aria) inizia il raffreddamento (espansione adiabatica con cessione di energia meccanica positiva)l’aria in pressione a circa 260 Kelvin viene raffreddata dal fluido del circuito interno fino ad una temperatura tale ( 100 K ) che la metta in condizioni di farla liquefare.

    Descrizione delle fasi più importanti :

    L’impianto ha 2 circuiti : quello esterno a media-alta pressione che ha il compito di produrre energia positiva mentre quello interno (il circuito frigorifero) è sempre in bassa pressione ( 1 / 2 bar) ed è nello stato perfetto (sempre sotto forma di gas tra i 90 e 100 Kelvin.

    Il circuito esterno varia la sua pressione tra 10 e 60 bar , mentre la sua temperatura varia tra 100 e 300 Kelvin ( non più di 300 K altrimenti l’impianto interno (ossia quello frigorifero) che ha il compito di assorbire entalpia di liquefazione dal fluido esterno non riuscirebbe a liquefare l’azoto (fluido esterno) in liquefazione.

    L’impianto frigorifero assorbe energia negativa mentre quello esterno produce energia positiva.

    L’energia positiva è data da un’espansione isobara all’inizio, ossia quando il fluido azoto è nella fase di vapore ( 130-175 Kelvin e 60 bar= cost), da un’espansione adiabatica-isotermica ( 175-300 Kelvin e 60-15 bar), ed infine un’espansione tutta adiabatica (15-10 bar 300-260 Kelvin)

    Per l’impianto esterno si presume un deposito di aria o azoto liquido (pozzo criogenico in autostenimento). Il fluido liquido esce dal pozzo spinto da una pompa per liquidi. la pressione di spinta vale 60 bar ma il suo lavoro è molto piccolo perchè appunto è liquido. Quando il fluido ha superato la valvola di non ritorno è costretto a superare la temperatura critica (cambio di stato) ed a iniziare la fase espansiva.

    L’impianto frigorifero assorbe un lavoro negativo molto piccolo rispetto a quello positivo perchè nella zona antecedente la liquefazione le forze attrattive (energia potenziale) avvantaggiano fortemente la ricombinazione delle molecole.

    Il fluido dell’impianto frigorifero allora prende-assorbe tutti gli attriti, più l’entalpia di liquefazione (zavorra) dell’azoto e se li porta via. L’azoto (o l’aria) in quelle condizioni liquefa e si deposita nel pozzo criogenico pronto a reiniziare il ciclo.

    Il fluido dell’impianto frigorifero deve subito dopo scaricare la “zavorra” assorbita un attimo prima ed essere di nuovo pronto per il ciclo successivo.

    Appena l’azoto , come detto prima , supera la valvola di non ritorno
    ( inizio ciclo espansione con azoto ancora liquido) incontra il fluido dell’impianto frigorifero che gli restituisce la “zavorra” che prima gli aveva tolto ( e questo è il sistema del pozzo criogenico ad autosostenimento ).

