le unità di misura energetiche politiche per il risparmio energetico _ reti di distribuzione e di servizio le trasformazioni energetiche

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1 _docente_andrea giachetta corso di progettazione bioclimatica - modulo: sostenibilità ambientale le unità di misura energetiche energia capacità di un sistema fisico (atomo, molecola, essere vivente, macchina) di compiere un lavoro l energia si misura in Joule (J) 1Joule è il lavoro che effettua la forza di 1 Newton (N) per spostare il suo punto di applicazione di 1 metro nei suoi stessi direzione e verso politiche per il risparmio energetico _ reti di distribuzione e di servizio le unità di potenza (energia nell unità di tempo): kilowatt (kw), caloria all ora (Cal/h) 1 watt (W) = 1 Joule al secondo 1 kw = 1000 W kwh = kilowattora = energia sviluppata dalla potenza di un kw che agisca per un ora caloria (Cal) è la quantità di energia necessaria per innalzare di un grado centigrado (da 14,5 C a 15,5 C) 1 Kg di acqua alla pressione atmosferica 1 Cal = 4128 J... qualche esempio concreto un kwh equivale al lavoro necessario per spostare una persona di 75 Kg dal livello del mare alla vetta del Monte Bianco il contenuto calorico del cioccolato è circa 6000 Cal/Kg: un cioccolatino di 10 g sviluppa nel corpo umano una quantità di energia termica pari a quella necessaria per sollevare di 360 metri una persona di 70 Kg un uomo per vivere necessita al giorno di una quantità di energia pari a quella sviluppata da 200 grammi di benzina... una sorta di illusione ottica: noi percepiamo l energia più in termini di energia meccanica (associando al lavoro l idea della fatica fisica) che come energia termica... non ci rendiamo conto che per riscaldare per un giorno un appartamento di medie dimensioni si consuma tanta energia quanta ne occorre ad una Punto per il tragitto Genova - Roma questo corso affronta il tema dall impiego di soluzioni progettuali bioclimatiche anche per il risparmio energetico ma il taglio di questa lezione è di inquadramento generale 1 le trasformazioni energetiche le fonti energetiche per essere utilizzate devono essere trasformate nelle forme idonee alle necessità dell utenza in ogni processo di trasformazione energetica non tutta l energia in ingresso viene utilizzata una parte di energia si trasforma in calore che, in generale, non è utilizzato (ed è dunque una perdita) per risparmiare energia si può: aumentare il rendimento riducendo le perdite recuperare e riutilizzare il calore sviluppato la combustione trasformazione dell energia chimica dei combustibili in energia termica combustibili: solidi (legna e carbone), liquidi (derivati del petrolio), gassosi (metano) i primi utilizzati solidi compatibili con tecnologie primitive i combustibili liquidi e gassosi hanno ridotto i costi di gestione (eliminazione dei fuochisti e più agevole distribuzione) un combustore ideale dovrebbe ossidare completamente il combustibile operando in condizioni stechiometriche (con la quantità d aria strettamente necessaria) in carenza d aria si generano incombusti visibili (fumo nero ricco di particolato) o invisibili e molto pericolosi (CO monossido di carbonio) anche con combustori scadenti

2 - eccesso d aria significa perdita di calore nell aria in più -con combustioni a più di 1100 C l azoto nell aria si può combinare con l ossigeno emissioni di NOx ossidi di azoto reagiscono con altri inquinanti, specie quando c è forte irraggiamento solare, formano smog fotosintetico (irritante e cancerogeno) nelle marmitte catalitiche il CO viene ossidato dall ossigeno degli NOx ottenendo anidride carbonica (CO2) e azoto gli scambiatori termici consentono di far passare il calore da un fluido più caldo ad uno più freddo es: pentole da cucina, radiatori delle auto, termosifoni, ventilconvettori, solare termico all evoluzione di questi dispositivi è legata la possibilità di realizzare le più importanti innovazioni in campo energetico (solare passivo e termico) i motori termici sono convertitori di energia termica in energia meccanica la progenitrice degli attuali motori termici è la macchina a vapore lo sviluppo tecnologico dalla macchina a vapore di James Watt ai motori con combustori liquidi ha ridotto rischi ed esigenza di personale esistono sistemi a vapore come le turbine Laval, Curtis, Parsons con i quali si possono ancora avere buoni rendimenti (fino al 50 %) il sistema elettrico in Italia dipende per l 80% dal petrolio ciò implica che: da 100 unità di energia chimica nel pozzo di petrolio -10% per estrazione e trasporto, -10% per raffinazione = 80 nelle centrali termoelettriche l energia chimica si trasforma in energia termica per combustione e poi in energia meccanica per azionare l alternatore producendo: 45 % di energia elettrica e 55% di calore residuo generalmente non utilizzato 2 delle 100 unità iniziali ne rimangono 80x0,45 = 36 la trasformazione in alta, poi media, poi bassa tensione per il trasporto, e il trasporto stesso causano 15% di perdite complessivamente su 100 unità energetiche di partenza agli utenti ne giungono solo 30,6 un aumento del rendimento del sistema dell energia elettrica richiede l adozione di tecnologie più avanzate che hanno costi di investimento maggiori se il costo del danaro è basso vengono privilegiati impianti a rendimento maggiore anche se più costosi se il costo del danaro è elevato vengono privilegiati impianti meno cari con un rendimento inferiore in Italia però l Enel era autorizzata a scaricare ogni aumento del prezzo del greggio sulle tariffe elettriche e quindi non ha avuto alcun incentivo ad effettuare ricerche per la riduzione di perdite o l uso di fonti alternative paradossale riduzione di centrali idroelettriche durante la crisi energetica

