Appunti macchine e impianti per le biotecnologie

Sistemi di unità di misura

I sistemi di unità di misura sono costituiti dall'insieme delle unità di misura fondamentali e derivate, con cui è possibile misurare tutte le grandezze fisiche. Il sensore è un dispositivo che permette di effettuare una misura su grandezze fisiche, parametri chimici (ad esempio la temperatura all'interno di un bioreattore).

Una cosa fondamentale sono le unità di misura, che permettono di esprimere le grandezze. I sistemi di unità di misura sono un insieme di unità di misura derivate, comprendenti multipli e sottomultipli, con cui è possibile misurare una grandezza fisica e chimica.

Definizione di un sistema di unità di misura

Per definire un sistema di unità di misura occorre:

• Scegliere le grandezze fondamentali;
• Stabilire le unità di misura fondamentali (i campioni) per la misura delle grandezze fondamentali;
• Definire le relazioni (leggi fisiche) che consentono di ricavare le grandezze derivate e le loro unità di misura in funzione di quelle fondamentali.

I campioni vanno ridefiniti negli anni perché le nuove tecnologie richiedono misure differenti (la lunghezza, ad esempio, oggi si riferisce al nanometro). Il sistema GPS funziona bene perché il meccanismo riesce a fare misure temporali nell’ordine del picosecondo. La temperatura a 0°C è quella temperatura in cui si ha l’equilibrio tra liquido e solido di una specifica sostanza. Alcune grandezze fisiche si possono ricavare dalle grandezze fisiche fondamentali.

Il Sistema Internazionale

Nel 1875, a Parigi, fu istituito l'Ufficio Internazionale Pesi e Misure. Nel 1960, la Commissione della Conferenza Generale Pesi e Misure approvò il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI). Nel 1971 e 1979, il Consiglio della CEE rese obbligatorio l’impiego del SI e nel 1982 l’Italia recepì le Direttive CEE. È un sistema riconosciuto a livello mondiale.

• Ha 7 grandezze fondamentali e 2 supplementari.
• Le denominazioni, le definizioni, i simboli, le unità fondamentali e i procedimenti di misura vengono indiscussi e aggiornati periodicamente dalla commissione.
• Sono stati fissati multipli e sottomultipli delle unità di misura.
• Sono state stabilite le regole di scrittura.

Il sottomultiplo è un fattore moltiplicativo, che può avere sia esponente positivo che negativo.

Energie rinnovabili

Sono da considerarsi energie rinnovabili quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono "esauribili" nella scala dei tempi umani e il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future. Le fonti rinnovabili comprendono la fonte primaria dell'energia solare che investe il nostro pianeta e quelle forme che da essa derivano:

• Energia idraulica
• Energia eolica
• Energia delle biomasse
• Energia delle onde e delle correnti marine

Altra fonte primaria di energia rinnovabile è quella geotermica. Per ciascuna fonte la "rinnovabilità" varia fra la disponibilità immediata, come nel caso di uso diretto della radiazione solare, ad alcuni anni come nel caso delle biomasse. Energia termica, elettrica, meccanica e chimica possono essere ottenute da ognuna delle sorgenti rinnovabili con le opportune tecnologie. Nel lungo periodo le FER possono assumere un ruolo determinante sia per ragioni di sicurezza degli approvvigionamenti che per l'acuirsi delle emergenze ambientali.

Energie non rinnovabili

Le energie non rinnovabili sono fonti di energia derivate da combustibili fossili, materiali ricavati da processi estrattivi, accumulati nel corso delle varie ere in uno specifico sito. CH₄ (metano) è una molecola chimica che nei suoi legami contiene molta energia. Quando viene bruciato, vengono spezzati i legami e l’energia viene liberata sotto forma di calore. Dalla combustione (reazione con l’ossigeno) del metano si ottiene anidride carbonica e acqua. Il metano è un gas pericoloso perché ha un elevato effetto serra. Qualunque attività umana genera grandi quantità di gas metano dovuta ai processi di degradazione delle sostanze organiche. Risulta essere pulito nella combustione, quindi i veicoli che vanno a metano non inquinano.

