“Fonti energetiche rinnovabili base di un nuovo progettare”

Capitolo 2
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI
DI SALERNO
Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Civile
TESI di laurea
“Fonti energetiche rinnovabili base di un nuovo
progettare”
Candidata
Relatore
Ch.mo Prof. Ing. Aldo de Marco
Angela Cavallo
matr. 063/100251
Correlatori
Ch.mo Prof. Joseph Quartieri
Dott. Ing. Felice Argenio
Anno accademico 2004-2005
Capitolo 2
Indice
Capitolo I
“Le problematiche energetiche nelle architetture”
premessa
1.1
Cosa s’intende per architettura bioclimatica
1.2
Il valore dell’energia nell’architettura
1.3
Fonti energetiche esauribili e rinnovabili
1.4
Rispetto per l’ambiente
1.5
Contenimento consumo energetico
1.6
Analisi economica e ambientale
1.7
Danno ambientale
1.8
Fonti rinnovabili di energia attualmente accessibili
1.9
L’energia attiva e passiva
1.10 I sistemi solari diretti, indiretti ed isolati
1.11 L’importanza delle serre o vetrate negli edifici
1.12 Assemblaggio di un involucro attivo e passivo
Capitolo II
“Aria-Acqua-Terra-Sole: fonti rinnovabili”
premessa
2.1
Il sole, fonte energetica e, sorgente di vita per la Terra
2.2
Un nuovo approccio all’energia solare
2.3
Scenario futurodettato dalle esperienze passate
2.4
I diversi modi di estrarre energia
2.5
tecnologia e rispetto dell’ambiente
2.6
Potenzialità delle fonti energetiche rinnovabili nell’architettura
2.7
Politica strumentale per la promozione delle fonti rinnovabili
2.8
Efficienza energetica e ricorso all’energie convenzionali o
meglio “artificiali”
Capitolo I
Capitolo III
“Le architetture Passate e Presenti della gestione energetica nella
progettazione”
premessa
3.1
I còvoli di Costozza
3.2
Fattori significativi per una progettazione bioclimatica …….
3.3
Effetti della luce naturale
3.4
Un ritorno “naif” ai metodi empirici del passato: le termiti.
3.5
Le relazioni energetiche tra verde ed ambiente costruito
3.6
I trulli e i dammusi
Capitolo IV
“Analisi e studio delle principali energie alternative e rinnovabili”
Fotovoltaico
premessa
4.1 Integrazione architettonica
4.2 Come funziona un dispositivo fotovoltaico
4.3 Requisiti e parametri per la progettazione
4.4 Diffusione del fotovoltaico in architettura
4.5 Requisiti tecnici dei componenti fotovoltaici
4.6 Versatilità estetica del fotovoltaico
Energia Geotermica
premessa
4.7 Le centrali geotermiche
4.8 Sfruttamento geotermico in assenza di acquiferi naturali
4.9 Sistemi a sonde per geoscambio termico a pompe di calore
4.10 Strutture realizzate con energia geotermica
4.11 Principio di funzionamento di un impianto geotermico-solare
4.12.Uso agricolo del geotermico
4.13 Importanti progetti geotermici :”le gallerie”
3
Capitolo I
4.14 Svantaggi del geotermico
4.15 Problema del Radon
Energia Eolica
premessa
4.16 Configurazione generale di un sistema eolico.
4.17 I costi e la potenza installata di un aerogeneratore.
4.18 Progettazione ed evoluzione delle turbine eoliche
4.19 “Le Seafarm” centrali marine
4.20 Impatto ambientale
4.21 Impianti collegati e non collegati alla rete di distribuzione.
Celle di combustibile ad idrogeno
premessa
4.22 Funzionamento delle Celle a combustibile
4.23 Il futuro
4.24 Applicazioni nel settore automobilistico
4.25 Applicazioni nel settore del trasporto pubblico
Energia da biomassa
premessa
4.26 La produzione di energia da rifiuti in Italia: prospettive e
scenari
4.27 Approvvigionamento delle biomasse
4.28 Processi di conversione termochimica
4.29Diffusione delle tecnologie
4.30 Prospettive di sviluppo delle tecnologie nel mondo
4.31 Cogenerazione e Termovalorizzazione
4.32 Teleriscaldamento da biomassa
Energia idroelettrica
Premessa
4.33 Il contributo idroelettrico schema funzionale
4
Capitolo I
Capitolo V
“Ricerca - applicazioni concrete - scenari futuri”
premessa
5.1 Satelliti in fotovoltaico
5.2 Integrazione di nuove tecnologie negli elementi tradizionali del
costruire: le finestre elettrocromiche
5.3 Innovazione della tecnologia fotovoltaica
5.4 Torre austrialiana5.5 Batterie batteriche
Capitolo VI
“Fonti legislative- Finanziamenti”
premessa
6.1 I certificati verdi e la qualifica IAFR
6.2 I certificati RECS
6.3 Il provvedimento CIPE 6/92
6.4 Le iniziative e i provvedimenti presi negli ultimi anni a livello
nazionale ed internazionale
6.5
Descrizione
dei
meccanismi
normativi
di
un
impianto
fotovoltaico
6.6 Iter autorizzativi per la realizzazione di centrali eoliche
“Conclusioni”
“Bibliografia”
5
Capitolo I
Introduzione
Obiettivo principale del presente lavoro è l’inquadramento e le
possibilità di utilizzo delle fonti rinnovabili.
Le fonti rinnovabili di energia sono sempre più chiamate in causa
per assicurare la sostenibilità dello sviluppo dell'umanità, la
necessità di energia è un aspetto fondamentale della vita di ciascun
individuo, ma nonostante ciò piuttosto nascosto o meglio velato;
l'energia ci appare in molte forme differenti, al punto che risulta
difficile valutarne l'effettivo e assoluto ruolo da protagonista che ha
nella nostra quotidianeità.
L’energia è definita come la capacità di un sistema di compiere
lavoro, in questo contesto con le fonti rinnovabili si identificano
tutte quelle sorgenti di energia che derivano, anche se in modo
indiretto, dall’ attività solare e in particolare dall'irraggiamento
solare che costantemente investe il globo terrestre. Le fonti
rinnovabili trattate sono:
- Energia Solare
- Energia Eolica
- Energia Idraulica
- Energia dalle Biomasse
- Energia Geotermica
Con questo lavoro si è voluto fornire un utile guida affinché nella
realizzazione di strutture architettoniche si tenga conto di un uso
razionale dell’energia ricavata dalla natura.
6
Capitolo I
CAPITOLO I
PROPOSIZIONE DELLE PROBLEMATICHE ENERGETICHE NELLE
ARCHITETTURE
Il problema energetico
Si vuole inquadrare il problema dell’utilizzo di fonti ad esaurimento con
particolare attenzione alla necessità di sostituirle con fonti rinnovabili.
Si analizzerà anche il problema energetico attraverso un’architettura
bioclimatica; in realtà si parlerà di un utilizzo energetico, maggiormente
produttivo, capace di migliorare le prestazioni economiche complessive e di
proteggere al tempo stesso l’ambiente e la salute.
1.1 Premessa
“La natura è la fonte dei valori d’uso”1
Questa famosa frase di Marx evidenzia in modo particolare l’uso
razionale dell’energia che si può ricavare dalla natura, applicandola
in
modo
opportuno
nella
realizzazione
architettonica. L'Architettura Bioclimatica
risposta
allo
stato
di
progressivo
di
una
struttura
costituisce oggi una
degrado
e
distruzione
dell'ambiente che ci ospita. Il suffisso "bio" si riferisce, alla
auspicata
presenza
di
"vita"
in
un'architettura:
quindi
un'architettura fatta per la vita, un'architettura in grado di creare
"case" e quindi "città" intese come organismi viventi. Il termine
"clima" rappresenta la volontà che l'architettura crei luoghi che
sappiano rapportarsi in modo equilibrato con l'ambiente in cui si
inseriscono e che necessariamente trasformano. Quindi una vera e
propria ottimizzazione tra le relazioni energetiche e l’ambiente
naturale, un vero e proprio complesso di soluzioni progettuali che ci
devono consentire di assicurare, in un qualunque ambiente
abitativo, il mantenimento di condizioni di benessere facendo uso
quanto
1
meno
possibile
di
impianti
che
richiedono
consumi
Marx 1875 in Programma di Gotha del Partito Operaio tedesco.
7
Capitolo I
energetici di fonti
esauribili; essa minimizza i consumi energetici
necessari per la climatizzazione
estivo
ed
illuminazione
l'inquinamento
(riscaldamento, condizionamento
diurna)
dell'ambiente;
e
limita,
viene
quasi
di
conseguenza,
intesa
come
soddisfacimento dei requisiti di controllo del microclima interno
degli edifici, della illuminazione naturale degli stessi, limitando al
minimo
l'intervento
degli
impianti
che
comportano
consumi
energetici di fonti esauribili.
1.2 Cosa s’intende per Architettura Bioclimatica
Il termine “bioarchitettura” non è da intendere come uno stile
architettonico oppure una moda che coinvolge l'appeal dell'edificio.
La bioarchitettura è un “modo” di porsi, nei confronti della
progettazione e della realizzazione di un edificio, nuovo nella
misura in cui si concentra sui problemi legati alla salute dell'uomo e
del pianeta, ma già utilizzato se pensiamo al passato, si progetta
per l'uomo e nel pianeta, cioè in vista di un abitare efficiente nel
rispetto delle esigenze territoriali e più in generale ecologiche. La
bioarchitettura intende sfruttare le risorse che il territorio offre,
come la luce, le brezze, la presenza di acque, nel rispetto di esse e
con l'intento di tendere ad un risparmio assoluto dal momento della
progettazione e al reperimento dei materiali, fino al mantenimento
dell'edificio e al suo eventuale smantellamento.
Dando uno sguardo alle strategie architettoniche applicate nel
passato, ci si rende conto che i principi “bioclimatici” non sono
affatto nuovi,
possiamo notare molti esempi di architettura nei
quali sia la posizione reciproca degli edifici, sia le caratteristiche
8
Capitolo I
costruttive e la scelta dei materiali erano tali da rendere il
microclima interno soddisfacente, senza l'intervento degli impianti2.
Con l'avvento della rivoluzione industriale iniziò la diffusione degli
impianti per la climatizzazione artificiale, anche in relazione alla
accresciuta disponibilità delle fonti di energia a basso costo
(carbone, petrolio, gas, elettricità, ecc.).
Grafico: Andamento Anidride carbonica
In tal modo ebbe inizio l'epoca dello "spreco", che portò ad
ignorare qualsiasi intervento che conducesse alla limitazione dei
consumi energetici, delegando agli impianti la risoluzione dei
problemi
legati
al
comfort
ambientale.
L'edificio
ideale
era
raffigurato come una sorta di prodotto la cui forma poteva
rimanere indifferente rispetto alle condizioni climatiche esterne e
poteva rispondere a diversi stimoli di tipo formale o funzionale.
L’inizio della crisi energetica ha reso necessario il controllo dei
consumi, imponendo ai progettisti l'introduzione di materiali e
tecnologie per il risparmio energetico (riduzione delle dispersioni
termiche, controllo delle infiltrazioni d'aria ecc .) e l'uso di fonti
Un esempio potrebbe essere la Villa di Adriano a Tivoli, dove i cortili e le stanze venivano
orientati a seconda delle diverse esigenze termiche estive e invernali, nelle ville di
Costozza in Veneto, costruite a partire del 1550, un interessantissimo sistema di
raffrescamento sfrutta l'aria fredda proveniente da grandi cavità sotterranei ("covoli")
situate all'interno delle colline in cui sorgono le Ville;
2
9
Capitolo I
rinnovabili (i sistemi solari attivi e passivi; le energie cosiddette
pulite, che rappresentano uno dei modi in cui l’uomo cerca di
proteggersi dalle condizioni climatiche avverse attraverso la stessa
architettura).
1.3 Il valore dell’energia nell’architettura.
Tra le tecnologie energetiche basate su fonti nuove e rinnovabili,
molte hanno un rilievo applicativo nell'architettura bioclimatica e,
quindi, essa stessa finisce con il costituire una delle principali
risorse nel settore. Tale sviluppo rappresenta una prospettiva assai
attraente
per
il
risparmio
energetico
e
la
riduzione
dell'inquinamento ambientale se si pensa che, ad esempio, in
Europa, l'energia consumata negli edifici per il riscaldamento, la
climatizzazione, l'illuminazione e le funzioni tecnologiche e di
servizio copre circa il 40% del consumo di energia primaria. In
considerazione della rilevante incidenza che questo settore assume,
si presenta di particolare importanza la sorprendente evoluzione
dell'architettura
bioclimatica
attraverso
l'impiego
di
idonee
tecnologie ed opportuni criteri di progettazione per le nuove
costruzioni e per il recupero dal punto di vista energetico di quelle
esistenti.
Ecco perché è utile trovare ed evidenziare soprattutto l’intreccio
esistente tra: Natura – Informazione - Economia nell’architettura.
E’ pur vero, ma forse non sufficientemente ricordato che la “prima
macchina termica” è l’uomo; esso trasforma, infatti, energia
chimica in energia meccanica disperdendo calore (metabolismo). Si
può persino affermare che, in un certo senso, tutta la storia
bioclimatica dell’architettura è la storia di come l’uomo ha cercato
di rispondere alla necessità del suo organismo di restare ad una
10
Capitolo I
temperatura
pressoché
costante,
qualunque
fosse
quella
dell’ambiente esterno.
Si arriva così alla decisione di proteggere, al tempo stesso, sia la
salute umana che l’ambiente, aumentando l’efficienza dei sistemi
energetici, riconsiderando l’uso delle risorse, garantendo il più
possibile
la
continuità
degli
approvvigionamenti,
evitando
interruzioni di eventuali forniture ed espandendo il più possibile
progetti di scelte future in campo energetico a costi ragionevoli.
Non è difficile sicuramente è capitato a tutti provare ad immaginare
come potrebbe essere il mondo in un futuro basato sullo “sviluppo
sostenibile”: sprechi di risorse nulli, eliminazione delle industrie
inquinanti, nessuna emissione dannosa nell’atmosfera, riciclo al
100%; qualcosa di formidabile, insomma, un ritorno al passato, al
vecchio o antico modo di “sfruttare” ciò che si ha senza
danneggiare; eppure non si fa altro che correre con le bende sugli
occhi senza rendersi conto che analizzando il passato è più facile
capire il presente. Lo stesso Kahn afferma che:
“è possibile costruire il futuro soltanto rispettando il
passato mediante forme che sviluppano un rapporto di
continuità con la natura con l’ambiente esterno, che si
attua anche attraverso il ricorso delle fonti rinnovabili di
energia, ed alle moderne tecnologie”.
11
Capitolo I
1.4 Fonti energetiche esauribili e rinnovabili
Le fonti energetiche esauribili come il nucleare o i combustibili
fossili
quali carbone, petrolio, energia nucleare e gas, derivano
tutte da limitate riserve di materiali, che devono essere estratti dal
sottosuolo; inoltre sono responsabili dei danni più o meno gravi
causati all’ambiente: l’inquinamento atmosferico, i cambiamenti
climatici, le contaminazioni radioattive.
Grafico: Emissioni gas serra.
Il corpo umano, come quello di un qualsiasi animale, si è evoluto
per millenni in perfetta sintonia con il campo magnetico terrestre,
un campo quasi stazionario la cui
intensità
seconda
varia
delle
leggermente
aree
a
geografiche.
L’attuale esteso impiego di apparati
elettrici ci fa vivere in un territorio
completamente
nostro
paese
elettrificato.
è
attraversato
Il
da
57.000 Km di linee ad alta tensione,
è sempre più generalizzato l’uso di
telefoni
cellulari,
rispetto
alle
radiazioni naturali, generate dalla
12
Capitolo I
terra
e
dai
corpi
celesti,
attualmente
si
registrano
valori
enormemente più elevati.
Il risparmio energetico consiste nell'educare le nostre abitudini a
non considerare inesauribile l'energia a nostra disposizione; poiché
per essere prodotta l'energia diviene fonte di inquinamento, ci si è
trovati
nella
necessità
di
individuare
fonti
energetiche
rinnovabili invece, hanno la comune caratteristica di essere
alimentate
da
flussi
naturali
che
attraversano
più
o
meno
costantemente la Biosfera, scudo naturale di tutti i corpi viventi
della terra, e dal momento che viene catturata solo una piccola
parte dei flussi, tali fonti di energie sono considerate praticamente
innocue per l’ambiente sia localmente sia globalmente ed hanno
una durata infinita.
Termoelettrica
Estero
2%
1%
1
2
Idroelettrica
3
Biomasse
4
Eolica,fotovoltaica
e geotermoelettrica
5
14%
16%
67%
Grafico: Offerta energetica
Il tema dei mutamenti climatici si presenta oggi come un nodo
dirimente sia sul piano ambientale che su quello sociale.
13
Capitolo I
Foto: Esempio di inquinamento Magnetico.
Le conseguenze dell’aumento dell’effetto
serra
sugli
squilibri
ecologici non sono più un rischio ma una drammatica realtà; la
stabilità
del
l’accelerazione
clima
dei
sembra
processi
essersi
di
rotta,
desertificazione
lo
dimostrano
(ovvero
una
progressiva degradazione del suolo, una riduzione della capacità
produttiva dovuta proprio alla diminuzione della fertilità della terra
14
Capitolo I
coltivata, una vera e propria perdita irreversibile del potenziale
biologico del suolo).
Questo squilibrio ambientale alimenta il
circolo vizioso tra degrado dell’ambiente
e
aumento
della
povertà,
e
il
moltiplicarsi di fenomeni metereologici
estremi quali le alluvioni che nell’estate
del 2002 hanno devastato il centro
dell’Europa generando un vero e proprio
rischio idrogeologico. Tali catastrofi sono
anche
catastrofi
colpiscono
economiche
direttamente
milioni
che
di
persone. Questa autentica emergenza globale chiama in causa
prima di tutto i modelli energetici dominanti, nei quali spiccano una
dipendenza
schiacciante
dalle
fonti
fossili
e
un’insostenibile
vocazione energivora da parte dei Paesi ricchi soprattutto degli
Stati
Uniti
consumano
l’energia
che
il
23%
da
soli
di
tutta
prodotta
e
contribuiscono per il 26% alle
emissioni di anidride carbonica.
Probabilmente, volendo essere
ottimisti,
petrolifera
la
questione
sicuramente
sarà
superata nel giro di pochi anni,
ma l’incubo ha prodotto ormai i
suoi frutti, ovvero il progresso
tecnologico
Foto: Edificio con facciata fotovoltaica.
ha
consentito
qualsiasi “capriccio”, qualsiasi
spreco.
15
Capitolo I
1.5 Rispetto per l’ambiente
L’esistenza della crisi ambientale ha prodotto una “consapevolezza”
dell’ambiente stesso, è tornato un “senso” di rispetto ambientale,
per cui si è passati dal progettare senza pensare agli effetti della
progettazione, all’utilizzo delle biotecnologie per produrre gli stessi
effetti, con un minor impatto sul territorio. La crisi energetica ha
così dato luogo ad un ampio lavoro di ricerca e sperimentazione
che ha portato, nello scorso decennio, alla realizzazione di una
serie consistente di edifici bioclimatici in tutto il mondo.
Si pensi alle piogge
acide
dovute
all'emissione
ossidi
di
di
zolfo
e
azoto a seguito della
combustione
fossili
e
all'effetto
serra
dovuto
all’emissione
anidride
con
Foto: Visione generale di un edificio sito ad
Avezzano in Abbruzzo.
dei
di
carbonica
conseguente
aumento
della
temperatura media della superficie del pianeta, scioglimento dei
ghiacciai, incremento della desertificazione e delle instabilità
atmosferiche.
Si
pensi
agli
alti
tassi
di
radioattività
dovuti
all'emissione di radionuclidi anche nel normale funzionamento delle
centrali nucleari e delle stazioni di ritrattamento del combustibile,
per non parlare dei danni provocati da incidenti nucleari che si sono
già
verificati
in
dell'alimentazione
varie
parti
vengono
monocolture con l' utilizzo
di
del
mondo.
sviluppati
Anche
nel
un'agricoltura
campo
delle
prodotti chimici inquinanti e un
16
Capitolo I
allevamento del bestiame intensivo.
A questo punto si aggiunge l'utilizzo
della ingegneria genetica per creare
specie di piante e animali capaci di
crescere rapidamente in condizioni
di vita totalmente artificiali. Si tratta
dunque
di
una
chiara
scelta
socio-politica ed economica di un tipo di società che non guarda al
valore della qualità della vita, ma che invece mira a promuovere la
concentrazione
del
potere
e
dell'economia
senza
la
minima
preoccupazione per il futuro del mondo. Ecco perché l'attenzione
verso l'ambiente ha portato ad una nuova coscienza del benessere
quotidiano: un fattore che maggiormente influenza la salute fisica e
mentale è il teatro abituale delle nostre azioni, come la casa,
l'ufficio i luoghi di ritrovo; ultimamente si è sviluppata una
patologia, la "sick building syndrome", cioè la sindrome dell'edificio
malato, che può indurre sulla persona effetti tipo depressione ed
esaurimento, quindi difesa e correzione diventano per noi elementi
strategici della progettazione architettonica che deve tendere non
soltanto a prendere atto della situazione territoriale di partenza,
ma anche a riflettere sugli errori prodotti in passato, ma tenendo
sempre presente i principi già sperimentati, adattandoli al mostro
modo di pensare quindi utilizzando le nuove tecnologie che la
scienza ci offre oggi.
Non si deve pensare a costruire come se fossimo obbligati a essere
in conflitto con il passato ma bisogna essere aperti ad un confronto
diretto, più che scoprire si tratta di riscoprire e sviluppare ciò che
già da tempo è stato inventato ed è rimasto trascurato o meglio
forse cristallizzato durante il “periodo del petrolio facile”.
L’utilizzo delle fonti rinnovabili di energia costituiscono un obiettivo
fondamentale per il futuro energetico in Italia e nel mondo.
17
Capitolo I
La
progettazione,
la
costruzione
di
architettura
e
sistemi
bioclimatici, il loro inserimento nel territorio così come anche la
ristrutturazione di edifici esistenti finalizzata al miglioramento della
loro economia energetica e abitabilità hanno un ruolo importante
nell’uso ottimale delle risorse e nella protezione e riqualificazione
dell’ambiente.
1.6 Contenimento consumo energetico
I
criteri
di
progettazione
bioclimatica
riguardano
quindi
il
contenimento dei consumi energetici degli edifici, prevalentemente
ottenibili, come già detto, attraverso la conservazione dell'energia
(isolamento
e
inerzia
condensazione,
dei
termica,
ponti
termici
controllo
e
dei
delle
fenomeni
di
infiltrazioni/ricambi
dell'aria), il riscaldamento solare passivo (con sistemi diretti,
indiretti
ed
isolati),
dall'irraggiamento
raffreddamento
evaporazione),
il
raffreddamento
solare,
per
adozione
ventilazione,
l'illuminazione
di
passivo
sistemi
irraggiamento
naturale
(adeguata
(protezione
naturali
di
notturno
ed
posizione
e
dimensionamento delle superfici trasparenti, adozione di sistemi di
riflessione e/o canalizzazione della luce ed elementi olografico
ottici) e l'uso dei convertitori fotovoltaici (integrazione di elementi
fotovoltaici nell'involucro esterno degli edifici).
La
sicurezza
energetica
è
data
proprio
dalla
necessità
di
diversificarne le fonti e di migliorarne le tecniche di utilizzo,
inserendo sempre di più nuove soluzioni tecnologiche che diano
impulso
allo
sviluppo
sostenibile.
Gestione
e
uso
razionale
dell’energie rinnovabili è questa la nuova formula per un futuro più
giusto ed efficace sul piano del benessere collettivo; il progresso
tecnologico rende sempre più realistica la possibilità di un
disaccoppiamento tra curva del reddito e curva dei consumi
18
Capitolo I
materiali e degli inquinamenti, l’umanità ha oggi nelle sue mani il
potere di “salvarsi o distruggersi” la più grande sfida che
dovremmo accettare consiste proprio nella riconversione del
sistema energetico, dall’attuale basato su fonti esauribili ad un
sistema sostenibile basato sulle fonti di energie rinnovabili che,
permetta a tutti di avere l’energia necessaria ad un costo minore e
con il minor impatto ambientale/ecologico possibile; quindi un
individuazione
un’istallazione
delle
di
azioni
sistemi
possibili
per
tecnologici
il
risparmio
ovvero
energeticamente
più
sostenibili.
1.7 Analisi economica e ambientale
Un attenta analisi delle fonti energetiche rinnovabili porta ad un
individuazione del profilo economico e ambientale, o meglio al
grado di competitività delle fonti energetiche rinnovabili, rispetto
alle fonti convenzionali del progresso tecnologico che aiuta a
migliorare le economie di scala, offrendo degli strumenti economici
normativi scelti per incentivare proprio lo sviluppo.
In quanto la scelta relativa agli strumenti di incentivazione
influenza in modo determinante la redditività e il grado di rischio
degli investimenti; questi determinano proprio la velocità del
progresso nel settore e le dimensioni del mercato, ovvero
l’evoluzione tecnologica, ma a sua volta il progresso dipende
essenzialmente dalla priorità strategica dovuta alla quantità di
energia prodotta dalle fonti energetiche rispetto al loro costo.
Da un punto di vista economico le energie rinnovabili sono
sempre state ostacolate da un forte svantaggio competitivo iniziale
soprattutto
rispetto
alle
altre
fonti
convenzionali,
così
nel
contrastare tale svantaggio si sono costituiti numerosi incentivi e
sussidi (Certificati Verdi) che influiscono sul grado di ampliamento
19
Capitolo I
del mercato e di riflesso anche sulla precocità ed intensità di certe
scelte d’investimento privato.
Da un punto di vista ambientale invece, si sono sviluppate due
tendenze, la prima riguarda il peso crescente assunto dagli obiettivi
di tutela incentrati sul tentativo di limitare le varie emissioni, tutto
ciò
trova
sfogo
nell’accordo
internazionale
del
Protocollo
di
Montreal, e soprattutto a Kyoto. La concreta entrata in vigore di
quest’ultimo, con carattere vincolante riguardo e riduzioni di
emissioni di gas serra che assume una rilevanza importante nella
costatazione delle mutazioni climatiche; l’accordo stabilisce nei
prossimi 10 anni una riduzione degli elementi inquinanti del 7% in
Italia e del 15% in Europa.
1.8 Danno ambientale
Per tutelare il nostro ambiente, dandogli un preciso valore, si
istituiscono strumenti normativi di tipo autorizzativi, come
la
Valutazione di Impatto Ambientale (VIA) e, successivamente, la
Valutazione
Ambientale
Strategica
(VAS),
nella
necessità
di
coinvolgere attivamente le popolazioni interessate per conseguire
un’accettazione sociale dei progetti infrastrutturali ed energetici.
Le fonti rinnovabili non temono il confronto con le energie
convenzionali poiché i sistemi per il loro utilizzo sono basati su
tecniche
affidabili
e
all’avanguardia.
Senza
dimenticare
che
presentano numerosi vantaggi dal punto di vista ambientale e da
quello della sicurezza e della stabilità del prezzo. Per questo motivo
vengono denominate rinnovabili, piuttosto che “alternative”.
La maggior parte delle fonti rinnovabili energetiche si è scontrata
sull’ostacolo di un impatto ambientale locale ritenuto eccessivo e
dunque non tollerabile, a volte in modo non dissimile da tutti gli
impianti energetici convenzionali, infatti i costi esterni delle fonti
20
Capitolo I
energetiche sono rappresentati dai danni provocati alla collettività
sotto qualsiasi profilo ma non riconosciuti come tali tramite una
valutazione monetaria di mercato, tali danni riguardano ad esempio
impatti negativi sulla salute (Radon) , sul paesaggio, sulla flora,
sulla fauna, sulla attività economiche basate sulla tutela ambientale
come il turismo.
Con
lo
sviluppo
dei
sistemi
di
trasporto
dell'energia,
l'industrializzazione si è estesa geograficamente, in particolare
dopo
la scoperta dell'elettricità, che consente la modalità più
rapida di trasporto dell'energia prima
Nacque l'economia fossile, dalla quale è dipeso l'intero processo di
industrializzazione. Poiché le risorse regionali divennero presto
insufficienti, fu necessario intaccare quelle di altri Paesi. A causa
dell'esauribilità di tutte le risorse fossili, il settore economico ad
esse legato fu costretto a globalizzarsi.
21
Capitolo I
All'inizio si è trattato di un'economia del carbone che nel ventesimo
secolo si è trasformata in economia del petrolio e del gas fino
all'economia dell'energia atomica. L'economia delle materie prime è
stata invece inizialmente un'economia dei metalli e dei minerali
che, con lo sviluppo dell'industria chimica, è diventata un elemento
dell'economia fossile, dal momento che le sostanze principali
utilizzate da questa industria provengono da fonti fossili di energia.
Il danno ambientale una volta superata la “capacità di carico”
divenendo
irreversibile,
annulla
automaticamente
qualsiasi
vantaggio competitivo delle fonti energetiche esauribili,sotto il
profilo dei costi interni. Per frenare il processo di degrado
ambientale, è necessario sviluppare una sensibilità ecologica che
ripristini una relazione armoniosa fra uomo e ambiente, anche
attraverso il recupero di conoscenze e tecniche tradizionali e
naturali. Si potrebbe quasi pensare, o meglio una pista da
esplorare è l’idea che l’energie redditizie (petrolio, gas, nucleare)
finanzino lo sviluppo delle energie rinnovabili che finora non hanno
beneficato come le energie convenzionali di un congruo sostegno.
L’obiettivo generale consiste nel realizzare sistemi di produzione
dell’energia
elettrica
da
combustibili
e/o
energie
rinnovabili
mediante processi di conversione diretta, evitando l’utilizzo dei
tradizionali cicli termodinamici che ne limitano le prestazioni e
favoriscono l’immissione in atmosfera di gas inquinanti.
1.9 Fonti rinnovabili di energia attualmente accessibili
Il
miglior
modo
per
produrre
normalmente
piccole
quantità
d’elettricità, proporzionata al bisogno del consumatore, è di
convertire l’energia solare in elettricità grazie all’utilizzo dei moduli
fissati sul tetto, un integrazione con il sistema fotovoltaico in
architettura, non va vista solo come una possibilità per la diffusione
22
Capitolo I
di questa nuova tecnologia quindi uno sviluppo industriale, ma
come una reale necessità di un certo modo di progettare e
costruire; in quanto il tema della sostenibilità, era stato sempre
visto e dibattuto solo in ambiti scientifici; l’integrazione del
fotovoltaico è proprio uno dei campi più promettenti grazie proprio
ai molti e indubbi vantaggi che tale tipo di applicazione offre
rispetto alla realizzazione di grandi centrali isolate.
In questo settore un fondamentale contributo è fornito dalle celle a
combustibile una tecnologia che, grazie agli importanti passi avanti
fatti negli ultimi anni, suscita un notevole interesse scientifico ed
industriale per applicazioni stazionarie e mobili. La loro principale
caratteristica consiste nella possibilità di produrre energia elettrica
da combustibili tradizionali, con elevato rendimento e con solo
modeste
emissioni
di
contemporaneamente
CO2,
calore
e
nella
opportunità
utilizzabile.
Nelle
di
produrre
applicazioni
stazionarie le celle a combustibile possono essere utilizzate sia per
la produzione di energia elettrica di potenza che per sistemi di cogenerazione di elettricità e calore per usi civili ed industriali.
L’energia
termica,
disponibile
dalla
combustione
o
da
fonti
energetiche alternative (solare, geotermica, scarti termici, ecc.) è
la sorgente energetica più diffusa nel settore industriale e civile,
pertanto è fondamentale lo studio dei processi legati all’accumulo e
l’uso razionale di questa energia. Accanto alle tecnologie di
conversione del gas naturale, del metanolo, della nafta in idrogeno,
attualmente in fase di sviluppo per applicazioni in celle a
combustibile, è stato recentemente avviato un programma per la
conversione di biomasse vegetali in idrogeno, produrre energia
elettrica senza utilizzare il tradizionale ciclo termodinamico.
Oggi
è
possibile
grazie
alla
“cella
a
combustibile
a
bassa
temperatura”.
23
Capitolo I
Un ingegnoso meccanismo che sfruttando il principio inverso alla
eletrolisi
dell’acqua
permette
di
convertire
l’energia
chimica
contenuta nell’idrogeno, direttamente in energia elettrica. Le celle a
combustibile possono trovare applicazione in diversi settori, dalla
produzione di energia in grandi centrali di potenza o ancora per la
produzione combinata di energia elettrica e calore per singole
utenze
quali
quartieri
residenziali,
ospedali,
uffici
pubblici,
industrie. In questo senso vi è la possibilità di immaginare che ogni
quartiere nelle città possa produrre da sé l’energia elettrica
mediante quello che, volendo banalizzare, o osare, potremmo
chiamare “gruppo elettrogeno” basato su celle a combustibile. In
ogni caso l’applicazione più affascinante resta quella del settore
automobilistico e del trasposto in genere.
Alcune ricerche hanno riscontrato che, spesso, si costruiscono delle
case in cui si creano dei microclimi lontani dalle caratteristiche
biologiche di cui si avrebbe bisogno: infatti nelle nostre case ci
sono zone poco frequentate ed altre iperattive; la casa è uno
spazio da usare per il nostro benessere.
Condotti
d'aria
sotterranei
per
climatizzare
superfici
l'aria,
vetrate
o
serre rivolte a sud
per
intrappolare
calore
in
il
inverno,
materiali trasparenti
innovativi
"selezionare"
per
la
radiazione solare ed aumentare l'uso dell'illuminazione naturale
negli ambienti interni, camini solari per aumentare la ventilazione
naturale, uso di pannelli fotovoltaici per produrre elettricità ed uso
24
Capitolo I
di pannelli solari per produrre l'acqua calda, sono solo alcune delle
strategie progettuali che possono essere applicate per diminuire i
nostri consumi energetici, ma soprattutto per migliorare la nostra
qualità di vita. Il legame tra ambiente esterno e ambiente interno,
viene finalmente concepito come un qualcosa di intrinseco, ovvero,
l’uno riesce a valorizzare l’altro, sembra quasi “assurdo” ma proprio
l’ utilizzo di nuovi materiali, di nuove tecniche come la poetica della
trasparenza, sottolinea l’armonia che coesiste tra ciò che è natura e
ciò che si costruisce. In passato, alle partizioni esterne, massicce e
impenetrabili, era affidato il compito di esprimere e rappresentare
la funzione e il decoro dell'edificio e lo studio delle facciate si
concentrava solo ad evidenziare la decorazione finale, niente di più.
Oggi la concentrazione del progettare, punta sui nuovi materiali di
rivestimento
esterno
utilizzando
la
“pelle”
dell'edificio
come
generatrice di forme e di immagini, vengono rivalutati gli involucri
edilizi
a
tecnologia
avanzata
rispetto
a
quelli
a
tecnologia
convenzionale. È sempre l'involucro edilizio l'oggetto di continue
ricerche
da
parte
dei
progettisti
che
come
Norman
Foster, Richard
Rogers,
Jean
Nouvel o Renzo
Piano,
si
rivolgono
all'high
ritenendo
tech
la
tecnologia il contenuto e la principale finalità degli sforzi espressivi
dell'architettura. Nuove soluzioni tecniche per razionalizzare l'uso
dell'energia e sfruttare le energie rinnovabili (con l'obiettivo di
25
Capitolo I
realizzare la zero energy house) portando importanti innovazioni
nella concezione dell'involucro edilizio, che da semplice elemento di
protezione diventa dispositivo per lo sfruttamento delle energie
naturali.
Da un punto di vista architettonico l'involucro edilizio è una pelle
ricca di suggestioni, invece da un punto di vista fisico e strutturale,
esso rappresenta la superficie di controllo attraverso la quale
passano i flussi di energia scambiati con l'ambiente circostante,
soprattutto, con il clima.
Le strategie d'intervento
per sfruttare al meglio le
caratteristiche climatiche3
regionali
si
ovviamente
differenziano
a
seconda
della zona in cui si opera
in
genere
si
usa
distinguere quattro zone
Foto: Edificio con copertura vetrata
climatiche principali. L’involucro esterno rappresenta una superficie
di
confine
dinamica
e
attiva,
in
grado
cioè
di
mutare
automaticamente le proprie prestazioni al mutare delle situazioni
ambientali esterne e delle esigenze di coloro che vivono l'ambiente
interno.
