Il gruppo composto da Nicola-Longis-Fey delle classi 1 e 2 mt presentano il progetto ideato da C. Soudaz per il giorno sabato 17 marzo 2007. Dopo che ai vari gruppi è stato assegnato il lavoro da svolgere ci siamo diretti nell’aula multimediale, dove abbiamo incominciato la ricerca sulle fonti di energia rinnovabile. Fonti di energia rinnovabili Energia idroelettrica Per energia idroelettrica si intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia cinetica e quindi, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, l'energia elettrica. L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata, attraverso condutture forzate, a valle trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata in serbatoi a monte durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità (notte) per utilizzarla nei momenti di bisogno (giorno). L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni) e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con enormi danni ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in Egitto. Energia idroelettrica in Italia È la principale risorsa alternativa alle fonti fossili usata in Italia. L'energia idroelettrica garantisce circa il 15% del fabbisogno energetico italiano. La sua importanza in passato fu molto più grande perché dagli inizi del XX secolo sino al primo dopoguerra l'energia idroelettrica rappresentava la stragrande maggioranza dell'energia prodotta in Italia arrivando anche a toccare punte di pochi punti percentuali sotto al 100% Energia mareomotrice L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in alcune zone del pianeta raggiungono i 20 metri di ampiezza verticale. Già nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione di "mulini a marea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino, che veniva in seguito chiuso con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso una ruota che muoveva una macina. Oggi esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree, che comportano metodi diversi di sfruttamento dell’energia: sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità; compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito alla sua espansione; movimento di ruote a pale; riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine. Questoultimo sembra dare i migliori risultati, nell'effettivo impiego. Il problema più importante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo sfasamento tra massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è prevedibile sulla base delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle ore di punta. Infatti nei giorni di insufficienza nell'afflusso d’acqua la produzione di elettricità cesserebbe. In Francia nei pressi di Saint-Malo esiste un grosso impianto di questo genere. Energia geotermica L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile. A volte si utilizza il termine geotermia (che in realtà indica la specialità della geofisica che studia il calore terrestre) per indicare lo sfruttamento dell'energia geotermica. Il calore della Terra è l'energia naturale che da sempre accompagna la storia dell'uomo fin dalle sue origini. La stessa vita biologica è probabilmente nata in particolari condizioni ambientali "tra acqua e fuoco". Le temperature del globo sono crescenti man mano che si scende in profondità, in media ogni 100 metri la temperatura delle rocce aumenta di +3 °C (quindi 30 °C al Km e 300 °C a 10 Km). Questo è valido però solo per quanto riguarda la crosta terrestre, nel resto del globo l'aumento di temperatura con la profondità (detto gradiente geotermico) è sensibilmente minore. Particolarmente nel mantello e nucleo esterno il gradiente geotermico segue un andamento di tipo adiabatico, e si attesta su valori medi rispettivamente di 0.3 °C/km e 0.8 °C/km. In alcune particolari zone si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è leggermente più alta della media, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia. La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento, le coltivazioni in serra e il termalismo. Le principali applicazioni del vapore naturale proveniente dal sottosuolo sono due: La produzione di energia elettrica tramite il classico metodo delle turbine. Il calore geotermico incanalato in un sistema di tubature utilizzato per attività locali di riscaldamento. Per alimentare la produzione del vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità, una tecnica utile per mantenere costante il flusso del vapore. In questo modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine e