Storia del potere: l’evoluzione dell’industria della generazione elettrica

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La storia della generazione di energia è lunga e contorta, segnata da una miriade di traguardi tecnologici, concettuali e tecnici, da centinaia di contributori.

Molti resoconti iniziano la storia del potere alla dimostrazione della conduzione elettrica da parte dell’inglese Stephen Gray, che ha portato all’invenzione del 1740 di generatori di attrito in vetro a Leida, in Germania.

Si dice che questo sviluppo abbia ispirato i famosi esperimenti di Benjamin Franklin, così come l’invenzione della batteria di Alessandro Volta nel 1800, la prima “lampada ad arco” efficace di Humphry Davy nel 1808, e nel 1820, la dimostrazione di Hans Christian Oersted del rapporto tra elettricità e magnetismo.

Nel 1820, probabilmente il contributo più cruciale ai moderni sistemi di alimentazione, Michael Faraday e Joseph Henry inventarono un motore elettrico primitivo e nel 1831

L’invenzione della prima rudimentale dinamo è attribuita al francese Hippolyte Pixii nel 1832. Antonio Pacinotti la migliorò per fornire energia continua a corrente continua entro il 1860. Nel 1867, Werner von Siemens, Charles Wheatstone e SA Varley idearono quasi contemporaneamente la dinamo autoeccitante.







La miglioria arrivò nel 1870, quando  Zenobe Gramme, un inventore belga, ideò una dinamo che produceva una corrente continua costante adatta all’alimentazione dei motori, una scoperta che generò un’esplosione di entusiasmo circa il potenziale dell’elettricità per illuminare e alimentare il mondo.

Nel 1877, mentre le strade di molte città in tutto il mondo venivano illuminate dall’illuminazione ad arco, Charles F. Brush, con sede in Ohio, aveva sviluppato e iniziato a vendere il design a dinamo più affidabile fino a quel momento, e una serie di pensatori in avanti stava esplorando attivamente la promessa della distribuzione di elettricità su larga scala.








Alla fine, Thomas Edison inventò una lampada a incandescenza meno potente nel 1879 e nel settembre 1882, solo un mese prima della pubblicazione del numero inaugurale della rivista POWER, fondò una centrale elettrica a Pearl Street a Lower Manhattan.

Stazione di Pearl Street

Thomas Edison nel settembre 1882 realizzò la sua visione di una centrale elettrica su vasta scala con un sistema di conduttori per distribuire l’elettricità agli utenti finali nel quartiere degli affari di alto profilo a New York City. Fonte: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti

Una storia radicata nel carbone








I progressi nella tecnologia della corrente alternata (AC) hanno aperto nuovi regni per la generazione di energia. L’energia idroelettrica, ad esempio, ha segnato diverse pietre miliari tra il 1890 e il 1900 in Oregon, Colorado, Croazia, alle cascate del Niagara e in Giappone.

A quel punto, tuttavia, il posto della produzione di energia dal carbone nella storia dell’energia era già stato saldamente stabilito. I primi generatori di vapore a carbone fornivano vapore saturo o leggermente surriscaldato a bassa pressione per motori a vapore che azionavano dinamo a corrente continua (DC).

Sir Charles Parsons, che costruì il primo generatore a turbina a vapore (con un rendimento termico di appena l’1,6%) nel 1884, ne migliorò l’efficienza due anni dopo introducendo la prima turbina a condensazione, che azionava un generatore di corrente alternata.

All’inizio del 1900, le unità di potenza a carbone presentavano potenze nella gamma da 1 MW a 10 MW, dotate di un generatore di vapore, un economizzatore, un evaporatore e una sezione surriscaldatrice. 

La dimostrazione di generatori di vapore a carbone polverizzato presso la Oneida Street Station nel Wisconsin nel 1919 migliorò notevolmente la combustione del carbone, consentendo caldaie più grandi.

Negli anni ’20, un altro impulso tecnologico arrivò con l’avvento delle applicazioni per caldaie a ciclo unico e delle centrali elettriche a vapore di riscaldamento, insieme al generatore di vapore Benson, che fu costruito nel 1927.

Le turbine a vapore








Le turbine a vapore di riscaldamento divennero la norma negli anni ’30, quando le valutazioni delle unità aumentarono vertiginosamente a un livello di uscita di 300 MW. Le temperature principali del vapore sono aumentate costantemente negli anni ’40 e il decennio ha anche inaugurato i primi tentativi di pulire i gas di scarico con la rimozione della polvere.

Gli anni ’50 e ’60 furono caratterizzati da risultati più tecnici per migliorare l’efficienza, compresa la costruzione del primo generatore di vapore a passaggio singolo con una pressione di vapore principale supercritica.