1.10 L’ energia attiva e passiva
L'energia solare può essere utilizzata in modo attivo o in modo
passivo e per questo si vuole distinguere fra energia solare attiva
ed energia solare passiva. L'involucro edilizio diventa involucro
In "Energy conscious design - A primer for architects" di J.R. Goulding, J.Owens Lewis e
T.C. Steemers (CEC, 1992) vengono trattate tematiche quali il rapporto con il clima, le
strategie di riscaldamento e raffrescamento in assenza di impianti di climatizzazione, le
strategie di illuminazione naturale e le condizioni di comfort termico e di comfort visivo.
3
26
Capitolo I
attivo quando integra nella propria struttura i sistemi impiantistici,
tipicamente quelli per la raccolta e la trasformazione dell'energia
solare e per la ventilazione artificiale4 degli ambienti interni. Con
l'espressione
"energia
solare
attiva"
si
intende
in
genere
raggruppare tutte le applicazioni che riguardano il settore delle
applicazioni termodinamiche (energia termosolare) e il settore
dell'energia fotovoltaica. Esempi di involucri attivi sono le facciate
dotate di collettori solari ad aria o ad acqua e le facciate dotate di
pannelli fotovoltaici5, ma anche le facciate dotate di vetrature
ventilate,
dove
preriscaldamento
trattamento
aria
nel
periodo
dell'aria
prima
(involucro
con
invernale
di
inviarla
funzione
si
alla
di
effettua
un
centrale
di
"batteria
di
preriscaldo") oppure un recupero di calore dall'aria prima della sua
espulsione (involucro con funzione di "recuperatore di calore").
4
Si utilizza la vetratura ventilata, che è costituita da due superfici trasparenti separate
da una intercapedine ventilata artificialmente, apribili o non apribili, dotate di vetri
semplici o a camera.
Il padiglione inglese della Expo '92 di Siviglia, in Spagna, progettato dall'architetto Sir
Nicholas Grimshaw dove ogni facciata è stata studiata a seconda dell'orientamento:
elementi di ombreggiamento a strati a sud, superfici bagnate dall'acqua per rinfrescare
l'ambiente circostante ad est, elementi fotovoltaici per la produzione di energia elettrica
sono solo alcune delle strategie utilizzate in questo curioso edificio.
5
27
Capitolo I
L'energia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono
tra di loro per il tipo di collettore impiegato, il tipo di scambiatore di
calore, il modo di immagazzinamento dell'energia. In ogni caso
tutti i sistemi attivi, che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o l'acqua, hanno come principali componenti sia
collettori solari sia sistemi di immagazzinamento del calore, mentre
la circolazione del fluido utilizzato per lo scambio termico viene
ottenuta mediante pompe o ventole. I pannelli solari impiegati nel
settore edile offrono, tra gli altri vantaggi, la caratteristica di poter
essere integrati con relativa facilità nella struttura dell'edificio.
L'involucro attivo, rispetto a quello passivo, risulta più efficiente in
termini energetici e più controllabile in termini funzionali, lo si può
notare dai componenti impiantistici per la captazione dell'energia
solare e per la distribuzione e l'accumulo dell'energia trasformata.
Ma purtroppo anche qui, la modularità dimensionale tipica dei
componenti impiantistici vincola l’espressione architettonica e
compositive, crea problemi fra il disegno della facciata ed i caratteri
distributivi e morfologici degli ambienti. Con l'espressione "energia
solare
passiva"
si
intende
in
genere
raggruppare
tutte
le
applicazioni in cui l'energia solare viene utilizzata senza alcun
ausilio motorizzato e in cui la distribuzione del calore prodotto
avviene
grazie
ai
fenomeni
naturali
della
conduzione,
della
convezione e dell'irraggiamento, invece di utilizzare pompe o
ventole.
Le
principali
tecniche
passive
per
l'accumulo,
la
distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare per il
riscaldamento di un edificio, soprattutto nei climi freddi prevedono
l'impiego di muri termoaccumulatori, di un ottimo isolamento, di
una notevole massa termica, di sistemi di preriscaldamento
dell'aria, di superfici vetrate esposte a Sud, di vere e proprie serre
addossate all'edificio. L’involucro passivo, deve quindi in tutti i
modi, massimizzare il guadagno solare diretto, deve raccoglie
28
Capitolo I
l'energia solare anche quando essa non penetra direttamente in
ambiente perché dotato di pareti del tipo Trombe6, deve prevedere
spazi
cuscinetto
per
la
protezione
dal
freddo,
favorire
la
penetrazione della luce naturale e favorire la ventilazione naturale.
Però l'involucro passivo, presenta, anche rilevanti limiti di impiego
in quanto, proprio per facilitare l’immissione dell’energia solare
crea notevoli vincoli all'espressione architettonica , e risulta di fatto
incapace di rispondere autonomamente (in assenza di sistemi
impiantistici) alla domanda di comfort degli occupanti l'edificio.
6
Funzionamento del muro di Trombe.La radiazione elettromagnetica emessa dal sole,
filtrata dall'atmosfera terrestre, ha prevalentemente lunghezze d'onda comprese tra 0.2 e
3 micron. Quando le radiazioni colpiscono la parete( con superficie opaca, preferibilmente
di colore nero), questa si riscalda rimettendo una parte delle radiazione assorbite ma con
lunghezza d'onda superiore ai 4 micron(radiazioni infrarosse). La lastra davanti al muro
assorbe gran parte delle radiazioni riflesse e, a sua volta, si riscalda rimettendo parte
dell'energia verso l'ambiente esterno e parte verso la prima superficie emittente.
Inserendo un secondo vetro a breve distanza dal primo, (a volte si può utilizzare un
retrocamera), si può ulteriormente ridurre la dispersione di calore verso l'esterno; questo
viene dunque in gran parte immagazzinato dalla parete, che a sua volta lo cede agli
ambienti interni. Questa trasmissione di energia termica dalla massa accumulatrice ai
locali d'abitazione può essere perfezionata, per esempio, agendo sullo spessore della
parete e sulla capacità termica del materiale scelto per l'accumulo (lo stesso Trombe
studiò come alternativa al muro in calcestruzzo vibrato una parete costituita da un
serbatoio metallico contenente acqua). In secondo luogo creando, attraverso apposite
aperture dotate di valvole di tiraggio e di sezione pari a circa 1/100 della superficie totale
del muro, un moto convettivo d'aria tra l'intercapedine esterna e le stanze interne.
Un'ulteriore regolazione del flusso di calore trasmesso o proveniente dai locali abitati può
essere ottenuta applicando uno strato di materiale coibente sulla superficie della parte
rivolta verso l'interno. Nel periodo estivo, per evitare il surriscaldamento della stanze,
vengono chiuse le aperture praticate nelle pareti, mentre altre aperture regolabili
consentono la circolazione( e la fuoriuscita verso l'esterno) dell'aria nell'intercapedine
esistente tra superficie vetrata e murata. In estate, inoltre, i raggi incidenti risultano
inclinati rispetto alle vetrate esposte a sud e vengono di conseguenza
riflessi.
L'ingegnoso muro di Trombe sfrutta in realtà un principio conosciuto: " effetto serra". In
una serra l'illuminazione diurna, penetrando attraverso le vetrate, viene captata dalle
superficie interne (pareti e pavimenti) e trasformata in un'energia termica. In questo
caso, dunque, la massa per l'accumulo termico è costituita dai muri perimetrali, dal
pavimento e dal sottostante solaio o letto di ghiaia. Se la serra viene strutturalmente e
funzionalmente integrata in un fabbricato residenziale, le sue capacità di accumulazione
termica possono essere utilizzate quale fonte integrativa di calore per il riscaldamento dei
locali abitati. La serra può inoltre nelle ore notturne essere facilmente oscurata e
tecnicamente isolata dall'esterno con schermi mobili, mentre nel periodo estivo, con
l'eliminazione delle vetrate, trasformata in una piacevole veranda. Un'evoluzione del muro
di Trombe si è avuta in anni recenti con l'adozione di materiali isolanti trasparenti (TIMS)
normalmente realizzati con strutture capillari o a nido d'ape in policarbonati e
polimetilmetacrilati.
29
Capitolo I
1.11 I sistemi solari diretti, indiretti ed isolati
I sistemi solari passivi si dividono in diretti, indiretti ed isolati. Il
sistema diretto, quello più comune, presenta ampie vetrate esposte
a sud, aperte direttamente sull'ambiente interno, che dispone di
sufficienti masse di accumulo termico. I principali sistemi indiretti
sono: il muro termico, il muro di Trombe e le serre. Nel muro
termico l'accumulo è costituito dalla parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per
ridurre le dispersioni termiche. Il calore captato viene trasmesso
per conduzione, con un certo ritardo, attraverso la parete e quindi
ceduto (per convezione ed irraggiamento) all'ambiente interno. Gli
elementi di accumulo, sono costituiti da pareti o solai aventi una
adeguata capacità termica. Oltre al trasferimento del calore per
conduzione come nel muro termico, il muro Trombe consente
anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
all'ambiente retrostante attraverso delle aperture poste nella parte
bassa ed in quella alta della parete.
Foto: Facciata vetrata
30
Capitolo I
Foto: Edificio Bioclimatico, costituito completamente da vetrate
31
Capitolo I
1.12 L’importanza delle serre o vetrate negli edifici.
La serra7 è costituita da una chiusura vetrata sulla facciata sud
avente una massa di accumulo nella parete di separazione o
comunque all'interno della serra stessa.
La
serra
viene
usata
per
il
preriscaldamento dell'aria di rinnovo.
Nei
sistemi
captazione
isolati
è
la
separata
superficie
di
dall'accumulo
termico, il trasferimento del calore fra i
due
elementi
avviene
per
termocircolazione naturale. Un esempio di sistema isolato è
costituito dal sistema Barra-Costantini che si può schematizzare in
un collettore solare montato sulla facciata Sud dell'edificio. L'aria
riscaldata dal collettore viene immessa in condotti posti nel soffitto
che riscaldano la struttura. Si viene quindi a determinare una
termocircolazione naturale (loop convettivo) con conseguente
trasferimento del calore dalla captazione, quindi dal collettore
all'accumulo e all'ambiente interno. Le principali tecniche impiegate
per il rinfrescamento naturale di un edificio prevedono l'utilizzo di
condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa
termica, della ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per l'evaporazione
dell'acqua. L'importanza del rinfrescamento passivo è motivata dal
fatto che il fabbisogno di raffreddare gli edifici è aumentato
rapidamente negli ultimi anni. Il termine "ventilazione" viene usato
Un tipico esempio da citare può essere l’Edificio per uffici a Lubech in Germania
realizzato dagli Arch. Behnish &Behnish dove una grande serra come hall d'ingresso
riscalda gli uffici in inverno mentre in estate viene rinfrescata da una accurata
ventilazione naturale, con una originalissima "fontana di aria fredda" che elimina l'aria
proveniente dal sottosuolo e che aumenta la sua efficacia tramite un alto camino solare
che ha anche il compito di mantenere sotto pressione la hall. Infissi non più in alluminio e
fissi, bensì in legno (materiale totalmente rinnovabile e di più semplice ed economica
lavorazione) e apribili per permettere all'utente di regolare il proprio microclima interno
senza consumare energia per gli impianti di climatizzazione.
7
32
Capitolo I
per definire tre diverse funzioni: l'utilizzo di aria fresca, l’
allontanamento del calore da un ambiente attraverso il ricambio
dell'aria e il raffreddamento fisiologico. La ventilazione naturale dà
luogo a raffreddamento tramite le correnti d'aria generate da
fenomeni naturali come l'azione del vento e l'effetto camino, la
prima viene molto influenzata dalle condizioni anemologiche del
luogo, mentre il secondo dall'altezza degli ambienti o degli elementi
dedicati (torri del vento, camini solari, intercapedini ventilate,
ecc.). Il raffreddamento evaporativo8 sfrutta l'abbassamento di
temperatura dell'aria che si verifica a seguito dell'evaporazione
dell'acqua. Tale evaporazione diminuisce all'aumentare dell'umidità
relativa dell'aria, fino ad annullarsi per alti valori (condizioni di
saturazione) di questa ultima. Tale possibilità di raffreddamento,
che veniva anche utilizzata nelle torri del vento iraniane9, può
avere varie possibilità di applicazione, sia negli ambienti interni, sia
in quelli esterni. Tali torri, di forma conica ed alte trenta metri,
hanno nelle sommità degli spruzzatori d'acqua che, a seguito
dell'evaporazione, raffreddano l'aria presente nella parte alta della
torre che aumentando di conseguenza la sua densità scende verso
il basso raffreddando l'aria del sottostante spazio esterno.
Un'altro
importante
contributo
passivo
che
si
può
ottenere
dall'energia solare riguarda l'illuminazione diurna di un edificio,
sfruttando sia la luce solare diretta sia quella diffusa. Per
Un esempio lo si trova nell’Expo’2000 di Siviglia.
Le torri del vento iraniane sono elementi autonomi integrati nell'edificio con la funzione
di generare un movimento d'aria al loro interno e costituiscono una indicazione efficace
per il raffreddamento degli edifici in climi caldi aridi. Nel suo funzionamento notturno la
torre si raffredda poichè la sua “massa muraria” cede calore all'aria (in essa contenuta)
che si riscalda. Si genera quindi, un moto ascensionale dell'aria che, favorisce il
raffreddamento dell'edificio e soprattutto della torre stessa che funge da accumulo di
freddo. Di giorno, l'aria calda esterna, venendo a contatto con la massa muraria della
torre, si raffredda ed aumentando di conseguenza la sua densità, scende verso il basso,
entrando nell'edificio e provocandone il raffreddamento. Tale meccanismo di
funzionamento, accelerato dall'azione del vento, ha presentato interessanti soluzioni in
climi caldi con risultati soddisfacenti di integrazione architettonica.
8
9
33
Capitolo I
incrementare la luminosità e favorire la penetrazione della luce
naturale
all'interno
degli
edifici
sono
molto
importanti
l'illuminazione zenitale, le condotte di luce, la capacità di diffusione
luminosa dei materiali e i meccanismi per l'inseguimento solare.
Per quel che riguarda l'Illuminazione naturale, nuove tecniche sono
particolarmente utilizzate nella progettazione di ambienti che
hanno un uso prevalentemente diurno, come uffici, scuole, edifici
commerciali, industriali e ospedali, per i quali l'entità di consumi
energetici derivanti dall'illuminazione artificiale ne accentua gli
svantaggi economici. Le moderne tecniche di daylighting vengono
applicate negli edifici di abitazioni essenzialmente per ragioni
estetiche e di benessere.
Le caratteristiche principali che
rendono
preferibile
naturale
a
quella
la
luce
artificiale
sono il suo rendimento nella
percezione
del
colore
e
le
variazioni nel tempo di colore,
contrasto
(brillanza
superficie,
e
luminosa)
luminanza
di
caratteristiche
ogni
che
non possono essere simulate
da nessun tipo di sorgente artificiale. Il flusso luminoso all'interno
dell'edificio varierà a seconda del posto in cui si trova l'edificio
stesso, l'ora del giorno, il periodo dell'anno, le condizioni climatiche
del luogo, da come l'edificio è circondato nelle immediate vicinanze
(presenza di ostruzioni naturali o artificiali) e dall'indice di
riflessione delle superfici interne ed esterne. Per ottenere buoni
livelli di comfort visivo (ambienti in cui la ricezione dei messaggi
visivi non è disturbata), è necessario assicurare buoni livelli di
34
Capitolo I
comfort luminoso all'interno degli spazi ed evitare assolutamente il
cosiddetto fenomeno di abbagliamento10.
1.13 Assemblaggio di un involucro attivo e passivo
A volte l’involucro passivo, e attivo vengono assemblati, utilizzati
insieme, per soddisfare le esigenze energetiche, un vero e proprio
involucro ibrido in cui le tecnologie edilizie e le tecnologie
impiantistiche diventano fra loro complementari e l'involucro
diviene
parte
di
un
sistema
integrato
edificio-impianti
(di
climatizzazione, di ventilazione, di illuminazione ect), ricco di
apparati di regolazione e controllo. Possiamo considerare come
involucri edilizi ibridi le semplici facciate a elementi opachi dotate di
dispositivi per la penetrazione in ambiente dell'aria utile per la
ventilazione naturale, le facciate trasparenti a doppio involucro con
intercapedine ventilata e schermature mobili nell'intercapedine, gli
schermi solari esterni rivestiti di celle fotovoltaiche, gli schermi
solari esterni che inseguono la radiazione solare o le facciate
fotovoltaiche ventilate.
Foto: moduli fotovoltaico
ad alta efficienza in silicio
monocristallino con
potenza di watt
fino a 170 Wp
Situazione creata dalla presenza nel campo visivo di superfici o punti con luminanza
molto superiore a quella a cui l'occhio è abituato.
10
35
Capitolo I
In genere, però gli involucri ibridi comportano costi di costruzione
assai superiori rispetto a quelli degli involucri convenzionali a causa
dei
materiali
manutenzione.
impiegati
Accanto
e
dei
allo
pezzi
speciali
svantaggio
e
dei
economico,
costi
di
possiamo
inserire l’alto contributo del bilancio energetico fornito dalle energie
rinnovabili (inserendo fra di esse anche la luce naturale ed i
recuperi energetici) e dal miglioramento delle condizioni di comfort
all'interno degli ambienti.
36
CAPITOLO II
Aria – acqua – terra – sole: le fonti rinnovabili
Il vento, l’acqua e la biomassa, sono definite fonti sovrabbondanti che non si
esauriscono finché esisterà il sole; fonte primaria; estremamente pulite e a
disposizione di tutti, perché distribuite in forma diversificata su tutto il pianeta
e quindi utilizzabili in maniera decentralizzata dai singoli e dalle comunità
secondo l'invito del sole attraverso le diverse tecnologie; fonti che possono
essere nelle mani dei popoli e per i popoli e non nelle mani di pochi che le
distribuiscono come vogliono.
Premessa
Siamo circondati da risorse inesauribili, che ci consentono di coprire
i nostri bisogni energetici e quelli delle generazioni future senza
correre rischi incontrollabili per la vita e il benessere del nostro
pianeta. Oggi lo sviluppo della moderna tecnologia ci permette di
utilizzare queste fonti energetiche su una scala che risponde alle
necessità e alle richieste della civiltà moderna.
Una sola tecnologia, una sola energia rinnovabile non riuscirebbe
mai a rispondere a tale esigenza. Ogni alternativa ha specifici
vantaggi e svantaggi e deve essere applicata in modo intelligente
ed in sinergia dei luoghi nei quali può dimostrare al meglio la sua
validità. Solo associandosi le fonti di energia rinnovabile hanno la
possibilità di soddisfare la domanda. Il nostro ambiente offre due
fonti totalmente differenti per soddisfare i nostri bisogni energetici:
il sole e la terra. Il sole fornisce energia direttamente, oppure
indirettamente sotto forma di vento, energia idraulica e biomassa.
La terra con un alto potenziale di calore sotterraneo, sempre
disponibile, deve solo essere sfruttato con tecnologie appropriate.
Di conseguenza, il successo delle energie rinnovabili è possibile e
un nuovo orientamento dell'approvvigionamento energetico si
37
Capitolo 2
giustifica economicamente e socialmente, solo se entrambe le fonti,
sole e terra, vi contribuiscano.
2.1 Il Sole, fonte energetica e, sorgente di vita.
La fonte comune diretta di tutte le risorse rinnovabili, come già
intuito, è il sole. Le forme di energia e le materie prime di origine
solare rappresentano un potenziale di risorse che va molto oltre il
potenziale fossile.
Il sole consegna alla terra energia in una
quantità che è 15 mila volte superiore
rispetto al consumo annuale in energia
atomica e fossile. Il potenziale di risorse
solari ha tre caratteristiche fondamentali,
che
emergono
contrariamente
alle
caratteristiche proprie delle risorse fossili,
ovvero; le risorse solari non sono esauribili,
almeno finché esisterà il sistema solare,
cioè per l'intero tempo futuro della terra, stimato in cinque miliardi
di anni. Nella trasformazione in forme secondarie di energia e in
materie secondarie (calore, combustibile, elettricità) non vengono
prodotte emissioni oppure nel caso delle biomasse vengono
prodotte emissioni molto limitate e quindi non pericolose per
l'ambiente
globale.
Le
risorse
solari
sono
interamente
o
parzialmente disponibili dappertutto, e devono essere estratte a
livello locale e regionale.
Per utilizzarle non è necessaria una catena industriale, e dunque
aziende
concentrate
trasformazione
che
e
multinazionali,
possono
essere
bensì
installate
tecniche
di
dovunque.
L'inesauribilità delle risorse solari permette di impostare un modello
di civiltà duraturo.
Capitolo 2
Poiché il sole non emette bollette per la sua prestazione energetica,
la fornitura di risorse tende a diventare alla fine gratuita, grazie alla
mobilità industriale e all'uso di tecniche sempre meno costose.
A causa della semplice installazione e del funzionamento silenzioso
e senza necessità di manutenzione il fotovoltaico trova applicazione
nei più svariati settori. Il vantaggio più grande di un impianto
fotovoltaico è dovuto alla sua capacità di fornire energia elettrica
quasi continuamente. La maggior parte delle altre fonti energetiche
(pile, generatori diesel, centrali termoelettriche a carbone, centrali
nucleari) devono essere continuamente ’ricaricati’, nel fotovoltaico
a questo ci pensa il sole, la maggiore fonte di energia a nostra
disposizione.
Fonte: Il Sole, fonte energetica rinnovabile sorgente di vita per la Terra
39
Capitolo 2
2.2 Un nuovo approccio all’energia solare.
La filosofia impiantistica degli edifici a basso consumo energetico
prevede che l’edificio sia un contenitore termicamente isolato,
capace
di
mantenere
all’interno
un
buon
livello
di
comfort
ambientale con il minimo ricorso a fonti di energia che non siano
rinnovabili.
Il concetto di edificio a basso consumo energetico si sta fortemente
sviluppando, si prevede, in alcuni decenni, di arrivare alla totale
autonomia energetica degli edifici con sola energia rinnovabile
soprattutto nella prospettiva di nuove realizzazioni a larga scala in
grado di determinare ampie sinergie con il sistema delle risorse
naturali.
La fonte solare ha grandi possibilità di contribuire in misura
significativa alla diminuzione dell’impiego delle fonti fossili. In
molte regioni del mondo, un chilometro quadrato di terreno risulta
sufficiente per generare almeno 300-400 GWh di energia elettrica
da fonte solare termica; ciò comporta una minore richiesta annua
di potenza da impianti convenzionali a combustibili fossili pari a
circa 50 MWe.
Grafico: Andamento del costo dell’energia
40
Capitolo 2
2.3 Scenario futuro dettato dalle esperienze passate
L’evoluzione delle forniture di energia primaria negli ultimi 150 anni
ha
seguito
un
andamento
relativamente
semplice.
Cesare
Marchetti11 ha dimostrato che si può prevedere lo sviluppo di molti
aspetti dell’attività umana, e delle fonti energetiche utilizzando le
equazioni epidemiche. La penetrazione di una nuova tecnologia ha
un andamento simile a quello dell’evoluzione biologica, nella quale
nuove
specie
allontanano
dalla
propria
nicchia
le
specie
preesistenti. Quasi tutte le nuove concezioni tecnologiche si
impongono sul mercato ma con risultati a volte molto lenti. Negli
ultimi 150 anni, in particolare, il mix delle fonti energetiche
primarie ha mostrato un andamento in perfetto accordo con le
curve “epidemiche”, indipendentemente dagli eventi della società.
Il fatto che ci sia stato un così buon accordo nel passato,
suggerisce la possibilità di estrapolare questo metodo per gli
avvenimenti futuri e, in particolare, per
l’affermazione di una
nuova risorsa energetica.
Grafico: Scenario dell’evoluzione epidemica delle fonti di energia a livello mondiale.
11
Noto fisico italiano
41
Capitolo 2
Si noti che la catena di sostituzioni “storiche” (cibo per animali,
legna, carbone, petrolio, gas naturale) è stata dettata dal mercato
e non dalla disponibilità delle risorse.
Le sostituzioni sono avvenute sempre all’incirca ogni 55 anni, in
corrispondenza dei massimi dei cosiddetti “cicli di Kondratiev”, che
regolano l’evoluzione dei cicli economici. È ragionevole attendersi
che
anche
nel
futuro
sono
presenti
andamenti
analoghi
nell’evoluzione del sistema energetico mondiale. Secondo tale
ipotesi, l’evoluzione epidemica delle tecnologie attuali, prevede
l’apparizione e la crescita di una nuova fonte primaria, per la quale
l’energia solare è la più attendibile candidata, eventualmente
seguita da un’altra nuova ipotetica fonte, che potrebbe essere un
nuovo nucleare (fissione o fusione). La conclusione viene rafforzata
dal fatto che, nel futuro, soltanto il sole e una rinnovata fonte di
origine nucleare hanno potenzialità di contributo energetico tali da
sostenere l’enorme domanda di energia primaria.
carbone
23%
nucleare
7%
rinnovabili
14%
gas
naturale
21%
petrolio
35%
Grafico: Fonte IEA Renewables Information 2003
Dal punto di vista tecnologico, lo sfruttamento della risorsa di
energia effettuata dal sole può essere evidentemente sia di tipo
diretto (fotovoltaico, captazione di calore ecc.) che indiretto
42
Capitolo 2
(energia idrica, eolica, biomasse ecc.). Si ritiene che una delle più
promettenti
tecnologie
sarà
quella
dell’utilizzo
diretto
della
radiazione solare, opportunamente concentrata, per ottenere calore
ad alta temperatura.
La tecnologia fotovoltaica, consente di trasformare direttamente la
luce solare, in energia elettrica, è una delle frontiere delle Energie
Rinnovabili, pur essendo ancora una tecnologia in evoluzione verso
un bilancio ambientale positivo.
Grafico: Andamento del fotovoltaico in alcuni paesi
12
2.4 I diversi modi di estrarre energia.
E' possibile produrre energia anche attraverso la combustione dei
gas che si sprigionano dal letame o dai rifiuti agricoli. La biomassa
fornisce energia termica ed elettricità attraverso l'utilizzazione di
residui
boschivi
polverizzazione
o
agricoli
gassificazione,
con
procedimenti
liquefazione
e
di
taglio,
successiva
combustione e attraverso l'utilizzo dei biogas che si sviluppa dalla
fermentazione di materiale organico quali gli escrementi degli
animali, i rifiuti di cucina ecc. È da notare che la combustione della
12
Fonte del grafico, elaborazione centro Enea su dati percepiti dall’ AIE 2003.
43
Capitolo 2
biomassa non porta ad un aumento dell'anidride carbonica e quindi
dell'effetto serra, perché ne viene emessa esattamente lo stesso
quantitativo di quanto ne viene assorbito dall'atmosfera durante la
crescita delle piante. Nel settore della biomassa sono molto
avanzati
i
procedimenti
di
polverizzazione,
liquefazione
e
massificazione e le centrali di cogenerazione per la produzione
congiunta di energia elettrica e calore raggiungono rendimenti
globali superiori al 90%.
Grafica: Gerarchia per la gestione dei rifiuti della Comunità Europea13
Il
decreto
Ronchi
favorisce
la
valorizzazione
energetica
del
combustibile da rifiuti (CDR), miscela costituita da rifiuti urbani e
industriali trattati appositamente, con l’autorizzazione ad accedere
a procedure semplificate di autorizzazione per la costruzione di
nuovi inceneritori. Inoltre, il decreto ha imposto che, a partire dal
1° gennaio 1999, la realizzazione e la gestione di nuovi impianti di
incenerimento possano essere autorizzate solo se il relativo
processo di combustione è accompagnato da recupero energetico.
Nel decreto Ronchi lo smaltimento in discarica viene considerato
13
Fonte del grafico, Agenzia Europea per L’Ambiente.
44
Capitolo 2
come ultima opzione e solamente per quelle frazioni residue dai
vari processi di recupero di materia e energia. Si impone, dunque,
il superamento del concetto di smaltimento del rifiuto tal quale,
cioè senza preselezione, come l’incenerimento massivo e senza
recupero energetico o la discarica per rifiuti indifferenziati. L’Italia
gestisce i rifiuti solidi nel modo più svantaggioso, smaltimento in
discarica per il 78%, riciclaggio e compostaggio per poco più del
15% e incenerimento per appena il 7%. La situazione italiana è
assurda se confrontata con quella di altri Paesi Europei dove i
rapporti tra incenerimento e smaltimento in discariche sono
completamente invertiti. Ebbene, i rifiuti sono da considerarsi sotto
ogni punto di vista una fonte rinnovabile, lo dice esplicitamente un
decreto legislativo del dicembre scorso (n.387/2003, in attuazione,
con 2 anni di ritardo, di una direttiva comunitaria) riguardante la
promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti energetiche
rinnovabili. Fra queste fonti il decreto include le cosiddette
“biomasse” e ragionevolmente chiarisce che in esse è compresa la
parte organica dei rifiuti urbani.
È
da
ricordare
anche
l'utilizzo
dell’idrogeno
solare
per
l'immagazzinamento dell'energia, prodotto per esempio dall'idrolisi
dell'acqua con l'utilizzo delle fonti rinnovabili: un combustibile,
l'idrogeno che bruciando produce acqua come unico residuo ed è
quindi assolutamente pulito.
45
Capitolo 2
L'idrogeno solare inizia ad essere utilizzato nel campo dei trasporti
per l'alimentazione di automobili ed autobus azionati da motori a
combustione o da motori elettrici alimentati da celle a combustibile.
Foto: “Hy-wire”, la innovativa auto a idrogeno presentata al Salone dell'Auto
di Parigi 2002
Foto: Il motore della “Hy-wire”
46
Capitolo 2
Nel campo del fotovoltaico sono stati realizzati moduli al silicio
monocristallino con rendimenti altissimi del 24-25%, moduli al
cadmio-tellurio e silicio amorfo stabili e a strato sottile dell'ordine di
pochi micron;
Foto: Complesso residenziale “Fàbrica Nova” in Barcellona
Foto: Ceip Font d’en Fargas in Barcellona
47
Capitolo 2
Il generatore eolico, cioè
mosso
dal
funziona
vento,
come
un
mulino: le pale, azionate
dal vento, fanno girare
un
alternatore
produce
che
elettricità.
L'energia
eolica
non
inquina, è inesauribile e
gratuita.
Bisogna tenere conto del
fatto che il vento non
soffia costantemente e
non
mantiene
sempre
l'intensità necessaria ad
azionare il generatore.
I
generatori
raggiungono
eolici
potenze
superiori
a
1,5
megawatt
e
sono
silenziosi
e
addirittura
stabili;
è
fase
di
in
progetto un prototipo di
generatore
posizionare
da
in
mare
aperto da 5 megawatt.
48
Capitolo 2
Anche l'acqua costituisce una fonte di energia pulita gratuita e
inesauribile, viene sfruttata per produrre energia elettrica nelle
centrali idroelettriche, lungo fiumi o torrenti, turbine mosse da
correnti sottomarine, dalle onde, dalle maree e dal gradiente
termico degli oceani (differenza di temperatura tra superficie e
zone profonde).
Foto: Impianto di una diga che sfrutta l’acqua per l’azionamento delle turbine idrauliche.
49
Capitolo 2
2.5 Tecnologia e rispetto dell’ambiente.
Nel settore non residenziale può risultare particolarmente efficace il
ricorso a tecniche di sfruttamento dell’illuminazione naturale, sia
per
l’elevata
richiesta
di
illuminazione,
sia
per
l’uso
prevalentemente diurno degli edifici.
Rientra in questa logica lo sforzo progettuale e di ricerca
tecnologica finalizzato alla realizzazione di una nuova classe di
edifici energeticamente efficienti progettati per il massimo ricorso
alle risorse energetiche disponibili in natura.
La radiazione solare incidente può essere utilizzata per riscaldare
fluidi (acqua, aria o soluzioni di vario calore specifico)
da far circolare in scambiatori di calore o direttamente
in tubazioni e corpi radianti posti nei locali da
riscaldare, o per far evaporare le sostanze volatili che
vengono utilizzate nei cicli di refrigerazione.
I metodi per raccogliere l'energia solare sotto forma di
energia termica sono di due tipi, con concentrazione14 e senza
concentrazione15. In entrambi i casi le superfici possono essere
orientabili o non orientabili.
Disegni: Attestano l’inclinazione dei pannelli.
mediante specchi o lenti che riflettono la radiazione verso pannelli o caldaie per l'utilizzo
diretto dell'acqua calda o per la produzione di vapore da convogliare a turbina
15
mediante pannelli applicati o integrati nelle chiusure degli edifici.
14
50
Capitolo 2
Per semplicità di gestione, soprattutto per le applicazioni su piccola
scala, è senz'altro preferibile raccogliere direttamente l'energia
solare su pannelli fissi, opportunamente orientati.
Il primo pannello solare è stato costruito nel diciottesimo secolo
dallo scienziato svizzero Horace Benedict de Saussure. Si trattava
di una semplice "scatola" di legno con un vetro nella parte esposta
al sole e la base di colore nero, capace di assorbire la radiazione
solare termica intrappolata nella scatola stessa grazie a un locale
"effetto serra" e alla scarsa dispersione dovuta alle caratteristiche
termiche isolanti del legno. Il pannello consentiva di raggiungere
temperature del fluido vettore di circa 87ºC. In tempi moderni la
prima grande diffusione su larga scala di questi impianti avviene
attorno agli anni '50 (soprattutto in Giappone, Stati Uniti e Israele),
per poi ottenere un forte utilizzo nei primi anni '70, a causa della
crisi petrolifera, e a metà degli anni '80, a causa del disastro
nucleare di Chernobyl. Grazie anche alle conferenze mondiali sulle
modificazioni climatiche di Kyoto del '97 e di Buenos Aires del '98
che
impongono
una
riduzione
della
produzione
di
sostanze
inquinanti.
2.6
Potenzialità
delle
fonti
energetiche
rinnovabili
nell’architettura.
Sempre più spesso ci si interroga su quale debba essere il ruolo
dell’Architettura e, in senso più ampio, dell’intero settore edilizio
all’interno del complesso quadro socio-economico che definisce la
situazione mondiale attuale. Di certo questo ruolo deve dimostrarsi
conforme
alle
esigenze
tradizionalmente
rivolte
all’ambiente
costruito (fruibilità, funzionalità, curabilità, estetica) ma, nello
stesso tempo, deve tener conto di problematiche sempre più
pressanti
ed
invadenti,
come
l’impatto
delle
attività
umane
51
Capitolo 2
sull’ecosistema. Se analizziamo per sommi capi l’inquietante
panorama delineatosi negli ultimi decenni, nel 1997 l’emissione
totale di anidride carbonica nell’atmosfera ha raggiunto la quota di
22,5 miliardi di tonnellate e, stando alle stime dell’International
Energy Agency, a meno di interventi massicci ed immediati, da
intraprendersi su scala mondiale nel senso dell’abbattimento
dell’inquinamento, entro il 2020 il livello salirà a 36 miliardi di
tonnellate all’anno. Se il segnale d’allarme non dovesse essere
raccolto, i rischi cui l’intero pianeta sta andando incontro si
concretizzerebbero non solo nel prevedibile abbassamento della
qualità della vita, ma anche e soprattutto in catastrofi naturali di
proporzioni gigantesche, come l’intesificarsi dell’effetto serra, lo
scioglimento dei ghiacci polari, inondazioni ed altri cataclismi.
Per quanto attiene più specificatamente le problematiche legate al
sistema edilizio, va evidenziato come il suo ruolo nel consumo
energetico complessivo, e di conseguenza, nel processo di degrado
ambientale, sia determinante.
televisore
7%
asciugabianch
8%
altro
12%
lavastoviglie
8%
lavatrice
9%
riscaldamento
9%
freddo
31%
illuminazione
16%
Fonte: Ripartizione dei consumi d’elettricità per un consumo medio
52
Capitolo 2
Le tipologie ed i procedimenti costruttivi attualmente più diffusi,
fanno degli edifici e degli agglomerati urbani entità ad alto
consumo.
Fonte: Biblioteca “Pompeu Fabra” in Matarò (Barcellona)
Ad essi, nei Paesi industrializzati, va addebitata almeno la metà del
fabbisogno totale, mentre un quarto è imputabile al settore della
mobilità, strettamente connesso alla gestione e fruizione degli
insediamenti. Per meglio contestualizzare la questione, basti
pensare che l’energia di esercizio dei nostri edifici, cioè quella
53
Capitolo 2
necessaria
ai
relativi
processi
di
gestione
(climatizzazione,
illuminazione, utilizzo di apparecchi di varia natura) si aggira
mediamente intorno ai 100-150 kWh/m2 all’anno. Per rimediare alla
criticità configuratasi nel rapporto tra insediamenti umani e natura
è dunque necessario ricomporre la frattura esistente orientando il
settore edilizio verso strategie di risparmio e guadagno energetico
che, oltre a produrre vantaggi economici siano in grado di
alleggerire le pressione sull’ecosistema.
