Elettronica per il risparmio energetico tesina

Daniele Santini

L'utilizzo dell'elettronica per il risparmio energetico

ITIS F. Alberghetti Imola – Classe 5LET

Esame di maturità - Anno scolastico 2013/2014 1

Indice

1 Premessa [The industrial revolution, INGLESE] 3

2 Introduzione 3

3 Applicazioni 4

3.1 Energy harvesting 4

3.2 Domotica 6

Un esempio pratico: Nest 8

3.2.1

3.3 Agricoltura di precisione 9

3.4 La virtualizzazione dei server 9

4 I benefici per aziende e società [Gestione dei costi, DIRITTO] 10

5 Progetto pratico 10

5.1 Finalità del progetto 10

5.2 Struttura [Trasduttori, SISTEMI] 11

5.3 Progetto [I sistemi di acquisizione dati, ELETTRONICA] 12

5.4 La programmazione [Scheda microcontrollore Arduino, TDP] 13

5.5 Risultato 18

5.6 Limiti e future evoluzioni 19

6 I pericoli [Luigi Pirandello, LETTERE] 20

7 Conclusione 21

8 Bibliografia e ringraziamenti 21

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1. Premessa

La salute dell'ecosistema ambientale è un tema preso in considerazione dall'umanità solo di recente, a causa degli effetti disastrosi che l'inquinamento ambientale sta avendo su tutti noi, tuttavia questo problema fonda le sue radici molto più indietro, nella seconda parte del 18° secolo.

Fu infatti in questi anni che in Inghilterra ebbe inizio una rivoluzione industriale che avrebbe completamente rivoluzionato l'industria e la società.

In una prima fase, la scoperta della macchina a vapore portò un enorme incremento della produzione in tutti i maggiori settori industriali e in particolare quello tessile. Anche le reti stradali, canalizzate e ferroviarie si svilupparono enormemente, il ferro sostituì il legno come principale materiale di costruzione e le miniere di carbone del Lancashire e del Yorkshire divennero la principale risorsa strategica inglese.

La seconda fase sanò poi parte dei problemi che aveva creato il trasferimento di milioni di lavoratori in metropoli industriali impreparate, attraverso progressi nella pianificazione della città, nelle cure sanitarie e nell'educazione, ma anche grazie alla rivoluzionaria scoperta dell'elettricità.

Tutto ciò fondò le basi per quella che è la società e l'industria moderna, ma diede anche l'inizio ai fenomeni dell'emissione incontrollata di sostanze inquinanti e dello spreco indiscriminato di materie prime preziose come l'acqua, fenomeni che hanno portato in poco più di duecento anni il pianeta Terra in ginocchio.

Continuando di questo passo l'uomo finirà per autodistruggersi, e proprio per questo sta diventando sempre più importante che ogni settore dell'industria e della società si dia da fare per ridurre gli sprechi e i consumi energetici.

2. Introduzione

La riduzione dei consumi energetici è un tema di grande attualità anche per l'industria elettronica, un settore basato su tecnologie che normalmente contribuiscono ad aumentare la sete di energia, ma che possono essere altresì utilizzate per migliorare l'efficienza di macchine e impianti in una grande varietà di applicazioni.

Ogni sistema elettronico consuma energia, ma d'altra parte le tecnologie di elaborazione dell'informazione basate sull'elettronica possono essere utilizzate per ridurre il fabbisogno energetico in molte applicazioni.

Esso può avvenire attraverso varie implementazioni:

• Aumento dell'efficienza dei sistemi di trasformazione e conversione dell'energia, come veicoli, sistemi fotovoltaici o di illuminazione, alimentatori ecc. In tutte queste applicazioni le tecnologie elettroniche possono essere utilizzate per migliorare l'efficienza tramite la realizzazione di meccanismi di controllo con l'obiettivo della riduzione degli sprechi.
• Sfruttamento dell'energia che normalmente andrebbe sprecata, come differenze di temperatura, movimento del corpo umano, ecc. Questo avviene per esempio attraverso le tecnologie di “energy harvesting”, che consentono di alimentare piccoli sistemi elettronici tramite lo sfruttamento di forme marginali di energia sempre presenti.
• Aumento della produttività: ogni aumento di produttività si traduce in un potenziale risparmio energetico, ed è proprio in tale campo rientra l'azione dei sistemi elettronici, i quali permettono un cospicuo incremento della produttività generale, tanto che da vari decenni in tutti i settori il principale strumento per l'aumento della produttività è costituito da applicazioni dell'elettronica, quali l'informatica e l'automazione. Basti pensare, ad esempio, allo scambio di documenti: poter scaricare in pochi secondi un file da Internet richiede certamente meno energia rispetto a quella necessaria per il funzionamento della “filiera dei documenti cartacei”: fabbricazione della carta, spedizione postale tramite camion, smaltimento dei rifiuti ecc.