Lakeside

La centrale elettrica di Lakeside da 40 MW a St. Francis, Wisconsin, è entrata in funzione nel 1921. Questa immagine mostra le turbine a vapore e i generatori a Lakeside, che è stato il primo impianto al mondo a bruciare esclusivamente carbone polverizzato. Per gentile concessione: WEC Energy Group.

Negli anni ’70 sono state raggiunte potenze nominali di 1.300 MW. Nel 1972, la prima centrale elettrica a ciclo combinato di gassificazione del carbone integrata al mondo, una centrale elettrica da 183 MW per il generatore tedesco STEAG, iniziò a funzionare.

Le crescenti preoccupazioni ambientali e la successiva approvazione del Clean Air Act da parte dell’amministrazione Nixon negli anni ’70. Il decennio si è concluso con il completamento di un pionieristico impianto commerciale di combustione a letto fluido costruito nel campus della Georgetown University a Washington, DC, nel 1979.








I primi anni ’80, nel frattempo, sono stati caratterizzati dall’ulteriore sviluppo delle tecnologie di controllo delle emissioni, compresa l’introduzione di sistemi di riduzione catalitica selettiva come misura secondaria per mitigare le emissioni di ossido di azoto.

Anche le prestazioni dei componenti hanno visto grandi miglioramenti durante quel periodo fino al 21° secolo. Tra le più recenti e importanti pietre miliari nella storia dell’energia a carbone c’è il completamento della prima centrale elettrica a carbone su larga scala dotata di tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio nel 2014 a Boundary Dam nel Saskatchewan.

Il gas decolla

L’evoluzione della tecnologia dell’energia a carbone è stata rapida, a causa della crescente domanda di energia e di un fiorente settore minerario. Il settore dell’energia elettrica a gas naturale, che oggi fa la parte del leone sia della capacità installata che della generazione degli Stati Uniti, è stato più lento a decollare.







Nel 1896, circa un decennio dopo che Charles Parsons sviluppò il suo generatore di turbina a vapore, l’inventore americano Charles Curtis offrì l’invenzione di una turbina diversa alla General Electric Co. (GE).

Nel 1901, GE aveva sviluppato con successo un generatore a turbina Curtis da 500 kW, che utilizzava vapore ad alta pressione per azionare la rapida rotazione di un disco montato sull’albero e, nel 1903, consegnò la prima turbina a vapore da 5 MW al Commonwealth Edison Società di Chicago.

I modelli successivi, che hanno ricevuto miglioramenti suggeriti dal Dr. Sanford Moss di GE, sono stati utilizzati principalmente come unità meccaniche o come unità peaking.

Tuttavia, le innovazioni nella tecnologia aeronautica e i progressi nell’ingegneria e nella produzione durante entrambe le guerre mondiali hanno spinto la tecnologia dell’energia a gas a nuovi livelli. In General Electric, ad esempio, gli ingegneri che hanno partecipato allo sviluppo di motori a reazione hanno messo il loro know-how nella progettazione di una turbina a gas per servizi industriali e di pubblica utilità.

In seguito allo sviluppo di una locomotiva elettrica a turbina a gas nel 1948, GE installò la sua prima turbina a gas commerciale per la generazione di energia, un’unità per impieghi gravosi da 3,5 MW, presso la stazione di Belle Isle di proprietà di Oklahoma Gas & Electric nel luglio 1949.

Alcuni esperti sottolineano che, poiché quell’unità utilizzava il calore di scarico per il riscaldamento dell’acqua di alimentazione di una turbina a vapore, era essenzialmente anche la prima centrale elettrica a ciclo combinato al mondo. Nello stesso anno, Westinghouse mise in linea un’unità da 1,3 MW presso la River Fuel Corp. nel Mississippi.








Nel 1949, la General Electric installò la prima turbina a gas costruita negli Stati Uniti allo scopo di generare energia presso la Belle Isle Station, un’unità da 3,5 MW, di proprietà di Oklahoma Gas & Electric. 

La tecnologia delle grandi turbine a gas per impieghi gravosi è migliorata rapidamente in seguito.

All’inizio degli anni ’50, le temperature di cottura erano di 705°

alla fine degli anni ’50, erano saliti a 815° e alla fine hanno raggiunto i 1.100° nel 1975. Nel 1957, un aumento generale delle dimensioni delle unità della turbina a gas ha portato all’installazione del primo generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) per una turbina a gas.