Innanzitutto
riqualificare
si
la
deve
tipologia
dell’usuale edificio di stampo
rigenerativo (che si oppone,
cioè, all’influenza climatica
esterna
tramite
intensivo
di
l’utilizzo
sistemi
termoregolazione
di
e
trattamento aria) al fine di
sviluppare una concezione
interattiva
all’ambiente,
dallo
rispetto
supportata
sfruttamento
fonti
delle
rinnovabili
naturalmente a disposizione.
In
questa
rivolgono
realizzazioni
direzione
si
attualmente
sempre
più
evolute che vanno da edifici
energicamente consapevoli ( in cui un uso attento dei materiali e
dei componenti contribuisce a minimizzare il fabbisogno) agli edifici
intelligenti (che regolamentano i consumi tramite apparecchiature
elettroniche), agli edifici più specificamente bioclimatici (che
54
Capitolo 2
selezionano ed adattano alle esigenze degli occupanti le condizioni
climatiche esterne), agli edifici energeticamente attivi ( il cui
involucro integra dispositivi capaci di convertire in energia utile
quella fornita dall’ambiente).
In tutti questi casi, un ruolo determinante è giocato dall’involucro,
elemento di interfaccia tra interno ed esterno, e dalle dotazioni
impiantistiche, caratterizzate da efficienze sempre maggiori.
55
Capitolo 2
2.7 Politica strumentale per la promozione delle fonti
rinnovabili.
Le città future saranno più “leggere”, nel senso che produrranno
meno rifiuti e assorbiranno meno energia. Questa è la sfida che
viene dall’attuazione del Protocollo di Kyoto. Alla luce degli impegni
per limitare le emissioni di gas climalteranti si avvierà nei prossimi
decenni un processo di riqualificazione del patrimonio costruito
basato sulla minimizzazione dei consumi energetici e sull’impiego
su larga scala di tecnologie solari integrate negli edifici. Le
successive
fasi
del
programma
punteranno
sempre
più
alla
integrazione anche estetica dei componenti fotovoltaici negli edifici
e alle valenze di carattere urbanistico, in vista di una penetrazione
su larga scala delle tecnologie solari.
La
campagna
di
incentivazione
di
questa
fonte
energetica,
promossa in Italia dal Ministero dell’Ambiente a partire dal 2001,
porta il nome di Programma Tetti Fotovoltaici. Nell’ambito di questa
iniziativa, volta ad abbattere le barriere economiche che ostacolano
una diffusione di massa, impianti installati sulle coperture (ma
anche sulle facciate) degli edifici di proprietà di soggetti pubblici e
privati vengono finanziati a fondo perduto per una quota pari al
75% del loro costo, allo scopo di rendere competitiva con quella
convenzionale l’energia prodotta. L’obiettivo è quello di far entrare
il fotovoltaico nel comune linguaggio costruttivo, esaltandone la
duplice funzione di elemento di involucro e di sorgente di energia
rinnovabile. In risposta a queste emergenze, nel corso della
conferenza di Kyoto tenutasi nel dicembre del ‘97 l’Unione Europea
ha
riconosciuto
la
necessità
di
affrontare
la
questione
del
cambiamento climatico e si è impegnata nel senso di una riduzione
complessiva del 15% delle emissioni di gas ad effetto serra rispetto
al livello registrato nel 1990 da realizzarsi entro il 2010. In
56
Capitolo 2
particolare, il governo italiano si è assunto l’impegno di un
abbattimento delle emissioni fino al 6,5% del livello del 1990 e si
stima che all’incirca l’80% di questo carico graverà sul settore della
produzione di energia elettrica.
Grafico: Crescita annua media della produzione di energia da fonti energetiche
rinnovabili, anni 1990-2001(valori percentuali).
N.B. TPES=Total Primari Energy Supply.
2.8 Efficienza energetica e ricorso all’energie convenzionali
o meglio “artificiali”.
Il prezzo del carbone importato in Italia è aumentato dell’11,8 per
cento, e quello del gas del 12 per cento. L’8 novembre del 1987 il
referendum bandiva il nucleare in Italia, l’80,6% dei votanti diceva
no alla costruzione di nuove centrali nucleari.
prodotti di
consumo
20%
impianti
residenziali in
rete (paesi ind.)
10%
impianti rurali
nei Pvs (off-grid)
12%
centrali
connesse in
rete
1%
comunicazione
e segnaletica
20%
impianti
residenziali
connessi in rete
24%
sistemi ibridi
diesel-FV
13%
Grafico:Energia elettrica consumata per usi diversi.
57
Capitolo 2
Il mondo politico decideva di abbandonare in toto la produzione di
energia attraverso la fissione e venivano dimesse anche le centrali
già esistenti, lo spegnimento dei reattori nucleari.
L’economia mondiale non riuscì più da allora a superare la crisi
economica. Quel referendum bloccò in Italia lo sviluppo del
programma nucleare. La nostra economia è crollata, o meglio si è
iniziata una lunga dipendenza dal petrolio, così ogni volta che il
prezzo del greggio sale, si importa inflazione. Le bollette di luce e
gas sono più alte del 40% rispetto alla media europea. La
produzione viene fatta con sostanze inquinanti e in impianti
obsoleti, il nostro Paese non ha più una sovranità energetica, infatti
per tamponare il deficit del 17% rispetto al fabbisogno, deve
acquistare elettricità prodotta dai reattori della Francia, Svizzera,
Austria e Slovenia.
Germania
Regno Unito
10%
6%
22%
34%
50%
22%
50%
6%
Italia
11%
5%
23%
Nucleare
Carbone
Fonti rinnovabili
Gas naturale
Olio combustibile
61%
Francia
15%
Spagna
6%
3%
26%
22%
82%
19%
27%
58
Capitolo 2
Il blackout del 2003 e il prezzo del petrolio arrivato fino a 50 dollari
al barile, hanno svegliato dal lungo torpore il nostro Paese. Ecco
che proprio Luigi De Paoli16 afferma e sostiene che siamo nelle
stesse condizioni di 30 anni fa, quando ci fu lo choc petrolifero; e di
conseguenza è necessario differenziare le fonti per sopperire alla
crisi, assicurando un posto primario proprio all’energie alternative,
è inutile aumentare la produzione di elettricità dal carbone a
scapito del petrolio e del gas. Oggigiorno produciamo elettricità a
costi più alti rispetto agli altri Paesi, perché siamo dipendenti dal
petrolio e perché abbiamo fatto una privatizzazione del settore,
“vivere sempre più ricchi ma sempre più malati” distruggendo
proprio la nostra più grande ricchezza l’ambiente, il riscatto dal
petrolio si può fare solo puntando sulle fonti alternative.
Un imminente esigenza per il futuro è ridurre la dipendenza dal
petrolio, un obiettivo per il futuro è aumentare la produzione di
energia pulita. Si stanno investendo un miliardo di euro per
aumentare di circa 900 megawatt la capacità produttiva da fonti
rinnovabili: idroelettrico, geotermica, eolico e solare.
16
Docente di economia dell’energia della Bocconi, ed ex consigliere di amministrazione dell’Eni,che
proprio in un articolo uscito sul giornale “Cronache dell’Indipendente” diretto da Giordano Bruno
Guerri.
59
CAPITOLO III
LE ARCHITETTURE TRA PASSATO E PRESENTE
E’ l’architettura che sta nell’ambiente e non l’ambiente che sta
nell’architettura”.
Premessa
L’edilizia bioclimatica nasce dall’esigenza di realizzare edifici che
siano in rapporto con il clima e che funzionino come organismi che
auto-regolano le proprie prestazioni rispetto all’ambiente esterno
proprio
come
accadeva
in
passato....Riprendere
il
passato
...suggerire ai nuovi progettisti il modo migliore di non sfruttare
l’ambiente ma di utilizzare le nuove tecnologie per raggiungere
grandi risultati, è questo il nuovo “motto” da adottare.
La progettazione bioclimatica richiede l’attenzione da parte del
progettista nel considerare lo stretto rapporto che esiste tra la casa
e il clima, tra la casa e il luogo che l’accoglierà. Questo binomio
casa clima, casa ambiente in cui viene inserito, non è una delle
scoperte o invenzioni frutto della moderna tecnologia, ma la
riscoperta di quel vasto bagaglio di conoscenze del passato, e di
quella saggezza popolare che ha contraddistinto le civiltà da oriente
a
occidente
con
realizzazioni
che
tutti
ammiriamo
con
partecipazione. Parliamo quindi di una edilizia consapevole, di una
architettura integrale che rivela la connessione esistente con altre
materie in un quadro globale di correlazioni: geobiologia dei siti,
idoneità
situazione
dei
materiali,
bio-elettrica,
riscaldamento
ed
condizioni
climatiche
problematica
elettrici,
importanza
dell’abitazione,
degli
impianti
di
della
diffusione
e
igroscopicità, irraggiamento cosmico e terrestre, radioattività di
materiale e costruzioni finite, problemi connessi al trattamento e
Capitolo 3
protezione delle superfici dei materiali, psicologia e fisiologia
dell’abitare.
Quando si pensa ad un’architettura fatta per la vita, si potrebbe
allora parlare forse più propriamente di architettura naturale
(nell’accezione di conforme alla natura, secondo natura). Questa
premessa è a maggior ragione significativa se collocata in un
contesto di generale crisi dell’Architettura. crisi di contenuti per
l’Architettura.
All’origine
della
crisi
disciplinare
che
investe
l’Architettura vi è proprio il fatto che ormai nessuno mette più al
centro del proprio percorso progettuale la consapevolezza di
lavorare per l’uomo e per la
sua salute psicofisica, di trasformare l’ambiente per favorire la
vita, di lavorare per l’equilibrio dei rapporti sociali, ecc.
La
nostra
ricerca
progettuale
parte
quindi
dalla
volontà
di
affrontare considerare il rapporto tra l’Architettura e la vita, questa
intesa, con tutte le sue implicazioni, come scenario di relazioni
complesse ed in questo senso adottata come chiave di lettura di
un’attività umana, quella di pensare la trasformazione del territorio
per la costruzione dei luoghi dell’abitare, connaturata all’esistenza
dell’uomo.
Questa attività coinvolge, alle diverse scale, diversi soggetti,
ognuno di questi soggetti porta con se, in modo più o meno
consapevole, un sempre più accentuato distacco tra il proprio
mestiere, la propria arte e i loro effetti sulla trasformazione
dell’ambiente o meglio sulla sua graduale distruzione. Al di là dei
richiami ormai scontati allo stato di grave crisi ecologica a cui
l’uomo ha portato la terra che lo ospita.
Le considerazioni sui connotati particolarmente aggressivi di uno
sviluppo urbanistico fortemente invasivo, basato sulla quantità ma
assolutamente privo di ogni qualità, è fondamentale acquisire la
consapevolezza che costruire è sempre e comunque un atto di
Capitolo 3
violenza alla natura, l’edilizia infatti è una delle attività umane a più
alto impatto ambientale. L’industria delle costruzioni e tutto
l’enorme settore produttivo ad essa collegato rappresentano, nei
loro molteplici aspetti, un altissimo rischio ecologico.
Questa situazione di rischio si esplicita a tre livelli: il primo è quello
del consumo sfrenato di territorio voluto dalla speculazione edilizia
e fondiaria, definito da una pianificazione urbanistica terribile.
Strade, autostrade, zone industriali, commerciali e residenziali in
continua espansione, anche in presenza di una ormai più che
decennale rallentamento demografico da un lato e di una ormai
ampiamente definita tendenza alla informatizzazione di processi
industriali e quindi ad una potenziale riduzione delle superfici
occupate, tutto ciò rappresenta ormai una situazione di vero
inquinamento urbanistico che è, in ultima analisi, la causa prima
degli inquinamenti di area, acqua, suolo. Il secondo è quello della
pericolosità delle tecniche costruttive e dei materiali
utilizzati oggi in edilizia: migliaia di prodotti per lo più sintetici a
base di sostanze petrolchimiche con una riconosciuta tossicità che
rendono un cantiere un impianto produttivo ad alto rischio e l’aria
che respiriamo tra le mura degli edifici molto più inquinata di quella
già pessima che respiriamo fuori.
Il terzo è quello del consumo di energia, della distruzione di risorse,
della produzione incontrollata di scorie e rifiuti determinati dalle
attività di costruire e abitare. Tutto questo è stato reso possibile
anche in seguito ad un progressivo distacco, nella fase culminante
dell’epoca industriale per razionalizzare e rendere più controllabile
il processo produttivo, tra l’uomo e le sue azioni.
Se in sostanza nell’epoca preindustriale esisteva un rapporto
stretto tra vivere, produrre merci, trasformare il territorio oggi
questo non avviene più.
62
Capitolo 3
Le azioni sono separate, l’articolazione del processo produttivo ha
raggiunto livelli impensabili, le merci non hanno più nessun
rapporto diretto con il territorio.
E’ questo modello di produzione e di sviluppo che oggi deve essere
profondamente modificato. Chi opera nel settore edilizio deve
riprendere consapevolezza del proprio ruolo e della complessità
degli effetti che le sue scelte e il suo operare determinano sugli
equilibri di un ecosistema ormai quotidianamente aggredito.
Il riconoscimento della natura destruttura la visione tecno-centrica
dell’architettura e la sua presunzione di autoreferenzialità, portano
la
tecnologia
a
confrontarsi
con
i
vincoli
e
le
potenzialità
dell’ambiente naturale:
•
ARCHITETTURA: arte del cotruire
•
BIO: a favore della vita
•
ECO: in equilibrio con l'ambiente
•
LOGICA: intelligente/razionale
•
NATURALE: secondo natura, che impara dalla natura
•
SOSTENIBILE: che soddisfa i bisogni dell'attuale generazione
senza
•
limitare i sogni di quelle future
•
COMPATIBILE: che l'organismo umano e la natura possono
sopportare
E’ il passato che ci suggerisce il modo migliore di ottenere un
elevato confort nel nostro modo di vivere, infatti in base a ciò
possiamo citare alcuni esempi italiani antichi dove si può notare un
“modo per noi ora semplice” di ottenere un ambiente climatizzato
in modo naturale.
63
Capitolo 3
Le complesse tecniche impiantistico-strutturali utilizzate dai romani
per gli ambienti termali sono soltanto alcune delle strategie
sviluppate nel corso di secoli per garantire il miglior confort interno.
Nei paesi del Mediterraneo, in particolare, per millenni l’inerzia
termica delle masse murarie e’ utilizzata per alleviare la calura
esterna e garantire la migliore vivibilita’ degli spazi interni nei
periodi estivi.
L’ottimizzazione del comportamento termico dell’edificio garantisce
le condizioni di confort stabili all’interno, nelle diverse situazioni
climatiche esterne (stagionali e giornaliere) e anche in relazione
alle attivita’ che in esso vengono svolte.
3.1 I còvoli di Costozza
A Costozza, sulle pendici dei monti Berici, una decina di chilometri
a sud di Vicenza, sei ville costruite in varie epoche, a partire dal
1550, sfruttano lo stesso sistema di raffreddamento, un qualcosa di
spettacolare.
I locali interni sono collegati a cavità e condotti sotterranee,
naturali ed in parte anche artificiali, chiamati “còvoli”, che
forniscono
d’estate
l’aria
fredda
necessaria
a
climatizzare
l’ambiente.
La temperatura dell’aria nei còvoli si aggira intorno agli 11-12°C
durante tutto l’anno.
I ventidotti, o canali di ventilazione, che collegano i còvoli alle ville
di Costozza, sono lunghi sino a qualche centinaio di metri, e vanno
a sfociare nelle cantine.
Da qui, l’aria fresca penetra nei locali d’abitazione attraverso rosoni
di marmo traforati, posti nei pavimenti.
L’aria si rinfresca così di una decina di gradi.
64
Capitolo 3
Il sistema di raffrescamento delle ville di Costozza era così famoso
che persino il Palladio, nei suoi “Quattro Libri dell’Architettura”, ne
parlò diffusamente.
Fig:Un interessantissimo sistema di raffrescamento sfrutta l’aria fredda proveniente da
grandi cavità sotterranee “covoli”
65
Capitolo 3
3.2 Fattori significativi per una progettazione bioclimatica.
Con abilità ed intelligenza l’uomo, nel corso dei secoli, ha
sviluppato
sicuramente
tecnologie
dovrà
costruttive
essere
nostro
incredibilmente
dovere
efficienti,
raccogliere
queste
esperienze, metabolizzarle e riapplicarle, per quanto possibile,
nell’architettura contemporanea. Ai fini della progettazione ediliziaurbanistica in generale ed in particolare di quella bioclimatica, i
sistemi climatici di interesse specifico sono il microclima ed il
clima locale l’acquisizione dei dati meteorologici su larga scala
(reperibili presso la stazione meteo più vicina).
Infatti
le
caratteristiche
del
microclima
e
del
clima
dovrebbero
locale
condizionare
fortemente le scelte progettuali
finalizzate
al
benessere
microclima,
macroclima,
confort
e
ambientale.
a
Il
differenza
può
al
del
essere
modificato, e ciò costituisce un
primo
importante
progetto;
inoltre
dato
per
esso
il
è
influenzato da molteplici fattori,
quali tipo di superficie, altitudine,
pendenza, orientamento, forma e
dimensione dell’edificio. Un elemento che condiziona fortemente il
clima locale è il vento, o meglio l’azione dei venti al suolo: dallo
studio delle pressioni e depressioni causate dall’andamento dei
venti, si può partire per stabilire la collocazione nonché il
dimensionamento di porte e finestre dell’edificio. Preoccupazioni
queste di cui si è tenuto conto sin dalle civiltà più antiche,
significative in tal senso le torri del vento in Medio Oriente, le
camere dello Scirocco in Sicilia tutte strategie per captare il
66
Capitolo 3
vento
dominante
sfruttandolo
per
ottenere
il
conseguente
raffrescamento degli ambienti abitativi. Le torri del vento sfruttano
la forza delle brezze pomeridiane per innescare un movimento
d’aria all’interno dell’edificio. Il “raccoglitore di vento” così definito
consiste in una torre di base rettangolare con dimensioni tipiche di
50 x 20 cm o 40 x 80 cm ed un altezza tipica tra gli 8 e i 15m. Per
aumentarne l’efficienza la torre e’ in genere orientata con i lati
lunghi esposti al vento dominante. Attraverso una serie di aperture
poste nella parte superiore, il vento viene catturato e trasferito giù
verso il basso del condotto, durante questo percorso, l’aria cede
parte del suo calore alla superficie interna della torre, per poi fluire
negli spazi basamentali dell’edificio o della corte centrale e
raffrescare l’intera abitazione. Il ciclo si conclude con l’estrazione
naturale
dell’aria
attraverso
praticate
aperture
nella
parte
sottovento dell’edificio.
Il flusso aumenta con
l’aria
fredda
notturna.Talvolta,
torri
del
le
vento
venivano progettate in prossimità ad un corso d’acqua sotterraneo,
che per evaporazione ne raffrescava l’aria.
I Badgir17 sono,
quindi, in pratica dei complessi ed efficienti sistemi di “aria
condizionata” a bassa tecnologia per garantire il miglior confort
interno anche in situazioni climatiche estreme.
1717
Letteralmente significa “colui che prende il vento”.
67
Capitolo 3
Foto: Bagdir
Fig: schema di funzionamento di una torre del vento
Oggi, nel Marocco meridionale, il sistema delle torri del vento è
ritornato in auge, grazie all’iniziativa di progettisti che le ha
adattate
alle
nuove
ville
dei
ricchi
locali.
Un
processo
di
raffrescamento evaporativo diretto per ventilazione, dotato di
microspruzzatori che umidificano l’aria.
68
Capitolo 3
3.3 Effetti della luce naturale
I modi di sfruttare e manipolare la luce naturale in passato hanno
dato vita nell’architettura a soluzioni molto interessanti.
Foto:St Pierre
A partire dall’antico Egitto sono state elaborate soluzioni, anche
sofisticate, per fare della luce naturale, un elemento di benessere
fisiologico e di risparmio energetico. Uno dei primi esempi di
"illuminotecnica" ai primordi della civiltà, si basava sulla ricerca
di "tubi di luce", per portare la luce naturale negli ambienti
sotterranei di un edificio; i tubi di luce sono condotti verticali od
orizzontali, con pareti interne ad alta riflettenza, che trasmettono la
luce dall’esterno alle zone interne dell’edificio.
69
Capitolo 3
Un tipico esempi lo si ritrova in Egitto, nelle Tombe della Valle dei
Re, a Luxor, che si raggiungono con scale molto strette, dove
proprio non esiste impianto elettrico. I sarcofagi e le pitture sono
illuminati suggestivamente dalla luce naturale che, riflessa.
Foto:Tubi di luce nella tomba della valle dei Re
Oggi si cerca di sfruttare la luce naturale attraverso le vetrate
riflettenti che ci consentono di esaltare i nostri ambienti abitativi.
Infatti proprio nello Sport Centre di Barcellona progettato da
Rafael Serra, le zone interne dei tre corpi dell’edificio sono
illuminate da luce naturale proveniente da "soledotti"; questi sono
condotti verticali con pareti interne rivestite completamente di
specchi: la luce del sole, che vi penetra attraverso "acchiappa-sole"
piazzati sul tetto, è riflessa in giù fino a raggiungere le aree da
illuminare. Nelle case per studenti a Hohenheim (Germania,
progetto: H. Schmitges; costruite nel 1985) ognuno dei sei edifici a
70
Capitolo 3
quattro piani ha in cima una piramide di vetro che porta la luce
naturale nelle cucine e nelle sale da pranzo; sono stati usati due
componenti: "tubi di luce" e "concentratori fluorescenti piani". I
tubi di luce sono pozzi triangolari verticali, con pareti di specchi per
aumentare la quantità di luce diurna delle stanze da pranzo del
primo piano; i concentratori fluorescenti piani raccolgono la luce in
un tronco di cono giallo fluorescente; la luce è poi convogliata giù,
con un tubo trasparente e riflessa da uno specchio nelle cucine. La
qualità dell’ambiente di lavoro migliora, lasciando arrivare la luce
naturale sulla maggior superficie possibile di pavimento.
3.4 Un ritorno “naif” ai metodi empirici del passato: le
termiti.
Negli ultimi tempi i costi energetici per l’uso sfrenato di ariacondizionata,
è
notevolmente
salito
alle
stelle.
Le
soluzioni
escogitate sono molteplici. La mostra «Architettura e natura»,
svolta alla Mole Antonelliana di Torino, ne ha presentato un'ampia
rassegna. I progettisti dell'edificio delle imposte di Nottingham
hanno scelto una strada “più al naturale”per tenere al fresco i 1800
impiegati dell'ufficio delle imposte: hanno deciso di imitare le
termiti18.. Questo è uno dei sempre più numerosi esempi di
architettura bioclimatica. Le termiti costruiscono sottoterra le loro
stupefacenti cittadelle,i termitai19, costituiti da una fittissima rete di
cunicoli, ma innalzano sopra di esse torri di fango alte anche tre
metri.
18
19
. Le termiti sono una delle specie di insetti con la vita sociale più organizzata.
I cumuli di terra sono perfettamente strutturati per la vita degli insetti, vi sono spazi
per la conservazione del cibo, e altri mantenuti a temperatura costante per l'incubazione
delle uova. Dal termitaio si diramano nel sottosuolo diversi cunicoli, attraverso i quali gli
animali raggiungono alberi e altre zone circostanti dove possono raccogliere il cibo.
L'approvvigionamento d'acqua ai termitai è garantito da gallerie che vengono scavate in
profondità fino a raggiungere falde acquifere sotterranee
71
Capitolo 3
Foto: Veduta della vallata di Bamiyan con la falesia dei Buddha sullo sfondo
Sono queste torri, vuote all'interno e collegate al nido sotterraneo,
che consentono di mantenere in esso una temperatura costante,
qualunque sia quella esterna. A mano a mano che la torre si
riscalda sotto il sole del mattino, l'aria che si trova all'interno sale,
aspirando l'aria dal nido e provocando in esso una corrente
rinfrescante (altra aria entra dalla base della torre stessa).
Le termiti controllano questo meccanismo aprendo o chiudendo la
sommità della torre. L'edificio delle imposte di Nottingham, ormai
quasi finito, è costituito da
una serie di isolati a più
piani
affiancati
da
una
torre cilindrica di vetro alta
17
metri,
esatta
riproduzione in chiave
tecnologica di quella in
fango delle termiti. Un
tetto mobile, comandato da un sistema idraulico, consente di
72
Capitolo 3
regolare il flusso dell'aria da aspirare dagli uffici. la temperatura
all’interno dell’edificio è costantemente intorno ai 21°C. Un sistema
di sensori posti intorno all'edificio e inseriti nella struttura, misura
la temperatura nei vari ambienti, mentre una stazione sul tetto
tiene conto della direzione del vento, della temperatura esterna e
delle condizioni del tempo: quando piove, chiude la copertura e
nelle notti estive mette in moto dei ventilatori che spingono aria
negli uffici perché siano freschi la mattina.. Questo modo di
“progettare” copiato integralmente dalle strutture naturali degli
animali, privi di ragione, ma attenti a non alterare in alcun modo
l’ecosistema dove sono inseriti, ci permette di sfruttare tale
inclinazione per scopi diversi.
Attraverso
l’esempio
dell’edificio
di
Nottingham
sottolineamo
l’aspetto
del
“comfort”,
quindi
la
soluzione
progettuale ad
un
risparmio
energetico,
con
l’esempio
di Bamiyan, in
Afghanistan,do
ve
di
certo
l’aspetto
risparmio
energetico non
è
fondamentale, in quanto i problemi da affrontare sono molteplici, il
degrado e la povertà. Notiamo che qui i rifugi sono stati scavati
sotto un riparo naturale della roccia, in una posizione tale che in
73
Capitolo 3
inverno, quando il sole è basso, sono raggiunte e riscaldate dai
raggi, mentre in estate, quando il sole è più alto, risultano
ombreggiate dalla roccia sovrastante. La vegetazione circostante in
tutte le sue forme alberi, prati ect ha un formidabile potere
rinfrescante: Quindi un modo naturale di vivere, per sfuggire alle
varie guerre.
3.5 Le relazioni energetiche tra verde ed ambiente costruito
L’architettura bioclimatica ha recuperato l’importanza di un corretto
uso del verde, al fine di ridurre i consumi energetici per il
mantenimento delle condizioni di comfort negli ambienti, in quanto
la vegetazione in tutte le sue forme ha un formidabile potere
rinfrescante.
La presenza di essenze vegetali in prossimità di un edificio incide
sulle interazioni energetiche tra questo e l’ambiente esterno, un
albero può far risparmiare 0,3-0,8 Kwh di elettricità in aria
condizionata per anno, il che corrisponde a un vantaggio economico
molto limitato ma fa in ogni caso intuire che a livello cittadino la
presenza di un patrimonio verde che ha un ruolo non trascurabile:
•
parziale intercettamento della radiazione solare e quindi
riduzione
del
flusso
incidente
sulle
superfici
esterne
dell’edificio; la percentuale di ostruzione ai raggi solari
dipende dalla specie vegetale, dall’età della pianta, dal suo
posizionamento, dal periodo dell’anno (una specie decidua
intercetta d’inverno comunque il 20-50% della radiazione
solare);
•
processo di evapotraspirazione: le foglie colpite dai raggi
solari cedono acqua sottraendo calore all’aria circostante che
si raffredda; il livello di frigorie generate in tal modo può
essere notevole (si calcola che un albero con folta chioma
74
Capitolo 3
abbia, in un clima caldo-secco, un effetto rinfrescante
paragonabile a quello di cinque impianti di aria condizionata
da finestra), ma si disperde rapidamente nell’ambiente
circostante a meno che l’area verde sia sufficientemente
estesa, nel qual caso l’abbassamento di temperatura può
essere marcato (fino a 6-7 0C);
• alterazione della velocità dell’aria: nella zona sottovento si
crea una turbolenza, con una riduzione della velocità del
vento legata alla permeabilità (rapporto tra la superficie dei
vuoti e quella della sezione intercettata dal vento) degli
elementi frangivento; la riduzione massima delle infiltrazioni
in edifici posti dietro barriere vegetali si ha quando la
distanza tra le piante ed il manufatto è pari a 1-2 volte
l’altezza delle piante stesse; la presenza di vaste aree
alberate può ridurre la velocità dei flussi d’aria fino al 50%;
questa minore intensità del vento è certamente benefica nelle
condizioni invernali, in quanto riduce le infiltrazioni d’aria
negli ambienti interni; d’estate può invece rappresentare un
elemento limitativo nei casi in cui si voglia raffreddare
l’edificio con la ventilazione naturale
• infine vanno valutate le modifiche degli scambi radiativi ad
onde lunghe tra le superfici degli edifici e l’ambiente esterno.
Anche in questo caso si è in presenza di fattori positivi,
determinati dal fatto che l’edificio "vede" le superfici degli
alberi a temperature inferiori rispetto al terreno soleggiato, e
di elementi negativi legati al minore scambio nell’infrarosso
con il cielo di pareti e tetto, parzialmente coperti da
alberature.
Nei molti sistemi bioclimatici realizzati dagli architetti spagnoli nella
Rotonda
Bioclimatica
nell’Expo
’92
di
Siviglia,
efficaci
per
raffrescare il microclima caldo e secco, la vegetazione è essenziale:
75
Capitolo 3
nel progetto le proporzioni tra aree verdi e aree costruite e di
60/40.
La differenza principale tra gli effetti rinfrescanti della vegetazione
e delle strutture costruite dall’uomo e che un materiale inorganico
ha una limitata capacita di raffrescamento; una pianta al contrario
e un organismo vivente che regola i suoi rami e le sue foglie per
utilizzare al massimo gli effetti dei raggi solari.
Foto: Expo di Siviglia
Naturalmente affrontando un esempio concreto come l’Expo di
Siviglia bisogna tener presente che in genere un’architettura
bioclimatica comporta l’applicazione contemporanea di più principi:
a Siviglia oltre alla vegetazione sono stati usati la ventilazione,
l’inerzia del terreno, i getti d’acqua, le fontane, le pellicole d’acqua
e i pavimenti dove l’acqua scorre sotto mattonelle di materiale
poroso.
76
Capitolo 3
Nicholas Grimshaw il progettista del Padiglione del Regno Unito, ha
realizzato con tecnologie bioclimatiche e sistemi di raffrescamento
passivi una maestosa opera .La parete d'acqua, situata ad est, è
stata trasformata in una scultura in movimento grazie alla
collaborazione della William Pye Partnership.
L'acqua raffredda l'ambiente circostante diminuendo la temperatura
superficiale delle vetrate e riducendo di conseguenza il calore
irradiato
all'interno
rinfresca
l'atmosfera
dell'edificio,
tutto
mentre
intorno
per
l'acqua
nebulizzata
raffreddamento
da
evaporazione.
77
Capitolo 3
Il funzionamento è semplice: l'acqua è sollevata mediante pompe
in cima alla parete; da qui viene distribuita uniformemente sulla
facciata e poi scivola verso il basso per i primi 12,50 metri di
altezza e poi raccolta in una gronda di acciaio inossidabile.
Interessanti anche le soluzioni adottate per proteggere l'interno
dell'edificio dal sole pomeridiano ad ovest: la parete occidentale è
infatti realizzata con container d'acciaio di 1,20 metri di spessore
rivestiti all'interno da una membrana impermeabile e riempiti
d'acqua. La parete costituita da veri e propri serbatoi d'acqua,
analogamente alle murature di elevato spessore delle costruzioni
tradizionali, assorbe lentamente il calore durante il giorno e si
raffredda
durante
la
notte,
mitigando
l'escursione
della
temperatura nelle ventiquattro ore.
78
Capitolo 3
I
paramenti
esterni
vengono
quindi
concepiti
e
realizzati
differentemente a seconda della loro esposizione. Le pareti sud e
nord sono realizzate secondo la tecnologia velica cioè formate da
laberi, traverse e cavi di acciaio tra i quali è teso un tessuto di
poliestere trasparente spalmato in pvc.
Strutturalmente il Padiglione è concepito come un'unico volume con
struttura in acciaio che sostiene e ancora i differenti paramenti
esterni, mentre la copertura consiste in un piano leggero, ben
isolato.
Lo schermo del tetto ospita anche pannelli di cellule solari che
forniscono energia alle pompe sommerse nel serbatoio alla base
della parete est, necessarie per sollevare l'acqua in cima alla parete
medesima.
79
Capitolo 3
Fonti quindi rinnovabili improntate ad un principio di risparmio
energetico, nello specifico l'energia solare stessa, contribuisce al
raffrescamento dell'edificio.
3.6 I trulli e i dammusi
Tra i sistemi di condizionamento termico più antichi che ritroviamo
nell’architettura bioclimatica vi sono i Trulli Pugliesi e i dammusi
tipologie costruttiva caratteristica dell’isola di Pantelleria;
I trulli offrono condizioni ottimali di adattamento alle condizioni
climatiche, poiché la grande massa della costruzione ed i materiali
impiegati forniscono una forte inerzia termica. La consuetudine
d'imbiancare gli esterni con la calce accresce la riflessione della
radiazione solare.
Il comfort è aumentato
dalla buona ventilazione,
garantita
dall'effetto
camino"
forma
dovuto
conica
alla
della
sezione ed a una certa
permeabilità
costruiti
a
permettono
dei
muri
secco,
che
all'aria
di
filtrare tra le pietre. La
costruzione
risale
con
certezza a diversi secoli
fa, ma affonda le sue
radici nell'antichità dell'Età della pietra, che può aiutare oggi ad
affrontare alcuni problemi connessi all'economia delle costruzioni
nei Paesi in via di sviluppo. La forma a pianta compatta e le
coperture coniche costituiscono un buon compromesso tra il
radicamento al suolo/difesa dalla radiazione e i guadagni solari. La
80
Capitolo 3
costruzione si appoggia su muri massicci di pietra a secco (di
spessore 80 cm circa, ma talvolta possono raggiungere i due
metri).
rappresentato
L'elevato
spessore
delle
sue
murature
assicura una funzione termoregolatrice del microclima interno al
variare del clima esterno e quindi una attenuazione delle escursioni
termiche giornaliere e stagionali. I muri di sostegno possono essere
leggermente inclinati "a scarpa" sul lato esterno. La pietra
garantisce non soltanto una notevole resistenza statica, ma anche
una confortevole inerzia termica, in ogni stagione, e l'altezza della
cupola assicura una notevole riserva d'aria. Un camino perforato
alla sommità, con il suo effetto di aspirazione, è in grado di
potenziare la ventilazione e di migliorare ulteriormente il conforto
termico.
Le lastre di pietra calcarea utilizzate per la copertura del trullo
sono, di regola, spesse 3/5 cm. Nel grande spessore dei muri
vengono ricavate alcove per i letti, nicchie per i mobili, focolari per
le cucine, servizi, aperture di comunicazione per gli ambienti tra
loro e con l'esterno l'ambente circolare rimane coperto da una falsa
cupola a forma conica costruita senza armatura e senza malta che
si regge solidamente per contrasti laterali e per gravità" trullo viene
ricoperto esternamente con pietre più regolari (chianche), disposte
quasi come tegole, per facilitare lo scorrimento delle acque piovane
81
Capitolo 3
Fig:disegni tratti da: "Guida di Locorotondo"
A differenza di archi e volte, le strutture in aggetto, quali sono i
trulli non trasmettono spinte con componenti orizzontali, né al loro
interno né al suolo; in compenso, i singoli elementi componenti
(conci di pietra o blocchetti artificiali) devono resistere ad uno
sforzo di taglio, mentre i conci d'un arco sono sottoposti solo ad
uno sforzo di compressione (o pressoflessione). Perciò un trullo non
può essere costruito con materiali non idonei a sostenere uno
sforzo di taglio, come ad esempio l'argilla cruda.
Foto: Trullo a struttura conica
82
Capitolo 3
Il dammuso nasce nel X sec. d. c. e si evolverà nel tempo fino al
XVI sec., nelle due maggiori contrade dell'isola Siciliana, Scauri e
Kamma.. Ad una prima analisi, questa tipica abitazione potrebbe
sembrare progettata da grandi architetti o ingegneri, mentre non e'
altro che il frutto della saggezza degli antichi abitanti che hanno
saputo tenere conto della morfologia del territorio e sfruttare
l'esistenza in loco della pietra lavica. Ciò ha consentito la creazione
di una struttura perfettamente statica con muri spessi fino a
mt.1.30, in grado di assorbire le spinte delle cupole rifinite con
impasto di tufo rosso e calce battuto con mazze di legno per giorni,
fino a formare uno strato duro ed impermeabile. La forma
particolare
dei
tetti
a
cupola è stata concepita anche per
canalizzare l'acqua piovana verso le cisterne, mentre i possenti
muri permettono di isolare l'interno dalla temperatura esterna,
tanto da creare un ambiente fresco d'estate e caldo d'inverno. Nella
sua struttura interna il dammuso di abitazione è costituito da:
camera, alcova (stanza) e camerino (un ampio arco rende
comunicante la camera con l'alcova), la sala e un altro camerino.