produrre calore con continuità. La geotermia resta comunque una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del riscaldamento geotermico. La geotermia è la fortuna energetica dell'Islanda. La grande isola del nord Atlantico basa l'intera sua esistenza sul naturale equilibrio tra la presenza di acqua calda in profondità e l'atmosfera esterna sotto zero. Il più grande complesso geotermico al mondo si trova in California a The Geysers (l'impianto ha un potenziale di 1400 MW, sufficiente a soddisfare le richieste energetiche dell'area metropolitana di San Francisco). Dall'inizio del novecento l'Italia sfrutta il calore della Terra per produrre energia elettrica tramite la realizzazione di centrali elettriche geotermiche capaci di sfruttare la forza del vapore. In Italia la produzione di energia elettrica dalla geotermia è fortemente concentrata in Toscana (Pisa, Siena e Grosseto). A Larderello si trova uno dei primi impianti geotermici al mondo: i primi esperimenti del Principe Piero Ginori-Conti risalgono al 1904). Gli impianti di Larderello (Pisa) hanno un'origine datata ben prima della metà dell'ottocento. I vapori provenienti dal sottosuolo erano una valida alternativa delle innovative macchine a vapore industriali dell'epoca ed avevano il pregio di non utilizzare il costoso carbone per alimentare le caldaie. Un vantaggio che non passò inosservato agli imprenditori toscani del primo ottocento. Una tradizione toscana che arriva fino ai nostri giorni e che pone la regione Toscana ai primi posti dello sfruttamento dell'energia rinnovabile dalla geotermia. Non è un caso che proprio a Larderello si trovi un "Museo dedicato al vapore". Il principio di funzionamento di una centrale geotermica è alquanto semplice per linee logiche. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo produce una forza tale da far muovere una turbina, l'energia meccanica della turbina viene infine trasformata in elettricità tramite un sistema alternatore. Dall'esperienza toscana si possono trarre alcune importanti conclusioni positive e negative sulla geotermia. La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche: Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall'acido solfidrico. Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una centrale geotermica. Il problema è, per fortuna, facilmente risolvibile mediante l'installazione di particolari filtri di abbattimento sui vapori in uscita. L'impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature anti-estetiche. Un'immagine che non dista comunque da quella di molti altri siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente risolto unendo l'approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di un'architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico. Per il resto la geotermia consente di trarre dalle forze naturali rinnovabili una grande quantità di energia rinnovabile e pulita. I "giacimenti naturali di vapore" in Toscana producono ogni anno oltre 4 miliardi di kilowattora di elettricità nelle sole centrali toscane di Larderello e di Montieri Energia solare Per energia solare si intende l'energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando direttamente l'energia irraggiata dal Sole verso la Terra. Ogni istante il Sole trasmette sull'orbita terrestre 1367 watt per m². Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera (e quindi i raggi arrivano spesso angolati) che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare sulla superficie terrestre mediato sulle 24 ore e sulle 4 stagioni è, alle latitudini europee di circa 200 watt/m². La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa mille volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile (principalmente in elettricità) con efficienze accettabili. Per il suo sfruttamento occorrono prodotti in genere di costo elevato che rendono l'energia solare notevolmente costosa rispetto ad altri metodi di generazione dell'energia. Lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l'uso dell'energia solare è un settore della ricerca molto attivo ma che, per adesso, non ha avuto risultati rivoluzionari. Risorse globali di energia solare. I colori sulla mappa indicano l'energia media che raggiunge la terra, in un periodo di tre anni dal 1991 al 1993 (24 ore al giorno, tenendo conto anche della copertura nuvolosa indicata dai satelliti meteorologici). La scala è in watt per metro quadrato. L'area necessaria per fornire l'energia equivalente alla richiesta primaria di energia attuale è indicata dai dischetti scuri. Pannello solare Questo