Le scelte energetiche

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1 Le scelte energetiche Il costo energetico incide sempre più nei bilanci delle aziende ristorative, per cui la scelta delle attrezzature non può più essere considerata solo in funzione delle caratteristiche di produzione e funzionalità, ma anche in rapporto al consumo energetico. Pure un utilizzazione razionale delle attrezzature diventa un imperativo da rispettare: se un tempo all entrata in cucina una delle prime operazioni che si compivano era accendere forni e piastre perché nella mattinata potrebbero servire, oggi (grazie anche ai brevi tempi di messa a regime) un attrezzatura viene accesa solo pochi minuti prima dell uso e spenta subito dopo avere terminato l impiego. Senza volere addentrarsi nel complesso mondo della fisica applicata, si vuole fornire una visione generale dell argomento che possa essere d aiuto nel compiere le scelte idonee. Generalità sull energia L energia nella ristorazione svolge le seguenti funzioni: illuminazione; riscaldamento; raffreddamento; movimentazione. Per quantificare l energia utilizzata è necessario conoscere le unità di misure ed il loro significato. L unità d energia è il joule (J) che corrisponde all energia necessaria per spostare di un metro nella stessa direzione un oggetto di 100 grammi (equivalente a 1 newton). Ad esempio, per sollevare di 40 metri un oggetto di 3 chili occorrono 1200 joule o 1,2 kj 40 x 30 N = 1200 J Per certe misurazioni è ancora in uso l unità caloria, cioè il calore necessario per portare 1 grammo di acqua da 15 C a 16 C. La corrispondenza tra calorie e joule è la seguente: 1 caloria = 4,186 J 1 kcal = 4,186 kj Potenza Per certe misurazioni di energia elettrica, in particolare per la potenza, si utilizza il watt (W) o il chilowatt (kw), che equivalgono al J e al kj moltiplicati per 3600, poiché esprimono l energia trasferita in rapporto alla durata (il numero 3600 corrisponde ai secondi contenuti in un ora): 1 kw = 3600 kj Il kw esprime dunque l unità di misura della potenza sviluppata per effettuare l operazione: Potenza = energia durata Si consideri l esempio precedente (oggetto di kg 3 da sollevare di 40 metri). Appurato il consumo di energia per il compimento dell operazione (1200 J), si determina la potenza necessaria in base al tempo con cui si vuole effettuare lo spostamento: 1. se si ipotizza un tempo di 1 minuto (= 60 secondi) occorre una potenza di 20 W (1200 J : 60 s = 20 W); 2. se si ipotizza un tempo di 12 secondi occorre una potenza di 100 W (1200 J: 12 s = 100 W). Consumi energetici orari Nei calcoli che implicano i consumi energetici si mette in relazione la potenza dell apparecchio per la durata di funzionamento e si ottiene il consumo in chilowattora (kwh), l unità usata nelle tariffe energetiche: energia = potenza x durata di funzionamento, cioè: kwh = kw x h

2 Esempio: un forno di potenza 16 kw se rimane acceso 15 minuti (con le resistenze sempre attive) consuma 4 kwh (16 kwh x 0,25 h = 4 kwh). Rendimento termico Un altro concetto importante è quello del rendimento energetico. L uso dell energia elettrica può comportare delle trasformazioni volontarie in altri tipi di energia (es.: trasformazione in energia meccanica, chimica, termica), ma comporta anche delle trasformazioni involontarie che determinano una perdita netta di energia. Se ad esempio si trasforma dell energia elettrica in energia meccanica per muovere un macchinario, inevitabilmente si ottiene anche energia termica determinata da sfregamenti, resistenze: quest ultima forma di energia in genere non viene utilizzata, si perde. Il rendimento energetico misura il rapporto tra l energia utile (nell esempio la meccanica) e l energia consumata. Più il rendimento è alto, meglio è utilizzata l energia. Rendimento = energia utile energia consumata Esempio: un forno a microonde di potenza nominale 1500 W e di potenza reale 720 W ha un rendimento di 0,48 o del 48% (720 W : 1500 W = 0,48). Energia termica L energia termica è definita anche calore ed ha come unità di misura la caloria. Una somministrazione o una sottrazione di calore ha per effetto un innalzamento o un abbassamento della temperatura nell oggetto, che rappresenta il livello dell energia termica del sistema. I sistemi di misura della temperatura sono la scala Celsius ( C), comunemente utilizzata, e la scala Kelvin (K), l unità di misura internazionale. La scala Celsius utilizza due punti di riferimento facilmente misurabili: la temperatura di fusione del ghiaccio (0 C) e il punto