Altri elementi che completano l'unità base sono le stalle, l'aia, lo
stenditoio, e il giardino di
forma circolare, un vero
mausoleo
riparare
albero
che
dal
di
serve
vento
arance
o
a
un
di
limoni.
I dammusi si distinguono
a seconda della funzione a
cui
erano
stati
adibiti
originariamente per sentirsi parte integrante della civiltà contadina
dove l'ospitalità e l'accoglienza rappresentano ancora elementi
83
Capitolo 3
dominanti
del
carattere
e
della
formazione
dell'abitante
di
Pantelleria.
84
CAPITOLO IV
Analisi e studio delle principali energie
rinnovabili
• aria –acqua –terra- sole: le fonti rinnovabili
descrizione sommaria delle diverse tecnologie che sfruttano queste
risorse
•
Valutazione delle diverse fonti energetiche rinnovabili e
loro campi di applicazione
Distinguiamo e scegliamo alcuni tipi dandone motivazioni e
valutandone la proposizione corrente in architettura.
Fotovoltaico
I sistemi fotovoltaici producono energia direttamente dalla radiazione solare in
maniera silenziosa, senza causare inquinamento acustico o ambientale ( emissioni
nocive o altri tipi di inquinanti). Questo permette alle aree urbane di contribuire
attivamente al proprio fabbisogno energetico e di ridurre l’impatto ambientale
dell’insediamento urbano. I sistemi fotovoltaici integrati negli edifici possono essere
progettati come elementi funzionali e costruttivi dell’edificio stesso: coperture,
superfici vetrate, muri, sistemi per l’ombreggiamento, ect…Essi possono essere resi
ben visibili oppure integrati nell’edificio in modo tale da non alterarne l’immagine
esterna.. In questo modo il sistema fotovoltaico non risponde solamente alle esigenze
di produzione di energia pulita, ma inserita architettonicamente nella struttura
edilizia diventa un piacevole attraente nuovo elemento costruttivo che lancia un
chiaro segnale per uno sviluppo sostenibile, nonché uno strumento di strategia
politica per destare l’attenzione circa le problematiche ambientali.
Premessa
Il sole è un’inesauribile fonte di energia che utilizziamo in maniera
sempre più efficiente. Sarà capitato a tutti, prima o poi, di pensare
o di sentire una frase più o meno: “ah, se si riuscisse a ridurre l'afa
estiva conservandone il calore per l'inverno.......”
La reazione è invariabilmente ed inevitabilmente un sorriso ed una
scrollata di spalle, con una piena speranza, un”magari” forse….:
eppure mai come adesso l’Umanità è stata così vicina a rendere
economicamente
conveniente
e
tecnologicamente
possibile
lo
85
Capitolo 4
sfruttamento dell’energia solare. In Italia dipendiamo per l’82% del
nostro fabbisogno energetico dal petrolio, quindi l’utilizzo di fonti
rinnovabili o meglio la scelta energetica “dolce” rappresenta un
risparmio di risorse economiche ed ambientali; in quanto si basa
proprio sull’utilizzo intelligente dell’energia, legata direttamente al
sole, estremamente pulita.
Ad eccezione dell’ energia geotermica, che deriva dal sottosuolo,
tutte le altre fonti rinnovabili sono alimentate, direttamente o
indirettamente, dal sole, la cui radiazione può essere utilizzata in
modo diverso: si può raccogliere in collettori solari termici per il
riscaldamento degli edifici e la fornitura di acqua calda o in centrali
termiche solari (con la produzione di calore ed elettricità e si può
anche immagazzinare in depositi sotterranei nelle stagioni calde
per poi essere riutilizzata nei mesi invernali), oppure trasformata
direttamente in energia elettrica nelle celle fotovoltaiche.
La tecnologia fotovoltaica si distingue, nel panorama delle fonti
rinnovabili, per la sua capacità di produrre energia elettrica in
modo modulare, senza alcuna forma d’inquinamento, né acustico,
né termico, né di altro tipo (non vi sono parti in movimento, il
processo
di
conversione
dell’energia
avviene
a
temperatura
ambiente e non vengono bruciati combustibili) e con una richiesta
di manutenzione molto contenuta, presenta caratteristiche di alta
affidabilità tecnica. Questa tecnologia è molto giovane; risale alla
fine degli anni 50, in cui iniziò ad essere utilizzata nell’ambito dei
programmi spaziali, per i quali era necessario disporre di una fonte
di energia affidabile e inesauribile, e solo nei primi anni 80(a
seguito della prima crisi petrolifera) si è rapidamente affermata
anche nel settore delle applicazioni terrestri.
Sebbene la tecnologia fotovoltaica non sia ancora matura, e quindi
non competitiva con le altre fonti rinnovabili come l’eolico e il
solare termico a bassa temperatura, essa comunque, grazie ad
Capitolo 4
alcune peculiarità che la distinguono, risolve efficacemente i
problemi di elettrificazione rurale nei paesi in via di sviluppo e
comincia a concretizzarsi nelle realtà più industrializzate, sia
attraverso l’integrazione negli edifici, dei veri e propri elementi
costruttivi, (tetti e facciate) , sia per la realizzazione di impianti di
potenza. Tutto ciò proprio grazie alle sue forti potenzialità di
sviluppo tecnologico e alle caratteristiche intrinseche come la
modularità,
la
versatilità
e
la
semplicità
di
utilizzo,
essa
rappresenta oggi, da un lato, la tecnologia di più immediata
integrazione nelle strutture edilizie nel settore residenziale, dei
servizi e dell’arredo urbano sotto forma di componente costruttiva
multifunzionale che contribuisce alla produzione di energia, sistemi
per il funzionamento di insegne luminose, segnali stradali, semafori
e infrastrutture urbane, e dall’altro un valido contributo al
soddisfacimento della sempre crescente domanda energetica. In
genere vengono seguite due linee di sviluppo per i sistemi di
produzione; la prima, relativa a impianti di grossa taglia (con
potenze nominali comprese tra le centinaia e le migliaia di kW),
essa è finalizzata alla produzione di energia prevalentemente a
sostegno di reti deboli, quali quelle delle isole minori; nel corso di
questi ultimi anni, questi sistemi di potenza sono stati sempre più
affiancati
dalla
cosiddetta
generazione
distribuita,
cioè
si
è
affermato il ricorso a piccoli impianti fotovoltaici (di potenza
nominale di poche decine di kWp al massimo), connessi alla rete
elettrica di distribuzione. La seconda linea di sviluppo riguarda,
invece, gli impianti per l’alimentazione di utenze isolate, sia nel
campo residenziale, sia in quello industriale. In Italia, già dal 1988,
il Piano Energetico Nazionale, nell’intento di diversificare le fonti di
produzione e di ridurre la percentuale di energia importata,
attribuiva al fotovoltaico un ruolo rilevante nell’ambito delle fonti
rinnovabili, definendo diverse azioni per il suo sviluppo. Tali azioni
87
Capitolo 4
hanno iniziato a concretizzarsi però solo nel 2001, quando è stato
definito e avviato il “Programma Tetti Fotovoltaici”, promosso ed in
parte finanziato dal Ministero dell’Ambiente, con il supporto anche
economico delle Regioni e delle Province Autonome.
Il Programma, mira alla diffusione della tecnologia fotovoltaica
mediante la concessione di contributi pubblici in conto capitale per
la realizzazione di impianti di potenza compresa tra 1 kWp e 50
kWp, collegati alla rete elettrica e preferibilmente integrati nelle
strutture edili.
Foto: Installazione di un impianto fotovoltaico connesso in rete sul tetto di una casa.
Gli elementi fotovoltaici possono essere combinati con i tradizionali
materiali
da
costruzione
o,
addirittura,
possono
sostituirli.
Soddisfano i requisiti di ogni buon materiale di rivestimento, come
la resistenza, l’impermeabilità, il controllo dei
88
Capitolo 4
livelli acustici e
l’isolamento
termico,
la
schermatura e la
protezione
fuoco,
dal
e
oltretutto
offrono,
un’importante
connotazione
estetica
che
garantisce agli edifici un’alta valenza architettonica. L’integrazione
di sistemi fotovoltaici negli edifici contribuisce, inoltre a diffondere
tra i cittadini la cultura e lo sviluppo sostenibile della tutela
dell’ambiente. L’applicazione dei sistemi fotovoltaici integrati negli
edifici, presentano particolari complessità realizzative; l’iter di un
progetto fotovoltaico può essere diviso in tre fasi:
-
programmazione iniziale,
-
preparazione;
-
installazione.
Un tetto fotovoltaico o meglio un “tetto solare” è un impianto di
piccole dimensioni, installato sulla residenza dell’utente e connesso
alla rete di distribuzione dell’energia elettrica.
4.1 Integrazione Architettonica
L’integrazione
architettonica
sembra
essere
uno
dei
settori
caratterizzati dalle migliori potenzialità: i moduli vengono applicati
sull’involucro esterno, eliminando la necessità di occupare spazi
liberi (come nel caso delle centrali solari a campo) e di strutture di
supporto
apposite;
l’energia
prodotta,
inoltre,
può
essere
89
Capitolo 4
consumata direttamente in loco, oppure, quando questa sia
presente, immessa nella rete pubblica, evitando le perdite relative
allo stoccaggio di batterie. I risultati migliori, anche e soprattutto in
termini
economici,
si
ottengono
quando
l’integrazione
tra
i
componenti fotovoltaici e la pelle dell’edificio è completa, cosicché i
moduli solari vanno a sostituire, dove vengono collocati, i materiali
da costruzione tradizionali. Naturalmente, affinché l’integrazione
sia efficace, occorre individuare quali sono le porzioni dell’edificio in
oggetto che presentano le migliori caratteristiche in termini di
soleggiamento
e
riferimento
può
si
l’installazione
sono
di
mancanza
affermare
quelle
di
che
ombreggiamento.
le
superfici
caratterizzate
da
un
Come
ottimali
per
orientamento
compreso tra sud-est e sud-ovest e da un inclinazione compresa
tra più
Sulla
o meno 15 °C rispetto alla angolo di latitudine del sito.
base
di
questi
particolarmente
dati,
idonee,
dunque,
anche
le
perché,
coperture
in
contesti
appaiono
urbani,
rappresentano le parti dei fabbricati meno soggette a fenomeni di
ostruzioni alla luce diurna.
4.2 Come funziona un dispositivo fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico è composto da una serie di apparecchiature
elettriche ed elettroniche mediante un invertitore cc/ac inverter, e
contabilizzata
da
un
doppio
contatore20,
che
concorre
alla
trasformazione della maggior quantità possibile di energia solare in
corrente elettrica.
Convenzionalmente si usa suddividere i componenti degli impianti
in due gruppi principali: i dispositivi più propriamente fotovoltaici
(celle e moduli) ed il BOS (Bilance of System) che comprende tutti
20
registra il rapporto tra la quantità di energia prelevata dalla rete e quella ceduta ad
essa.
90
Capitolo 4
gli altri elementi (dalle strutture di sostegno, agli apparecchi di
controllo e regolazione, ai cablaggi).
L’energia prodotta può, infatti, essere in quantità maggiore o
minore di quella necessaria ai consumi dell’edificio.
La quantità di radiazione solare assorbita dipende dall’inclinazione e
dall’orientamento della superficie captante.
La radiazione solare al suolo si distingue in tre diverse componenti;
diretta,
diffusa
e
riflessa;
mentre
le
percentuali
di
diretta
dipendono dalle condizioni metereologiche del sito, oltre che
dall’inclinazione
della
superficie
captante
rispetto
al
piano
orizzontale, la componente riflessa, dipende dalla presenza di
superfici riflettenti, e dalla loro capacità di riflessione ad esempio,
pavimentazioni stradali, prati, specchi d’acqua, prospetti degli
edifici, in funzione del loro fattore di albedo21,questo si traduce in
un attenta valutazione dei materiali edilizi impiegati.
Una volta nota la quantità di radiazione solare e di superficie
disponibile sugli edifici, si calcola la quantità di energia elettrica o
meglio la potenza energetica attraverso
E = P × I × 0.1 × A × 0.4
E= energia elettrica prodotta in un anno;
p= numero di abitanti;
I= radiazione solare massima (kWh/m2anno);
A= superficie netta a persona(m2/pers);
0.1= rappresenta un fattore che esprime l’efficienza dei moduli;
0.4= rappresenta un fattore di efficienza dell’intero sistema e
fattore dell’area.
Un altro fattore importante da considerare nella progettazione di un
impianto è la presenza di elementi che possano produrre ombra sul
21
Il fattore di albedo viene generalmente ricavato da osservazioni sperimentali e può
variare in dipendenza del periodo dell’anno.
91
Capitolo 4
generatore, comportando un notevole danno al rendimento del
sistema.
Nelle
immagini
ombreggiamento,
fotovoltaico,
alla
seguenti,
sono
riportati
dovuto
corpi
edilizi
a
geometria
dell’edificio,
diversi
prossimi
ad
casi
al
di
campo
elementi
di
vegetazione.
Fig : ombreggiamento del campo fotovoltaico
La resa maggiore si raggiunge su una superficie esposta a sud e
inclinata di un angolo calcolato in modo tale da garantire la
massima esposizione durante il giorno e nell’arco dell’anno.
Configurazioni delle superfici diverse da quelle ottimali ricevono
una quantità inferiore di radiazione solare ma sono ancora capaci di
generare energia elettrica.
92
Capitolo 4
Disegno: Indicazione dell’angolo di elevazione ed azimuth
solare, e di azimut e tilt dei moduli fotovoltaici.
L’esatta posizione di un componente fotovoltaico viene definita
attraverso due angoli, detti azimuth22 e il tilt23.
4.3 Requisiti e parametri per la progettazione
I parametri
da considerare nella progettazione di un sistema
fotovoltaico integrato in architettura sono:
-
la massimizzazione del rendimento energetico del sistema;
-
minimizzazione degli effetti di ombreggiamento del campo
fotovoltaico;
-
gli effetti della temperatura;
-
i requisiti tecnici dei componenti fotovoltaici;
-
il disegno elettrico e la sicurezza.
Il
rendimento
energetico
dipende
essenzialmente
dalla
localizzazione geografica, dall’esposizione del sistema, dall’area
della superficie fotovoltaica dei moduli, dalla tecnologia impiegata.
Per differenti angoli di azimuth cambiano le modalità con le quali la
22
rappresenta la distanza angolare misurata in gradi in senso orario attorno all’orizzonte
dell’osservatore a partire da sud, positivo verso ovest, negativo verso sud.
23
rappresenta l’angolo relativo all’inclinazione del piano dei moduli rispetto al piano
tangente la superficie terrestre.
93
Capitolo 4
radiazione solare viene intercettata e trasformata dai moduli
durante l’arco della giornata, mentre per differenti angoli di tilt,
varia il rendimento energetico del sistema nel corso dell’anno.
Quindi l’energia raccolta dal piano dei moduli durante l’arco della
giornata è funzione della posizione del sole.
1.
moduli fotovoltaici integrati nella copertura
2.
trasferimento dell’energia elettrica prodotta in corrente continua dal sistema
fotovoltaico all’inverter
3.
inverter
4.
trasferimento dell’energia
elettrica prodotta dal sistema
fotovoltaico e trasformata in
corrente alternata
dall’inverter al contatore in
uscita
5.
contatore in entrata
6.
trasferimento dell’energia
elettrica prelevata dalla rete
ai carichi dell’utenza
7.
contatore in uscita
8.
trasferimento dell’energia
elettrica prodotta dal sistema
fotovoltaico alla rete elettrica
locale.
fig.:Schema di funzionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete elettrica
4.4 Diffusione del fotovoltaico in architettura
L’utilizzo dei sistemi fotovoltaici per la produzione di energia
elettrica offre nuove possibilità all’architettura, rendendo gli edifici
capaci di produrre energia per il proprio consumo e quello degli
edifici vicini.
94
Capitolo 4
Foto: Olu Hit System in Seckborn.
Le coperture piane offrono una maggiore flessibilità per quanto
riguarda l’orientamento dei pannelli fotovoltaici, per inserire invece
i sistemi fotovoltaici sulle coperture inclinate, bisogna valutare sia
l’inclinazione che l’orientamento.
Foto: Tettoia di riparo in un edificio industriale in Bad Munder.
95
Capitolo 4
Fig: Die Hochschule fur Bildende Kunst (Germania), un’interessante applicazione
retrofit.
Ma ottimizzare l’orientamento dei pannelli diventa meno importante
nelle zone caratterizzate da alta riflessione, in quanto un alto livello
di riflessione implica una maggiore quantità di luce diffusa a
beneficio dei sistemi fotovoltaici
Quando invece si considera un alta presenza di superfici vetrate, il
fotovoltaico può essere integrato come un sistema di schermatura.
Se invece si richiede un immagine moderna e di innovazione
96
Capitolo 4
tecnologica,
nel
caso
di
nuove
realizzazioni,
l’applicazione
fotovoltaica può far accrescere il valore estetico dell’edificio stesso.
4.5 Requisiti tecnici dei componenti fotovoltaici
Per motivi legati essenzialmente, alle caratteristiche fisiche dei
semiconduttori, l’efficienza di conversione di una cella fotovoltaica
decresce all’aumentare della temperatura. L’energia dispersa dalle
celle fotovoltaiche durante il processo di conversione, se non
dissipata
trasmessa
mediante
opportuni
mediante
scambi
sistemi
termici
di
ad
ventilazione,
ambienti
viene
confinanti
attraverso l’involucro, causando un sensibile innalzamento della
temperatura interna degli ambienti stessi, creando problemi, in
quanto la ventilazione serve per raffreddare il più possibile le celle
fotovoltaiche. Per tali motivi è consigliabile progettare i sistemi
fotovoltaici in modo che avvenga una ventilazione della superficie
posteriore dei moduli, oppure con l’ausilio di meccanismi di
ventilazione attivi o passivi. Per i sistemi a ventilazione la soluzione
più
semplice
ed
economica
consiste
nel
predisporre
delle
intercapedini tra i moduli fotovoltaici e le superfici sulle quali
vengono installati.
Nel caso in cui gli elementi fotovoltaici vengono utilizzati come
componenti edili, essi dovranno soddisfare gli stessi requisiti ai
quali corrispondono i componenti edili tradizionali; un involucro
fotovoltaico conserva le stesse caratteristiche di un involucro
tradizionale, e cioè separare l’interno dall’esterno garantendo la
protezione dagli agenti atmosferici, e regolare gli scambi termici.
Quindi il componente fotovoltaico dovrà, soddisfare prestazioni
quali:
-
isolamento termico,
-
isolamento dall’umidità,
-
tenuta all’acqua, al vento e alla neve,
97
Capitolo 4
-
protezione dal rumore,
-
resistenza al fuoco.
Nell’affrontare
il
tema
dell’integrazione
del
fotovoltaico
in
architettura è opportuno effettuare una prima distinzione tra
interventi attuati su edifici esistenti i cosiddetti “ retrofit “, ed
interventi in edifici di nuova progettazione, che prevedono già
l’impiego di pannelli. Nel primo caso, quello degli interventi retrofit,
una delle problematiche prioritarie da affrontare, soprattutto
quando si tratti di edifici pregevoli, è il rispetto delle caratteristiche
formali ed estetiche dell’edificio oggetto di intervento, ecco che si
deve effettuare una ricerca di componenti tecnologicamente ed
esteticamente
compatibili,
ma
anche
di
sistemi
semplici
di
istallazione che consentano di minimizzare la trasformazione
dell’esistente. Nel caso della progettazione di interventi ex-novo, le
cosiddette architetture fotovoltaiche , una delle principali tematiche
affrontate dai progettisti è la necessità di elaborare un linguaggio
architettonico che consenta di esaltare le potenzialità formali e
visive del componente fotovoltaico.
Foto:Copertura convessa. Centro di Innovazione Fennel in Bad Oeynhaussen.
98
Capitolo 4
Foto: Costruzione particolare in Pico Rothorm.
Foto: Structural glazing in Payerne.
4.6 Versatilità estetica del fotovoltaico
L’utilizzo dei componenti fotovoltaici come versatili materiali da
costruzione si sta rapidamente sviluppando, con la presenza sul
99
Capitolo 4
mercato di nuovi tipi di celle e prodotti adatti alle diverse necessità
del settore edilizio. Sono attualmente disponibili sul mercato celle
in un ampia gamma di forme,
dimensioni e colori, che possono
essere inserite in moduli resistenti alle intemperie.
Colori e forme possono variare secondo le differenti richieste
architettoniche ed estetiche.
Fig: prototipo, modulo fotovoltaico di vetro colorato fuso
La possibilità di ibridare due differenti processi produttivi, quello del
fotovoltaico e quello dell’arte vetraria, realizzando come prodotto
finale alcuni pannelli vetrati decorati fotovoltaici. L’idea è quella di
integrare due elementi tra di loro completamente differenti ed
estranei, quali i pannelli in vetro decorati (risultato dell’interazione
tra l’arte della lavorazione del vetro e la pittura su vetro), e moduli
fotovoltaici; si può notare dalle immagini un tradizionale pannello
vetrato per finestra con elementi ornamentali figurativi, nel quale
sono
state
integrate
delle
celle
fotovoltaiche
standard
con
connessioni standard. Nella tecnologia del vetro fuso, durante le
fasi di lavorazione, vetri colorati sono disposti al di sopra di un
foglio più grande di vetro trasparente; successivamente questo
100
Capitolo 4
multistrato viene riscaldato fino alla temperatura di fusione, in
modo che le lastre restino fuse insieme e presentino un certo
disegno. Inoltre i contatti elettrici possono essere anche considerati
come elemento di decoro essi giocano un ruolo ornamentale, con
l’obiettivo di realizzare interventi di integrazione architettonica del
fotovoltaico a maggiore valenza estetica. Le celle possono essere
anche di molteplici colori
Fig: Atominstitut of Austrian Universities- contatti elettrici come elementi di decoro
dei moduli
La sostituzione (a parità di prestazioni) di componenti edilizi
tradizionali come elementi di copertura o di facciata è una scoperta
essenziale dell’uso del fotovoltaico. Dal punto di vista estetico si
può notare, attraverso le realizzazioni più riuscite, come la nuova
tecnologia contribuisca a creare una nuova architettura, in cui il
vecchio binomio forma-funzione assume connotati inusuali, riferiti
ai flussi di energia tra edifico ed ambiente. I componenti solari
moderni, permettono una vasta libertà di applicazione e lasciano
via libera alla creatività progettuale, coprendo una gamma molto
vasta di elementi edilizi: finestre semitrasparenti, brise-soleil,
pensiline, pannelli di facciata, elementi di copertura, cupolini, che
stimolano la fantasia di molti progettisti dando vita a vere e proprie
invenzioni architettoniche, nelle quali il fattore estetico si sposa con
quello energetico e quello ecologico. Un esempio è rappresentato
101
Capitolo 4
dal Coppo Fotovoltaico Gambale, che si inserisce, con obiettivi
ambiziosi, nel settore in forte crescita delle cosiddette tegole
fotovoltaiche esteticamente piacevole, ecologica, economica e ad
alto
contenuto
tecnologica,
essa
presenta
tutte
le
qualità
tradizionali di una tegola PICA. L’obiettivo di introdurre queste
tegole è di integrare una centrale fotovoltaica in una copertura in
tegole utilizzando l'energia solare per produrre elettricità senza
deturpare l'estetica del proprio tetto con ingombranti e sgraziati
pannelli. Si tratta di un componente architettonico d’avanguardia,
nel quale si realizza la coesione tra caratteristiche tecnologiche ed
energetiche.
La funzione è duplice (elemento di
copertura e generatore di elettricità)
Ogni tegola fotovoltaica, di superficie
0,5 m2, ha una potenza di 50 W
produce
tensione
a
potenza
massima
di
corrente
10
V
.
La
continua
con
conformazione
dell’elemento di supporto è stata elaborata in seguito ad analisi
sulla fluidodinamica relativa alla ventilazione naturale ed allo
scorrimento delle acque meteoriche, allo scopo di garantire il
soddisfacimento sia delle normali esigenze richieste alle coperture
discontinue (impermeabilizzazione, resistenza agli agenti esterni,
micro ventilazione sottotegola), sia delle esigenze specifiche dei
sistemi fotovoltaici (inclinazione ottimale, retroventilazione del
modulo solare). Il Coppo Fotovoltaico consenta di intervenire in
operazioni di retrofit, e cioè andando ad inserirsi in coperture
esistenti, senza comportare necessariamente il loro completo
rifacimento.
102
Capitolo 4
ENERGIA GEOTERMICA
L’utilizzazione diretta del calore è la forma di sfruttamento dell’energia geotermica
più antica, più diversificata ed è stata tra le più valorizzate in Italia. Ciò che segue
fornisce un quadro generale della situazione italiana e internazionale a livello
tecnico, con un excursus, geologico ed economico della geotermia. Per energia
geotermica si intende quella contenuta, sotto forma di "calore", all'interno della
terra. L'origine di questo calore è in relazione con la natura interna del nostro
pianeta e con i processi fisici che in esso hanno luogo. Questa fonte è certamente a
basso impatto ambientale: i gas contenuti nell'acqua sono essenzialmente azoto e
anidride carbonica, idrogeno solforato e radon. L'emissione di anidride carbonica, a
parità di energia prodotta, è 10 volte inferiore di quella da combustibili fossili.
Inoltre, con le sonde geotermiche si può climatizzare un ambiente sia d'estate che
d'inverno, la potenzialità di questo sistema è superiore al 50% delle necessità
energetiche per la climatizzazione invernale ed estiva e quindi è un'enorme
potenziale ad un costo molto conveniente.
Premessa
Il nostro ambiente ci offre diverse fonti totalmente differenti per
soddisfare i nostri bisogni energetici; se parliamo di calore ad
esempio, è scontato subito pensare al sole come fonte principale,
sottovalutando del tutto la terra. Anche dall’interno della terra, dal
sottosuolo, noi possiamo estrarre calore, ricavando proprio energia
cosiddetta GEOTERMICA. Il termine “geotermia” deriva dal greco
“ge” e “thermos” che significa proprio “calore della terra”. Proprio i
vulcani , le sorgenti termiche , le
fumarole , ed altri fenomeni
superficiali
di
questo
ci
genere
permettono
capire
parti
della
calde;
che
di
alcune
dell’interno
terra
e
sono
quindi
sfruttabili.
103
Capitolo 4
L’energia
termica
della
terra
è
enorme
considerata
anche
economicamente competitiva rispetto ad altre forme di energia.
La
temperatura
all’interno
del
nostro
pianeta
aumenta
con
profondità secondo un gradiente geotermico di 3°C ogni 100 metri
normalmente, anche se dobbiamo considerare delle zone con
gradienti anomali in cui il flusso di calore può essere circa 9-12°C
ogni 100 metri. Il calore emesso si propaga all’interno della crosta
terrestre per conduzione o per convezione grazie ad un vettore
fluido, quale l’acqua liquida o vapore, che tende a fluire verso la
superficie dando luogo a sorgenti calde e geyser, o a rimanere
intrappolata
nel
sottosuolo
formando
i
cosiddetti
serbatoi
geotermici “recevoir”.
Disegno: Rappresentazione schematica di un sistema geotermico24.
Un sistema geotermico può essere definito schematicamente come
“un sistema fluido convettivo, che, nella parte superiore della
crosta terrestre, trasporta il calore da una sorgente termica al
luogo, dove il calore stesso è assorbito (disperso o utilizzato)”,
quindi generalmente alla superfici.
24
Un sistema geotermico è formato da tre elementi: la sorgente di calore, il serbatoio ed
il fluido, che è il mezzo che trasporta il calore.
104
Capitolo 4
4.7 Le centrali geotermiche
L’energia
geotermica
è
spesso
accumulata
in
centrale,
il
funzionamento di una centrale geotermica,
è del tutto globale, in quanto sfrutta la
pressione esercitata dal vapore contenuto
negli
acquiferi
sotterranei,
gli
acquiferi
sono costituiti da rocce permeabili sature di
acqua,
formando
così
i
serbatoi
geotermici.
I
spontaneamente
la
fluidi
contenuti
nel
serbatoio
geotermico
possono
raggiungere
superficie,
dando
luogo
a
manifestazioni geotermiche naturali, quali i geyser,
le fumarole, le sorgenti calde, ecc... La pressione
dei geyser spinge i vapori fino ad un’altezza pari ai
20-70 metri. Da ciò possiamo osservare che l’energia sprigionata
da questo fenomeno naturale è enorme. Se i fluidi caldi rimangono
nel il serbatoio per effetto di una copertura di terreni impermeabili,
si possono avere concentrazioni di energia
termica enormi di interesse industriale.
Nel
mondo
oggigiorno
sono
poche
le
centrali di questo tipo, infatti possiamo
ricordare in Italia, proprio Lardarello in
Toscana, in Giappone ed in California (USA), i famosi “The Geysers”
che hanno una potenza totale di 750 MW. Con le attuali tecnologie
di perforazione si possono raggiungere profondità di 6000 metri,
tali pozzi permetterebbero di ottenere energia elettrica ad un costo
inferiore a 0,05 € al kWh. Tutta la zona dalla Toscana al
Napoletano (Campi Flegrei) e' ricchissima di vapori e acque calde,
105
Capitolo 4
con utilizzi (tutti da progettare e realizzare) di energia ad alta e
bassa entalpia, cioè superiori e inferiori a 100 gradi centigradi.
Inoltre, secondo una testimonianza del nuclearista Felice Ippolito, il
potenziale geotermico della fascia dalla Toscana alla Campania
sarebbe di 500.000 gigawatt termici corrispondenti a 50 centrali
elettriche da 1000 megawatt ciascuna, corrispondente alla potenza
attualmente impiegata in Italia per la produzione di energia
elettrica. Da questa mappa dell’Italia, possiamo localizzare le zone
in blu che rappresentano le aree nelle quali possono esservi
acquiferi a vapore dominante, nelle aree gialle invece, per la
produzione di energia elettrica gli acquiferi dovrebbero essere a
profondità superiori ai 3000 metri, in
quelle rosse è sufficiente
trovare acquiferi a 2000 metri e in quelle blu a 1000 metri, gli
acquiferi a 5000 metri di profondità in genere sono abbastanza
caldi da poter essere sfruttati per la produzione di energia elettrica
e/o termica
106
Capitolo 4
4.8 Sistemi a sonde per geoscambio termico a pompe di
calore.
Le GHP (Geothermal Heat Pump, pompe di calore geotermiche)
sono sistemi elettrici di riscaldamento e raffrescamento che
traggono vantaggio dalla temperatura relativamente costante del
suolo durante tutto l'arco dell'anno, possono essere applicati ad
una vasta gamma di costruzioni. Il condizionamento di ambienti
(riscaldamento e raffreddamento) si è diffuso notevolmente a
partire dagli anni ’80, a seguito dell’introduzione nel mercato e
della diffusione delle pompe di calore. Infatti oggi per un impianto
che funziona ad energia geotermica, le componenti sono:
-
una o più pompe di calore normalmente collocate all’interno
dell’edificio;
-
un insieme di tubi (sonde geotermiche) opportunamente
interrati per scambiare calore con il terreno;
107
Capitolo 4
-
un sistema di scambio di calore con l’ambiente interno
(impianti a pavimento, bocchette d’aria o pannelli radianti).
La sonda geotermica, deve essere installata con una perforazione
del terreno che va da 50 a 100m (se invece si vuole ottenere anche
una
climatizzazione
la
profondità
della
perforazione deve essere di circa 150 m); il
numero
delle
sonde
geotermiche
e
il
diametro vengono dimensionati in funzione
dell’energia termica richiesta, in base al
volume dei locali da scaldare ed al tipo di
terreno, ma soprattutto in funzione della
legislazione sulla protezione delle acque
sotterranee, quindi deve essere richiesta
un’autorizzazione alle autorità. Si effettua un foro scavato accanto
all’edificio, ogni sonda è costituita da una coppia di tubi in
politilene, polibutene o in PVC rinforzato, uniti in modo da creare
un circuito chiuso a U (un tubo di andata e uno di ritorno, o meglio
carico e scarico) all’interno dei quali si fa circolare un fluido
glicolato25. I tubi delle sonde come si può notare dalle immagini
sono collegati in superficie attraverso un collettore che a sua volta
è connesso alla pompa di calore. Il fluido glicolato scende in
profondità attraverso le sonde ed estrae energia termica al terreno,
che durante l’inverno ha una temperatura generalmente superiore
a quella esterna; il fluido ritorna in superficie ad una temperatura
maggiore rispetto a quella iniziale, da ciò constatiamo che il fluido
che circola nel sistema si espande ed assorbe calore dalla sorgente
esterna, tramite le sonde geotermiche. Il fluido, si troverà ora allo
stato gassoso, viene aspirato all’interno del compressore che a sua
volta azionato da un motore elettrico, fornisce l’energia meccanica
25
miscela di acqua e anticongelante non tossico
108
Capitolo 4
necessaria
per
provocare
un
aumento
di
pressione
e
di
conseguenza anche un aumento di temperatura. Dopo questo
processo il fluido viene a trovarsi nelle condizioni ottimali, per
passare direttamente attraverso il condensatore o meglio lo
scambiatore, dove avviene un nuovo cambiamento di stato un
passaggio dallo stato gassoso a quello liquido, cedendo questa
volta, calore all’aria o all’acqua che viene utilizzata come fluido
vettore per il riscaldamento degli ambienti e per la produzione di
acqua calda sanitaria. La parte conclusiva avviene proprio quando il
fluido attraversa la valvola di espansione trasformandosi, in buona
parte, in vapore e raffreddandosi, il ciclo
ritorna nelle condizioni
iniziali. Questo stesso sistema è utilizzato per provvedere anche al
condizionamento estivo, in questo caso, ovviamente, il ciclo viene
invertito ed è il sistema che cede al terreno il calore estratto
dall’ambiente interno, raffrescandolo. Il riscaldamento geotermico
di quartieri abitativi richiede un investimento di capitali ingenti. I
costi maggiori sono quelli iniziali per i pozzi di produzione e di
reiniezione, i costi delle pompe in pozzo e di distribuzione, delle
condutture e della rete di distribuzione, degli impianti integrativi
per i periodi di punta e dei serbatoi. Le sonde geotermiche possono
essere a circuito chiuso o aperto, con circuito aperto in falde
acquifere
possono
verificarsi
contaminazioni
biologiche
anche
pericolose , pertanto sono da sconsigliare. Di seguito si possono
notare diversi esempi di pompe a circuito chiuso e aperto.
109
Capitolo 4
Disegno: Pompe di calore collegate al terreno (sistema a circuito chiuso)
Disegno: Pompe di calore collegate ad acqua sub-superficiali (sistema a circuito aperto).
Disegno: Pompe di calore collegate ad acque superficiali.
Numerose tecniche possono essere previste per approfittare di
questa energia,o meglio di questa risorsa geotermica,
permanentemente disponibile a bassissima temperatura per sistemi
di riscaldamento decentralizzati. Ad una certa profondità la
110
Capitolo 4
temperatura del sottosuolo è costante e non dipende più dalle
condizioni notturne o diurne, è alquanto indifferente, che regola la
situazione o meglio la temperatura è solo il flusso di calore
presente in profondità. Questo sistema permette così di assicurare
il
riscaldamento
di
un
abitazione
utilizzando
un
sistema
a
serpentine.
4.9
Sfruttamento
geotermica
in
assenza
di
acquiferi
naturali.
Non sempre esistono acquiferi a vapore dominante o ad acqua
dominante, naturali, ma una nuova tecnologia per ricavare calore,
consiste nell’immettere acqua fredda in profondità e recuperarla,
sottoforma di vapore, sfruttando il tutto con un teleriscaldamento.
Il principio di funzionamento di un sistema geotermico appena
descritto è denominato “DHM Deep Heat Minino”, ed è costituito
da:
1) Pozzo di iniezione.
2) Serbatoio roccioso.
3) Pozzo di osservazione.
4) Pompa di circolazione.
5) Pompa di circolazione.
6) Scambiatore di calore.
7) centrale elettrica.
8) rete di distribuzione
delcalore.