sistema normalmente è composto da un pannello che riceve l'energia solare, da uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferirla al serbatoio utilizzato per immagazzinare l'energia accumulata. Il sistema può avere una circolazione naturale o forzata. Circolazione naturale Nel caso della circolazione naturale, per far circolare il fluido nel sistema, si sfrutta la convezione. Più economica nei costi di gestione in quanto non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa o rinnovo dell'anticongelante (di norma glicole etilenico), impone di porre il serbatoio ad un'altezza maggiore di quella dei pannelli, con maggiori costi per la realizzazione di adeguate strutture di sostegno dei serbatoi. La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, realizza uno scambio meno rapido e quindi meno efficace di energia termica con un minor rendimento complessivo. Inoltre, essendo il serbatoio posto all'esterno, vi è una elevata dissipazione termica del calore raccolto, per cui, cessata l'azione del sole, il contenuto si raffredda molto prima che negli impianti a circolazione forzata nei quali il serbatoio è all'interno dell'abitazione. Quindi un impianto a circolazione naturale è adatto a situazioni nelle quali vi è un uso ridotto alle ore diurne o ad alcuni periodi dell'anno, tipicamente nei mesi estivi. Circolazione forzata La circolazione forzata avviene con l'aiuto di pompe solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua contenuta nei serbatoi di accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo (termocoppia). In tali impianti ci sono meno vincoli per l'ubicazione dei serbatoi di accumulo. La maggiore velocità del fluido vettore permette un maggiore scambio termico e quindi il rendimento del pannello è leggermente superiore, anche perché si possono utilizzare proficuamente tecnologie e materiali il cui costo non sarebbe giustificato in un impianto a curcolazione naturale per i motivi sopra descritti. Normalmente, il circuito idraulico collegato al pannello è chiuso e separato da quello dell'acqua che riscalda, posizionando una serpentina nel serbatoio come scambiatore di calore. Le serpentine possono anche essere due nel caso si voglia anche preriscaldare il fluido dell'impianto di riscaldamento tramite l'acqua del serbatoio. Si può anche integrare una resistenza elettrica per riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle ore notturne)irradiazione solare Tipologie I pannelli solari si possono suddividere in alcune tipologie costruttive: piani non vetrati piani vetrati piani vetrati non selettivi piani vetrati selettivi sottovuoto Il collettore piano è il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 °C e i 90 °C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al Sole superfici piane. Un collettore piano è costituito da: Una lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore, in esso sono ricavati molti canali dove circola acqua o aria. Il Sole scalda la piastra, che a sua volta scalda l'acqua o l'aria. Isolante termico, che impedisce la dispersione di calore. I pannelli solari piani non vetrati hanno il vantaggio di essere poco costosi e di avere un ottimo rendimento in condizioni ottimali di irraggiamento quando la temperatura esterna è alta. A causa della mancanza dell'isolamento il loro rendimento diminuisce rapidamente all'allontanarsi dalle condizioni ottimali. Sono adatti perciò al solo uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di acqua calda sanitaria, sono spesso impiegati nel riscaldamento delle piscine. I pannelli solari vetrati hanno una struttura attorno all'assorbitore che ne limita le dispersioni sia per convezione con l'aria che per irraggiamento dato che il vetro che ricopre la parte superiore dell'assorbitore è progettato per questa funzione. Hanno un rendimento leggermente inferiore ai non vetrati in condizioni ottimali ma in condizioni meno favorevoli hanno un rendimento decisamente più alto arrivando a produrre acqua calda per uso sanitario circa dal marzo a ottobre. I Pannelli solari sottovuoto sono in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne. Il collettore solare maggiormente prodotto è costituito da una serie di tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine, saldati all'estremità, al cui interno è provocato il vuoto. L'intercapedine interna è resa selettiva per l'assorbimento della radiazione elettromagnetica solare per mezzo di una verniciatura metallica speciale multistrato, creata utilizzando prodotti completamente riciclabili, denominata CERMET (CERamico-METallica). Laminato riflettente a bassa iridescenza (normative EN 573/3 - EN 485/2 - EN 485/4 e test standard per ossidazione anodica DIN 50943) appositamente realizzato per riflettere con percentuale superiori al 90% della luce totale, sfruttando il sistema CPC (Compound Parabolici Concentratori). Grazie a queste caratteristiche il campo di applicazioni risulta molto eterogeneo (produzione acqua sanitaria, integrazione agli impianti di riscaldamento, riscaldamento piscine ed altro). Utilizzi I pannelli solari possono essere utilizzati per fornire acqua calda e riscaldamento o per generare energia elettrica. Nel primo caso il serbatoio provvede a immagazzinare l'acqua domestica che viene messa a contatto con il fluido tramite una serpentina. La serpentina consente al fluido di trasferire all'acqua l'energia immagazzinata senza contaminare l'acqua. Questa acqua può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni o può essere utilizzata per riscaldare gli ambienti. I pannelli solari sono in grado di fornire acqua calda e riscaldamento in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare. Il secondo utilizzo prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante. Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progetta ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia. Questi esperimenti non hanno avuto molto successo per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza elettrica generata. Considerazioni economiche In Italia un impianto in base all'ubicazione e all'utilizzo, si ammorta nel giro di 3-8 anni e poiché la durata minima di questi impianti è di 15-20 anni ne consegue che è un buon investimento a medio termine, escludendo eventuali sgravi fiscali o altre forme di agevolazione che rendano l'ammortamento più rapido. Considerazioni ecologiche L'utilizzo dei pannelli solari ha come diretta conseguenza il risparmio di idrocarburi e di energia elettrica che per l'80% in Italia deriva dagli idrocarburi. I benefici sono molteplici: mancata emissione di CO2 minore necessità di infrastrutture per il trasporto dell'energia da grandi distanze mancata emissione di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10 indirettamente la diminuzione dei disastri ambientali mancata immissione nell'ambiente di calore Integrazione nell'impianto idraulico L'integrazione di un pannello solare in un impianto idraulico per la produzione di acqua calda sanitaria avviene solitamente secondo il seguente schema. Il tubo di uscita del serbatoio è collegato a poca distanza ad una valvola termostatica che si occupa di miscelare l'acqua calda dell'accumulo con l'acqua fredda dell'impianto mantenendo in uscita acqua a temperatura costante (40-50 °C). Tale valvola è necessaria per tre motivi: 1. pericolo di ustioni; 2. dispersione di calore nelle tubature data l'elevata temperatura (per questo motivo la valvola non dovrebbe essere posta troppo distante dall'accumulo); 3. danneggiamento di una eventuale caldaia posta in serie al pannello solare. L'uscita della valvola termostatica è poi collegata ad una valvola deviatrice detta anche valvola a tre vie. Questa valvola ha un ingresso e due possibili uscite. A seconda della temperatura di ingresso si attiva l'una o l'altra uscita, ma mai contemporaneamente. Si adotta questa soluzione per far in modo che quando la temperatura è di circa 40 °C o superiore l'acqua venga direttamente immessa nel circuito dell'acqua calda sanitaria; in caso contrario viene inviata all'ingresso di una caldaia istantanea che la scalda fino alla temperatura desiderata prima di essere immessa nel circuito. La suddetta valvola deviatrice può essere azionata manualmente (valvola manuale) (periodo invernale, lunghi periodi di scarso irraggiamento, ecc...) oppure può essere controllata meccanicamente da un piccolo motore azionato da un sensore di temperatura (solitamente una termocoppia) posto all'interno dell'accumulo (valvola elettronica). Questa seconda possibilità è chiaramente da preferirsi. Da notare che la caldaia per la produzione di acqua calda, da mettere in serie al pannello, deve essere di tipo istantaneo, cioè senza accumulo. Inoltre la regolazione della fiamma e la sua accensione devono essere pilotate da un sensore di temperatura. (Questa seconda condizione è soddisfatta praticamente da tutte le moderne caldaie)
Fonti di energia rinnovabile 1