3 oggi, tra le strade più percorse per ridurre le perdite ed aumentare il rendimento complessivo del sistema elettrico, c è quella dei superconduttori con cui si può effettuare il trasporto dell energia senza perdite per effetto Joule (sorta di attrito del cavo al passaggio di corrente) l energia elettronucleare problemi della fissione: 1 sicurezza i processi di fissione possono sfuggire al controllo e continuare a riprodursi in maniera accelerata provocando la fusione del nocciolo e continuando a cielo aperto contaminando milioni di Kmq (come a Černobyl) una nuova generazione di reattori in cui la reazione sia promossa da un irraggiamento esterno che se interrotto interrompe la reazione potrebbe eliminare il problema (studi di Carlo Rubbia sul potenziale energetico residuo delle scorie nucleari) 2 scorie mantengono la loro radioattività per periodi di tempo plurisecolari attualmente non vi sono soluzioni efficaci per neutralizzarle 3 fragilità nel tempo dei materiali della centrale sottoposti a irraggiamento tutto ciò comporta notevoli normative di sicurezza e costi di gestione molto elevati che rendono meno economico il nucleare di altre forme di produzione energetica alternativa gli aerogeneratori sono trasformatori di energia eolica in energia meccanica e di energia meccanica in energia elettrica il massimo rendimento possibile è del 60% i redimenti reali del 35-45% ma: il vento è inesauribile, rinnovabile, gratuito la tecnologia piuttosto semplice e matura la tecnologia non inquinante 3 l energia elettrica prodotta dagli aerogeneratori ha costi confrontabili con quella prodotta da impianti a gas naturale tuttavia si può applicare solo in luoghi adatti (vento con velocità tra 5 e 10 m/sec.) in Italia vi sono siti idonei nelle località appenniniche, alpine e insulari; in altri paesi vi sono migliori condizioni (Paesi Bassi, California, Africa) in Liguria: Calice, Varese Ligure, Osiglia,... il moltiplicatore trasforma la rotazione lenta delle pale in una rotazione in grado di far funzionare il generatore, il generatore trasforma l energia meccanica in elettrica mantiene l allineamento parallelo tra l asse del rotore e la direzione del vento le pale possono ruotare anche a più di 200 Km/h le pale moderne sono in fibra di vetro rinforzata in poliestere, (acciaio e alluminio sono troppo pesanti e poco resistenti a fatica )