111
Capitolo 4
Il potenziale derivante dalla messa a punto di queste tecnologie è
enorme, infatti dalla mappa di seguito si può notare che gli impianti
installati nelle aree dal rosso al nero sono sufficienti per soddisfare
interamente la richiesta di energia elettrica mentre le aree dal
giallo al rosso possono essere sfruttate per ottenere l' energia
termica per acqua sanitaria e riscaldamento/refrigerazione.
Nelle aree senza colore non sono state effettuate rilevazioni
geotermiche.
Disegno: Mappa European Geothermal resources, working document based on data
integrated on 01/09/2000
4.10 Strutture realizzate con l’energia geotermica.
Il più delle volte come si può notare dall’esempio del Collegè de
Peseux a Neuchatel, l’applicazione della metodologia delle sonde
geotermiche
è
stata
sfruttata
considerando
le
fondazioni
sotterranee equipaggiate, nel nostro caso, da scambiatori termici
per la produzione di energia, tale sistema è noto come: “sistema a
112
Capitolo 4
pali
energetici”.
La
particolarità
è
la
doppia
applicazione,
interessante sul piano ecologico ed economico, d'elementi in
calcestruzzo a contatto col suolo: utili, da una parte, come
fondamenta, permettono, dall'altra, la produzione d'energia sotto
forma di caldo e freddo. I pali energetici sfruttano il sottosuolo
situato sotto l’organismo edilizio, come fonte di calore e freddo. Per
metro di palo energetico attivo, si producono, in inverno, circa 35
kWh di calore per il riscaldamento equipaggiato di una pompa di
calore, e circa 40 kWh di freddo in estate per il raffreddamento di
macchinari e locali. Per gli scambiatori termici, si utilizzano tubi
sintetici. Nel caso di pali prefabbricati, questi tubi sono fissati
all'armatura prima del montaggio del palo e colati nel calcestruzzo.
Per i pali in calcestruzzo centrifugo, al contrario, i circuiti di tubi ad
U sono introdotti successivamente nella parte cava del palo, e gli
spazi restanti sono colmati con materiale di sostegno o di
riempimento che presentano una buona conducibilità termica. In
tutti questi tipi di fondamenta, le tubature sono collegate al
sistema di riscaldamento o di raffreddamento dell'edificio, tramite
un circuito idraulico fornito di una pompa di calore. In tal modo, il
terreno su cui poggia l'immobile è sfruttato, in inverno, come
produttore naturale di calore. In estate, questi sistemi possono
essere utilizzati per il raffreddamento industriale, come per una
moderata climatizzazione. In questo caso, il calore estratto viene
rilasciato al suolo e stoccato in vista del suo sfruttamento
invernale. La capacità energetica dei pali battuti nel terreno, del
diametro di 40 cm, varia in funzione della distanza tra i pali e delle
caratteristiche della falda freatica da 30 a 50 W di potenza termica
di caldo o di freddo, essendo, l'energia acquisita, di 40-90 kWh per
metro di lunghezza del palo energetico. In un sottosuolo poco
sfruttato, è possibile raggiungere, a volte, potenze più elevate.
113
Capitolo 4
L'installazione è semplice e veloce, il circuito non provoca alcun
disturbo
al
terreno
circostante
e
sostanzialmente
una
volta
installato non necessità di alcuna manutenzione. Un sistema ad
energia
geotermica
estremamente
garantisce
elevato.
un
Un’unica
livello
centrale
di
comfort
gestisce
il
riscaldamento, il condizionamento, la deumidificazione e una buona
parte dell’acqua calda sanitaria.
4.11 Principio di funzionamento di un impianto geotermicosolare
Proprio attraverso la combinazione di due tipi di energie rinnovabili,
naturali, possiamo capire l’utilità di queste nuove fonti, definite,
economiche e preziose.In occasione del cambiamento della vecchia
pompa di calore aria-acqua, il proprietario della casa, l’ing. Luigi
Ferrari, sostenuto dal Gruppo Energia Solare Ticino GESTI, di cui è
presidente, e dalla Fondazione UomoNatura, di cui è direttore,
decise di sfruttare l’energia geotermica e solare con il nuovo
sistema.Dopo aver richiesto e ricevuto un permesso dall’autorità
cantonale riguardante la protezione delle acque sotterranee, pensò
di estrapolare calore dalla terra e dal sole, dalle fonti primarie,
insomma. Inserì 3 sonde geotermiche, tramite una perforazione di
un diametro di 11.3 cm, nel piccolo viale sul lato ovest della casa.
114
Capitolo 4
Foto: Perforazione per l’immissione delle sonde geotermiche.
Foto: E’ stato eseguito uno scavo di circa 1m di profondità dove vengono inseriti i
tubi di connessione orizzontali tra le sonde e la pompa di calore.
115
Capitolo 4
La distanza minima tra le sonde è di 8 metri. Dopo l’inserimento
delle sonde si inserirono i pannelli solari dimensionati in modo
opportuno per la connessione con le sonde.
I 7.8 m2di collettori solari sono stati integrati in modo armonioso
nell’architettura della casa per non provocare un forte impatto
ambientale, e per non deturpare l’architettura della casa stessa.
Sebbene collocato internamente il sistema è molto silenzioso,
inoltre non essendoci alcun dispositivo all’esterno, il disturbo
associato con le unità esterne è completamente eliminato.
Il sistema è molto sicuro: non c’è combustione, fiamma aperta,
gas nell’aria che si respiri, residui che si depositano nell’ambiente
dove si vive o si lavora.
Disegno:Schema generale dell’impianto geotermico-solare.
La fonte di calore esterna proveniente dal sole viene assorbita dai
pannelli fotovoltaici, mentre quella che perviene dalla terra viene
assorbita dalle sonde geotermiche.
116
Capitolo 4
Foto: Situazione precedente e quella attuale, dovuta all’inserimento dei
pannelli e delle sonde.
4.12 Uso agricolo del geotermico
Gli usi agricoli dei fluidi geotermici comprendono l’agricoltura a
cielo aperto ed il riscaldamento di serre. L’acqua calda può essere
usata nell’agricoltura a cielo aperto per irrigare e/o riscaldare il
suolo. Nell’irrigazione per ottenere una variazione utile della
temperatura del suolo, è necessaria enorme quantità di acqua, a
temperatura bassa per non danneggiare le piante.Ecco perché si
adotta un sistema di irrigazione subsuperficiale accoppiato con un
sistema di tubi riscaldanti inseriti nel terreno. Riscaldare il suolo
con tubi sepolti, senza un sistema di irrigazione parallelo, potrebbe
ridurre la conducibilità del terreno, a causa della diminuzione di
umidità intorno ai tubi, e dare origine ad un isolamento termico. La
miglior
soluzione
sembra
quindi
quella
di
combinare
il
riscaldamento del suolo e l’irrigazione. La composizione chimica
delle acque geotermiche usate per l’irrigazione deve essere sempre
controllata attentamente per evitare effetti dannosi sulle piante.
L’utilizzazione più comune dell’energia geotermica in agricoltura è,
comunque, il riscaldamento di serre, che è stato sviluppato su larga
scala in molti paesi. La coltivazione di verdure e fiori fuori stagione
117
Capitolo 4
o in climi non propri può essere realizzata avendo a disposizione
una vasta gamma di tecnologie. Le pareti delle serre possono
essere fatte di vetro, fibre di vetro, pannelli di plastica rigida, teli di
plastica.
4.13 Importanti progetti geotermici: Le gallerie
Le gallerie, così come i cunicoli, prosciugano la roccia che
attraversano, queste acque sono evacuate verso l’esterno delle
gallerie attraverso dei canali, e vengono immesse nei corsi d’acqua.
A seconda dello spessore della copertura rocciosa della galleria,
l'acqua captata può raggiungere una temperatura tra i 20 e i 40°C.
Questa potenziale risorsa geotermica può essere utilizzata per
coprire il fabbisogno energetico per scopi di riscaldamento dei
consumatori vicini agli sbocchi delle gallerie. Con più di 700 tunnel
ferroviari e stradali, la Svizzera possiede una delle maggiori densità
riguardo a questo genere di opere.
Foto: Galleria di base del Lotschberg, portale di Niedergesteln
a Steg, Vallese
Le portate estratte da queste gallerie vanno da 360 ai 18.000 litri
al minuto, mentre le temperature si situano tra i 12 e 24°C. Con
questi due parametri si calcola il potenziale geotermico, cioè la
potenza energetica che ogni galleria potrebbe fornire. Il potenziale
118
Capitolo 4
geotermico totale delle 15 gallerie analizzate in Svizzera, ammonta
a 30.000 kW, che equivale al fabbisogno per il riscaldamento di
circa
4.000
economie
domestiche,
oppure
per
riscaldare
le
carreggiate ghiacciate. Da queta foto possiamo notare proprio il Ponte26
presso
Därligen
geotermiche
che
(A8)
realizzato
emenano
calare.
proprio
Il
con
fluido
delle
sonde
termoconduttore
contenuto nei fasci di tubi incorporati nel rivestimento della
carreggiata, trasporta calore in estate nello stoccaggio sotterraneo,
disposto lateralmente alle fondamenta del ponte che è composta da
91 sonde geotermiche. Questo stoccaggio ha un diametro di 30 m,
una profondità di 65 m e occupa, un
volume di 55000 m3 (in maggior
parte
arenaria).
Il
70%
circa
dell'energia stivata in estate può
essere
utilizzata
in
inverno
per
sbrinare la superficie del ponte.
Le gallerie stradali e ferroviarie, realizzate, allacciate a impianti di riscaldamento geotermico attualmente sono sei. Mediante
pompe di calore, queste forniscono calore a distanza a edifici pubblici e privati.
4.14 Svantaggi del geotermico
Il primo effetto avvertibile sull’ambiente è quello prodotto dalla
perforazione, sia dei pozzi poco profondi eseguiti per misure di
gradiente geotermico, sia dei pozzi d’esplorazione o di produzione.
L’installazione di un impianto di perforazione e degli
equipaggiamenti accessori comporta la costruzione di strade
d’accesso e di una piazzola di perforazione. Quest’ultima copre una
superficie che va da 200-500 m2 per un piccolo impianto
automontato, in grado di raggiungere una profondità di 300-700 m,
26
Fonte Polydynamics Engineering, Zurich
119
Capitolo 4
a 1200-1500 m2 per un impianto medio-piccolo, in grado di
raggiungere i 2000 m. Queste operazioni modificano la morfologia
dell’area e possono danneggiare l’ecosistema. Improvvise eruzioni
del pozzo possono inquinare le acque superficiali; per evitare
questo
inconveniente,
vengono
installate
speciali
valvole
di
sicurezza, in particolare quando sono perforati pozzi previsti ad alta
pressione e temperatura . Inoltre, durante la perforazione e le
prove di portata dei pozzi, possono essere emessi nell’atmosfera
gas inquinanti. Gli effetti sull’ambiente dovuti alla perforazione
scompaiono quasi totalmente una volta che la perforazione è
terminata. L’installazione delle tubazioni per il trasporto dei fluidi
geotermici e la costruzione degli impianti di utilizzazione, che
costituiscono la fase dello sviluppo successiva alla perforazione,
sono anch’esse operazioni che hanno un impatto sulla vita animale
e vegetale e sulla morfologia superficiale. I fluidi geotermici
(vapore o acqua calda) di solito contengono gas, come anidride
carbonica (CO2), idrogeno solforato (H2S), ammoniaca (NH3),
metano (CH4), e piccole quantità di altri gas, ed anche sostanze in
soluzione,
la
cui
concentrazione
generalmente
aumenta
con
l’aumentare della temperatura. Il cloruro di sodio (NaCl), il boro
(B), l’arsenico (As) ed il mercurio (Hg) sono causa di inquinamento,
se vengono dispersi nell’ambiente. Alcuni fluidi geotermici, come
quelli utilizzati in Islanda per il riscaldamento, sono privi di
inquinanti chimici, ma si tratta di un’eccezione alla regola. Le acque
di scarico degli impianti geotermici hanno, inoltre, una temperatura
generalmente
superiore
costituiscono
potenziali
a
quella
dell’ambiente
inquinanti
termici.
circostante
e
L’inquinamento
atmosferico può essere un problema quando si produce elettricità
con impianti convenzionali. L’idrogeno solforato è uno dei principali
inquinanti.
Anche
l’anidride
carbonica
è
presente
nei
fluidi
geotermici utilizzati dagli impianti per produzione di elettricità;
120
Capitolo 4
tuttavia, la quantità di anidride carbonica emessa da questi
impianti è inferiore a quella rilasciata dagli impianti alimentati da
combustibili fossili. La produzione di elettricità con impianti a ciclo
binario ed il riscaldamento urbano sono anch’essi potenziali cause
di problemi minori, che possono essere superati semplicemente
adottando
sistemi
a
circuito
chiuso,
che
impediscono
ogni
emissione gassosa .L’emissione di acque di scarico è una fonte
potenziale di inquinamento. I fluidi geotermici già sfruttati, se
hanno elevate concentrazioni di sostanze chimiche, come boro,
fluoruri o arsenico, dovrebbero essere trattati, reiniettati nel
serbatoio o entrambe le cose. L’estrazione di grandi quantità di
fluido
dal
serbatoio
geotermico
può
causare
fenomeni
di
subsidenza, vale a dire il graduale abbassamento della superficie
del suolo. Questo è un fenomeno irreversibile, ma non catastrofico,
perché è un processo lento e distribuito su aree vaste. Su lunghi
periodi,
tuttavia,
l’abbassamento
della
superficie
può
essere
sensibile, dell’ordine di alcune diecine di centimetri, e deve essere
monitorato sistematicamente per evitare danni alle strutture
geotermiche ed agli edifici civili circostanti. L’estrazione e/o la
reiniezione dei fluidi geotermici può stimolare o aumentare, in aree
particolari, la frequenza di eventi sismici.
Si tratta, in ogni modo, di microsismicità, che in genere può essere
percepita soltanto dagli strumenti. E’ molto improbabile che lo
sfruttamento delle risorse geotermiche possa dare origine a
fenomeni sismici di qualche importanza.
121
Capitolo 4
4.15 Problema del Radon
Purtroppo
il
problema
del
radon
rappresenta
un
grave
inconveniente per la diffusione del geotermico. Il Radon è un
elemento
chimico
radioattivo
gassoso,
inodore,
incolore,
appartenente alla famiglia dei cosiddetti gas nobili o inerti
elettricamente neutri, non produce alcun effetto avvertibile dai
sensi
anche
ad
elevate
concentrazioni,
ma
è
un
elemento
radioattivo. Viene generato dal "decadimento nucleare" del Radio
che a sua volta proviene dall'Uranio. Questi elementi sono presenti,
in quantità molto variabile, in tutta la crosta terrestre e quindi
anche
nei
materiali
da
costruzione
(cementi,
tufi,
laterizi,
pozzolane, graniti, ecc.). (In Campania sono radioattivi la lava del
Vesuvio, la pozzolana dei Campi Flegrei, il tufo giallo e quello
grigio). L'interazione delle radiazioni con il nucleo delle cellule è in
grado di danneggiare il DNA dando origine, ad un processo nocivo.
Durante il processo di decadimento il nucleo del Radio emette una
radiazione alfa e si trasforma in un nucleo di Radon. Mentre il Radio
e l'Uranio sono elementi solidi, il Radon è un gas e quindi è in
grado di muoversi e di fuoriuscire dal terreno (o dai materiali da
costruzione o anche dall'acqua) ed entrare negli edifici, attraverso
le fessure, anche microscopiche, dei pavimenti o dai passaggi dei
servizi (idraulici, sanitari, elettrici, ecc.) dove si accumula. All'aria
aperta si disperde rapidamente e non raggiunge quasi mai
concentrazioni pericolose tipicamente, ha una concentrazione di
attività di 5-15 Bq/ m3). La radioattività si misura in Becquerel27
(Bq). Le radiazioni che emette sono dannose alle crescita delle
cellule umane, all'apparato respiratorio. Il rischio di contrarre il
tumore al polmone è proporzionale alla concentrazione e al tempo
27
Un Becquerel corrisponde alla disintegrazione di un atomo al secondo.
122
Capitolo 4
che si trascorre in presenza del Radon. La concentrazione del radon
dipende da molti fattori:
-
contenuto di radio nel suolo sottostante l'edificio;
-
permeabilità del suolo, presenza di faglie e falde acquifere;
-
variazioni atmosferiche (temperatura, vento, piogge).
Di conseguenza, la concentrazione di radon negli edifici è molto
variabile,
sia
in
termini
temporali
(variazioni
giorno/notte,
variazioni con cicli meteorologici, e variazioni stagionali) sia in
termini spaziali.
La concentrazione media annuale nazionale è risultata 70 Bq/m3.
Disegno: La mappa della concentrazione media di radon nelle regioni
italiane.
Responsabile principale per il trasporto del radon dal terreno
all’interno delle abitazioni sono le sonde geotermiche; le sonde nel
terreno per le pompe di calore costituiscono dei collettori di radon
di prima qualità. Non dovrebbero essere posizionate sotto il piano
di fondazione ma assolutamente a lato dell’edificio. I punti in cui le
condotte vengono immesse nell’edificio si potranno poi isolare con
relativa facilità e si potrà disperdere nell’aria il radon che ne
fuoriesce. La fonte principale del radon nelle abitazioni sono le
fondamenta della costruzione. Il gas si propaga dall’interno della
123
Capitolo 4
terra attraverso la roccia e il terreno fino alla superficie. Il radon si
trova praticamente dappertutto nel terreno, per circa un quarto il
sottosuolo è costituito da aria. L’aria contenuta nel sottosuolo
contiene radon proveniente dal decadimento degli atomi di radio
presenti nelle singole particelle di terreno e nella roccia. È così che
l’aria del sottosuolo diventa radioattiva. Il radon presente in
profondità giunge in superficie in parte attraverso crepe e fessure,
ma più che altro attraverso i terreni porosi. Più il suolo è
permeabile, più facilmente il radon penetra in un edificio. Dunque
la potenziale emanazione di radon
di
un
terreno
è
determinata
essenzialmente dalla permeabilità
del
terreno
stesso
Inoltre
i
cambiamenti di temperatura e di
pressione
dell’aria
provocano
oscillazioni stagionali e giornaliere.
L’aria presente nel sottosuolo è in costante scambio con l’aria di
superficie e si rinnova molto lentamente. Spesso lo strato superiore
del terreno, di uno spessore da mezzo metro a un metro, è meno
permeabile
del
terreno
sottostante.
Nella
dinamica
degli
spostamenti dell’aria del sottosuolo gli edifici svolgono un ruolo
attivo. Spesso l’edificio penetra nello strato superiore del terreno e
funziona come una valvola di ventilazione «risucchiando» l’aria dal
terreno circostante per un raggio di 10 - 20 metri. Le velocità di
flusso dell’aria del sottosuolo sono molto basse, ad esempio dai 2 ai
3 metri al giorno. Proprio per questo motivo l’aria del sottosuolo
può arricchirsi di radon in modo tale da far aumentare la
concentrazione di tale gas in misura inammissibile anche se
penetra negli ambienti solo in piccole quantità. Un altro modo in cui
il radon può propagarsi è la diffusione dal terreno o dai materiali da
costruzione. Tuttavia si è constatato che questa fonte non è in
124
Capitolo 4
grado di spiegare il superamento dei valori operativi o dei valori
limite. All’aperto il gas si mescola con l’aria e si diluisce
notevolmente. È possibile eliminare il radon da sotto l’edificio
tramite aperture adeguate o sistemi di tubazioni, creando una
maggiore
pressione
all’interno
dell’edificio,
o
almeno
con
un’opportuna ventilazione dei piani interrati. Il radon costituisce
uno dei maggiori fattori di rischio ambientale.
ENERGIA EOLICA
L'energia eolica è una fonte rinnovabile, significativa, utilizzata dall’uomo sin
nell’antichità ,in svariate applicazioni; offre buone possibilità di competitività,
rispetto alle fonti tradizionali per la produzione di energia elettrica. Si tratta di una
forma di energia meccanica molto diffusa, trasformabile direttamente con un buon
rendimento in energia elettrica. E’ caratterizzata da una forte irregolarità e
incostanza e da una concentrazione energetica relativamente bassa, pertanto gli
impianti eolici interessano aree di grandi dimensioni in relazione alla potenza
desiderata. La tecnologia eolica, nel tentativo di sfruttare al meglio le potenzialità di
tale fonte e di raggiungere una piena maturità industriale, ha prodotto una vasta
gamma di modelli, diversi per tipologia e dimensioni per prestazioni ottimali ai fini
di rispettare al meglio il nostro ambiente.
Premessa
Negli ultimi anni è stato fatto molto,
per fronteggiare i diversi
problemi ambientali, uno degli strumenti individuati per realizzare
questo obiettivo è l’uso più esteso delle fonti rinnovabili di energia,
in quanto sono in grado di garantire un impatto ambientale più
contenuto di quello prodotto dalle fonti fossili. Tra le fonti
rinnovabili, l’impiego dell’energia eolica per la produzione di
energia elettrica è ormai una realtà consolidata, e rappresenta un
caso di successo tra le nuove fonti rinnovabili. Il vento è
abbondante, economico, inesauribile, ampiamente distribuito, non
danneggia il clima ed è pulito tutte queste sono caratteristiche che
nessun altra fonte energetica può eguagliare.
125
Capitolo 4
Sebbene l’energia generata dal vento sia già economica, il suo
costo continua a scendere. A differenza del petrolio, non c’è
nessuna OPEC a fissare il prezzo del vento. I costi dell’energia
generata attraverso il vento sono scesi dai 38 cent di dollaro al
chilowattora nei primi anni ’80 ai circa 4 cent di oggi nei siti più
favorevoli.
Dal
momento
che
cresce
sempre
di
più
la
preoccupazione pubblica riguardo i cambiamenti climatici, il mondo
si rivolge al vento per ottenere elettricità in modo pulito. Dal 1995,
la capacità mondiale di produrre energia eolica è cresciuta del
487%, di quasi cinque volte. Durante lo stesso periodo l’uso del
carbone, l’alternativa principale per produrre energia elettrica, è
scesa del 9%. Un megawatt di energia eolica basta a soddisfare più
o meno il bisogno di energia elettrica di 350 famiglie in un paese
industrializzato, cioè circa 1.000 persone.
L’energia
eolica
è
ormai
da
considerare un’industria forte ed in
rapida crescita, infatti è tangibile la
“potenza” di questa nuova economia
emergente,
dal
momento
che
le
turbine eoliche riescono a sostituire le
miniere a carbone, i generatori di idrogeno le raffinerie di petrolio, i
motori a celle combustibili, i motori a scoppio. Il vento e l’idrogeno
delineeranno non solo il futuro del settore energetico ma quello
della stessa economia mondiale.
Il basso costo dell'elettricità prodotta dall’eolico consente di fare un
processo di elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno, che può
essere facilmente conservato ed usato per rifornire di carburante le
turbine a gas negli impianti di riserva energetica quando la forza
del vento diminuisce. Negli Stati Uniti per esempio, ben 28 Stati
hanno immense “fattorie del vento” che forniscono elettricità alla
rete locale. Nella densamente popolata Europa c’è energia eolica a
126
Capitolo 4
sufficienza, facilmente reperibile in mare aperto28, per soddisfare i
bisogni di elettricità di tutti i Paesi. L'Associazione Europea di
Energia Eolica ha recentemente rivisto le sue previsioni di produrre
energia eolica per l'Europa entro il 2010 da 40.000 a 60.000
megawatt. La Germania e’ il paese leader con 8.000 megawatt. La
Spagna è al terzo posto, con 3.300 megawatt. La Danimarca, è al
quarto con 2.500 megawatt. Invece la posizione geografica
dell’Italia, unita alla presenza di catene montuose e di masse
d’acqua, determina un diverso andamento dei venti sia nel corso
dell’anno che da regione a regione.
L’Italia può comunque contare, specie nelle zone mediterranee
meridionali e nelle isole, su venti di buona intensità, quali il
maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio. I siti più idonei
allo sfruttamento dell’eolico si trovano lungo il dorsale appenninico,
al di sopra dei 600 m, sul livello del
mare, e in misura minore, nelle
zone
costiere.
Le
regioni
più
interessanti sono quelle del Sud, in
particolare
Campania,
Puglia,
Molise, Sicilia e Sardegna, e il
territorio compreso tra le province
di
Trapani,
Foggia,
Benevento,
Avellino e Potenza è il principale
polo eolico nazionale.
Disegno: Principale Bacino Eolico:
28
Infatti stanno nascendo impianti in mare aperto, fuori dalle coste del Belgio, della
Danimarca, della Francia, della Germania, dell'Irlanda, dell’Olanda, della Scozia, della
Svizzera e della Gran Bretagna.
127
Capitolo 4
4.16 Configurazione generale di un sistema eolico.
L’energia eolica ha avuto uno sviluppo molto simile a quello
dell’energia idroelettrica. Nell’antichità infatti era già presente lo
sfruttamento meccanico dell’energia cinetica delle masse d’aria.
Successivamente alla fine dell’ ’800 si è avuto un ulteriore sviluppo,
il passaggio da “potenza meccanica” a “generatore di corrente
elettrica” con il collegamento ad una dinamo. L’invenzione del
primo aerogeneratore si deve all’americano Charles F. Brush29 nel
1898. Con lo choc petrolifero degli anni 70, gli aerogeneratori
hanno cominciato ad emergere come tecnologia di produzione
elettrica.Nell’ultimo
commercializzazione
ventennio
delle
l’espansione
turbine
eoliche
è
e
la
notevolmente
avanzata.
Oggi
abbiamo
turbine
ed
aerogeneratori
specificatamente disegnati per venti variabili in
velocità
ed
in
direzione,
turbine
per
venti
turbolenti e per applicazioni su piccola scala.
La ricerca e lo sviluppo di una nuova tecnologia è
sempre più emergente nei riguardi dei materiali,
che permettono di aumentare le dimensioni dei
rotori e quindi la potenza erogata, sui componenti
accessori che permettono di muovere il rotore in
modo da catturare la direzione del vento più favorevole fino a
fermarlo in caso la velocità sia troppo elevata, sugli inverter che
permettono di passare dalla corrente continua a quella alternata, ai
sistemi per le fondazioni ad esempio in applicazioni offshore.
29
La macchina era relativamente semplice con un rotore di 17 metri di diametro costituito
da 144 pale di legno
128
Capitolo 4
Il primo obiettivo nel
progetto
turbina
di
eolica
una
è
quello di avere un
valore alto tra
le
forze che si generano, portanza-trascinamento. Questo rapporto
può essere variato con la lunghezza delle pale per ottimizzare la
produzione di energia per diverse velocità del vento. Il vento passa
su entrambe le facce della pala, più velocemente sul lato superiore,
creando un’area di bassa pressione. Questa differenza di pressione
tra le due superfici innesca una forza, chiamata, “portanza
aerodinamica” . Possiamo capire meglio il valore di questa forza,
pensando ad un aereo, la portanza sull’ala di un aereo è tale, da
permettergli di alzarsi da terra, in un aerogeneratore, poiché le
pale sono vincolate a muoversi su di un piano, ruotano con forza
intorno al mozzo. Contemporaneamente si genera una forza di
trascinamento, perpendicolare alla portanza che si oppone al moto.
129
Capitolo 4
Le componenti che costituiscono il funzionamento sono:
- Il rotore
E’ costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale. Le pale più
utilizzate sono realizzate in fibra di vetro. I rotori a due pale sono
meno costosi e girano a velocità più elevate. Sono però più
rumorosi e vibrano di più di quelli a tre pale. Sono stati realizzati
anche rotori con una sola pala, equilibrata da un contrappeso.
A parità di condizioni, questi rotori sono ancor più veloci dei bipala,
ma hanno rese energetiche leggermente inferiori.
130
Capitolo 4
Ci sono anche rotori con numerose pale, di solito 24, che vengono
impiegati per l’azionamento diretto di macchine, come le pompe.
Sono stati messi a punto dei rotori con pale “mobili”. Variando
l’inclinazione delle pale al variare della velocità del vento è possibile
mantenere
costante
la
quantità
di
elettricità
prodotta
dall’aerogeneratore.
- Il sistema frenante
È costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale: un
sistema di frenaggio aerodinamico e uno meccanico. Il primo viene
utilizzato per controllare la potenza dell’aerogeneratore, come
freno di emergenza in caso si sovravelocità del vento e per
arrestare il rotore. Il secondo viene utilizzato per completare
l’arresto del rotore e come freno di stazionamento.
- La torre e le fondamenta
La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma
tubolare o a traliccio. In genere è costruita in legno, in cemento
armato, in acciaio o con fibre sintetiche.
La struttura dell’aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni
ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere
ancorata al terreno mediante fondamenta.
131
Capitolo 4
Le fondamenta molto spesso sono completamente interrate e
costruite con cemento armato.
- Il moltiplicatore di giri
Il moltiplicatore di giri serve per trasformare la rotazione lenta delle
pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il
generatore di elettricità.
- Il generatore
Il generatore trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. La
potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kW).
- Il sistema di controllo
Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di
controllo
che
svolge
due
diverse
funzioni.
Gestisce,
automaticamente, l’aerogeneratore nelle diverse operazioni di
lavoro
azionando
il
dispositivo
di
sicurezza
che
blocca
il
funzionamento dell’aerogeneratore in caso di malfunzionamento e
di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.
- La navicella e il sistema di imbardata
La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un
aerogeneratore, ad eccezione, naturalmente, del rotore e del
mozzo. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare
di 180° sul proprio asse. Per assicurare sempre il massimo
rendimento
dell’aerogeneratore
è
importante
mantenere
un
allineamento più continuo possibile tra l’asse del rotore e la
132
Capitolo 4
direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia,
l’allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di
imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l’impiego
di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la
banderuola, indica lo scostamento dell’asse della direzione del
vento e aziona un motore che rimette in linea la navicella.
4.17 I costi e la potenza installata di un aerogeneratore.
L’Europa, è diventata nell’ultimo decennio il maggior mercato
mondiale con anche la leadership tecnologica nella produzione delle
parti dell’impianto nei servizi per l’installazione e la manutenzione.
La produzione offshore ha un alto potenziale ancora tutto da
sfruttare, sia per le tecnologie ed i nuovi materiali che richiede, sia
per le potenze in grado di sviluppare.
I costi della generazione elettrica da fonte eolica sono diminuiti in
modo costante e sensibile negli ultimi 15 anni in ragione
dell’aumento dell’efficienza degli aerogeneratori
e sono influenzati da tre fattori:
-
il
costo
del
capitale,
cioè
il
costo
della
macchina
e
dell’installazione, della connessione alla rete dell’impianto; a
questi vanno aggiunti i costi di project management e di
sviluppo di un sito, ad esempio il monitoraggio delle velocità
del
vento
e
il
micrositing
per
l’ottimizzazione
della
disposizione delle turbine;
133
Capitolo 4
-
i costi di esercizio, cioè i costi operativi e di manutenzione
(O&M), il costo di affitto del terreno sul quale sorge il sito
produttivo;
-
il costo del finanziamento, in pratica il tasso di interesse a cui
è stato prestato il capitale investito.
4.18 Progettazione ed evoluzione delle turbine eoliche
La maggior parte delle turbine è progettata per generare la
massima potenza ad una determinata velocità del vento facendo
riferimento alla teoria di Betz,30. In base alla disposizione dell’asse
del rotore rispetto alla direzione del vento gli aerogeneratori sono
classificati in due grandi categori:
-
ad asse orizzontale;
-
ad asse verticale.
I primi sono ancora oggi quelli caratterizzati dal maggiore sviluppo
tecnologico e dalla maggiore diffusione commerciale.
30
Le particelle dell'aria del vento, essendo in movimento, possiedono una determinata energia
cinetica che può essere ceduta ad un mezzo che venga interposto.
134
Capitolo 4
I più diffusi hanno il rotore a tre pale,
ma in commercio ve ne sono molte
anche
a
due
pale,
che
risultano
essere meno costose e più leggere
ma hanno lo svantaggio di richiedere
una velocità di rotazione maggiore a
parità di energia prodotta. Questa è
una caratteristica negativa dal punto
di vista del rumore e dell’ impatto
visivo.
Le turbine ad asse verticale invece,
sono state utilizzate fin dall'antichità ma solo ultimamente oggetto
di studi e ricerche per migliorarne l' efficienza.
La turbina ideale dovrebbe avere un alto numero di pale slanciate e
veloci, con un ottimo profilo aerodinamico e un elevato rapporto
potenza-resistenza.
4.19 “Le Seafarm” centrali marine
Con il nuovo progetto la “Wind Force 12”, sostenuto dalla una
nuova
associazione
European
Wind
Energy
Association
e
Greenpeace che studia quantificazione delle risorse d'energia eolica
mondiali, si scoprì che il potenziale mondiale d'energia generabile
dal vento è il doppio della domanda d'elettricità mondiale prevista
per il 2020.
Le "fattorie del vento" o "campi eolici" con aerogeneratori dai 0,5 a
1,5 MW di potenza sono installazioni di aerogeneratori in siti
marini, quindi una maggiore disponibilità di spazi e una migliore
qualità del vento. I cosiddetti sistemi off-shore, i sistemi eolici
collocati in mare, dove ci siano fondali poco profondi, dove è
minore l’impatto ambientale-paesaggistico, e dove si ottiene una
migliore qualità e costanza del vento. L'energia prodotta da tali
135
Capitolo 4
turbine eoliche ha un costo competitivo nei confronti delle centrali
turbogas a ciclo combinato, inquanto il prodotto nelle attuali
centrali off-shore è maggiore di quello prodotto nelle centrali
eoliche terrestri.
Foto: Un "campo" eolico offshore nel Mar del Nord, in queste condizioni gli aerogeneratori
arrivano ad una potenza di 5 MW ciascuno.
Attualmente in Europa sono operative 5 centrali off-shore installate
in Olanda, Svezia e Danimarca, in Italia non esiste ancora alcun
impianto off-shore, ma sono stati approcciati diversi studi, uno dei
quali definito la “Seafarm”. Questo nuovo progetto prevede una
innovativa
struttura
portante
di
modernissima
concezione,
consente la realizzazione di “aziende ecologiche produttive” in mare
aperto, lontane dalla costa, eliminando così l’impatto visivo da
terra; tali realizzazioni sono possibili a
circa 200 metri. La produzione di energia
aumenta del 30%. Però i costi sono più
alti del 50 %, lo sviluppo di questa
impiantistica, richiede un numero elevato
di grandi aerogeneratori in modo da
compensare gli alti costi di installazione.
136
Capitolo 4
Il progetto, sinteticamente descritto, consiste nella realizzazione di
una “piattaforma galleggiante sommersa bloccata” di adeguato
volume, da posizionare, a circa 20 metri sotto il livello del mare
(nel
Mare
Mediterraneo)
la
sua
stabilità
viene
posizionata,ancorandola al fondo per mezzo di cavi in acciaio, ad
una serie di zavorre poste sul fondale. Questa struttura rigida in
mare
costituisce il
supporto per un doppio
uso
produttivo:
produzione
di
la
energia
elettrica dal vento e la
maricoltura estensiva di
pesci
e
crostacei,
concentrando così due
Foto: vista dal basso di un aerogeneratore dove si
può notare un mimetismo di carattere cromatico,in
quanto la parte superiore è azzurra come il cielo.
attività
produttive
altamente
in
un’unica
zona marina.
4.20 Impatto ambientale
Purtroppo l’impatto visivo, è considerato la barriera più rilevante
per lo sviluppo dell’eolico, è possibile ridurre al minimo gli effetti
visivi “sgradevoli” legati alla presenza delle turbine, effettuando
una mimetizzazione, impiegando torri tubolari o a traliccio a
seconda
del
contesto,
utilizzando
colori
neutri
per
favorire
l’integrazione nel paesaggio.
137
Capitolo 4
Gli aerogeneratori per la loro configurazione sono visibili in ogni
contesto dove vengono inseriti. Ma una scelta accurata della forma
e del colore dei componenti, per evitare che le parti metalliche
riflettano i raggi solari, consente di armonizzare la presenza degli
impianti eolici nel paesaggio. Le turbine purtroppo, producono
rumore, generato dai componenti elettromagnetici e soprattutto da
fenomeni aerodinamici che si creano con la rotazione delle pale e
dipendono dalle caratteristiche e dalla velocità delle stesse. Ad una
distanza di circa 400-500 metri dall’impianto gli effetti sonori dovuti
alla presenza delle macchine eoliche diventa del tutto trascurabile,
il rumore della rotazione dovuto alle pale del rotore si confonde
completamente col rumore del vento che attraversa la vegetazione
circostante. Attualmente le turbine eoliche ad alta tecnologia sono
molto silenziose.