Nel 1965 venne messa in funzione la prima centrale elettrica a turbina a gas a ciclo combinato (CCGT) con caldaia completamente alimentata e, nel 1968, la prima CCGT fu dotata di un HRSG.

La fine degli anni ’60, nel frattempo, fu caratterizzata da fornitori di turbine a gas che iniziarono a sviluppare impianti CCGT pre-progettati o standard. GE ha sviluppato il sistema STAG (vapore e gas), ad esempio Westinghouse, il sistema PACE (potenza ad efficienza combinata) e Siemens, il sistema GUD (gas e vapore).

Le pietre miliari più recenti delle turbine a gas sono arrivate nel 1990, con l’introduzione delle prime turbine a gas avanzate e l’installazione del primo CCGT abbinato a una cella a combustibile nel 2000.

Scoperte atomiche

Sebbene il concetto di atomo fosse abbastanza ben sviluppato, gli scienziati non avevano ancora capito come sfruttare l’energia contenuta negli atomi quando è stato pubblicato il primo numero della rivista POWER. Ma 13 anni dopo, nel 1895, la scoperta accidentale dei raggi X da parte di Wilhelm Röntgen avviò un’ondata di sperimentazioni in campo atomico.








Negli anni che seguirono, le radiazioni furono scoperte da Antoine Henri Becquerel, un fisico francese; i Curie – Marie e Pierre – condussero ulteriori ricerche sulle radiazioni e coniarono il termine “radioattività”; ed Ernest Rutherford, un fisico britannico di origine neozelandese, che molti considerano il padre della scienza nucleare, postulò la struttura dell’atomo, propose le leggi del decadimento radioattivo e condusse ricerche rivoluzionarie sulla trasmutazione degli elementi.

Molti altri scienziati stavano aiutando a far progredire la comprensione mondiale dei principi atomici

Albert Einstein sviluppò la sua teoria della relatività speciale, E=mc 2, dove E è l’energia, m è la massa e c è la velocità della luce, nel 1905. Niels Bohr pubblicò il suo modello dell’atomo nel 1913, che fu poi perfezionato da James Chadwick quando scoprì il neutrone.

Enrico Fermi, un fisico italiano, nel 1934 dimostrò che i neutroni potevano dividere gli atomi. Due scienziati tedeschi, Otto Hahn e Fritz Strassman, approfondirono questa conoscenza nel 1938 quando scoprirono la fissione e, utilizzando la teoria di Einstein, il team dimostrò che la massa perduta si trasformò in energia.








I primi reattori nucleari

Gli scienziati hanno quindi rivolto la loro attenzione allo sviluppo di una reazione a catena autosufficiente. Per fare ciò, era necessario mettere nelle giuste condizioni una “massa critica” di uranio.

Fermi, emigrato negli Stati Uniti nel 1938 per sfuggire alle leggi razziali dell’Italia fascista, guidò un gruppo di scienziati dell’Università di Chicago nella costruzione del primo reattore nucleare del mondo.

Il progetto del team consisteva nell’uranio collocato in una pila di grafite per creare un telaio a forma di cubo di materiale fissile. La pila, nota come Chicago Pile-1, è stata eretta sul pavimento di un campo da squash sotto lo stadio di atletica dell’Università di Chicago. Il 2 dicembre 1942, la prima reazione nucleare autosufficiente fu dimostrata a Chicago Pile-1.








Il primo reattore nucleare al mondo

Chicago Pile-1 era una pila esponenziale. Almeno 29 pile esponenziali furono costruite nel 1942 sotto i West Stands dello Stagg Field dell’Università di Chicago. Fonte: Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Ma gli Stati Uniti erano all’inizio della seconda guerra mondiale da un anno, e la maggior parte della ricerca atomica svolta allora era focalizzata sullo sviluppo di tecnologie per le armi. Fu solo dopo la guerra che il governo degli Stati Uniti iniziò a incoraggiare lo sviluppo dell’energia nucleare per scopi civili pacifici.

Il primo reattore a produrre elettricità dall’energia nucleare fu Experimental Breeder Reactor I, il 20 dicembre 1951, in Idaho. All’epoca anche l’Unione Sovietica aveva un fiorente programma nucleare. I suoi scienziati hanno modificato un reattore di produzione di plutonio di tipo a canale moderato con grafite esistente per la generazione di calore ed elettricità.








Nel giugno 1954, quell’unità, situata a Obninsk, iniziò a produrre elettricità. Pochi anni dopo, il 18 dicembre 1957, la prima centrale nucleare commerciale degli Stati Uniti, la Shippingport Atomic Power Station, un reattore ad acqua leggera con una capacità di 60 MW, fu sincronizzata con la rete elettrica in Pennsylvania.