4 gli aerogeneratori hanno una durata di vita di anni ( ore) problemi: 1- impatto paesaggistico (un aerogeneratore di media taglia kw di potenza ha una torre di 30 m e un rotore di 30 m di diametro) fattore culturale superabile, un sistema di aerogeneratori funziona da frangivento e aiuta l agricoltura 2- rumore: tuttavia non fastidioso già a 300/400 m 3- incompatibilità con migrazione di alcune specie di uccelli (rapaci); spesso in presenza di forti correnti vi sono ingenti flussi migratori la conversione fotovoltaica rendimento medio di una cella al silicio = 17% rendimento di un pannello (che assembla celle con spazi interstiziali) = 13 % rendimento del 33% in laboratorio utilizzando arseniuro di gallio al posto del silicio centrale di Serre: pannelli al silicio cristallino considerando i rendimenti medi, considerando l ottimale posizione di un pannello che intercetta (alle nostre latitudini) 2200 kwh circa di energia solare considerando le condizioni reali del cielo e il problema dei depositi di polveri (funzionamento in parallelo) considerando la necessità di trasformazione della corrente si ottengono 122 kwh di energia utile se la casa è isolata occorre usare batterie di accumulo con una perdita del 60% 73kWh la possibilità di utilizzo del fotovoltaico è ancora piuttosto limitata dagli ingenti costi rispetto ai risultati che si possono ottenere: se si producesse con centrali fotovoltaiche evolute il 10% del fabbisogno italiano di energia elettrica occorrerebbe coprire kmq con sostanze inorganiche sui dell intero territorio nazionale l uso del fotovoltaico integrato all edilizia sembra interessante perché si interviene su superfici già coperte; comunque non è ancora economico e va limitato ad alcune specifiche situazioni 4 la conversione termoelettrica dell energia solare l energia solare può essere convertita in energia elettrica anche in impianti che trasformano la radiazione solare termica in vapore ad alta pressione che aziona turbine collegate ad alternatori si usano sistemi diversi: campo di specchi orientati che concentrano l energia solare per riflessione alla sommità di una torre/fornace rifrattori Fresnel o riflettori parabolici lineari (a mangiatoia) che focalizzano la radiazione solare lungo la loro linea di fuoco dove c è un tubo con fluido termovettore grandi specchi parabolici che seguono l andamento solare nel fuoco dei quali c è un motore che aziona un alternatore il motore elettrico e l auto elettrica il motore elettrico trasforma energia elettrica in energia meccanica l efficienza è elevata, i costi anche occorre considerare complessivamente il sistema dell energia elettrica che, in Italia, implica già una forte riduzione dell energia agli utilizzatori rispetto a quella alla fonte (da 100 unità a 30,6) nelle auto elettriche, considerando le necessarie trasformazioni da corrente alternata a continua e viceversa, la necessità di immagazzinare l energia in batterie (con perdite del 40%), il maggior peso dell auto elettrica, ecc. si hanno rendimenti bassi ~ 10% dell energia alla fonte

5 confronto del 1997, veicoli su percorsi cittadini: Panda normale 1 l. di benzina - 14,5 Km Panda elettrica 1 l. di olio combustibile impiegato nella centrale termoelettrica 9 Km molto più interessante l impiego di elettricità in mezzi collegati alla rete elettrica (senza le perdite del 40% legate alla batteria e perdite derivanti del maggior peso della batteria): mezzi pubblici: filobus e tram efficienti, puliti, non inquinanti il reforming e l elettrolisi dell acqua sono processi attraverso i quali si ottiene l energia chimica dell idrogeno (nel primo caso da idrocarburi pesanti: catrame, olio combustibile, nafta, ecc., nel secondo caso con l impiego di energia elettrica) i rendimenti sono alti, l energia relativamente pulita nelle auto ad idrogeno tuttavia i rendimenti sono ancora modesti (circa 7,5%) e ancora presenti emissioni NOx (mentre sono escluse emissioni di idrocarburi e CO) inoltre c è il problema di avere serbatoi contenenti gas alla pressione di 250 bar energia da biomassa conversione in calore di combustibili rinnovabili di origine biologica Combustione di legna Prima fonte energetica per l uomo, è da considerarsi rinnovabile Non deve comportare deforestazioni incontrollate ma studiati programmi di taglio e rimboschimento che possono avere effetti molto positivi sul bosco e compensare l emissione di CO2 della combustione 1 mc di legno assorbe kg di CO2 nella sua crescita (in 50 anni) e accumula una riserva di carbonio, invecchiando assorbe sempre meno CO2 e produce sempre meno ossigeno 1 mc di legno circa 2500 kwh Biocombustibili Sono oli ed alcoli estraibili da specie vegetali come la colza e la canna da zucchero (fonti rinnovabili). Sono utilizzabili da diversi tipi di motore ed hanno emissioni inquinanti inferiori a quelle dei combustibili fossili. Possono incentivare l uso di sostanze chimiche e OGM (disboscamenti in Brasile) Biogas Gas recuperato dalla fermentazione anaerobica di materiale organico (rifiuti organici, sostanze vegetali, feci animali). Il biogas è utilizzabile per tutte le applicazioni in cui è usato il metano. È poco inquinante, diminuisce l effetto serra attraverso il recupero di gas metano (1,5 mc di biogas da un bovino adulto o 5 maiali) 5 energia geotermica energia termica contenuta all interno della terra che si dissipa con regolarità verso la superficie della terra lo sfruttamento generalmente avviene attraverso centrali geotermoelettriche che sfruttano la pressione esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi geotermici (geysers) centrali in Islanda, in California ma anche in Toscana (Larderello) l energia geotermica si usa anche per l essiccazione del legname, la serricoltura, il riscaldamento, ecc.