138
Capitolo 4
L'inquinamento acustico potenziale delle turbine eoliche è legato a
due tipi di rumori: quello meccanico proveniente dal generatore e
quello aerodinamico proveniente dalle pale del rotore. Il rumore
che emette un aerogeneratore viene causato dall’attrito delle pale
con l’aria e dal moltiplicatore di giri. Questo rumore può essere
smorzato
migliorando
l’inclinazione
delle
pale
e
la
loro
conformazione, e la struttura e l’isolamento acustico della navicella.
Il rumore proveniente da un aerogeneratore deve essere inferiore
ai 45 decibel in prossimità delle vicine abitazioni. Tale valore
corrisponde ad una conversazione a bassa voce. I moderni
aerogeneratori soddisfano questa richiesta a partire da distanze di
150/180 metri. I problemi, o meglio i distrurbi elettromagnetici che
si
possono
avere,
aereogeneratori
si
dovuti
essenzialmente
riscontrano
nelle
pale,
alla
presenza
di
specialmente
se
realizzate in materiali metallici o riflettenti
139
Capitolo 4
Per evitare possibili interferenze sulle telecomunicazioni e la
formazione di campi elettromagnetici basta quindi, stabilire e
mantenere la distanza minima fra l’aerogeneratore e, stazioni
terminali di ponti radio, apparati di assistenza alla navigazione
aerea e televisori. Per quanto riguarda gli effetti sulla flora e sulla
fauna, dalle esperienze maturate in paesi con elevata diffusione
dell’eolico tipo: Stati Uniti, Danimarca, Germania, e Gran Bretagna,
gli unici problemi ottenuti, per quanto riguarda la fauna, sono solo
gli uccelli a subire effetti dovuti alla presenza delle turbine, infatti si
può
osservare
l’efetto
di
collisione
con
le
pale.
Il
terreno
effettivamente occupato dalle macchine è pari ad una minima parte
del territorio del parco eolico preso in considerazione, purtroppo la
restante parte del territorio viene occupata, quindi richiesta, solo
per le esigenze di distanza tra le turbine per evitare il fenomeno
dell’interferenza aerodinamica, quindi si può continuare a utilizzare
il territorio anche per altri impieghi, tipo l’agricoltura e la pastorizia.
140
Capitolo 4
4.21
Impianti
collegati
e
non
collegati
alla
rete
di
distribuzione.
Impianti collegati alla rete di distribuzione sono considerati parchi
eolici (wind farms) gruppi di turbine interconnesse, in quanto l’uso
di questo tipo di disposizione è dettato da esigenze economiche e
funzionali.
Le
cosiddette
“macchine
eoliche”
devono
essere
posizionate sul territorio a debita distanza l’una dall’altra (150-180
metri) per evitare il fenomeno dell’interferenza aerodinamica, che
determina due tipi di conseguenze: il primo correlato all’aumento
della turbolenza, sulle macchine posizionate all’interno del parco, il
secondo alla perdita di potenza.
Impianti non collegati alla rete di distribuzione, le cosiddette reti
autonome, alimentate da solo fonte eolica, costituiscono una
promettente applicazione, la fornitura di elettricità a utenze, con
una domanda elevata e lontane dalla rete, viene generalmente
attuata grazie a dei generatori diesel. Spesso questa soluzione è
notevolmente costosa, dovuta agli alti costi di manutenzione e
fornitura. La soluzione ideale è il ricorso ai sistemi ibridi, questo
tipo di impianti utilizza la fonte eolica in congiunzione con fonti
tradizionali, (generalmente il diesel).
141
Capitolo 4
CELLULE DI COMBUSTIBILE
AD IDROGENO
Le celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire l’energia
chimica di un combustibile (in genere idrogeno) in energia elettrica, senza
l’intervento intermedio di un ciclo termico, pertanto sono capaci di rendimenti di
conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.
premessa
La nascita delle celle a combustibile risale al 1839, anno in cui
l’inglese William Grove riportò i risultati di alcuni esperimenti nei
quali era riuscito a generare energia elettrica in una cella
contenente acido solforico dove erano stati immersi due elettrodi,
su cui rispettivamente arrivavano idrogeno ed ossigeno.
Una cella a combustibile funziona in modo analogo ad una batteria,
in
quanto
produce
energia
elettrica
attraverso
un
processo
elettrochimico, tuttavia a differenza di quest’ultima consuma
sostanze provenienti dall’esterno e quindi è in grado di funzionare
senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile
(idrogeno) ed ossidante (ossigeno o aria). La cella consiste di due
elettrodi costituiti di materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli
elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che
consumano
fondamentalmente
idrogeno
ed
ossigeno,
con
produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito
esterno. L’elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da
una reazione e consumati dall’altra, chiudendo il circuito elettrico
all’interno
della
cella.
La
trasformazione
elettrochimica
è
accompagnata da liberazione di calore, che è necessario estrarre
per mantenere costante la temperatura. Più celle sono disposte in
serie a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto “stack”.
Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e
diverso
grado
di
sviluppo.
Normalmente
le
celle
vengono
classificate sulla base dell’elettrolita utilizzato (celle alcaline, ad
142
Capitolo 4
elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, a ossidi
solidi) o alla temperatura di funzionamento (celle a bassa e alta
temperatura).
L’elettrolita determina o condiziona fortemente:
• il campo di temperatura operativo
• il tipo di ioni e la direzione in cui diffondono attraverso la
cella
• la natura dei materiali di cella
• la composizione dei gas reagenti
• le modalità di smaltimento dei prodotti di reazione
• le caratteristiche di resistenza meccanica e di utilizzo
Fig stock di cella a combustibile
143
Capitolo 4
L'idrogeno in realtà non può essere considerato realmente una
fonte di energia, ma solo un mezzo per conservare, trasportare e
riutilizzare energia che è stata prima prodotta in qualche altro
modo, e comunque l'energia che ci può fornire è sempre minore di
quella spesa per produrlo. Tutte le difficoltà derivano dal fatto che
l'idrogeno è il gas più leggero che esista, tanto leggero che sulla
Terra non viene trattenuto dalla forza di gravità e si disperde
rapidamente nell'atmosfera e quindi nello spazio esterno. Sulla
terra quindi non si trova idrogeno allo stato naturale, ma deve
essere estratto dall'acqua, dal metano o da altri idrocarburi.Ma per
scindere le molecole di acqua e ottenere l'idrogeno, e per
distribuirlo a chi lo utilizzerà, dobbiamo spendere più energia di
quella che potremo poi ottenere dalla sua combustione.
Fig: Conversionedi energia Confronto tra celle a combustibile e sistemi tradizionali
144
Capitolo 4
Fig: scema di funzionamento dei vari tipi di celle
Gli impianti con celle a combustibile sono costituiti da 3 sezioni
principali:
una sezione di trattamento del combustibile (gas
naturale, metanolo, metano, olio combustibile, carbone), che
converte lo stesso in un gas di sintesi contenente idrogeno,
purificato secondo le necessità imposte dal tipo di cella. La
produzione di idrogeno può essere ottenuta con sistemi che
utilizzano processi di steam reforming, ossidazione parziale, ecc.. Il
processo normalmente impiegato quando si parte da idrocarburi
leggeri è quello di reforming catalitico con vapore, seguito da
conversione dell’ossido di carbonio, abbiamo:
CnHm+ nH2O
nCO + nH2O
Nel
processo
nCO + (m/2 + n) H2
nCO2 + n H2
occorre
adottare
condizioni
di
reazione
che
prevengano la formazione di composti indesiderati (es. formazione
145
Capitolo 4
di carbone) che comprometterebbero l’efficienza del processo
stesso. Questa sezione non è presente se si utilizza idrogeno o se si
impiegano celle ad alta temperatura (MCFC e SOFC) in cui la
riforma del combustibile avviene all’interno della cella stessa.
• una sezione elettrochimica, costituita dalle celle che producono
energia
elettrica per via elettrochimica attraverso una reazione tra idrogeno
alimentato all’anodo e l’ossigeno alimentato al catodo; la reazione
elettrochimica è accompagnata da produzione di calore.
• un sistema di condizionamento della potenza elettrica, che
trasforma
l’energia, prodotta sotto forma di corrente elettrica continua, in
corrente
alternata di opportune caratteristiche.
Completano l’impianto un sistema di regolazione e di recupero del
calore, che
può essere utilizzato sia all’interno dell’impianto (ad es. per il
reattore di
conversione
del
combustibile),
che
per
utenze
esterne
di
cogenerazione e un
sistema di controllo che assicura il coordinamento delle diverse
sezioni
dell’impianto.
146
Capitolo 4
4.22 Funzionamento delle celle a combustibile
All’interno di una cella a combustibile entrano un combustibile ed
un ossidante che reagendo chimicamente provocano la scissione
del carburante stesso in molecole di idrogeno e ossigeno. Al
termine del processo, dalla cella escono energia elettrica, acqua e
vapore.
I
principali
meccanismi
funzionali
sono
assicurati
essenzialmente da due elettrodi, anodo e catodo, ove avvengono le
reazioni chimiche che complessivamente presiedono all’ossidazione
"controllata" del combustibile, da un elettrolita con funzioni di
trasporto degli ioni dall’anodo al catodo (o viceversa secondo il tipo
di elettrolita e la carica, positiva o negativa, degli ioni) e dai sistemi
di inserimento dei gas di processo e di prelievo della corrente
elettrica. Proprio la corrente elettrica, che dipende dalla richiesta di
potenza da parte dell’utilizzatore, è lo strumento di controllo della
reazione di ossidazione che avviene nella pila. Ad elevati prelievi di
potenza, e quindi elevate correnti, corrispondono forti flussi ionici
attraverso
l’elettrolita,
con
conseguente
accelerazione
della
147
Capitolo 4
reazione; al contrario, in assenza di richiesta di potenza, e quindi a
corrente nulla, non si ha flusso ionico attraverso l’elettrolita e la
reazione risulta impedita.
Nelle applicazioni pratiche dunque, il coefficiente di utilizzo del
combustibile viene mantenuto entro determinati limiti, regolando la
portata di combustibile in funzione della corrente richiesta. I valori
ottimali sono prescelti in funzione di numerosi fattori, tecnici ed
economici, ma determinati principalmente in base al tipo di
applicazione
funzioni
e
alla
vengano
configurazione
attuate,
dell’impianto.
esistono
diverse
Affinché
tali
configurazioni
tecnologiche a secondo del tipo di elettrolita, ossia del conduttore
ionico a cui, all’interno della cella, è affidato, come si è visto, il
compito fondamentale di trasportare le cariche elettriche dall’anodo
al catodo.
4.23 Il futuro delle celle a combustibile
Il superamento dell’ancora insormontabile ostacolo degli alti costi
potrebbe essere facilitato, come è già avvenuto per alcuni progetti
di ricerca, dall’intervento pubblico. Oltre alle sovvenzioni pubbliche,
le migliori speranze per le celle a combustibile per il prossimo
futuro risiederanno in quelle applicazioni per le quali l’elettricità e
già costosa o in cui il gas di scarico possa essere utilizzato come
combustibile. In realtà, ai costi attuali, occorrerà probabilmente
una combinazione di sussidi e di circostanze particolarmente
favorevoli. Per esempio, grazie ad una iniziativa del Governo
federale statunitense, anche gli acquirenti di impianti di celle a
combustibile per uso domestico possono accedere ai fondi pubblici
(Lloyd, 1999). In un futuro più lontano, le preoccupazioni relative
al clima globale e le conseguenti iniziative per ridurre l’anidride
carbonica potranno spianare la strada a impieghi a grande scala
148
Capitolo 4
delle celle a combustibile anche nei PVS. In questo caso bisogna
però considerare che a causa dell’arretratezza tecnologica e della
mancanza di disponibilità di materiali adeguati, qualsiasi impiego a
grande scala di celle a combustibile in un PVS dovrebbe essere
rimandato di una decina d’anni. Come visto in precedenza esistono
però realtà, come quella dell’Arabia Saudita, in cui l’applicazione di
particolari sistemi integrati con impiego di fonti rinnovabili, è
approdato già a fasi ben più avanzate rispetto alla semplice
realizzazione di sistemi sperimentali. Nelle nazioni industrializzate
si attendono invece miglioramenti nelle tecnologie a scambio
protonico,
a
probabilmente
carbonati
fusi
permetteranno
e
nei
a
ossidi
prossimi
solidi,
anni
che
alle
molto
celle
a
combustibile di ricavarsi nuove nicchie di mercato e di espandere
quelle già occupate. In questo modo, inaugureranno un nuovo tipo
di economia, basata sull’idrogeno, più compatibile con le esigenze
dell’ambiente.
4.24 Applicazioni delle celle a combustibile nel settore
automobilistico
Le maggiori case automobilistiche hanno già sviluppato varie
generazioni di veicoli alimentati con celle a combustibile, ma la
commercializzazione di tali veicoli è prevista oltre il 2010.
Un’alternativa: i veicoli ibridi
Le vetture ibride hanno due fonti di energia, di cui una elettrica
(batterie). La seconda fonte di energia può essere un motore a
combustibile interna (HEV) oppure uno stack di celle a combustibile
(FCEV). A secondo delle condizioni di marcia, la vettura seleziona
automaticamente la soluzione più efficiente. Le batterie delle
vetture ibride vengono caricate in modo semi continuo durante la
marcia, perciò possono essere molto più piccole e meno costose
rispetto a quelle usate nelle vetture elettriche.
149
Capitolo 4
Tuttavia, la presenza di due fonti di energia e altre soluzioni
tecniche
sofisticate
come
la
frenata
a
recupero
di
energia
aumentano il costo e il peso di questi veicoli.
Le vetture ibride di tipo HEV immesse sul mercato fino ad oggi
sono relativamente poche, citiamo per esempio la Prius di Toyota e
la Civic di Honda. Spesso si segnala una riduzione dei consumi di
carburante dell’ordine del 30%, ma questa percentuale è ottenibile
soltanto nel traffico urbano, dove le frenate e le accelerazioni sono
frequenti e il motore funziona a carico ridotto per la maggior parte
del tempo. La guida costante ad alta velocità di una vettura ibrida
non presenta vantaggi rispetto alle vetture tradizionali.
Proprio la FIAT con la Seicento H2 Fuel Cell. introduce “la pila” a
combustibile che ha il compito di caricare le batterie di trazione
assicurando un determinato livello di carica. Il dimensionamento
del sistema di generazione di corrente elettrica è tale che le
batterie seguono la richiesta di potenza del veicolo, mentre la pila a
combustibile fornisce l’energia che le batterie erogano al fine di
avere bilancio nullo, oltre ad alimentare i propri ausiliari. L’idrogeno
è contenuto in 6 bombole della capacità di 9 litri ciascuna alla
pressione di 200 bar assoluti. Le bombole sono poste all’interno di
un box apposito, posizionato in verticale al posto del sedile
150
Capitolo 4
posteriore. Il rendimento massimo della pila a combustibile si
ottiene per una temperatura di funzionamento di 75°C; per
mantenere
tale
temperatura
è
previsto
un
circuito
di
raffreddamento ad acqua demineralizzata in pressione. L’acqua in
ingresso allo stack è mantenuta in circolo da una elettro pompa e
raffreddata in uno scambiatore di calore. Il vapore prodotto dallo
stack confluisce prima in un separatore meccanico poi in un
condensatore a recupero, prima di essere mandato in ambiente. La
potenza prodotta dallo stack permette di mantenere una velocità
continuativa di 50 km/h; con l’ausilio delle batterie di trazione, la
velocità sale a 100 km/h. l’idrogeno assicura autonomia per 100
km: esauritosi il combustibile, l’energia residua delle batterie
consente di portare l’autonomia a 140 km. Il tempo di rifornimento
delle bombole è di circa 10 minuti. La “Seicento H2 Fuell Cell” è la
più piccola city car elettrica alimentata ad idrogeno mai realizzata.
4.25 Applicazioni del settore del trasporto pubblico
Il primo autobus a celle a combustibile è stato realizzato dalla
Ballare nel 1993. ad oggi, sono stati messi in circolazione nel
mondo oltre 30 autobus alimentati con celle a combustibile, più
della metà dei quali in America del Nord. Recentemente, anche in
Europa, i progetti autobus con celle a combustibile si sono
moltiplicati. Gli autobus a celle a combustibile in circolazione sono
ancora
pochi,
ma
sembrano
costituire
un’applicazione
molto
promettente per questa tecnologia. La commercializzazione degli
autobus a celle a combustibile sembra più vicina a quella dei veicoli
leggeri:
•
le
loro
dimensioni
rendono
meno
critica
l’esigenza
di
miniaturizzazione e riduzione del peso,
151
Capitolo 4
•
effettuano
percorsi
regolari,
è
più
facile
prevedere
e
riscontrare le performance richieste,
•
il problema della scelta e della distribuzione del combustibile
è meno critico, poiché le flotte di autobus sono generalmente
rifornite in una sede centrale, dopo aver percorso un numero
noto di chilometri.
Foto: Prototipo di bus
L’applicazione delle celle a combustibile per la trazione degli
autobus potrebbe anche essere economicamente valida. Il costo
iniziale delle celle a combustibile è sicuramente alto, ma i loro costi
di funzionamento sono più bassi, grazie principalmente all’efficienza
migliore dei sistemi a combustione interna. Sulla durata di vita di
un autobus questi risparmi potrebbero essere significativi e fare
delle celle a combustibile una soluzione competitiva rispetto alle
altre tecnologie.
I bus Mercedes-Benz Citaro hanno un autonomia di 300 km e
possono trasportare 70 passeggeri. La loro velocità di punta è di
circa 80 km/h. lo stack di celle a combustibile ha una potenza di
250 kW.
152
Capitolo 4
I serbatoi di idrogeno compresso sono installati sul tetto del Citaro,
mentre il motore elettrico e gli elementi di trasmissione sono situati
sul retro dell’autobus
Possiamo inoltre considerare altri tipi di veicoli di minor rilievo:
Bicicletta APRILIA
Il primo prototipo di ciclomotore a celle a combustibile, derivato
dalla bicicletta Aprilia a pedalata assistita “Enjoy”, è stato
153
Capitolo 4
presentato al pubblico a Bologna nel 2000. Aprilia Enjoy Fuell Cell è
munito di una cella PEMFC da 700 W. Una bombola in fibra di
carbonio contenente 2.2 litri di idrogeno compresso a 300 bar
permette un autonomia di 75 km. La velocità di punta di questa
bicicletta è di 32 km/h.
Vettura da Golf ASTRIS
La società Astris è specializzata nella produzione di celle a
combustibile alcaline di potenza da 1 a 10 kW. Astris ha realizzato
un prototipo di vettura da golf munito di celle AFC della potenza di
3.6 kW alimentata con idrogeno compresso. Più leggere di una
vettura elettrica, la Golf Car Astris ha un autonomia di 3 giorni di
uso normale sul campo da golf (6-7 ore di uso continuo) e può
raggiungere una velocità di 40 km/h.
Anche i treni rientano in questo progetto:Proprio il governo
giapponese sta finanziando uno studio per l’integrazione di celle a
combustibile in un prototipo per la trazione dei treni.
Prospettive Mondiali
l'Islanda sta emergendo come la protagonista della “rivoluzione”
dell'energia pulita. La nazione progetta di porre fine alla sua
dipendenza dai carburanti fossili (e dunque da fonti energetiche
d'importazione) avvalendosi di generatori in grado di combinare
idrogeno e ossigeno per produrre energia, rilasciando acqua come
unico e innocuo prodotto derivato. Attualmente l'Islanda (270 mila
abitanti) è già leader nel mondo per l'energia rinnovabile, con gran
parte della sua disponibilità energetica proveniente da fonti
idroelettriche e geotermiche. Ora la stessa energia pulita sarà
impiegata per alimentare questi generatori e dare il via ad un
circuito
energetico
interamente
ecologico.
Il pioniere di questa progetto di società basata sull'idrogeno è il
professore Bragi Arnason dell'"University of Iceland" della città di
154
Capitolo 4
Reykjavik, il quale giustamente si è guadagnato il nominativo di
"Professor Idrogeno".
ENERGIA DA BIOMASSA
Italia non è solo il Paese del Sole,e del vento, il solare e l' eolico potrebbero un
giorno coprire una parte significativa del fabbisogno energetico globale ma tutto ciò
non basta....ecco perchè si fa riferimento a un qualcosa di “nuovo”a la biomassa un
importante risorsa a disposizione dell’uomo come fonte rinnovabile d’alimenti, energia
e materie prime. L'energia delle biomasse vegetali contribuisce a ridurre la
dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili e a diversificare le fonti di
approvvigionamento energetico oltre che al perseguimento degli obiettivi imposti
nell’ambito delle conferenze internazionali sul clima.
Premessa
Per bio-energia si intende, qualsiasi forma di energia utile ottenibile
dalla
biomassa;
si
tratta
di
un
sistema
complesso,
dovuto
principalmente alla diversità della materia prima utilizzabile (tuuto
ciò che ha matrice organica escludento la plastica e i materiali
fossili), alla molteplicità delle tecnologie di trasformazione e ai
differenti settori e campi di utilizzo. La biomassa rappresenta la
forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare; questa,
infatti, consente alle piante durante la crescita di convertire la CO²
atmosferica in materia organica, tramite il processo di fotosintesi,.
In questo modo vengono fissate complessivamente circa 2·1011
tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico
dell’ordine di 70·103 Mtep. Il processo di conversione consiste in
una reazione chimca di ossidazone (combustione) che libera
energia. . Un altra forma di biomassa può, essere costituite dai
residui delle coltivazioni destinate all’alimentazione umana o
animale (paglia) o piante espressamente coltivate per scopi
energetici. Comunque la più importante “tipologia” di biomassa è
rappresentata
da
residui
forestali,
scarti
dell’industria
di
155
Capitolo 4
trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.) scarti delle
aziende zootecniche,ed i rifiuti solidi urbani.
I rifiuti costituiscono una valida risorsa energetica, in quanto hanno
un buon contenuto energetico, che, con le attuali tecnologie di
termovalorizzazione, può essere recuperato ed riutilizzato in
diverse attività industriali. Inoltre i rifiuti rappresentano una fonte
di materia prima molto abbondantepurtroppo essa non è una fonte
pulita di energia come quella solare o eolica. Le principali
applicazioni della biomassa sono: produzione di energia (biopower),
sintesi di carburanti (biofuels) e sintesi di prodotti (bioproducts).
,
156
Capitolo 4
4.26 La produzione di energia da rifiuti in Italia: prospettive
e scenari
L' energia da biomasse ha però un limite invalicabile: la
disponibilità di terreni. L' Italia infatti potrà destinare al massimo
uno o due milioni di ettari alle coltivazioni per la produzione di
energia.
Si sono ipotizzati tre scenari di recupero energetico da rifiuti al
2010 in Italia. Tali scenari sono stati disegnati prospettando il
raggiungimento di una quota di raccolta differenziata pari al 35%
dei RSU prodotti:
- 1) l’installazione di impianti per una potenza complessiva di 800
MW22, corrispondente ad una termovalorizzazione del 28% sul
residuo23 (vedi ipotesi di funzionamento degli impianti descritte
qui di seguito).
- 2) Si considera una parte di RSU a recupero di energia pari al
52%, corrispondente alla percentuale di termovalorizzazione sul
residuo della Svezia31, uno tra i paesi europei che fanno il maggiore
ricorso all’incenerimento nella gestione dei rifiuti.
-
3)
Si
prospetta
il
raggiungimento
di
una
% di
RSU
a
termovalorizzazione intermedia agli scenari 1 e 2, pari quindi al
40% sul residuo.
4.27 Approvvigionamento delle biomasse
II costo di approvvigionamento della materia prima incide per circa
il 45% sul costo totale della produzione di energia. Per le colture
energetiche dedicate tale costo varia da 30 a 60 €/t di sostanza
secca ed include coltivazione, raccolta, stoccaggio e trasporto del
prodotto. Si prevede che tale costo possa essere dimezzato
31
Fonte APAT
157
Capitolo 4
migliorando
le
pratiche
agronomiche
ed
incrementando
la
produttività annuale di colture lignocellulosiche.
Anche la diffusione della forestazione a rapida rotazione è legata
alla messa a punto di specifiche pratiche di coltivazione, inclusi il
taglio e la raccolta del prodotto.
Il
principale
forestazione
impedimento
è
allo
rappresentato
sviluppo
dalla
di
questo
mancanza
di
tipo
di
tecniche
di
coltivazione appropriate, inclusi la raccolta meccanica e i sistemi di
lavorazione a livello locale
4.28 Processi di conversione termochimici
Le principali tecniche di conversione utilizzate sono la combustione,
la gassificazione e, la pirolisi.
Esistono numerosi impianti di combustione diretta delle biomasse
di tipo agro-forestale o agro-industriale. Tale applicazione consente
la produzione di calore utilizzato per il ciclo produttivo, di energia
elettrica o di cogenerazione (produzione simultanea di energia
elettrica e termica). Il processo di combustione permette la
trasformazione dell’energia chimica tipica della biomassa in energia
termica, mediante una serie di reazioni chimico-fisiche. Quando la
biomassa viene immessa in una camera di combustione subisce
inizialmente
una
essiccazione,
quindi,
man
mano
che
la
temperatura aumenta, si hanno processi di pirolisi, di gassificazione
e, infine, di combustione.
Con
appropriati
rapporti
combustibile/aria,
la
biomassa
si
decompone e volatilizza, lasciando un residuo carbonioso (ceneri)
costituito principalmente dai composti minerali inerti. Il composto
volatile, che costituisce circa l’85% della biomassa iniziale, consiste
in:
158
Capitolo 4
- una frazione gassosa contenente, oltre all’anidride carbonica
(CO2), l’ossido di carbonio (CO), alcuni idrocarburi (CxHy) ed
idrogeno (H2);
- una frazione condensabile, contenente acqua e composti che con
l’aumentare
della
temperatura,
tendono
a
frammentarsi
in
composti più leggeri. Il risultato delle suddette reazioni è la
produzione di calore che viene recuperato mediante scambiatori
con i quali si trasferisce l’energia termica ad altri fluidi vettori, quali
aria o acqua. La quantità di energia termica contenuta nella
biomassa è funzione del tipo, della quantità di ceneri e del
contenuto
di
umidità
ed
è
definita
dal
“Potere
Calorifico
Inferiore”32; il cui valore per le biomasse oscilla tra 2.500 e 4.500
kcal/kg (tra 10.500 e 19.000 kJ/kg).
Il processo di gassificazione consiste nella trasformazione di un
combustibile solido, nel caso specifico la biomassa, in combustibile
gassoso, tramite la reazione con l’ossigeno. La proporzione tra i
vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi
tipi di gassificatore, dei diversi tipi di combustibile e del loro diverso
contenuto di umidità. Oltre alle sostanze organiche, le biomasse
contengono anche sali minerali che non vengono gassificati, ma
trasformati in ceneri e polveri. La gassificazione di biomasse in un
letto fluido passa attraverso le seguenti operazioni: essiccamento,
pirolisi, processi ossido-riduttivi. Le potenze degli impianti che
producono
solo
energia
termica
possono
variare
da
alcune
centinaia di kW ad alcune decine di MW: il limite della taglia
superiore degli impianti industriali a biomasse deriva da fattori sia
di carattere tecnico sia organizzativo-gestionale della filiera legno o
di altri tipi di biomasse. Il principale parametro energetico che si
impiega per valutare gli impianti è il rendimento netto globale.
32
”Potere Calorifico Inferiore” (PCI): esprime il calore sviluppato dalla completa combustione di 1 kg
di combustibile, non considerando il calore latente dei componenti condensabili
159
Capitolo 4
Questo è dato dal rapporto percentuale tra l’energia disponibile per
le
utenze
esterne
e
l’energia
introdotta
dal
combustibile
nell’impianto di produzione, espresse con le stesse unità di misura,
al netto dei consumi necessari al funzionamento dell’impianto
stesso. A seconda del tipo di impianto e della relativa tecnologia
impiegata, i rendimenti netti termici variano tra il 50% e il 60%;
quelli elettrici tra il 18% e il 25%. La pirolisi è un processo termico
di degradazione della biomassa che avviene: in assenza di aria,
quando il calore necessario al processo viene totalmente fornito
dall’esterno, o in presenza di una limitata quantità di agenti
ossidanti, nel caso in cui il calore viene prodotto internamente alla
massa mediante la combustione di una sua parte.
Praticamente con il processo di pirolisi si trasforma un combustibile
a bassa densità energetica (3.000-4.000 kcal/kg) in un altro a più
elevato contenuto energetico specifico (8.000-10.000 kcal/kg),
riducendone di conseguenza i costi di trasporto. I prodotti liquidi
della pirolisi devono subire ulteriori processi per aumentarne la
qualità e la stabilità (up-grading) per ottenere un prodotto
chiamato “bio-olio” utilizzabile, per esempio, come combustibile in
campo industriale per il riscaldamento dei forni di cottura per il
cemento e la calce.
Recenti studi stanno valutando la possibilità di impiegare l’olio di
pirolisi per la produzione di H2 attraverso reforming catalitico per
applicazioni su celle a combustibile
4.29 Diffusione delle tecnologie
Per quanto riguarda i biocombustibili liquidi, l’attuale tecnologia per
la produzione di biodiesel e bioetanolo da colture agricole dedicate
è consolidata e richiede soltanto alcune innovazioni minori; è
indispensabile, però, indirizzare la ricerca anche verso altri canali di
produzione di combustibili oltre quelli basati sulle colture agricole
160
Capitolo 4
La coltivazione di cereali e semi oleosi per ottenere combustibili
liquidi e di alberi a crescita rapida per ottenere combustibili solidi
richiede terreno, mano d' opera, dispendio di energia, impiego di
acqua
e
fertilizzanti le
emissioni
di
anidride
carbonica
dei
combustibili di origine vegetale sono compensate dall'anidride
carbonica sottratta dall' atmosfera dalla pianta durante la sua vita".
Ciò riguarda principalmente la produzione di etanolo da materiali
lignocellulosici.
Per quanto riguarda la produzione di biodiesel, il ciclo di produzione
prevede l’utilizzo di oli estratti da colture oleaginose, tipicamente
semi di girasole e di colza
In pratica i semi subiscono una fase di essiccazione, al di sotto
dell’8% di umidità, in modo da evitare fenomeni di autoaccensione,
ammuffimento
ed
irrancidimento,
e
di
sgusciatura
per
l’eliminazione dell’involucro del seme, a basso contenuto di olio
(circa il 2%), in modo da aumentare l’efficienza di estrazione
dell’olio grezzo, il contenuto proteico (40-42%) delle farine residue,
con un costo energetico trascurabile (circa 5 kWh/t di prodotto
trattato)
L'uso dei biodiesel, se comparato con quello dei combustibili di
origine fossile, permette la riduzione delle emissioni gassose
prodotte dai motori e ritenute pericolose per la salute. Inoltre
consente l'azzeramento del bilancio dell'anidride carbonica. Infatti,
la CO2 prodotta durante la combustione di una certa quantità di
biodiesel è riutilizzata dalla fotosintesi dalle colture destinate alla
sostituzione della medesima quantità. In questo modo, il contenuto
di anidride carbonica presente in atmosfera non cambia e vengono
limitati tutti gli effetti oggi provocati dai cosiddetti "gas serra" Il
biodiesel è immediatamente biodegradabile nelle acque superficiali
e questa caratteristica lo rende comodo per vari utilizzi, quali:
impiego in aree protette per nautica e trasporti su terra e ovunque
161
Capitolo 4
sussista il pericolo di perdite di combustibile. Ricerche svolte
dall'Università di Idaho (USA), evidenziano un comportamento
molto simile a quello del destrosio: in soluzione acquosa (protocollo
EPA 560/6-82-003) dopo due giorni gli acidi grassi non sono più
rivelabili, mentre dopo 28 giorni risulta trasformata in CO2 una
quantità variabile tra l'85 e l'89% del prodotto iniziale (contro il
18% del gasolio). Peraltro, il biodiesel in miscela aumenta le
caratteristiche di biodegradabilità in misura più che proporzionale
alla sua concentrazione nel gasolio.
50
Energia Spesa
Energia dal Solo Biodiesel
40
30
20
10
0
Colza
Girasole
Fig:Confronto tra le spese energetiche totali e il solo contributo energetico fornito dal
biodiesel. Questo è già sufficiente per rendere il bilancio positivo (valori in GJ per ettaro
coltivato).
Per quanto riguarda la produzione di bioetanolo, le materie prime
agricole utilizzabili possono essere sia quelle finalizzate alla
produzione
di
sostanze
zuccherine
sia
quelle
amidacee.
Il
bioetanolo è un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante
un processo di fermentazione di diversi prodotti agricoli ricchi di
carboidrati e zuccheri quali i cereali (mais, sorgo, frumento, orzo),
le colture zuccherine (bietola e canna da zucchero), frutta, patata e
vinacce.
162
Capitolo 4
In
campo
energetico,
il
bioetanolo
può
essere
utilizzato
direttamente come componente per benzine o per la preparazione
dell'ETBE (EtilTerButilEtere), un derivato alto-ottanico alternativo
all'MTBE
(MetilTerButilEtere).
Nonostante
l'elevato
costo
di
produzione, pari a circa due volte quello della benzina, il bioetanolo
può risultare ancora fonte di profitto quando si considerino le
attuali agevolazioni fiscali e finanziamenti di origine governativa legate
alla caratteristica "rinnovabile" di questa fonte energetica. Inoltre,
finalmente anche in italia, le associazioni dei coltivatori hanno siglato
degli accordi per aumentare in maniera siglificativa la produzione di
bioetanolo aiutando anche l'agricoltura.
4.30 Prospettive di sviluppo delle tecnologie nel mondo.
Lo sfruttamento migliore delle biomasse come fonte energetica, lo
si può ottenere con le istallazioni grossi impianti di cogenerazione e
teleriscaldamento alimentati a biomasse. La Francia, che ha la più
vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla
produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come
combustibile ha adottato una politica di completa defiscalizzazione.
La Gran Bretagna invece, ha sviluppato una produzione trascurabile
di biocombustibili, ritenuti allo stato attuale antieconomici, e si è
dedicata in particolare allo sviluppo di un vasto ed efficiente
sistema di recupero del biogas dalle discariche, sia per usi termici
che elettrici. La Svezia e l’Austria, che contano su una lunga
tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad
incrementare
tale
impiego
sia
per
riscaldamento
che
per
teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco
ceduo (salice, pioppo) che hanno rese 3÷4 volte superiori alla
media come fornitura di materia prima. Nel quadro europeo
163
Capitolo 4
dell’utilizzo energetico delle biomasse, l’Italia si pone in una
condizione di scarso sviluppo, nonostante l’elevato potenziale non
inferiore ai 27 Mtep.Anche dal punto di vista delle tecnologie
disponibili
per
la
conversione
delle
biomasse
in
energia,
il
panorama è variegato: alcune di esse sono competitive, altre
richiedono ancora miglioramenti. Tuttavia, in Italia il problema più
serio
per
un
impiego
estensivo
delle
biomasse
da
residui
agroindustriali è costituito dagli alti costi della raccolta delle
materie prime: infatti, l’efficienza di produzione delle biomasse
vegetali (in pratica, l’efficienza di conversione dell’energia solare in
contenuto energetico della biomassa) è estremamente bassa,
inferiore all’1%; pertanto, l’alimentazione di impianti funzionanti
con questo combustibile presuppone la raccolta di biomasse su
aree molto estese, che spesso si traduce nell’esigenza di creare
realtà consortili.
4.31 Cogenerazione e Termovalorizzazione
La cogenerazione è una strategia di risparmio energetico con
utilizzo
dell’energia
scaricata
inutilmente
nelle
centrali
termoelettriche, nei gruppi elettrogeni, nei rifiuti solidi urbani e
nelle
biomasse.
Kg/abitante-anno
Vi
è
di
uno
spreco
R.S.U.
e
enorme
450
nei
R.S.U.:
300
Kcal/abitante-anno,
potenzialmente disponibili dal punto di vista termico, non vengono
di fatto utilizzati. La cogenerazione è l’insieme delle operazioni
volte alla produzione combinata di energia meccanica, elettrica e
calore, entrambi considerati effetti utili, partendo da una qualsiasi
sorgente di energia primaria. E’ una tecnica che permette di
produrre calore ed elettricità in un unico processo. Il calore si
presenta sotto forma di vapore acqueo a pressione elevata o di
acqua calda. Rispetto alle centrali elettriche, la cogenerazione ha
natura distribuita e si realizza mediante piccoli impianti. In breve si
164
Capitolo 4
tratta di mini-impianti in grado di generare calore ed elettricità
per grandi strutture (es. ospedali, alberghi ecc.) o piccoli centri
urbani. A differenza di una centrale elettrica tradizionale in cui i
fumi sono immessi direttamente nell'aria attraverso il camino, i gas
di scarico della cogenerazione vengono prima raffreddati e cedono
così la loro energia a un circuito ad acqua calda/vapore, quindi
vengono immessi nell'aria attraverso il camino. La combustione
nelle piccole centrali a cogenerazione raggiunge risparmi fino al
40% nell'utilizzo delle fonti primarie di energia. Esiste un grande
vantaggio rispetto alle grandi centrali termoelettriche che
utilizzano il carbone o il petrolio per generare calore, la loro
combustione è però a rendimenti molto bassi. A questo si
aggiungono le grandi perdite di energie causate dalla distribuzione
dell'energia elettrica dal punto di produzione al punto di consumo.
