E-DETECTIVE Il caso dell energia scomparsa Scuola media di Mendrisio Classi 4C e 4F Detective SOLE 3 Incontro 09.03.2015 Rapporto di diagnosi energetica Consulenti energetici Pamela Bianchi Albedo Bettini Docente: Lorenza Jogna-Del Bosco No. studenti: 39 allievi
Indice E-DETECTIVE... 1 Il caso dell energia scomparsa... 1 Indice... 2 1. GRUPPO SOLE... 3 1.1 La problematica energetica... 3 1.2 Energia dal sole... 4 1.3. Tecnologie per sfruttare l energia solare... 5 1.3.1 Orientamento dei pannelli solari... 6 Fig. 1.1.: Resa dei collettori solari a dipendenza delle diverse inclinazioni e orientamenti (Fonte: SvizzeraEnergia). 1.3.2 Inclinazione dei pannelli solari... 6 1.4 I collettori solari termici - dalla luce al calore... 8 1.4.1 Potenziale di produzione di calore a livello comunale... 9 1.4.2 Potenziale di produzione di calore a livello di edificio scolastico... 10 1.5 Gli impianti fotovoltaici - dalla luce all elettricità... 11 1.5.1 Potenziale di produzione di elettricità a livello Comunale... 11 1.5.2 Potenziale di produzione di elettricità a livello di edificio scolastico... 12 ALLEGATI... 14 2/17
1. GRUPPO SOLE 1.1 La problematica energetica A oggi, solo il 13% dell energia consumata a livello mondiale è prodotta da fonti rinnovabili. Tutto il resto deriva da fonti non rinnovabili. Le fonti non rinnovabili sono quelle risorse naturali che si sono formate nel corso di milioni di anni e che per lo stesso motivo hanno tempi di rigenerazione molto lunghi (milioni di anni, appunto). Pertanto le fonti non rinnovabili, una volta sfruttate, possono considerarsi risorse limitate ed esauribili. I combustibili fossili (petrolio, carbone, gas) rappresentano la categoria principale delle fonti non rinnovabili impiegate dall uomo moderno. Essendo distribuiti in maniera non omogenea nel mondo, i combustibili fossili rappresentano tuttavia una risorsa rara e d importazione per la maggior parte dei paesi industrializzati: situazione che li rende vulnerabili dal punto di vista della sicurezza di approvvigionamento. A differenza dei combustibili fossili, le fonti rinnovabili sono quelle risorse naturali che forniscono energia che si rigenera in continuazione mediante trasformazioni chimiche (come biomassa, materia organica, viva di origine animale e vegetale) oppure fisiche (come l energia idrica, solare, eolica). Sono abbondanti, diffuse e disponibili localmente. Nonostante i combustibili fossili rappresentino una risorsa limitata e rara, attualmente coprono l 81% del fabbisogno energetico mondiale. Tuttavia, l utilizzo dei combustibili fossili ha come conseguenza la produzione dei gas serra, in particolare l anidride carbonica (CO 2 ), causa principale del riscaldamento globale e del cambiamento climatico. Aumentando l impiego di energie rinnovabili (ruolo ancora modesto!) è possibile far fronte al problema di approvvigionamento energetico e dei cambiamenti climatici. 3/17
1.2 Energia dal sole L energia solare ricevuta dalla Terra è enorme. Il Sole è la stella a noi più vicina ed è quella che alimenta la vita sulla Terra. Al suo interno, raggiunge temperature di 15'000 000 C, mentre in superficie di circa 6 000 C. Per energia solare s intende quella sprigionata dal Sole per effetto della fusione dell idrogeno in elio (reazione nucleare). Quest energia viene trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica luminosa (luce) e termica (calore). Per raggiungere la superficie terrestre, un raggio di Sole percorre circa 150'000 000 km in soli 8 minuti. A differenza di altre fonti di energia, il Sole illuminerà e riscalderà la Terra ancora per miliardi di anni. Il maggiore vantaggio dell energia solare è che: è rinnovabile, perché il Sole spunta ogni giorno non altera il clima, perché non emette CO 2 è gratuita, perché la luce solare non costa nulla è a disposizione di tutti, perché presente in tutte le zone del pianeta Queste caratteristiche renderebbero il Sole la principale fonte energetica se non fosse che l energia solare arriva sulla Terra in maniera intermittente e con una potenza variabile: dell enorme flusso di energia che arriva sulla Terra, solo una parte può essere