L'energia e le sue fonti - Tesina per Scuola Media

Generatore ad asse verticale. Vertical Axis

Un generatore eolico ad asse di rotazione verticale al suolo (VAWT, in inglese

Wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti

mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la

possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente.

È una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata

di energia elettrica nell'ordine del megawatt (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettrico

mediamente di circa 1000 case).

Macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. La

sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di fatto

confinato l'impiego nei laboratori. L'unica installazione industriale oggi esistente è quella

di Altamont Pass in California, realizzata dalla FloWind nel 1997. L'installazione è in fase di

smantellamento, a causa delle difficoltà economiche del costruttore, che è in bancarotta.

Si è cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive; gli ultimi

prototipi, funzionando in molte più ore l'anno rispetto a quelle ad asse orizzontale, hanno un

rendimento complessivo maggiore.

La turbina a vento di Savonius è un tipo di turbina a vento ad asse verticale, utilizzata per la

conversione di coppia dell'energia del vento su un albero rotante. Inventata dall'ingegnere

finlandese Sigurd J. Savonius nel 1922 e brevettata nel 1929, è una delle turbine più semplici.

L'energia solare

energia solare

L' è l'energia associata alla radiazione

solare e rappresenta la fonte primaria di energia

sulla Terra che rende possibile la vita. L'energia solare

è infatti quella normalmente utilizzata dagli

organismi autotrofi, cioè quelli che eseguono la fotosintesi, detti anche "vegetali" (da cui

derivano i combustibili fossili); gli altri organismi viventi sfruttano invece l'energia

chimica ricavata dai vegetali o da altri organismi che a loro volta si nutrono di vegetali e

quindi in ultima analisi sfruttano anch'essi l'energia solare, seppur indirettamente.

Da essa derivano più o meno direttamente quasi tutte le altre fonti energetiche disponibili

all'uomo quali i combustibili fossili, l'energia eolica, l'energia del moto ondoso, l'energia

idroelettrica, l'energia da biomassa con le sole eccezioni dell'energia nucleare, dell'energia

geotermica e dell'energia delle maree. Può essere utilizzata direttamente a scopi energetici

per produrre calore o energia elettrica con varie tipologie di impianto.

Caratteristiche

Dal punto di vista energetico si tratta di un'energia alternativa ai classici combustibili

fossili, rinnovabile e pulita (energia verde) nonché una delle energie a sostegno della

cosiddetta economia verde nella società moderna. Può essere opportunamente sfruttata

attraverso diverse tecnologie e a diversi fini anche se in diverse sue tecnologie di

sfruttamento soffre di variabilità e intermittenza di produzione ovvero non piena

programmabilità dovuta ai cicli giorno-notte e alla copertura nuvolosa.

Mediamente il Sole irradia alle soglie dell'atmosfera terrestre 1367 W/m², nota come costante

solare e distribuita secondo lo spettro solare. Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera

che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare medio o insolazione è, alle latitudini europee, di

circa 200 W/m². Moltiplicando questo valore per quello della superficie dell'emisfero terrestre

esposto al sole in un determinato istante, si ottiene una potenza superiore ai 50 milioni

di GW (per poter fare un paragone, si tenga presente che la potenza media di una

grande centrale elettrica si aggira attorno ad 1 GW).

La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa diecimila

volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma poco concentrata,

nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità

significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile con efficienze

accettabili. Per il suo sfruttamento occorrono prodotti tecnologici in genere di costo elevato

che rendono attualmente l'energia solare notevolmente costosa rispetto ad altri metodi di

produzione dell'energia. Lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l'uso

dell'energia solare è un settore della ricerca molto attivo ma che, per il momento, non ha

avuto ancora risultati rivoluzionari.

Tecnologie

L'energia solare può essere utilizzata per generare elettricità (fotovoltaico) o per generare

calore (solare termico). Sono tre le tecnologie principali per trasformare in energia sfruttabile

l'energia del sole:

il pannello solare termico sfrutta i raggi solari per scaldare un liquido con speciali

 caratteristiche, contenuto nel suo interno, che cede calore, tramite uno scambiatore di

calore, all'acqua contenuta in un serbatoio di accumulo.

il pannello fotovoltaico sfrutta le proprietà di particolari elementi semiconduttori per

 produrre energia elettrica quando sollecitati dalla luce.

il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie di specchi parabolici a struttura

 lineare per convogliare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui scorre un fluido

termovettore o una serie di specchi piani che concentrano i raggi all'estremità di una

torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che per il calore fondono. In entrambi i

casi "l'apparato ricevente" si riscalda a temperature molto elevate (400 °C ~ 600 °C)

(solare termodinamico)

Pannello solare termico

I collettori termici possono essere a circolazione naturale o

a circolazione forzata; i primi utilizzano del liquido contenuto

nei pannelli per consentirne la circolazione all'interno del

sistema pannello di calore. In questo caso il serbatoio di

accumulo che contiene lo scambiatore di calore deve trovarsi

più in alto del pannello.

I sistemi a circolazione forzata utilizzano una pompa che fa

circolare il fluido all'interno di scambiatore e pannello quando

la temperatura del fluido all'interno del pannello è più alta di

quella all'interno del serbatoio di accumulo, che, in questo

caso, si trova più in basso dei pannelli. Sistemi di questo tipo

sono più complessi dal punto di vista dei controlli e delle

apparecchiature impiegate (pompe, sensori di temperatura,

valvole a tre vie, centraline di controllo), ma consentono di posizionare il serbatoio di

accumulo, anche di grandi dimensioni, praticamente dove si vuole, ad esempio a terra e non

sul tetto dove problemi di peso ne renderebbero difficile la collocazione.