Nel caso della cogenerazione, invece, il punto di produzione
dell'energia è situato nei pressi della zona di consumo. Una
caratteristica che permette anche il riutilizzo del calore per il
teleriscaldamento
delle
abitazioni.
In
questo
modo,
la
cogenerazione fornisce contemporaneamente riscaldamento ed
energia
elettrica.
Esistono
diverse
tipologie
di
impianti
di
cogenerazione in base alla scala di produzione, la cogenerazione
macro e micro. La cogenerazione macro è solitamente utilizzata
nelle industrie e per il teleriscaldamento di interi quartieri urbani o
comuni. La cogenerazione micro, invece, è utilizzata per
soddisfare la domanda di piccole abitazioni isolate. Va detto che la
combustione nella cogenerazione non elimina le conseguenze
inquinanti., di fatto, l'impianto a cogenerazione brucia derivati delle
fonti
primarie
fossili
come
una
qualsiasi
centrale
elettrica
producendo emissioni di monossido di carbonio, di ossidi di azoto e
di particolato. L'aspetto inquinante è comunque ridotto attraverso
165
Capitolo 4
l'uso di biocombustibili (es. biodiesel).La combustione nella
cogenerazione consente tre vantaggi in particolare:
•
maggiore rendimento della combustione;
•
minore spreco nella distribuzione dell'energia elettrica;
•
produzione congiunta di riscaldamento ed elettricità.
Per
rendere
chiara
l'idea
sui
vantaggi
della
cogenerazione
ricorriamo ad un esempio e ripercorriamo la vita energetica di un
bagno caldo. Supponiamo di voler riscaldare l'acqua con uno
scaldabagno
elettrico,
nel
momento
in
cui
accendiamo
lo
scaldabagno iniziamo ad utilizzare energia elettrica prodotta da una
grande centrale termoelettrica. La grande centrale termoelettrica
produce
energia
elettrica
tramite
la
combustione
"a
basso
rendimento" di derivati del petrolio o del carbone. L'energia
elettrica così prodotta è poi trasportata fino all'utente finale
mediante la rete elettrica con inevitabili perdite di energia causate
dalla distanza. Arrivata a destinazione l'energia elettrica riscalda
l'acqua
del
cogenerazione,
nostro
scaldabagno
invece,
l'impianto
elettrico.
di
Nel
produzione
caso
della
dell'energia
elettrica è situato nei pressi dell'utente. L'impianto ha minori
dimensioni e raggiunge combustioni a rendimento più elevato per
produrre calore ed energia elettrica. Il calore non viene però
disperso all'esterno, come nelle centrali termoelettiche, bensì è
riutilizzato per teleriscaldare le abitazioni. Poiché l'impianto di
cogenerazione è situato vicino all'utente non si verificheranno
grandi perdite durante il trasporto dell'energia elettrica.
166
Capitolo 4
Fig Produzione di energia confronto tra un sistema convenzionale e cogenerazione
L'investimento nella cogenerazione ha un ritorno economico (pay
back) in tempi brevi, proprio per le sue caratteristiche di
efficienza, ulteriormente, è costituito dalla possibilita' di ottenere
finanziamenti, incentivi e contributi per realizzare un impianto di
cogenerazione.
Le proprietà particolari della cogenerazione, sia sotto il profiio
energetico che ambientale, sono oggi ampiamente riconosciute
ed incentivate, sia nell'ambito della Comunita' Europea che nello
stesso quadro legislativo italiano.Il D.P.R. 412/ 93 al punto E3
dell'allegato D, prescrive al progettista di valutare le fonti
rinnovabili e la cogenerazione come soluzione prioritaria per
soddisfare il fabbisogno energetico degli edifici di proprieta'
pubblica
o
adibiti
ad
uso
pubblico.
All'interno del "Piano energetico nazionale" la cogenerazione
viene assimilata alle "fonti di energia rinnovabili", con una serie
di interventi mirati ad agevolare anche le piccole e medie imprese
nel miglioramento della loro efficienza energetica; la tariffazione
del gas metano utilizzato per la produzione di energia
167
Capitolo 4
elettrica nelle condizioni stabilite dalla normativa usufruisce
della defiscalizzazione; finanziamenti agevolati e contributi sono
periodicamente
messi
a
disposizione
da
Stato
e
Regioni.
Distinguiamo tre categorie di cogenerazione in base a diversi
elementi:
•
cogenerazione
industriale:
generazione,
in
un
unico
processo, di energia elettrica e/o meccanica ed energia termica a
uso industriale, a temperature generalmente uguali o superiori a
140°C;
•
cogenerazione per riscaldamento: generazione, in un
unico processo, di energia elettrica e/o meccanica ed energia
termica
destinata
teleriscaldamento
al
urbano
riscaldamento
o
direttamente
nei
sistemi
negli
edifici,
di
a
temperature generalmente comprese tra 40 e 140°C;
•
cogenerazione in agricoltura: generazione, in un unico
processo, di energia elettrica e/o meccanica ed energia termica
destinata al riscaldamento di serre, impianti di acquacoltura e
applicazioni analoghe, a temperature generalmente comprese tra
15 e 40°C.
Dalla combustione dei rifiuti, con i TERMOVALORIZZATORI, si
recupera
energia
sotto forma
di
energia
elettrica
e
teleriscaldamento a basso costo che altrimenti andrebbe persa.Un
termovalorizzatore è di fatto un inceneritore di rifiuti in grado di
sfruttare il contenuto calorico dei rifiuti stessi per generare calore,
riscaldare
acqua
ed
infine
produrre
energia
elettrica.
Si
distingue quindi dai vecchi inceneritori che si limitavano alla sola
termodistruzione dei rifiuti senza produrre energia. L'impiego dei
termovalorizzatori sembra essere una via di uscita dal problema
delle discariche ormai stracolme. Basti pensare che non esiste
168
Capitolo 4
una soglia minima di sicurezza per le diossine e possono essere
nocive
per
l'uomo
a
qualsiasi
livello
di
assimilazione
(US
Environment Protection Agency 1994). Motivo che già di per sé è
sufficiente per comprendere lo stato d'animo dei cittadini e le
mobilitazioni sociali in questo senso.Secondo la legge Ronchi
bisognerebbe quanto più possibile recuperare materiali ma allo
stato attuale si premiano i processi che impediscono il recupero dei
suddetti materiali. La termovalorizzazione per assolvere al suo
compito in maniera ottimale dovrebbe non precedere bensì
seguire un processo accurato di raccolta differenziata che
preveda ci si informi dalle industrie sulle caratteristiche che deve
avere la materia recuperata per poter essere utilizzata come
materia prima nei cicli produttivi (separando accuratamente il vetro
dalla plastica, dalla carta, dall'alluminio, etc). Anche la materia
destinata ai termovalorizzatori (le cosiddette ecoballe) dovrebbe
avere precipue caratteristiche tali da scongiurare quanto più
possibile un eventuale rilascio di sostanze nocive nell'ambiente, ma
questo passaggio purtroppo in alcuni casi non avviene ancora con
la necessaria trasparenza e accortezza.E' necessario inoltre
sempre
procedere
sull'ambiente
ad
specifico
un
a
attento
cui
il
esame
dell'impatto
termovalorizzatore
è
destinato e sulla salute dei cittadini. Nel caso delle biomasse la
materia prima è composta da materiale ecocompatibile, in gran
parte legname, residui delle attività agricole o delle lavorazioni del
legno (potatura degli alberi, segherie ecc.).
biomasse
prima
della
combustione
Il trattamento delle
avviene
considerando
Le
biomasse, cosiddette "vergini", sono inizialmente frammentate in
piccoli
pezzi
e
sottoposte
ad
asciugatura
dell'umidità
per
aumentarne la resa energetica. L'incenerimento finale produrrà il
calore necessario per scaldare la temperatura dell'acqua tramite un
normale scambiatore nella caldaia.Pertanto la principale differenza
169
Capitolo 4
tra l'incenerimento in un termovalorizzatore ed in un impianto a
biomasse è la "natura" ecocompatibile del materiale destinato ad
essere incenerito. Molti esperti mondiali hanno previsto che in solo
50 anni la produzione di energia elettrica da biomasse potrebbe
coprire anche il 40% del consumo energetico mondiale. E' la
conclusione a cui sono giunti i 1200 esperti provenienti da 89 paesi
durante la chiusura della conferenza mondiale sulle biomasse,
tenuta a Roma. La sfida dell'energia rinnovabile non è più
quell'utopia degli anni '70 supportata solo da ecologisti della deepecology. Oggi la sfida rappresenta uno scenario economico in cui
molte imprese hanno iniziato ad investire i propri capitali. Gli
scenari futuri iniziano a delinearsi agli osservatori attenti di questi
anni:
Da un lato il prezzo del petrolio tenderà sempre più a
•
crescere nel lungo periodo a causa della scarsità crescente
delle riserve petrolifere. Un fenomeno che accelererà a causa
anche della continua crescita del consumo energetico e
dall'ingresso nei mercati mondiali di grandi paesi asiatici
come la Cina.
Dall'altro lato i costi dello sfruttamento dell'energia
•
rinnovabile
tendono
a
scendere
come
effetto
delle
economie di scala dovute alla nascita del nuovo mercato. Non
è un caso che tutte le principali compagnie petrolifere stiano
investendo anche nel settore dell'energia rinnovabile.
Le
biomasse
rappresentano
l'energia
rinnovabile
per
eccellenza. La stessa Unione Europea ha recentemente invitato i
paesi
membri
ad
aumentare
i
loro
investimenti
in
questo
promettente settore.
170
Capitolo 4
4.32 Il teleriscaldamento da biomasse
Il calore generato dalla combustione delle biomasse può essere
utilizzato anche per fornire una sorta di "teleriscaldamento". E'
quanto
avviene
nel
comune
di
Tirano
in
Valtellina.
La
cogenerazione di energia elettrica avviene tramite il ricorso di
biomasse definite "vergini", in altre parole eco-compatibili, come il
legname, gli scarti di lavorazione delle segherie o della potatura
ecc. Il riscaldamento è prodotto mediante una grande caldaia
centralizzata alimentata con biomasse vergini e collegata agli
utenti finali mediante una rete urbana di tubature. In questo modo,
circa 1.500 famiglie nel comune di Tirano e di Sondalo
beneficiano del "teleriscaldamento".
Secondo un articolo pubblicato sulla rivista "Quark" di ottobre 2004
si comprende l'elevato risparmio energetico per la collettività nel
caso del teleriscaldamento. Le famiglie del comune di Tirano
risparmiano ogni anno 4,4 milioni di litri di gasolio evitando di
rilasciare nell'atmosfera circa 11.500 t. di gas serra. (fonte Quark -
171
Capitolo 4
2004/10). La qualità dell'aria nella zona di Tirano sembra
essere migliorata in quanto le caratteristiche "naturali" delle
biomasse tendono a inquinare meno dell'uso di risorse fossili. Il
modello di biomasse attuato a Tirano ha risolto anche il tradizionale
problema
dell'inquinamento
prodotto
a
causa
dell'approvvigionamento e del trasporto del materiale vergine per
la combustione.
172
Capitolo 4
Mini-idroelettrico: una risorsa da potenziare
Nell'ambito delle fonti rinnovabili, quella idrica rappresenta ovunque la principale
forma di sfruttamento per la produzione elettrica. La mini idraulica racchiude in sé
un enorme potenziale energetico. Già nel passato questa risorsa è stata sfruttata nei
mulini situati lungo i corsi d'acqua, e più tardi convertite in elettricità per
alimentare piccole fabbriche.
Premessa
L'Italia è stato uno dei Paesi pionieri nell'utilizzo dell'energia
idroelettrica: le prime esperienze risalgono al 1889 e 1891,
rispettivamente presso
Genova
Roma
(Isoverde)
(Acquoria,
e
a
Tivoli) e per un lungo
periodo questa è stata
la principale fonte di
energia, in un paese
povero
naturali,
di
risorse
veramente
determinante sia per il
progresso
sia
industriale,
per
il
miglioramento
della
qualità
vita.
della
Ancora agli inizi degli
anni '60 questa fonte
era
largamente
prevalente per la produzione elettrica. Negli anni successivi
l'importanza
dell'energia
idroelettrica
è
progressivamente
diminuita: attualmente copre circa il 19% della domanda nazionale.
173
Capitolo 4
Ma comunque, la potenza disponibile è sensibilmente aumentata,
(20.837 MW nel 2002) grazie soprattutto alla realizzazione di
grandi impianti di pompaggio destinati a modulare la potenza
richiesta: attualmente un ulteriore aumento della produzione da
questa fonte è ipotizzabile, oltre che con l'incremento di efficienza
delle centrali esistenti, solo attraverso il ricorso a nuovi impianti di
mini e micro idraulica. La suddivisione tra "grandi" e "mini" impianti
avviene, convenzionalmente, in base alla potenza installata: in
genere si assume come valore di soglia la
potenza di 10 MW. Questa suddivisione si
riscontra anche nella diversa tipologia degli
impianti: mentre quelli di potenza maggiore
richiedono solitamente la realizzazione di
laghi artificiali dove immagazzinare l'acqua, un piccolo impianto
idroelettrico funziona come un vecchio mulino, ovviamente in
versione high-tech, e si integra perfettamente nell'ecosistema
naturale, utilizzando direttamente la corrente del corso d'acqua.
Gli impianti "mini idro", possono apportare un contributo, anche se
non risolutivo, certo non trascurabile alla copertura della domanda
elettrica nazionale. L'Enel, ad esempio, gestisce 250 centraline
idroelettriche per
una
potenza
complessiva
di
circa 1.400 MW.
L'intera
potenza
mini-idraulica
nazionale (Enel +
altri)
ammonta
invece
a
2.290
MW. Il ruolo della
174
Capitolo 4
mini -idraulica, peraltro, viene ulteriormente valorizzato anche per
l'attenzione che viene data oggi alla salvaguardia dell'ambiente.
Da questo punto di vista diventa un vantaggio fondamentale il fatto
che gli impianti idroelettrici di piccola taglia sono caratterizzati da
modalità costruttive e organizzative di scarso impatto sul territorio.
4.33 Il contributo dell'idroelettrico schema funzionale
L'energia idroelettrica è una risorsa energetica rinnovabile, ovvero
una fonte di energia che non si esaurisce con l'uso. E' basata sullo
sfruttamento dell'energia cinetica dell'acqua disponibile ad una
certa quota rispetto alla posizione degli impianti idroelettrici. La
potenza di un impianto dipende da due fattori principali:
•
La portata: passaggio di una massa d'acqua attraverso un
punto per un'unità di tempo;
•
Il salto: dislivello tra la quota dove è presente la risorsa idrica
svasata e dove questa viene restituita all'ambiente naturale
attraverso una turbina.
In base ad essa gli impianti si dividono in:
•
Micro - impianti: P < 100 kW
•
Mini - impianti: 100 kW < P < 1.000 kW
•
Piccoli - impianti: 1.000 kW < P < 10.000 kW
•
Grandi - impianti: P > 10.000 kW
Gli impianti possono essere:
•
Ad acqua fluente: impianti idroelettrici posizionati sul corso
del fiume;
•
A bacino: l'acqua è raccolta in un bacino montano grazie a
un'opera di sbarramento o diga;
175
Capitolo 4
•
Di accumulo a mezzo pompaggio: l'acqua viene portata ad
alta quota per mezzo di pompe.
Lo schema funzionale di una centrale idroelettrica comprende
l'opera di sbarramento, una diga o un bacino dove il livello
dell’acqua viene tenuto più o meno costante. attraverso opere di
adduzione, l'acqua viene convogliata nelle turbine attraverso delle
valvole di immissione
L'acqua mette in azione le turbine e dopo aver innescato il
meccanismo esce nel canale di scarico attraverso il quale viene
restituita al fiume..
L'energia elettrica cosi' ottenuta deve essere trasformata per poter
essere
trasmessa
a
grande distanza.
Pertanto
di
prima
essere
convogliata nelle
linee
di
trasmissione,
l'energia elettrica
passa attraverso
il
trasformatore
che abbassa l'intensita' della corrente prodotta dall'alternatore,
elevandone pero' la tensione a migliaia di Volts. Giunta sul luogo di
impiego, prima di essere utilizzata, l'energia passa di nuovo in un il
trasformatore che questa volta, alza l'intensita' di corrente ed
abbassa la tensione cosi' da renderla adatta agli usi domestici.
176
Capitolo 4
Fig:Schematizzazione di un impianto costituita da:diga a gravità,condotta,
trasformatore33e alternatore.34
Le centrali possono essere costruite ovunque sia possibile creare
degli sbarramenti su un corso d'acqua e inoltre necessitano di un
dislivello di almeno qualche decina di metri. Le aree montuose
recenti (Alpi, Himalaya, Montagne Rocciose, Ande) e alcune di
quelle antiche (Scandinavia, scudi canadese, brasiliano, africano,
siberiano) presentano caratteristiche favorevoli allo sfruttamento
del potenziale idrico
33
Il trasformatore è una macchina elettrica statica costruita per trasferire , sfruttando il fenomeno
dell’induzione elettromagnetica, energia elettrica a corrente alternata da un circuito a un altro
modificandone le caratteristiche. Schematicamente un trasformatore è costituito da due avvolgimenti,
ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolto attorno a un nucleo di ferro di
elevata permeabilità magnetica, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre
l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione
34
L’alternatore è un generatore di corrente elettrica. E’ costituito da due parti fondamentali, una fissa
e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame
isolati.
177
Capitolo 4
Fig :Opera di sbarramento di un corso d'acqua, che serve a formare un bacino o
serbatoio, dotata di opere di imbocco di gallerie o canali, di opere di sfioro dell'acqua in
eccesso e di opere di scarico
.
178
CAPITOLO V
Ricerca -Scenari futuri
L’energia che viene dal cielo Un progetto per molti versi più utopistico di altri sulle
svariate tecnologie energetiche
Premessa
Si chiama SPS 2000 ed è un satellite ideato in Giappone che
sfrutterà
l'energia
del
Sole
per
produrre
corrente
elettrica
direttamente "tra le stelle" e inviarla sulla Terra.
Una fonte di energia pulita e inesauribile, magari una centrale
elettrica orbitante che catturi i raggi del Sole con pannelli
fotovoltaici e li rinvii a terra sotto forma di microonde, ed ecco che
il
progetto
SPS
2000,
Solar
Power
Satellite
elaborato
dal
dipartimento di Ingegneria energetica dell'Università di Tokyo, è un
sistema che permetterà di sfruttare sulla Terra l'energia elettrica
trasmessa via” etere “, senza fili se così si può dire, proprio da un
enorme pannello solare in orbita nello spazio. In pratica si tratta di
un grande satellite in grado di produrre 10.000 chilowatt di potenza
elettrica. Ha la forma di un prisma, formato da triangoli equilateri
di 336 metri di lato, alto 303 metri e del peso complessivo di 240
tonnellate. Su due facce del prisma si estendono i pannelli solari,
mentre sulla restante superficie è installata l'antenna che trasmette
sulla Terra le microonde. Il tutto è tenuto insieme da una struttura
in tubi di alluminio che verrà assemblata da un robot direttamente
in orbita, il quale si dovrà occupare anche della manutenzione
dell'impianto. I vantaggi di un simile sistema sono notevoli.
L'energia solare che raggiunge la Terra in un solo giorno infatti, se
sfruttata al massimo, basterebbe alle esigenze mondiali per un
179
Capitolo 5
intero anno. E’ da considerare che l’energia solare sfruttabile
direttamente sulla superficie terrestre ricavata con la tecnologia
attuale, è ritenuta esigua rispetto a quella che si ricava dallo
spazio, da una distanza minima dal sole,: essa, infatti ammonta a
circa
un
chilowatt
l'inconveniente
di
per
metro
dipendere
quadrato,
dalle
e
inoltre
stagioni,
dai
comporta
capricci
meteorologici e dall'alternanza giorno-notte. I primi progetti per lo
sfruttamento su larga scala della radiazione del Sole ipotizzavano la
costruzione di grossi generatori di corrente elettrica a energia
solare nelle regioni desertiche della Terra, dove l'irraggiamento
solare è abbondante. Un massiccio sfruttamento di tale sistema
avrebbe costretto, però, a coprire con pannelli neri enormi superfici
del pianeta. E sarebbe comunque stato impossibile produrre
energia durante la notte. Dopo anni di studi, si riuscì a capire che
ricavare elettricità nello spazio, dove l'energia solare fluisce senza
sosta, è più vantaggioso. Già nel 1968, l'americano Peter Glaser
propose l'idea di un satellite generatore di corrente elettrica a
energia solare. Lo scienziato sosteneva che lanciando in orbita un
satellite, e facendo giungere sulla Terra attraverso microonde
l'energia elettrica ottenuta dai suoi pannelli solari, si sarebbe
ottenuta energia pulita e inesauribile. A questa altezza, infatti, la
densità d'energia dei raggi solari è pari a circa una volta e mezzo
quella sulla superficie terrestre in quanto non esiste lo schermo
costituito dall'atmosfera. Se si escludono i periodi in cui non si può
produrre energia a causa dell'ombra della Terra35, in orbita si è in
grado
di
generare
corrente
elettrica
senza
dipendere
né
dall'alternanza fra il giorno e la notte, né dalle condizioni
meteorologiche o dalle variazioni stagionali. Di conseguenza nello
Bisogna considerare l’ombra della Terra a seconda dell'orbita del satellite possono
durare al massimo 72 minuti al giorno e solo nei 45 giorni a cavallo degli equinozi di
primavera e autunno, per un tempo totale inferiore all'uno per cento annuo
35
Capitolo 5
spazio la fruibilità energetica del Sole è di circa 10 volte superiore a
quella che si ottiene sulla Terra. Il satellite ipotizzato da Glaser era
qualcosa di gigantesco, ogni pezzo sarebbe pesato circa 50.000
tonnellate e avrebbe avuto la capacità di generare 5 milioni di
chilowatt (per capire meglio, possiamo pensare a cinque centrali
nucleari di "taglia" media). Il programma, che prevedeva la messa
in orbita di due satelliti l'anno, per un totale di 60 nel giro di 30
anni, fu abbandonato nel 1980 perché antieconomico. Gli studi su
questo
sistema
hanno
ricominciato
a
fiorire,
soprattutto
in
Giappone, con lo scopo di sviluppare tecnologie in grado di ridare
respiro all'ambiente terrestre." Così è nato il progetto dell'enorme
satellite a forma di prisma. Per i pannelli generatori di energia,
sono state sperimentate celle solari composte di sottili fogli di silicio
amorfo leggeri ed elastici, producibili a bassi costi e resistenti alle
radiazioni cosmiche. L'insieme di queste "celle", detto "piattaforma
fotovoltaica",
produce
corrente
elettrica
continua
che
viene
trasformata in microonde e inviata a Terra da una antenna
trasmittente
posta
sul
satellite
stesso.
Nella
base
terrestre
l'antenna ricevente capta le microonde; queste vengono poi
trasformate in corrente continua e infine in corrente alternata, da
immettere nella rete di distribuzione. Per far sì che le microonde
vengano trasmesse dal satellite unicamente verso l'impianto di
ricezione, da questo si invia verso il satellite un segnale guida
attraverso una parabola che è posta al centro della base terrestre.
Con le tecnologie moderne, si riesce a trasformare in microonde
una corrente continua (operazione che avviene direttamente sul
satellite) si perde il 30 per cento circa di energia. L'antenna
ricevente installata sulla base di Terra di SPS 2000 trasforma in
energia elettrica circa il 70 per cento dell'energia delle microonde
inviate dal satellite. Dunque il 50 per cento circa dell'energia
prodotta dai pannelli solari è utilizzabile sulla Terra. A seconda
181
Capitolo 5
dell'altezza dell'orbita, il satellite SPS 2000 può passare sullo stesso
punto della Terra svariate volte al giorno, entrando quindi in
contatto con le varie basi terrestri per trasmettere l'energia.
In media, ognuna di queste
basi
potrà
ricevere
microonde ogni due ore circa
per 230 secondi alla volta, e
per
assorbire
microonde
tutte
sarà
le
necessaria
una antenna ricevente dal
diametro di due chilometri.
Accumulando
in
batterie
l'energia elettrica ottenuta, è
possibile ricavare in maniera
continuativa
250
chilowatt
all'ora (circa il consumo di
una famiglia per 15 giorni). Nell'arco di una giornata, quindi, si
possono soddisfare le esigenze di energia di circa 200 famiglie di
un Paese industrializzato; installando queste basi in Paesi in via di
sviluppo, si garantirebbe la fornitura di energia a un numero di
famiglie quasi dieci volte più alto. E non si deve considerare
neanche il pericolo dell'inquinamento elettromagnetico perché è del
tutto trscurabile. La frequenza delle microonde per trasmettere
l'energia è di 2,45 gigahertz.. Un progetto ancora più impegnativo
prevede la creazione di centrali lunari, l’energia proveniente dal
Sole
che
viene
irradiata
verso
la
Luna
potrebbe
costituire
un’interessante, nuova forma di energia alternativa da utilizzare
sulla Terra: è questo quanto comunicato da David Criswell36
propone di realizzare un sistema lunare di raccolta dell’energia
36 36
Direttore dell’Institute for Space Systems Operations all’Università di Houston.
182
Capitolo 5
solare (Lsp), usando i materiali che si trovano sul satellite per
costruire delle basi sulla Luna, in grado di raccogliere l'energia
solare
e
convertirla
in
microonde,
che
sarebbero irradiate a diverse migliaia di
strutture riceventi, posizionate sulla Terra.
Le microonde captate vengono convertite in
elettricità. Secondo il progetto proposto, la
costruzione di tali basi lunari 20-40 si effettuerà entro il 2050 e
consentirebbe di soddisfare il fabbisogno energetico di circa 20
terawatt di una popolazione futura, stimata intorno ai 10 miliardi di
individui.
183
Capitolo 5
5.1
Integrazione
di
nuove
tecnologie
negli
elementi
tradizionali del costruire: Le finestre elettrocromiche.
L’innovazione tecnologica assume un ruolo molto importante nella
cultura del nostro tempo, la libertà di affrontare nuovi problemi con
soluzioni originali ed uniche, a volte, porta a sinergie tra differenti
discipline.
Questa
“spinta
innovativa”,
porta
alla
necessità
imminente e viva di rigenerare ed arricchire l’ambiente costruito
nel quale viviamo. Gli elementi vetrati si sono evoluti, e si evolvono
tutt’oggi molto rapidamente definiti quasi “intelligenti” o di terza
generazione.
Questi elementi intelligenti dalle mutevoli e regolabili proprietà,
ideati presso la Lawrence Berkeley National Laboratori (LBNL) che
crea sistemi e tecnologie per riunire nello stesso elemento vetrato
le pellicole con funzioni elettrocromiche e quelle con funzioni di
celle fotovoltaiche, sposando le due tecnologie che più rispondono
alle moderne esigenze di contenimento delle spese energetiche e
rispetto dell’ambiente. L’involucro esterno svolge un ruolo molto
importante e fondamentale dal punto di vista estetico, la sua
superficie è definita come il confine con il mondo esterno, ed è in
perenne
comunicazione
con
esso,
attraverso
la
fusione
tra
funzionalità ed arte. L’involucro edilizio deve avere la capacità di
riunire in se due caratteristiche principali, di permeabilità alla
radiazione solare e di isolamento
dallo spazio esterno, tali
caratteristiche sono fondamentali sia dal punto di vista energetico
che dal punto di vista del comfort.
I materiali cromogenici sono in grado di cambiare le proprie
caratteristiche ottiche, all’aumentare dei livelli di luce incidente, in
particolare la trasmittanza in funzione di un parametro di controllo
che può variare dall’80% al 5-10%.
Tali materiali cambiano le loro caratteristiche di trasmissione ottica
al variare della radiazione solare incidente (fotocromatici ); della
184
Capitolo 5
temperatura
(termocromici);
o
all’applicazione
di
un
campo
elettrico (elettrocromici). Ciò si manifesta grazie alla commutazione
reversibile;
da
uno
stato
trasparente
ad
uno
parzialmente
riflettente o assorbente. Questo meccanismo può avere due tipi di
applicazione: elettrica non elettrica, autonoma o manuale.
I materiali attivati elettricamente sono:
- elettrocromici;
- a cristalli liquidi;
- a particelle disperse (elettroforetici);
- a deposizione reversibile.
non elettrici sono:
-
fotocromici;
-
termocromici(autoregolanti).
I materiali elettrocromici cambiano le loro proprietà ottiche in
maniera del tutto reversibile per mezzo delle azioni di un campo
elettrico. I maggiori vantaggi sono: consumo energetico limitato
alla sola fase di commutazione, richiedono un basso voltaggio
l’attivazione nell’ordine dei 1,5 volt; possono schiarirsi o scurarsi in
pochi istanti e possono assumere e mantenere
qualunque
gradazione intermedia tra i due esterni, sono speculari in tutte le
condizioni, hanno il potenziale per un ampia produzione.
I
materiali
elettrocromici
possono
essere
impiegati
per
la
realizzazione di finestre intelligenti per regolare il flusso di luce e di
calore degli edifici in entrata e in uscita per il conseguimento di un
notevole risparmio energetico. Le vetrate così composte possono
essere spettralmente regolate, per esempio, per assorbire solo le
radiazioni
solari
all’infrarosso.
Le
vetrate
elettrocromiche
potrebbero sostituire sistemi tradizionali di controllo solare come
schermature o pellicole riflettenti.
Per il controllo del surriscaldamento estivo, nel caso in cui non si
possa
disporre
di
elementi
schermati
esterni,
i
materiali
185
Capitolo 5
cromogenici presentano un particolare interesse. Questi materiali
applicati tra due lastre di vetro, hanno la capacità di controllare la
radiazione solare entrante all’interno di un edificio.
La trasmittanza ottica nel campo del visibile di tali materiali. Lo
sviluppo futuro dove punta la sperimentazione e la ricerca è la
possibilità di combinare la tecnologia elettrocromoca con quella
fotofoltaica. Una finestra auto-alimentata è ideale per gli interventi
di recupero proprio grazie all’indipendenza della presenza o meno
di
reti
di
alimentazione
elettrica.
Le
unità
Photovoltaico-
elettrocromico usano una sottile pellicola fotovoltaica sullo strato di
batteria ionica. Lo strato fotovoltaico genera un voltaggio che fa
scurire lo strato elettrocromico.
Con uno strato intermedio, il voltaggio generato dallo strato
fotovoltaico può essere anche usato per alimentare una batteria
esterna. La batteria a sua volta può essere anche usata per
schiarire lo strato elettrocromico.
Usando un elettrodo sensibilizzato si rilasciano elettroni, creando
così il voltaggio necessario per spingere gli ioni di litio nello strato
elettrocromico colorandolo.
L’aspetto fondamentale di queste applicazioni è l’uso di uno strato
di
diossido
di
concentrazione
titanio
di
impregnato
tintura
è
di
utilizzata
tintura.
per
Una
bassa
massimizzare
la
trasparenza della finestra.
Tra il diossido di titanio e lo strato elettrocromico vi è o una
soluzione di ioduro di litio o un polimero solido contenente ioduro di
litio.
Il tutto è inserito tra due strati trasparenti di ossidi metallici
conduttori. Quando la luce colpisce l’unità, la tintura assorbe parte
della luce e rilascia elettroni, che sono iniettati nel diossido di
titanio. Gli elementi sono poi condotti allo strato adiacente di ossidi
metallici, e passano per un circuito esterno allo strato conduttore
186
Capitolo 5
adiacente la pellicola elettrocromica sull’altra faccia dell’unità.
Questo flusso di elettroni a sua volta, provoca la migrazione di ioni
di ioduro che nello strato elettrocromico ne causano lo scuramento.
Quando la luce solare non colpisce più la superficie, la carica
accumulata nello strato elettrocromico spinge il processo al
contrario espellendo ioni di litio dallo strato e causandone lo
schiarimento. Così senza controlli esterni, la finestra si scurisce al
sole e si schiarisce in sua assenza.
Il circuito esterno può anche essere usato come meccanismo di
controllo, la disconnessione del circuito fa si che la finestra
permanga nello stato nel quale si trova indipendentemente dalla
presenza o meno del sole. Inoltre un voltaggio esterno può essere
applicativo per schiarire o scurire la finestra.
5.2 Innovazioni della tecnologia fotovoltaica
Tra le linee strategiche di ricerca intraprese a livello internazionale
nel settore fotovoltaico al fine di accelerare il processo di riduzione
dei
costi
di
questa
tecnologia,
si
sta
lavorando,
oltre
che
sull’aumento dell’efficienza delle diverse tipologie di celle, anche sul
fotovoltaico a concentrazione, considerato come un’interessante
opzione per ridurre in maniera significativa l’incidenza della parte
fotovoltaica,
che
verrebbe
sostituita
con
materiali
semi-
convenzionali meno costosi.
Nel fotovoltaico a concentrazione, la radiazione solare non incide
direttamente sulle celle, ma viene concentrata da opportune lenti o
altri dispositivi ottici: in pratica, è come se le celle fossero investite
non dalla radiazione proveniente da un unico sole ma da più soli
con una conseguente riduzione dell’area di moduli fotovoltaici da
utilizzare.
187
Capitolo 5
La progettazione di un sistema fotovoltaico a concentrazione si
presenta un po’ più complessa rispetto a quella di un impianto
fotovoltaico piano. Tra i principali: la struttura di cella si presenta
più sofisticata per poter ottenere alti valori di efficienza in presenza
di una maggiore radiazione solare incidente, il modulo che ospita le
celle presenta una maggiore complessità, dovuta alla numerosità
dei componenti da assemblare e a problemi di tenuta e di
smaltimento del calore e, infine, è necessario utilizzare un sistema
di supporto dei moduli capace di “inseguire” il sole durante la
giornata, in modo da massimizzare la radiazione incidente.
Il ritorno totale dell'investimento si aggira attorno ai 50 anni, visti i
costi odierni. In Spagna e Germania è di 15-20 anni, visto che i due
stati hanno scelto delle tariffe di acquisto piuttosto convenienti per
chi produce con le energie rinnovabili. La vita media dell'impianto,
viene valutata in circa 25 anni, dal cosiddetto "Energy Pay-Back
Time EPBT", cioè dal tempo necessario perchè l'impianto produca
l'energia spesa per la sua costruzione, valutato oggi in circa 5 anni.
Note queste grandezze, l'energia netta prodotta dall'impianto può
essere calcolata moltiplicando la produzione annua di energia per la
"vita efficace" dell'impianto e cioè 25 - 5 = 20 anni.
Nel caso in esame risulta, pertanto, che un impianto da 1 kW
produce, nell'arco della propria vita efficace 1.500 x 20 = 30.000
kWh. Dato che per produrre1 kW elettrico occorre bruciare circa
0,25 kg di combustibile fossile, il risparmio complessivo risulta di:
30.000 x 0,25 = 7.500 kg di combustibile
Il carattere "nazionale" della fonte e il suo ridottissimo impatto
ambientale appaiono come elementi secondari rispetto al problema
centrale del costo. Sotto questo aspetto, il fotovoltaico appare
addirittura penalizzato rispetto alle fonti convenzionali: infatti, in
assenza di adatti incentivi pubblici capaci di monetizzare a
vantaggio dell'utente i vantaggi sociali offerti dalla tecnologia, il
188
Capitolo 5
fotovoltaico si trova a dover competere con tecnologie, come quelle
del carbone, del petrolio o del nucleare, le quali, pur essendo assai
più onerose in termini di costi sociali, non addebitano tali costi
all'utente, ma, tacitamente il costo viene scaricato sulla collettività.
il costo dell'energia viene diviso in due parti: un costo fisso, dovuto
all'investimento iniziale necessario per la costruzione dell'impianto,
ed un costo variabile, dovuto alle spese per il funzionamento e la
manutenzione dell'impianto. I costi variabili includono di solito le
spese per il personale, il combustibile e le parti di ricambio; nel
caso del fotovoltaico, naturalmente, la voce combustibile è assente.
In formule si può scrivere:
costokWh=(AxI+E)/N
A= Fattore di attualizzazione dell'investimento
I= Costo d’investimento;
E=costo di esercizio e manutenzione;
N=Numero di kWh prodotti dall’in un anno.