trasformata in energia utile. Di fatto, la quantità di energia solare che può essere effettivamente sfruttata dall uomo dipende dal grado di irraggiamento solare del luogo. L irraggiamento è la quantità di energia solare incidente su una superficie in un giorno, e dipende sia dalla posizione del Sole rispetto al luogo, sia dalle condizioni climatiche locali presenti. Per quanto riguarda la posizione del Sole nel cielo, essa varia secondo: la latitudine del luogo (più ci allontaniamo dall equatore e ci spostiamo a nord, più il sole sarà basso) il periodo dell'anno (d inverno il sole ci appare basso nel cielo e le giornate sono corte; d estate il sole è alto e le giornate sono più lunghe) la rotazione della Terra intorno al proprio asse che causa l alternarsi del giorno e della notte 4/17
Inoltre, maggiore è il tragitto che i raggi solari devono percorrere attraverso l atmosfera, maggiore sarà l energia assorbita dall atmosfera e minore l energia solare che raggiunge la superficie terrestre condizione che, alle nostre latitudini, si presenta durante la stagione invernale. A influenzare ulteriormente l irraggiamento solare di un luogo sono le condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia, ecc.) e la presenza di eventuali ombreggiamenti dovuti alla morfologia del luogo (alberi, palazzi, montagne, ecc.). Pertanto, il maggiore limite dell energia solare da superare è quello della irregolarità dell energia disponibile. La principale sfida tecnologica dei nostri giorni è quindi quella di riuscire ad immagazzinare l immensa energia proveniente dal Sole e renderla disponibile con la giusta intensità laddove ci sia una domanda d energia. 1.3. Tecnologie per sfruttare l energia solare Nel tempo l uomo ha sviluppato diversi sistemi, sempre più sofisticati, per catturare e trasformare al meglio l energia solare in arrivo sulla superficie terrestre. Attualmente, i sistemi più diffusi sono: collettori solari termici che raccolgono e trasformano l energia solare in energia termica, principalmente per la produzione di acqua calda sanitaria negli edifici; pannelli fotovoltaici che raccolgono e trasformano l energia solare in energia elettrica e che sono nella maggior parte dei casi collegati alla rete di distribuzione elettrica; I tetti rappresentano i luoghi più adatti per installare pannelli fotovoltaici e collettori solari termici. Va ricordato che per catturare la maggior quantità di energia solare possibile, una qualsiasi superficie (quindi anche il pannello solare) deve essere esposta in modo diretto e perpendicolare ai raggi solari. Pertanto, per ottenere la massima produzione di energia da questi impianti, è essenziale garantire il corretto orientamento e inclinazione dei pannelli. 5/17
1.3.1 Orientamento dei pannelli solari Alle nostre latitudini, la resa massima di un impianto solare si ottiene con l orientamento diretto a sud, verso il sole. Tuttavia quest orientamento può subire delle variazioni in base alle condizioni locali presenti, come per esempio la morfologia del territorio e rispettivi fattori meteo, ma anche in funzione della tecnologia impiegata: mentre i collettori solari termici hanno bisogno di massimizzare la resa termica, i pannelli fotovoltaici subiscono negativamente l aumento della temperatura dovuta all irraggiamento. Orientamento verso sud-ovest. Molti progettisti tendono a orientare i collettori solari termici verso sud/sud-ovest (ponente) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore pomeridiane, quando i raggi del sole sono particolarmente più caldi (mentre la mattina, foschia e nebbia possono ostacolare l'irraggiamento). Tuttavia, per pannelli fotovoltaici quest orientamento può risultare svantaggioso, in quanto il rendimento potrebbe diminuire con l aumentare della temperatura. Orientamento verso sud-est. Può accadere che una determinata regione geografica sia caratterizzata da regolari precipitazioni piovose nelle ore pomeridiane (es. alcune zone costiere e montane). In quest'ultimo caso i progettisti tendono ad orientare i pannelli solari verso sud/sud-est (levante) per massimizzare il rendimento dei pannelli solari nelle ore della