di ebollizione dell acqua (100 C). La scala Kelvin parte dal limite minimo esistente della temperatura, 0 K, che corrisponde a -273 C; i gradi seguono poi la stessa successione di quelli Celsius, pertanto la temperatura di fusione del ghiaccio è di 273 K, mentre quella di ebollizione dell acqua è di 373 K. Trasmissione del calore Il trasferimento di energia da una sorgente di calore ad un altro mezzo può avvenire con differenti modi di trasmissione: trasmissione per conduzione; trasmissione per convezione; trasmissione per irraggiamento. Sono rari i casi in cui si attivi uno solo dei tre meccanismi: molte volte si hanno combinazioni delle diverse modalità, anche se in genere una prende il sopravvento sulle altre. Conduzione o trasmissione per contatto diretto Quando un corpo caldo viene a contatto diretto con un corpo più freddo, avviene un trasferimento di energia termica tramite conduzione. È un riscaldamento da molecola a molecola tipico dei corpi solidi, senza l ausilio di mezzi liquidi o gassosi: semplicemente il calore si propaga dal solido a temperatura più elevata al solido a temperatura più bassa. Un lato del materiale è portato ad alta temperatura; aumenta l agitazione delle particelle molecolari, le quali trasmettono il calore in ogni direzione innalzando la temperatura di tutti i punti interessati all agitazione. Secondo la capacità del mezzo di trasmettere calore, si possono classificare i materiali in buoni conduttori termici ed isolanti termici. Materiali buoni conduttori sono (tra parentesi i valori) rame (392), alluminio (225), stagno (67), ferro (60). Gli isolanti termici più efficaci sono aria statica (0,023), poliuretano espanso (0,029), polistirolo espanso (0,039), lana di vetro (0,040), legno (0,150). Tali dati aiutano nella scelta dei materiali di cottura e dei materiali isolanti. Convezione o trasmissione mediante fluidi La trasmissione del calore avviene per convezione quando si ha uno spostamento molecolare di fluidi liquidi (acqua, olio) o fluidi gassosi (vapore, aria): le molecole assorbono energia termica e tendono a spostarsi verso l alto perché occupano meno spazio, poi raffreddandosi tornano verso il basso. Nella convezione si riscontra perciò il fenomeno della conduzione combinato con il mescolamento molecolare di un fluido che si propaga e si distribuisce in tutta la zona circostante.

3 I fluidi liquidi o in stato di vapore hanno un coefficiente di trasmissione del calore fino a 1000 volte superiore rispetto all aria: questo ha determinato la rapida espansione dei forni trivalenti in cucina. Irraggiamento o trasmissione mediante onde La propagazione del calore avviene senza che vi sia un contatto fisico tra la sorgente di calore e il corpo riscaldato: atomi e molecole assorbono energia ed emettono radiazioni sotto forma di onde elettromagnetiche che attraversano lo spazio e raggiungono l oggetto. L esempio tipico è quello dei raggi solari che attraversano lo spazio e riscaldano la terra. Tutti i corpi riscaldati emettono un irraggiamento a infrarossi invisibile agli occhi. La trasmissione del calore per irraggiamento è particolarmente lenta e dà un basso rendimento termico. Alcune attrezzature in uso in cucina sono il forno statico, il forno a raggi infrarossi, la salamandra. La cottura a microonde è una cottura per irraggiamento, ma le onde emesse non sono termiche come nei casi precedenti: l energia liberata dalle onde elettromagnetiche fa vibrare le molecole dell acqua contenute negli alimenti che si riscaldano per sfregamento. Cambiamento di stato La materia può assumere tre differenti stati fisici: solido, liquido, vapore. Il cambiamento di stato di una sostanza a pressione atmosferica ha valori costanti: ad esempio l acqua bolle (e vaporizza) a 100 C, l alcol etilico a 78 C, l azoto liquido a -196 C. Ciò permette di quantificare con precisione l energia necessaria per compiere il cambiamento di stato. Ad esempio, per portare un litro di acqua da 20 C a 100 C occorrono minimo 80 kcal (tale quota di calore si chiama calore sensibile), per fare poi vaporizzare completamente l acqua occorrono almeno 539 kcal (tale quota di calore si chiama calore latente). Conoscere questi dati è importante soprattutto per chi dirige grandi centri di produzione pasti, dove i margini percentuali di guadagno non sono elevati ed un razionale uso dei mezzi energetici può fare risparmiare svariati milioni. Si consideri come è radicata l abitudine di fare bollire a fiamma viva pentole d acqua o quant altro: è una pratica sbagliata (a meno