Il gruppo composto da Nicola-Longis-Fey delle classi 1 e 2 mt presentano il progetto ideato da C. Soudaz per il giorno sabato 17 marzo 2007. Dopo che ai vari gruppi è stato assegnato il lavoro da svolgere ci siamo diretti nell’aula multimediale, dove abbiamo incominciato la ricerca sulle fonti di energia rinnovabile. Fonti di energia rinnovabili Energia idroelettrica Per energia idroelettrica si intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia cinetica e quindi, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, l'energia elettrica. L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata, attraverso condutture forzate, a valle trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata in serbatoi a monte durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità (notte) per utilizzarla nei momenti di bisogno (giorno). L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni) e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con enormi danni ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in Egitto. Energia idroelettrica in Italia È la principale risorsa alternativa alle fonti fossili usata in Italia. L'energia idroelettrica garantisce circa il 15% del fabbisogno energetico italiano. La sua importanza in passato fu molto più grande perché dagli inizi del XX secolo sino al primo dopoguerra l'energia idroelettrica rappresentava la stragrande maggioranza dell'energia prodotta in Italia arrivando anche a toccare punte di pochi punti percentuali sotto al 100% Energia mareomotrice L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in alcune zone del pianeta raggiungono i 20 metri di ampiezza verticale. Già nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione di "mulini a marea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino, che veniva in seguito chiuso con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso una ruota che muoveva una macina. Oggi esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree, che comportano metodi diversi di sfruttamento dell’energia: sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità; compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito alla sua espansione; movimento di ruote a pale; riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine. Questoultimo sembra dare i migliori risultati, nell'effettivo impiego. Il problema più importante allo sviluppo di tale tecnologia resta comunque lo sfasamento tra massima ampiezza di marea disponibile (la cui cadenza è prevedibile sulla base delle fasi lunari e solari) e domanda di energia nelle ore di punta. Infatti nei giorni di insufficienza nell'afflusso d’acqua la produzione di elettricità cesserebbe. In Francia nei pressi di Saint-Malo esiste un grosso impianto di questo genere. Energia geotermica L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile. A volte si utilizza il termine geotermia (che in realtà indica la specialità della geofisica che studia il calore terrestre) per indicare lo sfruttamento dell'energia geotermica. Il calore della Terra è l'energia naturale che da sempre accompagna la storia dell'uomo fin dalle sue origini. La stessa vita biologica è probabilmente nata in particolari condizioni ambientali "tra acqua e fuoco". Le temperature del globo sono crescenti man mano che si scende in profondità, in media ogni 100 metri la temperatura delle rocce aumenta di +3 °C (quindi 30 °C al Km e 300 °C a 10 Km). Questo è valido però solo per quanto riguarda la crosta terrestre, nel resto del globo l'aumento di temperatura con la profondità (detto gradiente geotermico) è sensibilmente minore. Particolarmente nel mantello e nucleo esterno il gradiente geotermico segue un andamento di tipo adiabatico, e si attesta su valori medi rispettivamente di 0.3 °C/km e 0.8 °C/km. In alcune particolari zone si possono presentare condizioni in cui la temperatura del sottosuolo è leggermente più alta della media, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia. La geotermia consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento, le coltivazioni in serra e il termalismo. Le principali applicazioni del vapore naturale proveniente dal sottosuolo sono due: La produzione di energia elettrica tramite il classico metodo delle turbine. Il calore geotermico incanalato in un sistema di tubature utilizzato per attività locali di riscaldamento. Per alimentare la produzione del vapore acqueo si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità, una tecnica utile per mantenere costante il flusso del vapore. In questo modo si riesce a far lavorare a pieno regime le turbine e produrre calore con continuità. La geotermia resta comunque una fonte energetica marginale da utilizzare solo in limitati contesti territoriali. Resta in ogni caso