mattina, sacrificando la fascia oraria pomeridiana della giornata. Fattori morfologici del territorio. Oltre ai fattori meteo l'orientamento dei pannelli solari può essere determinato anche dalla presenza di ostacoli all'irraggiamento solare. Ad esempio, l'impianto a pannelli solari potrebbe subire delle zone d'ombra in alcune ore della giornata a causa della presenza di ostacoli naturali (alberi, montagne, ecc.) o artificiali (edifici, costruzioni ecc.). In questi casi il progettista dell'impianto tenderà a valutare l'orientamento ottimale, in grado di aumentare il rendimento dei pannelli solari soltanto nelle ore d'irraggiamento solare. Per uno sfruttamento efficiente del calore solare non è dunque indispensabile che il tetto sia orientato perfettamente verso sud. Fig.1.1 illustra la percentuale di resa rispetto all optimum, con diverse inclinazioni e orientamenti dei collettori solari. Fig. 1.1.: Resa dei collettori solari a dipendenza delle diverse inclinazioni e orientamenti (Fonte: SvizzeraEnergia). 6/17
1.3.2 Inclinazione dei pannelli solari Per ottenere un irraggiamento perpendicolare e dunque massimizzare il rendimento di un qualsiasi impianto solare, bisognerà che l inclinazione dei pannelli solari tenga conto dell esatta posizione del Sole nel cielo. Tuttavia, quest ultima è variabile nel corso dei 365 giorni dell anno. Per esempio, d estate il Sole ci appare più alto nel cielo che d inverno (vedi Fig. 1.2). Posizione del sole in estate Posizione del sole d inverno Fig. 1.2.: Variazione dell inclinazione dei raggi solari in base al periodo dell anno (Fonte: FoRMArchitettura). Di conseguenza, l inclinazione degli impianti solari andrebbe modificata periodicamente. Questo sarebbe possibile mediante inseguitori automatici. Tuttavia, per i piccoli impianti si preferisce un inclinazione fissa, in grado di massimizzare il rendimento medio del pannello senza doverne modificare l'inclinazione durante l'anno. Generalmente, si tende a inclinare i collettori solari di un angolo pari a circa 30 per massimizzare la resa media annuale. Grado d inclinazione che, tra l altro, corrisponde nella maggior parte dei casi anche all inclinazione dei tetti. Pertanto quest adeguamento rende l impianto anche meno invasivo dal punto di vista estetico. Per quanto concerne nello specifico i collettori solari termici, poiché il fabbisogno di acqua calda sanitaria e di riscaldamento è maggiore nei mesi invernali (e minore in estate), si tende a massimizzare il loro rendimento nei mesi invernali a scapito di quelli estivi. Pertanto si tende ad aggiungere all'inclinazione determinata dalla latitudine altri 10-15 (Fig. 1.3). Questa maggiore inclinazione consente di aumentare la resa d inverno. 7/17
Fig. 1.3: Esempio d inclinazioni diverse per collettori solari termici e panelli fotovoltaici (Foto: www.heliosolare.it) Al contrario, se l'impianto è destinato a soddisfare maggiormente i bisogni nei mesi estivi (es. acqua sanitaria negli hotel in zone costiere) sarà necessario aumentare l'efficienza dei pannelli solari nei mesi estivi riducendo il loro angolo d inclinazione. 1.4 I collettori solari termici - dalla luce al calore Il primo collettore solare fu inventato nel 1767 dallo svizzero Horace de Saussure. Basandosi sul principio che quando un raggio di Sole illumina un oggetto di colore scuro, quest ultimo si scalda, egli realizzò per i primi pionieri d America una pentola nera da utilizzare durante il viaggio per riscaldare l acqua e cucinare. Il pannello solare termico è composto da un assorbitore di calore solare. Sopra l assorbitore è posta una lastra di vetro che fa passare i raggi solari in entrata, ma non li fa uscire, in modo tale che l ambiente sottostante si mantenga caldo. I pannelli captano la radiazione solare e la trasferiscono sotto forma di energia termica a un fluido che verrà successivamente utilizzato per scambiare calore con una riserva d acqua. Tra le applicazioni più diffuse del solare termico, vi sono: la produzione di acqua calda sanitaria da utilizzare per docce, bagni, cucine ecc. il riscaldamento di piscine (sia coperte che scoperte) il riscaldamento degli edifici come sistema integrativo Siccome l energia solare potrebbe ridurre in modo significativo l uso di combustibili fossili - soprattutto in Ticino, dove i livelli di irraggiamento sono elevati in confronto alla Svizzera interna - gli E-DETECTIVE hanno stimato il potenziale di sfruttamento della luce del 8/17