Tuttavia, gli Stati Uniti e l’Unione Sovietica non furono gli unici paesi a costruire centrali nucleari. Anche il Regno Unito, la Germania, il Giappone, la Francia e molti altri stavano saltando sul carro. Il settore è cresciuto rapidamente negli anni ’60 e ’70.







I progetti di costruzione nucleare erano in fase di progettazione negli Stati Uniti, con 41 nuove unità ordinate solo nel 1973. Ma la crescita più lenta della domanda di elettricità, i ritardi nella costruzione, il superamento dei costi e i complicati requisiti normativi hanno posto fine al periodo di massimo splendore a metà degli anni ’70.

Quasi la metà di tutti i progetti statunitensi pianificati è stata annullata. Tuttavia, nel 1991 gli Stati Uniti avevano il doppio dei reattori commerciali operativi – 112 unità – rispetto a qualsiasi altro paese al mondo.

La storia dell’energia nucleare è segnata da tre gravi incidenti

Il primo è stato il crollo parziale dell’unità 2 di Three Mile Island il 28 marzo 1979. Una combinazione di malfunzionamenti delle apparecchiature, problemi relativi alla progettazione ed errori dei lavoratori ha portato al crollo.

Il secondo grave incidente si è verificato il 26 aprile 1986

Quell’evento è stato innescato da un improvviso aumento di potenza durante un test dei sistemi di reattori sull’Unità 4 presso la centrale nucleare di Chernobyl in Ucraina, nell’ex Unione Sovietica.

L’incidente e il successivo incendio hanno rilasciato enormi quantità di materiale radioattivo nell’ambiente. L’incidente grave più recente si è verificato a seguito di un terremoto di magnitudo 9,0 al largo delle coste del Giappone l’11 marzo 2011. Il terremoto ha causato la perdita di tutta l’energia elettrica dalla stazione di Fukushima Daiichi. I

sistemi di backup hanno funzionato, ma 40 minuti dopo il terremoto, uno tsunami alto 14 metri ha colpito l’area, mettendo fuori combattimento alcuni di loro. Tre reattori alla fine si sono surriscaldati, sciogliendo i loro nuclei in una certa misura, quindi le esplosioni di idrogeno hanno diffuso la contaminazione radioattiva in tutta l’area.

Le conseguenze degli incidenti hanno avuto un ruolo nelle decisioni di eliminare gradualmente o ridurre la dipendenza dall’energia nucleare in alcuni paesi.








Cina, Russia, India, Emirati Arabi Uniti, Stati Uniti e altri continuano a costruire nuove unità. Anche la tecnologia avanzata dei reattori e i piccoli reattori modulari offrono speranza per rivitalizzare l’industria.

Rinnovabili: le fonti energetiche più antiche e nuove del mondo

Mentre gli esseri umani sfruttano l’energia del sole, del vento e dell’acqua da migliaia di anni, la tecnologia è cambiata in modo significativo nel corso della storia e questi antichi tipi di energia si sono sviluppati in fonti innovative di generazione di energia all’avanguardia.

Inseguendo l’acqua. Quella che è diventata la moderna generazione di energia rinnovabile ha avuto inizio alla fine del 1800, nel periodo in cui è stata lanciata POWER . L’energia idroelettrica è stata la prima a passare a una fonte di generazione di elettricità commerciale ed è progredita molto rapidamente.

Nel 1880, la Grand Rapids Electric Light and Power Co. del Michigan ha generato elettricità DC utilizzando l’energia idroelettrica presso la Wolverine Chair Co. Una dinamo a cinghia alimentata da una turbina ad acqua in fabbrica ha acceso 16 lampioni ad arco.

Appena due anni dopo, la prima centrale idroelettrica al mondo in corrente continua alimentava una cartiera ad Appleton, nel Wisconsin. Nel 1886 c’erano da 40 a 50 impianti idroelettrici operanti solo negli Stati Uniti e in Canada, e nel 1888 circa 200 compagnie elettriche facevano affidamento sull’energia idroelettrica per almeno una parte della loro generazione di elettricità.

Nel 1889, la prima centrale idroelettrica AC della nazione entrò in funzione, la Willamette Falls Station a Oregon City, Oregon.

A livello internazionale, la Svizzera è stata in prima linea nello stoccaggio di pompaggio, aprendo il primo impianto di questo tipo nel 1909. Lo stoccaggio di pompaggio non è stato integrato nel mix energetico degli Stati Uniti fino al 1930, quando Connecticut Electric Light and Power Co. ha eretto un impianto di stoccaggio di pompaggio a New Milford, Connecticut.