Gli aspetti appena citati sono ampiamente applicati a vari aspetti pratici della realtà attraverso numerose applicazioni realizzate sia da start-up che da grandi aziende. Ne vedremo ora alcune.

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3. Applicazioni

3.1. Energy harvesting

Come accennato prima, una delle applicazioni più rivoluzionarie è l'energy harvesting, letteralmente 'Raccolta di energia', ovvero il processo che deriva energia da elementi sempre presenti ma in genere ignorati come fonti energetiche.

Tra queste troviamo tecnologie già ampiamente diffuse, come lo sfruttamento di fonti di energia solare, eolica o idroelettrica, ma a queste si stanno recentemente aggiungendo sempre più tecnologie mirate a alimentare piccoli circuiti elettronici sfruttando fonti di energia sempre più inaspettate, come l'energia contenuta nelle onde magnetiche o nel calore dissipato dal corpo o da altri dispositivi.

Queste sono le tecnologie attualmente più diffuse nell'ambito dell'energy harvesting:

• Fotovoltaico: l'utilizzo di semiconduttori per trasformare la luce in energia, sia in larga scala (per l'alimentazione della rete elettrica) che in piccola scala (per l'alimentazione di dispositivi quali orologi, telefoni o piccoli sistemi di controllo).
• Rectenna: l'utilizzo di speciali antenne (“rectifying antenna”) per convertire le onde radio presenti nell'aria direttamente in corrente continua.
• Eolico: la conversione dell'energia del vento in energia elettrica, grazie all'utilizzo di aerogeneratori che producono energia elettrica, in larga scala per l'alimentazione della rete elettrica o in piccola scala per l'alimentazione di piccoli sistemi elettronici (come centraline meteorologiche posizionate in postazioni non raggiungibili dalle classiche fonti di alimentazione).
• Termoelettrico: lo sfruttamento di leggi fisiche come l'effetto Peltier per trasformare la temperatura in energia elettrica.
• Sfruttamento della energia cinetica: in moltissimi campi i sistemi meccanici esistenti (ma anche nel movimento del nostro corpo) si creano dei surplus di energia cinetica normalmente sprecate (ne è un esempio la forza creata dall'inerzia in una macchina che sta frenando). Questa energia viene in genere derivata attraverso due tecnologie.

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La prima è la piezoelettricità, ovvero l'utilizzo di particolari cristalli o fibre che sottoposti a sforzi da deformazione meccanica, generano piccoli potenziali elettrici permettendo la trasformazione dell'energia meccanica in energia elettrica.

Un ottimo esempio delle potenzialità della tecnologia piezoelettrica è quello di Instep Nanopower (immagine a destra), una tecnologia creata dalla omonima società americana, che permette lo sfruttamento della energia meccanica creata camminando per produrre una quantità di energia elettrica (fino a 20 W secondo la società produttrice) sufficiente per alimentare piccoli circuiti integrati (per esempio un dispositivo per il fitness o un hotspot Wi-fi integrato nella scarpa).

Un altro ottimo esempio è il telecomando senza batterie recentemente sviluppato in collaborazione da Philips e Arveni, una start-up francese specializzata nell'energy harvesting (immagine a sinistra). Esso ha come caratteristica principale l'abilità di auto-alimentarsi attraverso lo sfruttamento dell'energia elettrica che esso raccoglie con la tecnologia piezoelettrica alla pressione dei tasti (circa 3.5 milliJoule a pressione), sufficiente per la trasmissione ai dispositivi esterni delle informazioni.

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La seconda tecnologia utilizzata per il recupero dell'energia cinetica è quella basata sull'utilizzo di bobine per la trasformazione di lavoro meccanico in energia elettrica. L'esempio più diffuso di questo tipo di trasformazione è la classica dinamo da bicicletta, che sfrutta una piccola parte dello sforzo umano della pedalata per alimentare i fari della bici stessa. Tuttavia queste tecnologie non hanno permesso solo di creare prodotti di nicchia ma anche grosse rivoluzioni tecnologiche, come la trasformazione ibrida che ha riguardato negli ultimi anni la Formula 1.

Essa ha infatti sfruttato fin dal 2009 un sistema di recupero dell'energia sprecata normalmente nelle frenate attraverso il KERS (Kinetic Energy Recovery System) (immagine sotto), il cui scopo è quello di raccogliere, attraverso una bobina collegata al volano, l'energia cinetica nelle fasi di frenata e riutilizzarla in accelerazione utilizzando la stessa bobina di prima come motore elettrico recuperando fino a 400 kJ e garantendo una potenza di circa 80 cavalli. L'obiettivo è il miglioramento delle prestazioni energetiche delle monoposto da gara, ma crea un duplice beneficio, prestazionale e ambientale.

3.2. La domotica

Un altro campo applicativo dell'elettronica è la domotica, cioè la scienza che si occupa dello studio delle tecnologie nella casa atte a migliorare la qualità della vita, la sicurezza e la riduzione dei costi di gestione.