Elettronica per il risparmio energetico tesina

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 ferrò 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

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le tecnologie elettroniche possono essere utilizzate per migliorare l'efficienza tramite la

realizzazione di meccanismi di controllo con l'obbiettivo 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.

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

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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.

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. 5

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.

Questi obbiettivi vengono raggiunti integrando in modo intelligente apparecchiature e impianti di

un’abitazione: con un unico sistema diventa infatti possibile gestire comodamente illuminazione,

climatizzazione, motorizzazioni, prese elettriche, elettrodomestici, controllo dei carichi, allarmi,

comunicazione e multimedialità, irrigazione, un sistema grazie al quale apparecchiature ed impianti

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sono in grado di funzionare parzialmente (nei sistemi più evoluti anche totalmente) in maniera

autonoma oppure in base alla programmazione stabilita dall’utenza.

In realtà l'aggiunta di “intelligenza” all'impianto elettrico può servire anche per ridurre gli sprechi di

energia e quindi per ottenere risparmi energetici economici significativi. Grazie alla analisi delle

abitudini dell'utenza e alla conseguente adeguazione di elementi come illuminazione o

elettrodomestici e alla possibilità di analizzare costantemente i consumi, la domotica permette

infatti di ottenere una cospicua riduzione degli sprechi.

Il ruolo della domotica nel risparmio energetico è stato per esempio oggetto di uno studio condotto

recentemente dall'Agenzia per l'Energia e lo Sviluppo Sostenibile di Modena che ha preso in

considerazione il caso degli edifici scolastici, dove gli sprechi abbondano: in molte scuole le luci

rimangono sempre accese, anche in pieno giorno, semplicemente perché nessuno si prende il

disturbo di spegnerle.

Lo studio ha individuato tre possibili soluzioni per risolvere il problema:

 Un unico programmatore orario per le lampade di tutte le aule, affiancato a dispositivi di

spegnimento automatico per i corridoi e i bagni;

 Controllo delle lampade per ogni singola aula, con misura della luce naturale e spegnimento

ad aula vuota. In caso di necessità è possibile gestire manualmente le lampade; 7

 Controllo di ogni singola aula per le lampade e per il riscaldamento, tramite la rete

domotica, al fine di programmare diverse temperature nel corso della giornata tenendo conto

degli orari delle lezioni.

I risparmi energetici così ottenuti consentirebbero di ammortizzare il costo dei dispositivi di

controllo in pochi anni.

A questo si aggiunge inoltre la capacità del sistema di integrare eventualmente anche proposte

alternative di produzione energetica quali pannelli fotovoltaici, impianti solari termici ecc.

3.2.1) UN ESEMPIO PRATICO DI DOMOTICA: NEST

Un esempio pratico di come la domotica possa contribuire al risparmio energetico e

contemporaneamente alla comodità e al risparmio economico nella gestione della casa.

Nest Labs è una start-up creata nel

2010 da due ex-ingegneri di Apple (e

acquistata da Google a inizio 2014 per

oltre 3 miliardi di dollari). Fin dal 2011

il suo prodotto di punta è stato Nest, un

termostato che ha rivoluzionato il

panorama: esso, infatti, non svolge

passivamente l'attività di attivare o

disabilitare il riscaldamento in orari

prefissati. La sua vera natura è infatti di una centralina casalinga intelligente, in grado di rilevare la

presenza di persone, imparare le abitudini degli abitanti e adattarsi di conseguenza, di collegarsi alla

rete wi-fi e permettere il controllo via remoto tramite un qualsiasi computer, smartphone, tablet.

Questo porta grossi benefici, perché attraverso il termostato si controlla oltre la metà dei consumi