che non si voglia fare restringere rapidamente il liquido), perché l acqua ad ebollizione appena accennata o ad ebollizione tumultuosa è costantemente alla temperatura di 100 C. Energia elettrica La corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche (elettroni) che si sposta da un punto ad un determinato potenziale ad un punto con potenziale diverso, in un materiale conduttore (metalli, acqua e soluzioni acquose). Il flusso invece non passa nei materiali isolanti (plastica, vetro, ceramica, cuoio secco). Il numero di cariche elettriche che attraversano nell unità di tempo una sezione di materiale conduttore si chiama intensità di corrente e si misura in Ampere (A). Il flusso di cariche elettriche è determinato da una differenza di potenziale chiamata tensione e si misura in volt (V). Il passaggio della corrente in un conduttore dà origine ad una dissipazione di energia termica (effetto joule) dovuta al fluire stesso della corrente. Questa dissipazione è chiamata potenza elettrica. Le applicazioni di questo effetto sono numerose: apparecchi di riscaldamento elettrici, di cottura, di illuminazione ad incandescenza. La corrente può essere: continua ( ), se l intensità non varia nel tempo, come nelle pile e nelle batterie; alternata (~), se l intensità varia un certo numero di volte nel tempo. Il numero di variazioni al secondo determina la frequenza che si misura in hertz (Hz): la corrente distribuita in Italia e in Europa è a 50 Hz, cioè 50 variazioni al secondo. La rete elettrica fornisce la tensione a 220 V alternati per uso domestico e a 380 V alternati per uso industriale. L erogazione di tensione si divide in: monofase, di norma a 220 V, distribuita attraverso due conduttori (fili), uno chiamato di fase (a potenziale 220 V) e uno chiamato di neutro (a potenziale 0 V); trifase, di norma a 380 V, distribuita attraverso quattro conduttori, tre chiamati di fase (R, S, T) e uno chiamato di neutro (N). Dispositivi di sicurezza Il corpo umano è un buon conduttore: venendo a contatto con un conduttore non isolato (es.: filo scoperto) o comunque con una differenza di potenziale, si crea un flusso di corrente attraverso il corpo che può comportare conseguenze gravissime (da ustioni più o meno gravi fino alla morte). Per tale motivo la manutenzione degli impianti e degli apparati elettrici è riservata a personale esperto e qualificato.

4 Considerata la pericolosità dell elettricità l impianto elettrico è dotato di dispositivi di sicurezza: la presa di terra: filo di colore giallo-verde che collega a terra tutte le masse degli apparecchi elettrici, cioè tutte le parti metalliche di un apparecchio o di strutture metalliche che accidentalmente possono andare sotto tensione (es.: cutter, forni, friggitrici, lavelli d acciaio); il salvavita: è un apparecchio di protezione che interviene quando si crea una corrente accidentale verso terra interrompendo l alimentazione generale; la sezione dei fili elettrici: dovrà essere tanto più larga tanto maggiore sarà la potenza dell apparecchiatura da alimentare. Ad esempio, per carichi fino a 3 kw (220 V) 2,5 mm² di sezione, per carichi fino a 4 kw (220 V) 4 mm² di sezione; la presa protetta: dotata di bloccaggio della spina durante il funzionamento (con l interruttore in posizione 1 la spina non può essere sfilata). Per la tensione a 220 V la presa è di colore blu, mentre per la tensione a 380 V la presa è di colore rosso; i fusibili: sono dispositivi posti sui conduttori di alimentazione degli apparecchi elettrici tarati sui valori massimi di corrente che possono circolare all interno degli apparecchi stessi. Qualora la corrente in circolazione superi il valore di taratura del fusibile, esso fonde bloccando il passaggio di corrente. I fusibili possono essere posizionati nelle prese protette, nelle apparecchiature elettriche e nei quadri di distribuzione; l interruttore automatico: di norma posizionato nei quadri di distribuzione, protegge da sovraccarichi e corto-circuiti. Utilizzazione dell elettricità Ad eccezione dell impianto di riscaldamento e di parte degli apparecchi di cottura, l energia elettrica alimenta la quasi totalità delle altre attrezzature: impianti frigoriferi, di ventilazione e di illuminazione, apparecchiature meccaniche e di lavaggio, alcuni forni, piastre e salamandre. I vantaggi di questa forma di energia sono molteplici: è un energia pulita, non è tossica, non origina odori sgradevoli, non viene stoccata, arriva ovunque. Gli unici inconvenienti riguardano il prezzo assai elevato e il rischio di