una potenzialità energetica da sfruttare laddove possibile, anche sfruttando le potenzialità del riscaldamento geotermico. La geotermia è la fortuna energetica dell'Islanda. La grande isola del nord Atlantico basa l'intera sua esistenza sul naturale equilibrio tra la presenza di acqua calda in profondità e l'atmosfera esterna sotto zero. Il più grande complesso geotermico al mondo si trova in California a The Geysers (l'impianto ha un potenziale di 1400 MW, sufficiente a soddisfare le richieste energetiche dell'area metropolitana di San Francisco). Dall'inizio del novecento l'Italia sfrutta il calore della Terra per produrre energia elettrica tramite la realizzazione di centrali elettriche geotermiche capaci di sfruttare la forza del vapore. In Italia la produzione di energia elettrica dalla geotermia è fortemente concentrata in Toscana (Pisa, Siena e Grosseto). A Larderello si trova uno dei primi impianti geotermici al mondo: i primi esperimenti del Principe Piero Ginori-Conti risalgono al 1904). Gli impianti di Larderello (Pisa) hanno un'origine datata ben prima della metà dell'ottocento. I vapori provenienti dal sottosuolo erano una valida alternativa delle innovative macchine a vapore industriali dell'epoca ed avevano il pregio di non utilizzare il costoso carbone per alimentare le caldaie. Un vantaggio che non passò inosservato agli imprenditori toscani del primo ottocento. Una tradizione toscana che arriva fino ai nostri giorni e che pone la regione Toscana ai primi posti dello sfruttamento dell'energia rinnovabile dalla geotermia. Non è un caso che proprio a Larderello si trovi un "Museo dedicato al vapore". Il principio di funzionamento di una centrale geotermica è alquanto semplice per linee logiche. Il flusso di vapore proveniente dal sottosuolo produce una forza tale da far muovere una turbina, l'energia meccanica della turbina viene infine trasformata in elettricità tramite un sistema alternatore. Dall'esperienza toscana si possono trarre alcune importanti conclusioni positive e negative sulla geotermia. La fonte geotermica riceve in particolar modo due critiche: Dalle centrali geotermiche fuoriesce insieme al vapore anche il tipico odore sgradevole di uova marce delle zone termali causato dall'acido solfidrico. Un problema generalmente tollerato nel caso dei siti termali ma particolarmente avverso alla popolazione residente nei pressi di una centrale geotermica. Il problema è, per fortuna, facilmente risolvibile mediante l'installazione di particolari filtri di abbattimento sui vapori in uscita. L'impatto esteriore delle centrali geotermiche può recare qualche problema paesaggistico. La centrale si presenta, infatti, come un groviglio di tubature anti-estetiche. Un'immagine che non dista comunque da quella di molti altri siti industriali o fabbriche. Il problema paesaggistico può essere facilmente risolto unendo l'approccio funzionale dei progetti ingegneristici con quello di un'architettura rispettosa del paesaggio e del comune senso estetico. Per il resto la geotermia consente di trarre dalle forze naturali rinnovabili una grande quantità di energia rinnovabile e pulita. I "giacimenti naturali di vapore" in Toscana producono ogni anno oltre 4 miliardi di kilowattora di elettricità nelle sole centrali toscane di Larderello e di Montieri Energia solare Per energia solare si intende l'energia, termica o elettrica, prodotta sfruttando direttamente l'energia irraggiata dal Sole verso la Terra. Ogni istante il Sole trasmette sull'orbita terrestre 1367 watt per m². Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera (e quindi i raggi arrivano spesso angolati) che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare sulla superficie terrestre mediato sulle 24 ore e sulle 4 stagioni è, alle latitudini europee di circa 200 watt/m². La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa mille volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile (principalmente in elettricità) con efficienze accettabili. Per il suo sfruttamento occorrono prodotti in genere di costo elevato che rendono l'energia solare notevolmente costosa rispetto ad altri metodi di generazione dell'energia. Lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l'uso dell'energia solare è un settore della ricerca molto attivo ma che, per adesso, non ha avuto risultati rivoluzionari. Risorse globali di energia solare. I colori sulla mappa indicano l'energia media che raggiunge la terra, in un periodo di tre anni dal 1991 al 1993 (24 ore al giorno, tenendo conto anche della copertura nuvolosa