Il fattore A dipende dalla durata dell'impianto di solito stimata in 25
anni e dal tasso di interesse reale
cioè depurato del tasso di
inflazione pari al 5%.
Foto: Costruzioni speciali in Hamburgo
189
Capitolo 5
Foto: Struttura speciale che insegue il sole
190
Capitolo 5
5.3 Torre Solare in Australia
Energia pulita tutto il giorno. Ecco il punto di forza di questo nuovo
tipo di centrale su cui far leva per dimostrare la sua competitività
sul mercato energetico. L'elevata capacità di generazione di torri
solari, sarà la risposta alla sempre maggior richiesta di energia, e
alla necessità di rispettare il pianeta per la sua salvaguardia. I
meccanismi flessibili del Protocollo di Kyoto stanno aprendo un
nuovo mercato, quello dei carbon credit. Durante l'estate 2002 la
banca mondiale ha annunciato che 17 multinazionali avevano
creato un fondo comune destinato a "riscattare" le loro emissioni di
anidride carbonica producendo energie pulite. Un'opera maestosa.
nel deserto australiano, un generatore di energia pulita dotato di
pannelli solari che dovrà produrre 200 MW, ecco che cosa è la“torre
solare" o meglio il camino più alto del mondo, praticamente un
chilometro di altezza, rivestito esternamente di pannelli solari, per
una superficie di 5 chilometri quadrati, che genererà 200 MW di
energia senza inquinare l'ambiente, 380 milioni di euro, sarà il
costo dell'impresa approvata dal governo federale australiano, e
ideata dal ricercatore tedesco dell'università di Stoccarda, Jorg
Schlaich. Nel 2005 la centrale dovrebbe iniziare la sua attività
ventiquattro ore al giorno d'energia è questa l’ipotesi di base, il
principio del suo funzionamento consiste che i pannelli solari
scalderanno l'aria presente alla base della torre che tenderà a salire
verso l'alto formando una corrente ascensionale, questa verrà
coinvogliata in un enorme camino del diametro di 130 metri. La
corrente sarà tanto più forte quanto maggiore sarà la differenza di
temperatura tra la base e la cima della torre. Considerato che la
temperatura atmosferica si riduce di un grado ogni cento metri di
altezza, nel tubo di cemento l'aria soffierà ad una velocità variabile
dai 35 ai 50 chilometri l'ora, facendo muovere 32 turbine poste alla
191
Capitolo 5
base di capacità di 6,5 MW ciascuna. La caratteristica principale di
questo particolare impianto, che la distingue da tutte le altre
tecniche che si avvalgono dell'energia solare, è che produrrà
elettricità giorno e notte. La centrale sarà più efficiente durante i
giorni molto caldi, in cui di solito si consuma più energia (a causa
del maggior l'utilizzo di condizionatori), perché la temperatura
esterna aumenta la velocità dell'aria riscaldata dai pannelli solari.
Di notte, inoltre, i bacini d'acqua sotterranei conserveranno il
calore
senza
interrompere
il
movimento
ascensionale
della
corrente.
Il deserto australiano, un luogo soleggiato, è stato scelto proprio
per accogliere la nuova struttura. La centrale dovrebbe sorgere nei
pressi di Buronga, nella regione di New South Wales a 25
chilometri da Vittoria, e a 625 chilometri a sud-est di Sydney. La
zona arida e pianeggiante è il sito ideale, in quanto i raggi del sole
cadono a picco ogni anno. Il progetto per produrre energia "verde"
ha incontrato subito l'approvazione del governo di Camberra.
L'Australia è uno dei maggiori "inquinatori", attualmente emette
nell'aria circa 27 tonnellate di gas serra per abitante, e per
rientrare nei parametri del protocollo di Kyoto, ha tutto l'interesse
a cambiare politica energetica.
Per questo motivo se il progetto di Buronga incontrerà il successo
previsto, i suoi promotori prevedono di costruire in Australia
quattro altre centrali di questo genere, entro il 2010 ma si pensa
anche di esportare il modello dal nuovissimo continente nel Nord
America,
interessando
Stati
Uniti,
Canada
e
Messico.
La tecnologia applicata alla torre solare australiana, ha già avuto
dei precedenti, nel 1982, l'azienda tedesca Schlaich Bergermann e
Partener con sede a Stuttgart, sperimentò il funzionamento di
questa tecnologia in Spagna. Fu realizzato un progetto pilota a
Manzanares, in provincia di Madrid, che produceva 50kW. Questa
192
Capitolo 5
prima torre solare, che ha cessato la sua attività dopo sette anni,
aveva dimensioni molto minori, il camino era alto 195 metri e la
superficie coperta dai pannelli era di 6000 metri quadri.
La
EnviroMission, nata nell'agosto del 2001 a Melbourne, possiede
l'esclusiva sulla nuova tecnologia, ed ha anche rilevato i diritti per
sviluppare questa in Cina, India, Sri Lanka, Pakistan, Canada e
Egitto.
Per
ricaricare
una
batteria
bisogna
metterla
in
un
alimentatore, collegare la spina a una presa elettrica, e aspettare
qualche ora.
193
Capitolo 5
5.4 Batterie Batteriche
Sembrerà strano una scoperta così particolare, ma nello stessa
tempo geniale ed efficiente. Creare una batteria che sia alimentata
da Batteri…. Il sogno di Derek Lovley37 “è inserire la spina nella
sabbia in fondo a un acquario, aspettare qualche ora, e avere la
pila carica e l'acqua della vasca perfettamente pulita”. Lovley non è
un visionario, tutto ciò è possibile, e con alcuni colleghi del
Dipartimento di microbiologia dell'Università del Massachusetts, ad
Amherst, ha dimostrato che con l'aiuto di un tipo di batteri che
vivono sui fondali marini è possibile ottenere energia elettrica
pulita, depurando al tempo stesso l'ambiente circostante. I batteri
studiati da Lovley vivono in ambienti fortemente anaerobici e, per
alimentare la loro crescita, ossidano materiali organici. La reazione
distrugge le molecole organiche e produce elettroni liberi. Un primo
passo verso un possibile sfruttamento di questi microrganismi è già
stato fatto. Lovley e colleghi hanno simulato in laboratorio
l'ecosistema marino, utilizzando grandi vasche in cui hanno ricreato
l'ambiente naturale in cui vivono i microrganismi. Hanno poi
inserito un elettrodo (l'anodo) al fondo della vasca, nel sedimento
arricchito di batteri, e l'hanno collegato a un secondo elettrodo (il
catodo), posizionato nell'acqua sovrastante. Nel circuito così
formato è stata registrata una corrente elettrica. E che i batteri
siano necessari affinché si compia il piccolo miracolo è dimostrato
dal fatto che se il terreno viene sterilizzato nel circuito non passa
più corrente. Le analisi microbiologiche dei sedimenti hanno
mostrato che responsabili della produzione di energia elettrica sono
batteri di specie diverse, ma tutti appartenenti alla famiglia dei
goebatteri,
piuttosto
comuni
nei
sedimenti
organici.
"Grazie
all'abbondanza dei sedimenti organici pensiamo di aver trovato una
37
Noto scienziato Americano
194
Capitolo 5
fonte inesauribile di energia" sostiene Lovley. Inoltre, le sostanze
organiche usate come substrato dai batteri possono essere anche
idrocarburi policiclici aromatici, presenti nelle acque contaminate da
residui di petrolio. In particolare, una delle specie più abbondanti
nei sedimenti di Lovley è Desulforomonas acetoxidans, che degrada
toluene. La produzione di energia elettrica potrebbe quindi essere
associata alla depurazione delle acque inquinate.
.
195
CAPITOLO VI
FONTI LEGISLATIVE - FINANZIAMENTI
•
legislazione e finanziamenti
Con la riforma del sistema elettrico anche il meccanismo della
promozione
dell'utilizzo
delle
fonti
rinnovabili
è
stato
profondamente modificato, con l'introduzione dell'obbligo per i
produttori e gli importatori di energia elettrica di immettere nella
rete di trasmissione energia "verde", cioè prodotta da Impianti
alimentati da fonti rinnovabili (Iafr). La normativa attuale ha
assegnato al GRTN il compito di qualificare tali impianti di
produzione, una volta accertato il possesso dei requisiti previsti. La
qualificazione degli impianti alimentati da fonti rinnovabili è
necessaria per poter riconoscere successivamente al produttore, a
determinate condizioni, una quota di Certificati Verdi proporzionale
all’energia prodotta (ogni Certificato Verde corrisponde a 100
MWh). Il sistema di incentivazione della produzione di energia
verde, introdotto dall’art.11 del decreto 79/99, prevede il superamento del
vecchio criterio di incentivazione tariffaria noto come Cip6, per
passare ad un meccanismo di mercato competitivo basato sui
Certificati Verdi,
titoli
emessi
dal
GRTN
produzione di energia da fonti rinnovabili.
che
attestano
la
Ogni Certificato Verde
certifica la produzione di 100 MWh. Attualmente quindi possiamo
schematizzare l'incentivazione delle fonti di energia rinnovabili
secondo tre meccanismi fondamentali:
•
Certificati verdi, rilasciati per produzioni superiori ai 100
MWh/anno;
196
Capitolo 6
Contributi
•
comunitari,
nazionali
e
regionali,
emessi
prevalentemente a favore di applicazioni innovative e con varie
modalità
RECS e marchi di qualità, ossia certificazioni volontarie che
•
nel nostro paese sono in fase di avvio
I certificati verdi e la qualifica IAFR
Il
Decreto
Bersani
ha
imposto
l'obbligo
agli
operatori
che
immettono in rete più di 100GWh/anno che almeno il 2%
dell'elettricità provenga da impianti da fonti rinnovabili.
Ad ognuno di questi ultimi viene associato un certificato verde
(CV) ogni 100MWh/anno prodotti. I certificati creati in questo modo
hanno validità annuale, rinnovabile per otto anni ai fini dei
riconoscimenti previsti dal Decreto Bersani, e possono essere
197
Capitolo 6
contrattati direttamente fra i proprietari degli impianti stessi e gli
operatori interessati, oppure servendosi dell'apposito mercato
creato dal Gestore del Mercato Elettrico (GME).Lo schema di
funzionamento
è
quello
riportato
nella
figura
sottostante:
i
produttori ricevono il provento derivante dalla vendita del CV in
aggiunta
al prezzo
di
vendita
dell'energia
generata
(o
alla
valorizzazione dell'auto consumo della stessa).
I certificati RECS
Oltre al meccanismo dei certificati verdi, legato all'obbligo
introdotto dal decreto Bersani, nel 2003 è stato avviato il sistema
RECS (Renewable Energy Certificate System), che si differenzia dal
primo per i seguenti aspetti:
•
la partecipazione è volontaria e la possibile remunerazione
della vendita del certificato è dunque collegata a principi di green
pricing e di sensibilità ambientale delle aziende;
•
ogni certificato fa riferimento ad una produzione annua di 1
MWh, includendo così anche le applicazioni di piccola taglia;
•
il mercato è allargato a 18 paesi attualmente e potrà essere
ulteriormente esteso in futuro.
Prima che fossero emanati questi certificati, la normativa sullo
sfruttamento delle fonti di energia rinnovabile e alla cogenerazione
energia faceva riferimento al Piano Energetico Nazionale (PEN) del
1988 e le successive leggi attuative 9 gennaio 1991, n°9 e 10 e il
Provvedimento CIP 6/92.
Gli obiettivi previsti furono perseguiti attraverso l’emanazione delle
leggi 9 gennaio 1991 n°9 e 10 che hanno definito le norme
attuative del PEN:
198
Capitolo 6
-
Legge
9/91
Energetico
Norme
di
Nazionale:
attuazione
aspetti
per
il
nuovo
istituzionali,
Piano
centrali
idroelettriche ed elettrodotti,idrocarburi e geotermia, autoproduzione e disposizioni-fiscali
-
Legge
10/91:norme
di
attuazione
per
il
nuovo
Piano
Energetico Nazionale in materia di uso razionale dell’energia,
di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di
energia.
La storia legislativa delle fonti rinnovabili è relativamente breve. La
legge n. 1643/62, che ha istituito l'ENEL, già prevedeva la
possibilità
per
alcuni
autoproduttori
di
energia
elettrica
di
continuare l'autoproduzione per le esigenze dei loro processi
produttivi. Successivamente, con la legge n. 308/82, si è andato
incontro all'esigenza di favorire gli utenti che sceglievano di
affiancare l'autoproduzione alla fornitura di energia da parte
dell'ENEL, liberalizzando gli impianti di energie rinnovabili fino a 3
kW di potenza. Le leggi n. 9 e 10 del 1991 consentono agli
investitori privati di produrre energia da fonti rinnovabili e di
immetterla nella rete elettrica nazionale: l'ENEL deve acquistare
questa
energia
ad
un
prezzo
fisso
imposto
dal
Comitato
Interministeriale Prezzi (CIP). Le disposizioni più interessanti sono:
contributi in conto capitale, fino all'80% della spesa, a sostegno
dell'installazione di impianti fotovoltaici per produzione di energia
elettrica nelle abitazioni adibite ad uso civile e ad uso industriale,
artigianale, commerciale, turistico, sportivo ed agricolo (art. 8);
contributi in conto capitale fino al 30% per interventi che
prevedano l'utilizzo di fonti rinnovabili (compreso il fotovoltaico) nei
settori industriale, artigianale e terziario, per potenze fino a (art.
10) oppure maggiori (art. 11) a 10 MWt oppure 3 MWe; contributi
in conto capitale fino al 55% della spesa (elevabile al 65% per le
199
Capitolo 6
cooperative) per produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili
(compreso il fotovoltaico) nel settore agricolo (art. 13).
La legge n. 9/91 regola invece i rapporti fra le aziende e l'ENEL:
quelle dovranno vendere tutte le eccedenze all'ENEL, e l'ENEL
fornirà alle aziende servizi concordabili con apposite convenzioni
All'art. 22 si precisa che gli impianti fino a 20 kW che funzionano in
servizio
separato
rispetto
alla
rete
pubblica
sono
esclusi
dall'imposta di fabbricazione e dalla categoria di officina elettrica.
Il provvedimento CIP 6/92 fissa il prezzo che l'ENEL dovrà pagare
al produttore per il kWh: per il 1995, è un prezzo vicino ai valori
che gli utenti finali pagano alla stessa ENEL per l'energia elettrica
consumata.
LEGISLAZIONE
ITALIANA
DI
RIFERIMENTO
RELATIVA
AL
RISPARMIO ENERGETICO IN EDILIZIA
Legge 9 gennaio 1991, n. 9 (in suppl. ordinario alla Gazz. Uff. n.
13, del 16 gennaio, 1991)
Norme
per
l'attuazione
del
nuovo
Piano
Energetico:
aspetti
istituzionali, centrali idroelettriche ed elettrodotti; idrocarburi e
geotermia, autoproduzione e disposizioni finali.
Legge 9 gennaio 1991, n. 10 (in suppl. ordinario della Gazz. Uff. n.
13, del 16 gennaio 1991)
Norme per l'attuazione del Piano Energetico e di sviluppo delle fonti
rinnovabili di energia. DPR 26 agosto 1993, n. 412 Regolamento
recante norme per la progettazione; l'installazione, l'esercizio e la
manutenzione
degli
impianti
termici
degli
edifici
ai
fini
del
contenimento del consumo di energia, in attuazione dell'art. 4,
comma 4, della legge 9/1/91, n. 10.
DM 13/12/1993 Approvazione dei modelli-tipo per la compilazione
della relazione tecnica di cui all'art. 28
200
Capitolo 6
della legge 9/1/91 n. 10, attestante la rispondenza alle prescrizioni
in materia di contenimento del consumo energetico degli edifici
(nella Gazz. Uff. n. 297 del 20/12/1993). Circolare 231/F del
13/12/1993 Indicazioni interpretative e di chiarimento dell'art. 28
della legge 10/91 - Relazione tecnica sul rispetto delle prescrizioni
in materia di contenimento del consumo di energia negli edifici
(nella Gazz. Uff. n. 90 del 19/4/1994). Circolare 233/F del
12/4/1994 Indicazioni interpretative e di chiarimento dell'art. 11
del decreto del Presidente della Repubblica 2618193, n. 412,
recante norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la
manutenzione degli impianti termici degli edifici. DM 6/8/94
Modificazioni ed integrazioni della tabella relativa alle zone di
appartenenza dei comuni italiani allegata al decreto del Presidente
della Repubblica 26/8/93 n. 412, concernente il contenimento dei
consumi di energia degli impianti termici degli edifici.
Normativa di riferimento:
•
Decreto
Legislativo
2001/77/CE
relativa
29/12/2003:
alla
Attuazione
promozione
della
direttiva
dell'energia
elettrica
prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno
dell'elettricità.
•
Decreto MICA/MinAmb 18/03/2002: Modifiche e integrazioni al
decreto
del
Ministro
dell'industria,
del
commercio
e
dell'artigianato, di concerto con il Ministro dell'ambiente, 11
novembre 1999, concernente "direttive per l'attuazione delle
norme in materia di energia elettrica da fonti rinnovabili di cui ai
commi 1, 2 e 3 dell'art. 11 del decreto legislativo 16 marzo 1999,
n. 79".
•
Decreto MICA/MinAmb 11/11/1999: Direttive per l'attuazione
delle norme in materia di energia elettrica da fonti rinnovabili di
201
Capitolo 6
cui ai commi 1, 2 e 3 dell'articolo 11 del decreto legislativo 16
marzo 1999, n. 79.
•
Decreto Legislativo 16/3/1999 n. 79: Attuazione della direttiva
96/92/CE
recante
norme
comuni
per
il
mercato
interno
dell'energia elettrica.
Il progresso tecnologico, degli strumenti economico-normativi scelti
per incentivarne lo sviluppo, riguarda la scelta relativa agli
strumenti di incentivazione che influenzano in modo determinante
la redditività e il grado di rischio degli investimenti: questi
determinano la velocità del progresso tecnologico nel settore e le
dimensioni del mercato.
Mettendo a paragone la scelta di un impianto alternativo ed un
tradizionale, ci rendiamo conto che la convenienza c'è se la vita
dell'impianto alternativo è più lunga del pay-back time (tempo di
ritorno dell'investimento), cioè del tempo occorrente perché si
incontrino le due curve dei costi, il che avviene sempre dato che, a
fronte di un alto prezzo di installazione, l'impianto alternativo ha
costi di gestione molto bassi.
I due tipi di impianti hanno infatti costi di installazione e costi di
gestione differenti:
l'impianto alternativo ha quasi tutte le componenti del tradizionale,
con in più gli elementi di raccolta, controllo e conservazione
dell'energia solare, elementi che ne fanno lievitare i costi di
installazione
anche
di
un
fattore
10;
a
fronte
di
questo
investimento, la fornitura di energia è gratuita, ed i costi di
gestione sono limitati a poca manutenzione ed ai costi finanziari,
differenti a seconda se derivano da un impegno di cassa o da un
prestito. La curva tempo-costi totali tende comunque ad appiattirsi
con il passare degli anni, finché lo sviluppo tecnologico, l'usura o
eventi accidentali non suggeriscono la sostituzione integrale o
parziale dei componenti dell'impianto.
202
Capitolo 6
Questo quadro di certezza, che poteva essere costruito anche per
gli impianti tradizionali, non è più proponibile nella prospettiva di
un aumento imprevedibile dei prezzi dei combustibili fossili: se
infatti ci sono pochi margini di incertezza sui costi di installazione
(irrisori), i costi di gestione sfuggono a qualsiasi tentativo di
previsione. L'estrapolazione del prezzo di mercato di un qualunque
articolo sulla base del suo andamento passato è pretenziosa ma
spesso sorprendentemente precisa: non può essere così, ed è già
stato verificato, per i combustibili fossili, la cui domanda è sempre
più legata al clima e alle stagioni, da quando le utenze domestiche
hanno sorpassato i consumi delle utenze industriali (almeno in
Europa12), e la cui offerta è soggetta alle crisi geopolitiche ed
all'esaurirsi dei giacimenti.
Ecco quindi che qualunque andamento ipotizzato per la curva
tempo-costi
totali
degli
impianti
tradizionali,
tenendo
inoltre
presente che la voce manutenzione non è trascurabile, rischia di
essere approssimato per difetto; di conseguenza, ogni pay back
time è soggetto a stime pessimistiche, è può essere più breve di
quanto si possa attualmente sospettare.
La struttura dei costi delle fonti rinnovabili nel tempo è fortemente
correlata all’intensità, alla velocità e alla diffusione dell’ evoluzione
tecnologica. Ma il progresso di quest’ultima, a sua volta dipende
dalla priorità strategica che di è scelto di attribuire, in termini
sequenziali, alla quantità di energia prodotta da FER rispetto al suo
costo.
6.4 Le iniziative e i provvedimenti presi negli ultimi anni, sia
a livello nazionale che internazionale.
Esse mirano a incentivare lo sviluppo e la diffusione delle fonti
rinnovabili:
203
Capitolo 6
• Il Libro Bianco “Una Politica Energetica per l’Unione Europea”
(gennaio 1996), che identifica come obiettivi chiave del settore
energetico la competitività, la sicurezza dell’approvvigionamento e
la protezione dell’ambiente, e che indica come un importante
fattore per conseguiretali scopi la promozione delle fonti rinnovabili
di energia.
• La delibera CIPE3 (3 dicembre 1997), con cui l’Italia ha ratificato
gli impegni di Kyoto assegnando un significativo ruolo alle fonti
rinnovabili per ridurre le emissioni di gas serra, e impegnandosi a
raddoppiare, entro il 2010, il contributo delle fonti rinnovabili di
energia per il soddisfacimento dei fabbisogni energetici nazionali.I
costi possono essere abbattuti anche usufruendo degli incentivi
pubblici concessi per l'istallazione dei pannelli fotovoltaici dalle
Regioni o dallo Stato. In alcuni casi si può ottenere un contributo
pari al 75% della spesa complessiva. Purtroppo i fondi pubblici si
sono dimostrati inadeguati a coprire l'intera domanda e molti bandi
di concorso regionali sono scaduti. Il futuro è nella politica delle
tariffe incentivate. Dal nostro punto di vista riteniamo preferibile
un
intervento
pubblico
sulle
tariffe
di
acquisto
agevolate
dell'energia prodotta dai pannelli solari FV (conto energia) piuttosto
che una politica dei contributi basata su fondi pubblici limitati e
accessibili a pochi. Le tariffe agevolate sarebbero applicabili a tutti
gli acquirenti dei pannelli e consentirebbero al mercato del
fotovoltaico di crescere rapidamente. I pannelli solari continuano
a suscitare un interesse sempre più diffuso tra i cittadini e imprese
Per facilitare questo decollo e l'ampliamento delle utenze le Regioni
e lo Stato hanno predisposto bandi di gara appositi per sostenere
l'acquisto dei pannelli solari tramite la concessione di finanziamenti
o contributi a fondo perduto. Per accedere ai contributi è sufficiente
verificare l'esistenza di un bando di gara regionale ed inviare la
documentazione richiesta. In assenza di bandi nella vostra regione
204
Capitolo 6
informatevi presso gli uffici regionali su eventuali modalità di
sostegno all'acquisto dei pannelli solari. Dove sono concessi i
contributi regionali. Per comodità riprendiamo da EcoRete.it una
lista dei finanziamenti o dei contributi a fondo perduto per
l'installazione dei pannelli solari concessi a livello regionale (lista
aggiornata a gennaio 2005).
Regione
Iniziative a sostegno dei pannelli
solari
Abruzzo
bando scaduto
Basilicata
bando scaduto
Calabria
non sono presenti bandi di
finanziamento
Campania
non sono presenti bandi di
finanziamento
Emilia Romagna
bando scaduto
Friuli Venezia Giulia
bando scaduto
Lazio
non sono presenti bandi di
finanziamento
Liguria
bando scaduto
Lombardia
bando scaduto per il fotovoltaico e
bando in corso per il solare termico
Marche
bando scaduto
Molise
bando scaduto
Piemonte
bando scaduto
Puglia
bando scaduto
Sardegna
non sono presenti bandi di
finanziamento
Sicilia
non sono presenti bandi di
finanziamento
Toscana
non sono presenti bandi di
finanziamento
Trentino - Bolzano
non sono presenti bandi di
finanziamento
Trentino - Trento
bando in corso
205
Capitolo 6
Umbria
non sono presenti bandi di
finanziamento
Valle d'Aosta
non sono presenti bandi di
finanziamento
Veneto
bando in corso
L’Agenda 21 locale
Nel
giugno
del
1992,
la
Conferenza
delle
Nazioni
Unite
sull’Ambiente e sullo Sviluppo (UNCED, United Nations Conference
on Environment and Develompent), riunita a Rio de Janeiro, ha
ufficializzato tale concezione a livello internazionale, sottoscrivendo
un ampio documento definito come Agenda 21 Locale (agenda di
azione per il 21° secolo). L’agenda 21 locale è un documento di
natura programmatica orientato allo sviluppo sostenibile attraverso
metodi e strumenti interdisciplinari, partecipativi, informativi e
responsabilizzanti. Essa propone quindi di integrare la variabile
ambientale in tutte le strutture di governo, in modo da passare da
un agire pubblico imperniato sul comando e controllo, ad azioni di
governo che attivino il coinvolgimento e la responsabilità degli
attori economici e sociali. Per questo, mira a coinvolgere nei diversi
processi decisionali il maggior numero di soggetti, a partire dalle
Organizzazioni non governative e dalle autorità locali per arrivare ai
singoli cittadini, al fine di portare avanti insieme, ciascuno con la
propria competenza, una comune strategia verso un futuro
“sostenibile”.
Operativamente,
l’Agenda
21
locale
si
basa
sull’attivazione e la gestione di una “Procedura di Programmazione
Partecipata”: essa vuole essere un percorso “consapevole” di
miglioramento della qualità dell’ambiente e dello sviluppo, dove
azioni promosse direttamente e attivate dall’autorità locale, si
affiancano ad azioni e programmi avviati su base volontaria di
206
Capitolo 6
attori sociali ed economici, secondo principi di cooperazione e di
integrazione. Le Regioni italiane mediamente più sensibili allo
sviluppo delle fonti rinnovabili, sono quelle che godono delle
condizioni climatiche meno favorevoli e questo, già di per sé,
dimostra quanto le barriere sociali da abbattere siano forti. Questa
situazione pone l’Italia in una condizione molto differente rispetto
ad altri Paesi Europei in cui la diffusione delle tecnologie pulite è
più sviluppata, sia per motivazioni legate al coinvolgimento sociale,
sia per le maggiori incentivazioni di chi ha la responsabilità di
progettare e realizzare efficaci strategie nel settore energetico.
Il nostro Paese se da un lato dimostra un reale e più vivo interesse
per le fonti rinnovabili rispetto al passato, come testimonia
l’enorme successo del “Programma 10.000 Tetti fotovoltaici”
emanato dal Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio,
dall’altro manifesta una forte diffidenza nei confronti di quelle
tecnologie che in passato hanno determinato degli insuccessi, come
testimoniano le grandi difficoltà che incontra il bando “Solare
Termico” emanato dal Ministero e rivolto agli Enti Pubblici.
Il “Programma Tetti fotovoltaici” era finalizzato alla realizzazione,
nel periodo 2000-2002, di impianti fotovoltaici di potenza da 1 kWp
a 20 kWp collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa
tensione e integrati/installati nelle strutture edilizie poste sul
territorio italiano. Era organizzato, inoltre, in due sottoprogrammi:
uno rivolto a soggetti pubblici e l’altro indirizzato, attraverso le
Regioni, ai soggetti privati. Entrambe le categorie di soggetti,
titolari di utenza elettrica e che intendevano installare impianti
fotovoltaici su strutture edilizie su cui esercitavano un diritto reale
di godimento, hanno potuto, così, beneficiare di un contributo
pubblico in conto capitale pari al 75% rispetto al valore degli
investimenti. Il progetto ha riscontrato un notevole successo, sia
per quanto riguarda la sezione destinata agli Enti Pubblici, sia
207
Capitolo 6
nell’area riservata ai soggetti privati. Al contrario del precedente
bando, il Programma “Solare termico”, rivolto agli Enti pubblici, ha
avuto notevoli difficoltà di ricezione da parte del target di
riferimento, nonostante l’inadempienza di moltissimi Enti locali nei
confronti della legge 10 del 1991 che li obbligava a fare interventi
di risparmio energetico ed a installare pannelli solari termici negli
edifici di loro proprietà. Il bando
Il green pricing può essere quindi visto da parte dei produttori e/o
distributori di energia elettrica, come uno strumento per la
conquista di settori del mercato energetico sensibili ai problemi
ecologici,
e,
da
parte
dei
consumatori
consapevoli,
delle
associazioni ambientaliste e dagli organismi governativi, come uno
strumento diretto ad ampliare la domanda di energia “verde”, con
conseguente sviluppo dell’offerta di fonti rinnovabili. L’introduzione
dei sistemi di green pricing può essere considerata una naturale
conseguenza
del
processo
di
liberalizzazione
dei
mercati
dell’energia elettrica e come tale si è potuta sviluppare solo negli
ultimi due/tre anni. Sistemi di questo genere sono già diffusi negli
USA, in Australia, e in alcuni Stati europei (tra i primi Svezia, Paesi
Bassi, Germania, Regno Unito, Finlandia, Svizzera).
6.5 Descrizione dei meccanismi normativi di un impianto
fotovoltaico.
Un impianto fotovoltaico, oltre al progetto tecnico, economico e
architettonico, deve anche rispondere a diverse normative di legge.
-
leggi sulla sicurezza degli impianti elettrici;
-
normativa riguardante la connessione alla rete elettrica;
-
regole economio-fiscali riguardanti la vendita dell’energia
elettrica;
-
requisiti assicurativi;
208
Capitolo 6
-
normative
tecniche
sull’edilizia
locale
(caratteristiche
termiche, strutturali ed elettriche);
Gli
-
normative urbanistiche e progettuali;
-
normative sull’uso del suolo.
impianti
solari
fotovoltaici
collegati
alla
rete
hanno
la
particolarità di lavorare in regime di interscambio con la rete
elettrica locale. In pratica, nelle ore di luce l’utenza consuma
l’energia elettrica prodotta dal proprio impianto, mentre quando la
luce non c’è o non è sufficiente, oppure se l’utenza richiede più
energia di quella che l’impianto è in grado di fornire, sarà la rete
elettrica che garantirà l’approvvigionamento dell’energia elettrica
necessaria, fungendo da batteria di capacità infinita. Se succede
che l’impianto solare produce più energia di quella richiesta
dall’utenza, tale energia può essere immessa in rete. In questo
caso si parla di "cessione delle eccedenze" all’azienda elettrica
locale. Sul piano tariffario ci sono due diversi sistemi per
contabilizzare lo scambio di corrente tra l'utente e la compagnia
elettrica.
Il
sistema
più
semplice
è
quello
del
"contatore
reversibile", dove il contatore che preleva usualmente l'energia
dalla rete fa un conteggio inverso quando invece è la corrente
fotovoltaica a essere iniettata nella rete. Il secondo sistema è
quello di avere due contatori unidirezionali (in futuro saranno
sempre elettronici) che calcolano separatamente i kWh immessi
nella rete e quelli da essa prelevati. La tariffa dell'energia elettrica
prodotta può essere calcolata in due diversi modi. Nel primo modo
il kWh solare è pagato allo stesso prezzo di quello venduto dalla
rete (dipende perciò dal tipo di contratto e dal livello di consumo).
Nel secondo modo si ha una tariffa di vendita ed una di acquisto
differenziate ed il prezzo del kWh solare è fissato di solito ad un
livello più elevato per sostenere lo sviluppo del fotovoltaico.
209
Capitolo 6
6.6 Iter autorizzativi per la realizzazione di centrali eoliche
Per permettere la realizzazione di centrali eoliche, si deve eseguire
un iter autorizzativo, bisogna chiedere diversi permessi:
-
concessione edilizia o altri tipi di atti autorizzativi rilasciati dal
comune competente per territorio.
-
autorizzazione all’installazione da parte della provincia;
-
nulla oste ambientale a seguito della procedura di via da parte
della regione;
-
nulla oste ai sensi del regio decreto 3267 del 1923 da parte
dell’ispettorato
forestale
in
caso
di
presenza
di
vincolo
idrogeologico;
-
nulla oste in caso di presenza di vincolo paesistico;
-
nulla oste della soprintendenza archeologica;
-
nulla osta dell’ENAC e dell’ENAV per la sicurezza del volo e per
la segnalazione degli ostacoli verticali;
-
nulla oste delle forze armate per la sicurezza del volo a bassa
quota;
-
autorizzazione del genio civile alla costruzione ed esercizio
dell’elettrodotto
di
collegamento
e
della
cabina
di
trasformazione;
-
autorizzazione al collegamento alla rete elettrica nazionale
rilasciata dal GRTN;
-
eventuali altri pareri o nulla osta qualora vi siano particolari
vincoli;
-
parere
sull’interferenza
alle
radiofrequenze
da
parte
del
ministero delle telecomunicazioni;
-
parere favorevole dell’ASL.
QUADRO NORMATIVO E INCENTIVI
Gli strumenti governativi a sostegno delle fonti rinnovabili in
generale, e dell’eolico in particolare, sono:
210
Capitolo 6
•
Il Piano Energetico Nazionale del 1988, che stabiliva un obiettivo
di 300-600 MW di eolico installati al 2000.
•
Le leggi 9/91 e 10/91, il provvedimento Cip 6/92 che per la
prima volta ha introdotto tariffe incentivanti per la cessione
all’ENEL di energia elettrica prodotta con impianti da fonti
rinnovabili.
•
I
fondi
strutturali
europei
utilizzati
dalle
regioni
Puglia,
Campania, Umbria e Sicilia per realizzare impianti eolici.
•
Il decreto Bersani (79/99) che ha introdotto un nuovo concetto
di incentivazione delle fonti rinnovabili. Questo decreto obbliga i
produttori di energia elettrica da fonti convenzionali a immettere
annualmente, nella rete di distribuzione nazionale, una quota di
energia prodotta da fonti rinnovabili pari al 2% della loro
produzione annua. Tale quota di energia può essere prodotta
all’interno stesso dell’impianto o acquistata da altri.
•
La legge 394/91, in particolare l’art. 7 - comma 1 nel quale sono
previste misure d’incentivazione alle amministrazioni comprese
nelle aree protette che promuovano interventi volti a favorire
l’uso di tali forme di energia.
Esiste
inoltre
una
legislazione
generale
che
disciplina
la
pianificazione e la localizzazione degli impianti eolici, anche in
termini di tutela del paesaggio, dell’ambiente e della salute,ed
anche di uso del suolo.
211
Conclusioni
Questa tesi vuole essere d’invito a pensare una soluzione ideale per
l’ottenimento in tempi brevi di risultati sensibili di efficienza
energetica e contenimento delle emissioni inquinanti e gas serra in
accordo con gli obiettivi del protocollo di Kyoto; un modo naturale
o quasi automatico di progettare. La gestione e l’uso razionale
dell’energie rinnovabili, è la nuova formula per un futuro più giusto
ed efficace sul piano del benessere collettivo, si decide così di
proteggere al tempo stesso sia la salute umana che il nostro
ambiente, aumentando l’efficienza del sistema energetico rendendo
produttivo l’uso delle risorse espandendo il più possibile progetti di
scelta futura in campo energetico a costi ragionevoli.
212
Bibliografia
Le immagini riportate nel testo, reperite nel World Wide Web e qui
liberamente distribuite, rimangono di proprietà dei rispettivi autori
e sono qui utilizzati senza alcun intento di appropriazione del
copyright.
•
“Architettura Bioecologica”, atti del primo convegno
nazionale sul costruire bioecologico
•
“Lettera aperta agli economisti”, crescita e crisi ecologica
di Carla Ravaioli
•
“Impianti solari fotovoltaici” a norma CEI di F. Groppi e
C. Zuccaio
•
“ Guida all’istallazione di impianti fotovoltaici per la
produzione di energia elettrica destinata all’utente finale”
Progetto Perseus
•
“ Il fotovoltaico integrato in Architettura” fonte Enea
•
“ La città del Sole” a cura della Commissione Europea
•
“ Atlante di Architettura” Utet
•
“Energia, ambiente e innovazione / Enea, Ente per le
nuove tenologie
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Siti Internet di interesse
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Ente per le nuove tecnologie, l’energia e l’ambiente
www.enea.it
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Ministero dell’ambiente e della tutela del territorio
www.miniambiente.it
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Programma tetti fotovoltaici
www.tetti-fotovoltaici.org
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Il sole a trecentosessanta gradi Newsletter di Ises Italia
www.ilsole360gradi.it
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