Sole per la produzione di energia termica sia a livello comunale che a livello di edificio scolastico. 1.4.1 Potenziale di produzione di calore a livello comunale Con l aiuto di una cartina, gli E-DETECTIVE hanno stimato la superficie idonea all installazione di collettori solari termici sui tetti degli edifici di una parte del Comune di Mendrisio. Dopodiché hanno calcolato quanta energia termica sarebbe possibile produrre se su queste superfici di tetto venissero installati dei collettori solari termici (vedi Allegato 4). Gli E-DETECTIVE hanno stimato che la superficie di tetti idonea all istallazione di collettori solari termici è pari a 82 068 m 2. Ipotizzando l istallazione di impianti solari termici su queste superficie si potrebbe coprire circa il 7.3% dell attuale fabbisogno di energia termica del Comune di Mendrisio. Tuttavia, essendo il Sole una fonte d energia variabile, i collettori solari termici sono capaci di coprire solo parte del fabbisogno energetico annuo. Per questo motivo un collettore solare termico istallato su di un edificio per la produzione di acqua calda sanitaria viene progettato e dimensionato per soddisfare il 60-65% del fabbisogno termico. 9/17
1.4.2 Potenziale di produzione di calore a livello di edificio scolastico In un secondo tempo gli E-DETECTIVE hanno stimato la superficie idonea all installazione di collettori solari termici considerando esclusivamente il tetto dell edificio scolastico (vedi Allegati 1, 2, e 3). La superficie di tetto idonea all istallazione di un impianto solare per la sede delle Scuole medie di Mendrisio è di 1'054 m 2. Sfruttando questa superficie per l installazione di collettori solari termici si riuscirebbe potenzialmente a coprire il 37.6% del fabbisogno di energia termica della scuola. Tuttavia è importante considerare che un impianto solare termico registra la produzione maggiore nel periodo estivo, quando la scuola è chiusa e il fabbisogno di acqua calda è pertanto praticamente nullo. Non essendo possibile effettuare un accumulo stagionale del calore, la produzione di calore da energia solare non verrebbe sfruttata in modo ottimale. L installazione di un impianto solare termico in una scuola può essere presa in considerazione se nell edificio vi è ad esempio una piscina. In questo caso la produzione estiva di calore in eccesso potrebbe essere utilizzata per riscaldare la piscina, evitando in questo modo il surriscaldamento dell impianto. Provvedimenti GESTIONE & MANUTENZIONE Considerando che il fabbisogno di acqua calda sanitaria e di riscaldamento della scuola è maggiore nei mesi invernali (in estate la scuola è chiusa per ferie) si consiglia di: Se nella scuola è presente una piscina, installare un impianto solare termico massimizzando la resa dei pannelli solari nei mesi invernali a discapito di quelli estivi, aumentando l inclinazione e scegliendo il corretto orientamento. Ridurre il fabbisogno termico dell edificio scolastico tramite un buon isolamento dell involucro dell edificio e per mezzo di finestre più performanti. 10/17
1.5 Gli impianti fotovoltaici - dalla luce all elettricità Il fotovoltaico è una tecnologia che consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica. Essa sfrutta la proprietà di alcuni materiali semiconduttori come il silicio, in grado di generare energia elettrica quando vengono colpiti dalle radiazioni solari. Le celle fotovoltaiche sono il dispositivo più elementare capace di operare tale conversione. Molte celle assemblate e collegate tra loro in un unica struttura formano un modulo fotovoltaico. Più moduli collegati assieme formano un sistema fotovoltaico e aumentano la potenza elettrica prodotta. Per quanto concerne gli edifici, i sistemi fotovoltaici più diffusi sono quelli collegati alla rete elettrica. Installando l impianto fotovoltaico sul tetto di un determinato edificio, il