indicata dai satelliti meteorologici). La scala è in watt per metro quadrato. L'area necessaria per fornire l'energia equivalente alla richiesta primaria di energia attuale è indicata dai dischetti scuri. Pannello solare Questo sistema normalmente è composto da un pannello che riceve l'energia solare, da uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferirla al serbatoio utilizzato per immagazzinare l'energia accumulata. Il sistema può avere una circolazione naturale o forzata. Circolazione naturale Nel caso della circolazione naturale, per far circolare il fluido nel sistema, si sfrutta la convezione. Più economica nei costi di gestione in quanto non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa o rinnovo dell'anticongelante (di norma glicole etilenico), impone di porre il serbatoio ad un'altezza maggiore di quella dei pannelli, con maggiori costi per la realizzazione di adeguate strutture di sostegno dei serbatoi. La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, realizza uno scambio meno rapido e quindi meno efficace di energia termica con un minor rendimento complessivo. Inoltre, essendo il serbatoio posto all'esterno, vi è una elevata dissipazione termica del calore raccolto, per cui, cessata l'azione del sole, il contenuto si raffredda molto prima che negli impianti a circolazione forzata nei quali il serbatoio è all'interno dell'abitazione. Quindi un impianto a circolazione naturale è adatto a situazioni nelle quali vi è un uso ridotto alle ore diurne o ad alcuni periodi dell'anno, tipicamente nei mesi estivi. Circolazione forzata La circolazione forzata avviene con l'aiuto di pompe solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua contenuta nei serbatoi di accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo (termocoppia). In tali impianti ci sono meno vincoli per l'ubicazione dei serbatoi di accumulo. La maggiore velocità del fluido vettore permette un maggiore scambio termico e quindi il rendimento del pannello è leggermente superiore, anche perché si possono utilizzare proficuamente tecnologie e materiali il cui costo non sarebbe giustificato in un impianto a curcolazione naturale per i motivi sopra descritti. Normalmente, il circuito idraulico collegato al pannello è chiuso e separato da quello dell'acqua che riscalda, posizionando una serpentina nel serbatoio come scambiatore di calore. Le serpentine possono anche essere due nel caso si voglia anche preriscaldare il fluido dell'impianto di riscaldamento tramite l'acqua del serbatoio. Si può anche integrare una resistenza elettrica per riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle ore notturne)irradiazione solare Tipologie I pannelli solari si possono suddividere in alcune tipologie costruttive: piani non vetrati piani vetrati piani vetrati non selettivi piani vetrati selettivi sottovuoto Il collettore piano è il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 °C e i 90 °C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al Sole superfici piane. Un collettore piano è costituito da: Una lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore, in esso sono ricavati molti canali dove circola acqua o aria. Il Sole scalda la piastra, che a sua volta scalda l'acqua o l'aria. Isolante termico, che impedisce la dispersione di calore. I pannelli solari piani non vetrati hanno il vantaggio di essere poco costosi e di avere un ottimo rendimento in condizioni ottimali di irraggiamento quando la temperatura esterna è alta. A causa della mancanza dell'isolamento il loro rendimento diminuisce rapidamente all'allontanarsi dalle condizioni ottimali. Sono adatti perciò al solo uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di acqua calda sanitaria, sono spesso impiegati nel riscaldamento delle piscine. I pannelli solari vetrati hanno una struttura attorno all'assorbitore che ne limita le dispersioni sia per convezione con l'aria che per irraggiamento dato che il vetro che ricopre la parte superiore dell'assorbitore è progettato per questa funzione. Hanno un rendimento leggermente inferiore ai non vetrati in condizioni ottimali ma in condizioni meno favorevoli hanno un rendimento decisamente più alto arrivando a produrre acqua calda per uso sanitario circa dal marzo a ottobre. I Pannelli solari sottovuoto sono in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne. Il collettore solare maggiormente prodotto è costituito da una serie di tubi in vetro borosilicato a doppia intercapedine, saldati all'estremità, al cui interno è provocato il vuoto. L'intercapedine