Soffiando nel vento. Più o meno nello stesso periodo in cui l’energia idroelettrica stava guadagnando popolarità, gli inventori stavano anche cercando di capire come utilizzare i mulini a vento del passato per generare elettricità per il futuro.








Nel 1888, Charles Brush, un inventore dell’Ohio, costruì una turbina eolica di 60 piedi nel suo cortile. La ruota del mulino a vento aveva un diametro di 17 metri e aveva 144 pale. Un albero all’interno della torre faceva girare pulegge e cinghie, che facevano girare una dinamo da 12 kW che era collegata alle batterie nel seminterrato di Brush.

Nascita della turbina eolica

Nel 1888, Charles Brush, un inventore dell’Ohio, costruì una turbina eolica di 18 metri in grado di generare elettricità nel suo cortile.  Le turbine eoliche lentamente e con poco clamore si sono diffuse in tutto il mondo.

Il Midwest americano, dove le turbine venivano utilizzate per alimentare le pompe di irrigazione, ha visto numerose installazioni. Nel 1941, il mondo vide la prima turbina da 1,25 MW collegata alla rete su una collina a Castleton, nel Vermont, chiamata Grandpa’s Knob.

L’interesse per l’energia eolica è stato rinnovato dalla crisi petrolifera degli anni ’70, che ha stimolato la ricerca e lo sviluppo. L’energia eolica negli Stati Uniti ha avuto una spinta politica quando il presidente Jimmy Carter ha firmato il Public Utility Regulatory Policies Act del 1978, che richiedeva alle aziende di acquistare una certa quantità di elettricità da fonti energetiche rinnovabili, incluso il vento.

L’Europa e l’eolico

L’Europa è stata leader nell’eolico offshore, con il primo parco eolico offshore installato nel 1991 in Danimarca. Secondo Wind Europe, l’Europa ha attualmente 12,6 GW di capacità da 3.589 turbine eoliche connesse alla rete in 10 paesi.

Alla fine del 2016, il primo parco eolico offshore negli Stati Uniti è entrato in funzione nelle acque al largo di Block Island, nel Rhode Island.

Il Fotovoltaico








Rispetto ad altre fonti di energia rinnovabile disponibili in commercio, l’energia solare è agli inizi, anche se il percorso che ha portato al suo utilizzo commerciale è iniziato quasi 200 anni fa.

Nel 1839, lo scienziato francese Edmond Becquerel scoprì l’effetto fotovoltaico (PV) sperimentando una cella elettrolitica composta da due elettrodi metallici in una soluzione conduttiva. Becquerel scoprì che la generazione di elettricità aumentava quando veniva esposta alla luce.

Più di tre decenni dopo, un ingegnere elettrico inglese di nome Willoughby Smith scoprì la fotoconduttività del selenio. Nel 1882 la prima cella solare fu creata dall’inventore di New York Charles Fritts, che rivestì il selenio con uno strato d’oro per sviluppare una cella con un tasso di conversione dell’energia di appena l’1–2%.

Non è stato fino agli anni ’50, tuttavia, che le celle solari al silicio sono state prodotte commercialmente. I fisici dei Bell Laboratories hanno determinato che il silicio è più efficiente del selenio. La cella creata dai Bell Labs è stata la prima cella solare in grado di convertire abbastanza energia solare in energia per far funzionare le apparecchiature elettriche di tutti i giorni, secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE).

Negli anni ’70, l’efficienza delle celle solari era aumentata e iniziarono ad essere utilizzate per alimentare luci di avvertimento e avvisatori acustici di navigazione su molte piattaforme petrolifere e petrolifere offshore, fari e segnali di passaggio a livello.

Le applicazioni solari domestiche hanno cominciato a essere viste come alternative sensate in località remote dove le opzioni connesse alla rete non erano convenienti.

Gli anni ’80 hanno visto progressi significativi nello sviluppo di progetti solari più efficienti e più potenti. Nel 1982, la prima centrale elettrica fotovoltaica su scala megawatt, sviluppata da ARCO Solar, è stata messa in funzione a Hesperia, in California.

Sempre nel 1982, il DOE iniziò a mettere in funzione Solar One, un progetto dimostrativo di un ricevitore centrale da 10 MW, il primo progetto a dimostrare la fattibilità della tecnologia delle torri di potenza.

Nel 1992, i ricercatori della University of South Florida hanno sviluppato una cella fotovoltaica a film sottile con un’efficienza del 15,9%, la prima a superare la barriera di efficienza del 15%. A metà degli anni 2000, i sistemi di energia solare residenziali erano disponibili per la vendita nei negozi di bricolage.






























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