sito di produzione e consumo dell elettricità si rivela molto ravvicinato e contribuisce alla riduzione delle perdite energetiche (dovute alla distribuzione e al trasporto). Nelle giornate in cui l impianto fotovoltaico produce più energia elettrica di quella richiesta, è possibile vendere l energia in eccesso alla rete di distribuzione. Nelle ore in cui, per esempio a causa di un irraggiamento insufficiente, l impianto non è in grado di coprire il fabbisogno di elettricità richiesto, è possibile approvvigionarsi attraverso la rete. Essendo l energia solare una fonte energetica abbondante, ben distribuita in Ticino, pulita (non emette gas serra) e inesauribile, gli E-DETECTIVE hanno stimato il potenziale di sfruttamento della luce del sole per la produzione di energia elettrica sia a livello comunale che a livello di edificio scolastico. 1.5.1 Potenziale di produzione di elettricità a livello Comunale Analogamente a quanto fatto per definire il potenziale di produzione di calore, gli E- DETECTIVE hanno stimato la superficie idonea all installazione di impianti fotovoltaici sui tetti degli edifici di una parte del Comune di Mendrisio. Dopodiché hanno calcolato quanta elettricità sarebbe possibile produrre se su queste superfici di tetto venissero installati dei moduli fotovoltaici (vedi Allegato 4). Gli E-DETECTIVE hanno stimato che la superficie di tetti idonea all istallazione di pannelli fotovoltaici è pari a 82 068 m 2. Ipotizzando l istallazione di impianti fotovoltaici su queste superficie si potrebbe coprire circa l 4.4% dell attuale fabbisogno di elettricità del Comune di Mendrisio. 11/17
1.5.2 Potenziale di produzione di elettricità a livello di edificio scolastico In un secondo tempo gli E-DETECTIVE hanno stimato la superficie idonea all installazione di impianti fotovoltaici considerando esclusivamente il tetto dell edificio scolastico (vedi Allegati 1, 2, e 3). La superficie di tetto idonea all istallazione di un impianto solare per la sede delle Scuole medie di Mendrisio è di 1 054 m 2. Sfruttando questa superficie per l installazione di moduli fotovoltaici si riuscirebbe potenzialmente a coprire l 17% del fabbisogno di elettrica scuola. A differenza della tecnologia del solare termico, l elevata produzione estiva di elettricità non rappresenta un problema in quanto la scuola può in ogni momento immettere in rete l elettricità che non utilizza direttamente. Provvedimenti GESTIONE & MANUTENZIONE Considerando gli elevati consumi elettrici della scuola e il minore impatto ambientale che la produzione di elettricità per mezzo dell energia solare comporta, si consiglia di: Ridurre il fabbisogno elettrico della scuola adottando comportamenti più sostenibili, sostituendo gli apparecchi elettrici con apparecchi efficienti e rivedendo il sistema di illuminazione dell edificio con l aiuto di un tecnico specializzato. Installare un impianto fotovoltaico per coprire i picchi diurni di elettricità in maniera pulita ed ecologica e rivendere alla rete l elettricità prodotta in eccedenza durante il periodo estivo quando la scuola è chiusa. Un alternativa all installazione di un impianto fotovoltaico può essere quella di acquistare elettricità ecologica certificata dalla propria azienda elettrica. In questo modo la scuola ha comunque la possibilità di coprire il proprio fabbisogno con elettricità rispettosa dell ambiente e sostenibile. 12/17
13/17
ALLEGATI 1. Quantificazione del potenziale di produzione di calore e elettricità dall energia solare (www.ti.ch/oasi) 14/17
2.Mappa del tetto della Scuola media di Mendrisio (www.mapsearch.ch) Superficie di tetto della scuola media di Mendrisio considerata per il calcolo del potenziale di produzione di calore e elettricità dall energia solare (Somma parti A e B). 15/17
3. Calcolo della superficie del tetto della Scuola media di Medrisio 16/17
4. Calcolo della superficie tetti di una parte del Comune di Mendrisio Il fabbisogno attuale di calore e elettricità per Mendrisio 1 1 Fonte: Tool per la stima del potenziale energetico ideato dalla ZHAW Scuola superiore per le scienze applicate di Zurigo. www.gemeinde-energie.ch. 17/17
18/17