interna è resa selettiva per l'assorbimento della radiazione elettromagnetica solare per mezzo di una verniciatura metallica speciale multistrato, creata utilizzando prodotti completamente riciclabili, denominata CERMET (CERamico-METallica). Laminato riflettente a bassa iridescenza (normative EN 573/3 - EN 485/2 - EN 485/4 e test standard per ossidazione anodica DIN 50943) appositamente realizzato per riflettere con percentuale superiori al 90% della luce totale, sfruttando il sistema CPC (Compound Parabolici Concentratori). Grazie a queste caratteristiche il campo di applicazioni risulta molto eterogeneo (produzione acqua sanitaria, integrazione agli impianti di riscaldamento, riscaldamento piscine ed altro). Utilizzi I pannelli solari possono essere utilizzati per fornire acqua calda e riscaldamento o per generare energia elettrica. Nel primo caso il serbatoio provvede a immagazzinare l'acqua domestica che viene messa a contatto con il fluido tramite una serpentina. La serpentina consente al fluido di trasferire all'acqua l'energia immagazzinata senza contaminare l'acqua. Questa acqua può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni o può essere utilizzata per riscaldare gli ambienti. I pannelli solari sono in grado di fornire acqua calda e riscaldamento in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare. Il secondo utilizzo prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante. Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progetta ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia. Questi esperimenti non hanno avuto molto successo per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza elettrica generata. Considerazioni economiche In Italia un impianto in base all'ubicazione e all'utilizzo, si ammorta nel giro di 3-8 anni e poiché la durata minima di questi impianti è di 15-20 anni ne consegue che è un buon investimento a medio termine, escludendo eventuali sgravi fiscali o altre forme di agevolazione che rendano l'ammortamento più rapido. Considerazioni ecologiche L'utilizzo dei pannelli solari ha come diretta conseguenza il risparmio di idrocarburi e di energia elettrica che per l'80% in Italia deriva dagli idrocarburi. I benefici sono molteplici: mancata emissione di CO2 minore necessità di infrastrutture per il trasporto dell'energia da grandi distanze mancata emissione di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10 indirettamente la diminuzione dei disastri ambientali mancata immissione nell'ambiente di calore Integrazione nell'impianto idraulico L'integrazione di un pannello solare in un impianto idraulico per la produzione di acqua calda sanitaria avviene solitamente secondo il seguente schema. Il tubo di uscita del serbatoio è collegato a poca distanza ad una valvola termostatica che si occupa di miscelare l'acqua calda dell'accumulo con l'acqua fredda dell'impianto mantenendo in uscita acqua a temperatura costante (40-50 °C). Tale valvola è necessaria per tre motivi: 1. pericolo di ustioni; 2. dispersione di calore nelle tubature data l'elevata temperatura (per questo motivo la valvola non dovrebbe essere posta troppo distante dall'accumulo); 3. danneggiamento di una eventuale caldaia posta in serie al pannello solare. L'uscita della valvola termostatica è poi collegata ad una valvola deviatrice detta anche valvola a tre vie. Questa valvola ha un ingresso e due possibili uscite. A seconda della temperatura di ingresso si attiva l'una o l'altra uscita, ma mai contemporaneamente. Si adotta questa soluzione per far in modo che quando la temperatura è di circa 40 °C o superiore l'acqua venga direttamente immessa nel circuito dell'acqua calda sanitaria; in caso contrario viene inviata all'ingresso di una caldaia istantanea che la scalda fino alla temperatura desiderata prima di essere immessa nel circuito. La suddetta valvola deviatrice può essere azionata manualmente (valvola manuale) (periodo invernale, lunghi periodi di scarso irraggiamento, ecc...) oppure può essere controllata meccanicamente da un piccolo motore azionato da un sensore di temperatura (solitamente una termocoppia) posto all'interno dell'accumulo (valvola elettronica). Questa seconda possibilità è chiaramente da preferirsi. Da notare che la caldaia per la produzione di acqua calda, da mettere in serie al pannello, deve essere di tipo istantaneo, cioè senza accumulo. Inoltre la regolazione della fiamma e la sua accensione devono essere pilotate da un sensore di temperatura. (Questa seconda condizione è soddisfatta praticamente da tutte le moderne caldaie)