incidenti. Proprio per l alto costo al kwh il consumo di energia elettrica deve essere controllato con grande sistematicità sia nella scelta dell attrezzatura, sia durante l uso: una piastra di cottura può arrivare a 20 kwh, un forno a convezione elettrico consuma circa 15 kwh. Energia dei combustibili I combustibili sono materiali che, reagendo con un comburente (l ossigeno dell aria), si infiammano e provocano una forte liberazione di calore. Se il comburente è presente in giusta quantità si otterrà una combustione completa, se invece l ossigeno è in quantità insufficiente si otterrà una combustione incompleta, con formazione di una sostanza tossica, il monossido di carbonio. Caratteristica di ogni combustibile è il potere calorifico, che rappresenta la quantità di calore liberata dalla combustione completa dell unità di combustibile. I combustibili più importanti sono materiali organici ricchi di carbonio: prezzo, facilità di approvvigionamento e stoccaggio, potere calorifico sono alcune delle caratteristiche da valutare nella scelta dei combustibili e nella definizione delle attrezzature da acquistare, insieme al rendimento degli apparecchi. Ma è necessario fare anche uno studio approfondito in merito a possibilità di approvvigionamento, distribuzione, comodità d uso, costi delle materie prime, sicurezza degli impianti e normative vigenti. Come negli investimenti finanziari, anche in questo campo la prima delle regole è la diversificazione per minimizzare i rischi. Se per un dato motivo viene improvvisamente meno una fonte energetica, con attrezzature ad alimentazione differenziata si riuscirà almeno in parte a far fronte alla situazione. È utile pertanto avere la maggior parte delle attrezzature riscaldanti funzionanti con un combustibile, ma averne qualcuna, come ad esempio un forno e una piastra, funzionante ad elettricità. Alcuni combustibili Il carbone è usato ormai esclusivamente per le cotture alla griglia: è un combustibile costoso, che implica difficoltà di trasporto, necessità di stoccaggio, sporcizia nell uso. La legna è utilizzata solamente per forni per pizza e come riscaldamento in alcuni locali di montagna: ha un prezzo molto vantaggioso, ma oltre alle difficoltà già considerate per il carbone, può capitare che la legna sia invasa da roditori ed altri piccoli animali. Il gasolio è stato uno dei combustibili più utilizzati fino circa 20 anni fa. La crisi energetica, il forte aumento di prezzo e la sensibilizzazione al problema inquinamento ne hanno ridotto fortemente l uso. Richiede un trasporto mediante camion-cisterne con le relative incognite che si propongono (costi aggiuntivi, disponibilità, scioperi imprevisti); lo stoccaggio avviene in cisterne poste all interno o all esterno dell edificio, possibilmente

5 in zona non troppo fredda, perché il gasolio a -3 C inizia a gelare. Una serie di circolari ministeriali regolamenta nei dettagli le norme di sicurezza da seguire per gli impianti di potenzialità superiore alle kcal/h riguardanti l ubicazione e le caratteristiche di serbatoi e caldaie, la presenza delle porte tagliafuoco, i dispositivi di sicurezza ecc. Il gas di città (metano) arriva direttamente ai locali dalla rete pubblica, ma ancora oggi non tutte le zone d Italia sono servite. È un combustibile dal costo basso, che non richiede stoccaggio e che non è tossico. Il pericolo maggiore consiste nel rischio d esplosione che può avvenire in presenza simultanea della giusta quantità di metano ed aria nel momento in cui scocca una scintilla (es.: perdita di gas in un ambiente chiuso seguito da un contatto elettrico). Anche per il gas di città, come pure per il GPL, esistono norme di sicurezza da rispettare, in particolare per gli impianti di potenzialità superiore alle kcal/h. Il GPL viene stoccato in bombole o in cisterne in pressione collocate all esterno dell edificio ad adeguata distanza. Il costo non è elevato. Essendo il GPL un prodotto pericoloso perché infiammabile e posto sotto pressione, la legislazione in merito ai relativi impianti è molto rigida, tanto da avere fissato, tra l altro, tipi e spessori di pareti, solai e rivestimenti. Caratteristiche e resa Denominazione Composizione Potere calorifico in kwh Rendimento degli apparecchi Resa calorifica reale in kwh Carbone Carbone, acqua, altro 9/kg 80% 7,2/kg Legna Cellulosa, lignina, 5/kg 50-70% (¹) 2,5-3,5/kg acqua Gasolio Idrocarburi 12/kg - 9,8/l 80% 9,6/kg - 7,8/l Gas di città Metano 10/m³ 95% 9,5/m³ GPL Propano, butano 13,7/kg - 7,8/l 95% 13/kg - 7,4/l (¹) forno a legna