6 energia dalle maree lo sfruttamento si attua nei luoghi in cui l escursione tra alta e bassa marea è elevata, attraverso dighe ha un forte impatto ambientale, può causare morie di pesci e allagamenti sulle coste, disagi per il turismo, per cui esistono solo pochi impianti (in Canada, in Francia) sono in studio impianti in Inghilterra e in Giappone (in Italia un sito identificato è lo stretto di Messina) cogenerazione normalmente le trasformazioni energetiche hanno perdite in calore, con problemi tecnici, economici e ambientali se il calore viene recuperato si hanno sistemi ad energia totale cogenerazione = generazione contemporanea di energia termica ed elettrica da un solo processo di trasformazione energetica microcogenerazione diffusa riscaldamento delle automobili motori a gas naturale (o biogas nelle aziende agricole) che producono elettricità recuperando il calore dei gas di scarico per il riscaldamento (con rendimenti fino al 96%) cogenerazione negli impianti industriali in processi tecnologici che richiedono la produzione di grandi quantità di calore, la cogenerazione è conveniente soprattutto se gli impianti lavorano a ciclo continuo (si può produrre calore per ottenere energia elettrica e il calore residuo per l uso industriale o viceversa - es. nelle fonderie - usare il calore residuo per l elettricità) in Italia più di 700 impianti cogenerazione nelle centrali termoelettriche nelle centrali termoelettriche si può produrre per cogenerazione acqua calda come sottoprodotto dell elettricità quest acqua calda può essere utilizzata per il riscaldamento degli edifici attraverso il Teleriscaldamento processo di grande interesse ma piuttosto oneroso le tubazioni devono essere di grandi dimensioni, coibentate, e sono soggette a rilevanti fenomeni di dilatazione termica che esigono controlli accurati queste, come altre strutture a rete, determinano poi impatto ambientale... 6 le reti infrastrutturali e di servizio strade, parcheggi, fognature, depuratori, rete idrica, rete di distribuzione dell energia elettrica e del gas, ecc. sono, in genere, organizzate (quando sono organizzate) secondo il principio della riduzione delle distanze tra i diversi nodi da collegare e della ottimizzazione dei costi... non vengono invece considerate le conseguenze che le reti infrastrutturali hanno a livello ambientale esempi: gli elettrodotti determinano un forte impatto paesaggistico, interferiscono con i flussi di uccelli migratori, possono avere effetti negativi sulla salute dell uomo (il problema verrà approfondito in un altra lezione); le reti per la mobilità determinano un forte impatto morfologico, idrogeologico (soprattutto tratti in galleria e nel sottosuolo), ecosistemico (se tali da creare frammentazione di habitat naturali si ritornerà sull argomento in un altra lezione); la cattiva organizzazione delle reti o la loro carenza può, anche per altri versi, determinare danni all ambiente... esempio: se un piano urbanistico comunale si propone di incrementare la capacità insediativa di un territorio senza valutare la possibilità di incrementare le reti di depurazione possono crearsi situazioni ambientali insostenibili

7 nella progettazione di un sistema territoriale o urbano è importante valutare tutti i flussi in entrata e in uscita da quello stesso sistema... alcuni autori (per esempio Scandurra) paragonano il sistema urbano ad un ecosistema biologico nella sua progettazione occorrerebbe allora tener conto di aspetti quali: la capacità di carico, la vulnerabilità, la capacità rigenerativa, l uso parsimonioso delle risorse, i flussi di entrata (materiali, energia), i flussi di uscita (sostanze velenose, rifiuti), ecc. rappresentazione funzionale di un ecosistema 7 confronto tra una colonia di ostriche e una città industrializzata testi di riferimento: Mario Palazzetti, Maurizio Pallante. L uso razionale dell energia: teoria e pratica del negawattora. Bollati Boringhieri, Torino, Regione Liguria. Dipartimento Tutela dell Ambiente ed Edilizia. Servizio Energia. Piano energetico ambientale della Regione Liguria. Approvato con delibera consiliare del (linee di politica energetica fino al 2010 raggiungimento del 7% del fabbisogno energetico da fonti rinnovabili). Dominique Gauzin Müller. L architecture écologique. Le Moniteur, Enzo Scandurra. L ambiente dell uomo: verso il progetto della città sostenibile. Etaslibri, Milano,1995.

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