    ALCUNE RIFLESSIONI SULLE POMPE DI CALORE.
    Le pompe di calore ad esempio, assorbono 1 in energia elettrica e restituiscono 3,5 / 4 in energia termica con tutti gli attriti. Ora la mia domanda è questa : è possibile costruire un impianto (quindi una pompa di calore criogenica ) in cui i 4 kjoul di energia termica possano essere convertiti in 1,5/ 2 di energia elettrica, oppure esiste una legge particolare che vieta questa possibilità? No, a me non risulta. Affinchè il dispositivo funzioni è necessario che ci sia uno sbalzo di temperatura e di pressione affinche possa essere prodotto lavoro utile e non è necessario che il valore massimo di temperatura sia per forza sopra gli ZERO °C, MA CHE SIA UN VALORE DI TEMPERATURA SOPRA LO ZERO ASSOLUTO . Ora il punto è dimostrare, se il deposito criogenico in cui il fluido termina il suo ciclo, si autosostiene oppure no. Il deposito criogenico altro non è che un circuito ( circuito chiuso come d’altronde lo è anche l’altro, ossia quello che assorbe energia dall’acqua a 8 /10 ° C in alta pressione interno all’impianto principale ) in cui vengono scaricate le energie di liquefazione ( entalpia di liquf.) ed attriti contenute dal fluido (azoto) in uscita dopo l’ultima espansione adiabatica. Ora si è dimostrato ( concessione uff. brevetti UIBM n° 0001383773) che l’energia necessaria alla liquefazione è minore di quella guadagnata nell’espansione. L’impianto in sostanza ha 2 circuiti ( sempre con azoto ), quello in bassa pressione (sempre sottoforma di gas allo stato perfetto e la cui temperatura è la più bassa dell’intero impianto ) che assorbe l’energia termica di scarto dal circuito principale e l’altro circuito (sempre chiuso a più alta temperatura) che cede l’entalpia di liquefazione e gli attriti all’altro. Una volta liquefatto il fluido (azoto) può essere compresso da una pompa per liquidi e spinto nel circuito di vaporizzazione. Il lavoro negativo assorbito dalla pompa è molto più piccolo dell’intero guadagno positivo ottenuto proprio perchè spinge un liquido e non un gas ( stesso sistema già utilizzato da molti anni negli impianti a vapore ). Adesso la “zavorra” ( scarto di liquefazione) che è sulle spalle del circuito interno deve essere RESTITUITA al circuito esterno affinchè lo stesso ( ossia il circuito interno ) si autosostenga. Il sistema (brevettato) è quello di ricomprimenre ( ma non di molto , solo il necessario affinchè la temperatura di compressione superi di circa 20 Kelvin la temperatura dell’altra condotta ( impianto esterno) in modo tale che i 20 k si scarichino continuamente sul fluido liquido facendolo ritornare nello stato di gas. Ora l’espansione che ne consegue porta con se ( già prima del ritorno nello stato di gas) una pressione di circa 60 bar ( provenienti dalla pompa per liquidi) utili per l’espansione a temperature ambiente. Adesso il ritorno verso il PUNTO CRITICO ( circa 133 k per l’aria e l’azoto) creerà, una situazione di stasi del gas ad inizio espansione fin quando lo stesso non avrà riassorbito l’intera ENERGIA POTENZIALE che gli compete ( L’energia potenziale è da non confondere con l’entalpia di liquefazione, dipende dalla pressione di inizio evaporazione e varia appunto con la temperatura e con la pressione volute nell’impianto). LA SOMMA DELL’ENERGIA POTENZIALE E QUELLA DOVUTA ALL’ESPANSIONE DEL FLUIDO METTERANNO IN CONDIZIONI L’IMPIANTO INTERNO DI COMPRIMERE IL SUO FLUIDO (a circa 1,6 / 1,7 bar) CON UNA ISOTERMICA QUINDI CON T = COST IN QUANTO TUTTA L’ENERGIA VERRA’ ASSORBITA DALL’ALTRO FLUIDO IN ESPANSIONE. Tutto questo sarà necessario al fluido interno ( che guadagna in pressione ma non in temperatura) per espandere, restituire una parte di energia negativa assorbita nella compressione e finire la sua espansione con 1 / 2 Kelvin in meno rispetto al valore che aveva ad inizio ciclo. ( e questa è la condizione per autosostenersi).

    RIFLESSIONI SUGLI IMPIANTI A VAPORE
    In un impianto a vapore l’acqua in partenza è liquida ed è intorno agli 80/ 90 °C. La pompa per liquidi che è posizionata nel punto più basso del condensatore di vapore aspira acqua e la invia nel generatore di vapore con una pressione un pò più alta della pressione massima sopportabile in turbina ( circa 245 bar e 520 °C). Ora il guadagno in turbina è di gran lunga più grande del lavoro effettuato dalla pompa dell’acqua proprio perchè questa spinge un liquido e non un gas e diversamente non sarebbe stato conveniente costruire l’intero impianto. Ora l’acqua per essere vaporizzata ha bisogno di molta energia e per essere considerata un gas deve addirittura superare i 374 °C ( 647 Kelvin) richiedendo nel generatore di vapore una combustione ed emissione di CO2 in atmosfera. E’ anche vero che ci sono altri fluidi la cui tensione di vapore è molto più bassa dell’H2O, come ad esempio l’ammoniaca e la stessa CO2. La vaporizzazione allora di alcuni fluidi richiede energia minore rispetto alla H2O , e la stessa cosa vale nel caso della gassificazione. Estendendo questo ragionamento verso fluidi che volatilizzano a pressione ordinaria ( 1 bar ) e temperature sempre più basse ( ben al di sotto degli 0°C) è intuibile che ci sia bisogno sempre di meno energia generata da una combustione (o comunque una concentrazione energetica superiore alla temperatura ambiente) per gassificare il fluido vettore. L’aria ad esempio (meglio però l’azoto) ha una temperatura critica di circa 132,7 Kelvin ( circa -170 °C) ed è ancora liquida se la sua pressione vale 38 bar. Adesso io sostengo che è possibile dimostrare (come in effetti ho fatto) la funzionalità e fattibilità di un impianto in cui sia possibile assorbire energia termica esterna a temperatura ambiente e trasformarla in energia di pressione poi in energia meccanica e quindi in elettrica. Il sistema in sostanza, (ricollegandomi all’esempio fatto all’inizio) è del tutto simile ad un impianto a vapore (in cui ci sono naturalmente perdite meccaniche e dispersive ) dove una pompa meccanica assorbe energia dall’esterno ( e quindi negativa), dove gli attriti e le perdite di portata diminuiscono il guadagno netto ma che è comunque ben superiore ai costi necessari alla riliquefazione del fluido aria.
    Saluti
    Tiberio Simonetti

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    • bruce ha detto:

      Salve Tiberio, ho aperto solo ora il mio blog e siccome è già tardi ho avuto modo di leggere solo la prima parte riguardante il progetto di produzione di energia meccanica che ha come apporto energetico solo acqua o aria a temperatura ambiente.