ISOLAZIOENE ITALIA

Pannello fotovoltaico

I pannelli solari fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Questi

pannelli sfruttano l'effetto fotoelettrico e

hanno una efficienza di conversione che

arriva fino al 32,5% nelle celle da

laboratorio. In pratica, una volta ottenuti i

pannelli dalle celle e una volta montati in

sede, l'efficienza è in genere del 13-15% per

pannelli in silicio cristallino e non raggiunge il

12% per pannelli in film sottile. I prodotti

commerciali più efficienti, utilizzando celle a

multipla giunzione o tecniche di

posizionamento dei contatti elettrici sul

retro della cella (backcontact) raggiungono il

19-20%. Questi pannelli, non avendo parti

mobili o altro, necessitano di pochissima

manutenzione: in sostanza vanno solo puliti

periodicamente. La durata operativa stimata dei pannelli fotovoltaici è di circa 30 anni. I

difetti principali di questi impianti sono il costo dei pannelli.

Il secondo ovvio problema di questo genere di impianto è che l'energia viene prodotta solo

durante le ore di luce e quindi non è adatta per qualunque situazione, essendo l'elettricità una

forma di energia difficilmente accumulabile in grandi quantità. Va rilevato che tuttavia la

produzione da solare è maggiore proprio nei momenti di maggior richiesta, cioè durante il

giorno e nelle stagioni calde, durante le quali può sopperire all'aumento di consumi dovuto

agli impianti di ventilazione e condizionamento.

Grazie a una legislazione che prevede incentivi economici all'installazione di impianti

fotovoltaici e la possibilità di vendere l'energia prodotta in eccesso al gestore della rete di

trasmissione, la Germania è al primo posto in Europa per la potenza elettrica prodotta da

energia solare: tale quantità rappresenta l'1,0% della produzione energetica tedesca e

pertanto è attualmente del tutto insufficiente a sostenere il trend crescente della domanda

energetica (in Germania la prima fonte di produzione di energia elettrica è il carbone, che

copre circa il 43%, mentre al secondo posto c'è il nucleare con quasi il 23%).

Feed-in tariff,

Analoghe iniziative, comunemente note come Conto Energia o sono state

intraprese da diversi stati europei ratificanti il Protocollo di Kyoto, tra cui anche l'Italia,

mediante il Decreto Interministeriale 28/07/2005 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 181 del

Decreto Conto Energia.

05/08/2005 e successivi aggiornamenti, comunemente noto come

Pannello solare a concentrazione

Il pannello solare a concentrazione concentra i raggi solari

su un opportuno ricevitore; attualmente il tipo più usato è

quello a specchi parabolici a struttura lineare che

consente un orientamento monodimensionale, più

economico, verso il sole, e l'utilizzo di un tubo ricevitore in

cui è fatto scorrere un fluido termovettore per il

successivo accumulo di energia in appositi serbatoi. Il

vettore classico è costituito da oli minerali in grado di

sopportare alte temperature.

Nel 2001 l'ENEA ha avviato lo sviluppo del progetto Archimede, volto all'utilizzo di sali fusi

anche negli impianti a specchi parabolici a struttura lineare. Essendo necessaria una

temperatura molto più alta di quella consentita dagli oli, si è provveduto a progettare e

realizzare tubi ricevitori in grado di sopportare temperature maggiori di 600 °C (contro quelle

di 400 °C massimi dei tubi in commercio), ricoperti di un doppio strato CERMET

(ceramica/metallo) depositato con procedimento di sputtering. I

sali fusi vengono accumulati in un grande serbatoio coibentato alla temperatura di 550 °C. A

tale temperatura è possibile immagazzinare energia per 1 kWh equivalente con appena 5 litri

di sali fusi. Da tale serbatoio, i sali (un comune fertilizzante per agricoltura costituito da un

60% di nitrato di sodio (NaNO3) e un 40% di nitrato di potassio (KNO3)) vengono estratti e

utilizzati per produrre vapore surriscaldato. I sali utilizzati vengono accumulati in un secondo

serbatoio a temperatura più bassa (290 °C). Ciò consente la generazione di vapore in modo

svincolato dalla captazione dell'energia solare (di notte o con scarsa insolazione). L'impianto,

lavorando a una temperatura di regime di 550 °C, consente la produzione di vapore alla stessa

temperatura e pressione di quello utilizzato nelle centrali elettriche a coproduzione (turbina a

gas e riutilizzo dei gas di scarico per produrre vapore), consentendo consistenti riduzioni di

costi e sinergie con le stesse. Attualmente è stato realizzato un impianto con tali

caratteristiche in Spagna e un impianto dimostrativo, su scala industriale, presso la centrale

termoelettrica ENEL ubicata a Priolo Gargallo (Siracusa).

Utilizzi

Attualmente i pannelli solari vengono utilizzati per

fornire acqua calda (solare termico) e riscaldamento ad

abitazioni e piccoli complessi. Si è tentato di realizzare

centrali solari che, utilizzando turbine, convertissero il

calore immagazzinato in energia elettrica ma questi

esperimenti sono sostanzialmente falliti per la bassa

resa di queste centrali rapportate con gli alti costi di

gestione e con la discontinuità della fornitura elettrica

(si veda però quanto detto per i pannelli a

concentrazione di ultima generazione). I pannelli

fotovoltaici vengono utilizzati prevalentemente per

alimentare dispositivi distanti dalle reti elettriche (sonde spaziali, ripetit ori telefonici in alta