      Molto interessante, ma vado subito al sodo. Ci faccia capire, in termini pratici cosa deve/dovrebbe installare una famiglia per ricavare 3 kw in casa dall’acqua e dall’aria a temperatura ambiente. E con quale spesa. Ovviamente per essere del tutto indipendente dalla fornitura della rete elettrica.
      Poi con calma leggo tutto.
      Un saluto

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      • Tiberio Simonetti ha detto:

        Salve sig. Bruce
        La ringrazio per essersi interessato a questa mia idea. Al momento, ho solo brevettato il sistema con cui potrebbe essere prodotta energia di pressione e quindi energia meccanica usando come vettore interno all’impianto un vettore ad aria liquida. Penso però che la tecnologia è ormai pronta anche nel settore delle micro-turbine ( buoni rendimenti sugli espansori a vite ed espansori scroll) quindi sarà possibile, entro i prossimi 10 anni (sempre se troverò dei finanziamenti ) , costruire sia micro-impianti che impianti da centinaia di Megawatt. 3 Kw / ora di potenza ( ossia 24 ore x 3 kw = 72 kw / ora), per una famiglia è più che sufficiente ad alimentare non solo la propria abitazione, ma anche produrre energia ( riserva di aria liquida in bombole per autotrazione oppure energia elettrica per la ricarica in batterie). L’impianto non dovrebbe occupare più di 6 metri cubi ( 3 metri di lunghezza x 2 di altezza x 1 di larghezza) , ma dovrà essere alimentato , in modo continuativo da acqua a 8 / 10 ° C. I costi all’inizio potrebbero essere piuttosto alti e quindi intorno ai 18 / 30 mila euro, ma inserito il prodotto in un sistema industrializzato , il costo potrebbe scendere ben al di sotto delle 10 mila euro ed essere ammortizzato in circa 3 anni. Grandi impianti ( 100 Megawatt) , anche se vendessero energia elettrica a 3 cent a kw el. potrebbero essere ammortizzati in 4 / 5 anni. Gli impianti produrrebbero contemporaneamente energia elettrica , aria liquida per autotrazione e depurazione con la cattura della CO2.
        Per qualsiasi altra cosa sono a sua disposizione
        Buona serata
        Tiberio Simonetti

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        • bruce ha detto:

          Salve Tiberio, sono un ingegnere elettrotecnico con specializzazione in elettromeccanica, in particolare per tutto ciò che riguarda la produzione di energia elettrica e la sua trasmissione.
          Considero il tuo studio interessante e ti auguro di trovare finanziatori o qualcuno che acquisti il tuo brevetto. Ma non è facile. Io stesso con alcuni neo ingegneri ci stavamo interessando, ti parlo degli anni 70, di impianti per la produzione di energia elettrica dalle bio masse nel comparto zootecnico. Come è finita? Un amico è finito nell’Enea, un altro nell’Enel, un altro nelle Ferrovie dello Stao, io nella industria.
          Ti auguro maggiore fortuna.
          Un saluto.

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          • Tiberio Simonetti ha detto:

            Buongiorno sig. Bruce, dunque, tutto sommato, per quello che la riguarda (almeno credo e spero) che anche a lei sia andata bene lo stesso. Per me invece (d’altronde ho 63 anni), aver ottenuto un brevetto di tale portata soddisfa qualsiasi mia altra aspirazione. Da un pò di tempo invio queste informazioni sulla rete, affinchè la cosa, non possa essere più brevettata, avendo perso ( per la divulgazione stessa) il carattere della novità. Una volta raccolta e metabolizzata, l’idea potrebbe essere realizzarla innescando una reazione a catena che porterà alla costruzione di impianti sempre più grandi. Poi lei sa benissimo che anche se uno ha un’idea geniale è sempre e comunque difficile da realizzarla. Chi ha già una buona posizione (economica, dirigenziale, di potere, ecc.) difficilmente rischierà su qualcosa le cui finalità (secondo lui) sono incerte e cercherà in ogni momento di mantenere lo status quò lasciando che le cose vadano come sempre sono andate. La rete invece è uno strumento potentissimo, olistico, con effetti diretti poco evidenti , ma che, sono convinto, porteranno cambiamenti radicali in tutte le società industrializzate.
            La ringrazio per l’augurio ed auguro anche a lei tante buone cose.
            Tiberio Simonetti

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