L'accumulo di depositi di metano è avvenuto nel corso dei tempi geologici. La scala dei tempi umani è approssimabile a qualche milione di anni. Per cui una risorsa per essere rinnovabile deve essere in grado di rinnovarsi nell’arco di tempo che corrisponde alla scala dei tempi umani; nel caso in cui ciò non possa verificarsi, si parla di risorsa non rinnovabile. Se una risorsa energetica si rinnova da un giorno all’altro allora possiamo parlare di risorsa energetica rinnovabile (es. energia solare) e il cui utilizzo non pregiudica l’utilizzo anche da parte delle generazioni future.

Energia solare termica

L’energia solare è stata una delle prime energie rinnovabili ad essere utilizzata essendo anche la più facile da sfruttare. Un grosso svantaggio è che è disponibile di giorno, ma non di notte. Per sopperire a questo problema si può sfruttare o il potere dell’accumulo (es. collettore) o l’integrazione con altre fonti di energia rinnovabile (es. sistema solare + sistema eolico). Per poter utilizzare una fonte di energia rinnovabile, che sia solare o eolica, e trasformarla in energia elettrica è necessario utilizzare dei convertitori. Per energia solare si intende energia emessa sotto forma di radiazioni con differenti lunghezze d’onda.

Spettro elettromagnetico

• Onde radio (da qualche kilohertz a qualche decina di gigahertz), vengono utilizzate per radar.
• Raggi infrarossi, (qualche micron di lunghezza d’onda), danno la sensazione di calore.
• Near infrared, (800 nm), interagisce con i vegetali: nella pianta in salute non c’è interazione, se avviene, la pianta non è in uno stato di salute perfetto.
• Luce visibile (parrow) (700-400 nm), onda elettromagnetica percepita dall’occhio nudo che dà la capacità di distinguere i vari colori.
• Raggi UV (400 nm), oltre la fascia del blu, non percepibile dall’occhio e viene utilizzata con sistemi biologici: molte proteine sono fluorescenti se irradiate con luce ultraviolette (assorbe l’uv e emette sotto forma di radiazione visibile). Alcune fasce dell’uv hanno azione battericida.
• Raggi X, sono radiazioni penetranti perché non vengono assorbite dal nostro corpo.

E = costante di Plank x frequenza l’energia è direttamente proporzionale alla frequenza. L’energia viene trasportata in maniera differente in base alla frequenza. Fotone energia in grado di viaggiare. Il sole emette tutte le radiazioni dello spettro elettromagnetico. La luce solare corrisponde all’energia emessa nella banda del visibile e nella banda dell’infrarosso. L’atmosfera filtra raggi x, raggi gamma, l’UV. L’energia solare, quindi, produce calore. Tramite l’irradiazione di collettori, l’acqua raggiunge temperature elevate e viene utilizzata per il riscaldamento delle abitazioni.

I collettori si basano sul principio dell’effetto serra che si produce attraverso un elemento captatore in grado di assorbire la maggior quantità di energia solare ed una copertura trasparente in grado di contenere l’effetto di re-irraggiamento. L’efficienza di un pannello solare è il rapporto tra energia termica utile e quella solare incidente. Essa dipende dalle caratteristiche dell’elemento captante, la qualità della copertura e la capacità dell’isolante di limitare le perdite per conduzione e convenzione.

Barriere tecniche e socio-ambientali

• Disponibilità discontinua
• Alto costo delle tecnologie e basse prestazioni
• Assenza di sistemi di accumulo efficienti ed economici
• Presenza di impatti ambientali non sempre accettabili
• Mancata divulgazione di informazioni precise

Pannello solare

I pannelli solari sono dispositivi che sfruttano la capacità della luce solare di riscaldare (convertire energia solare in energia termica). Questo dispositivo ha un costo elevato. È costituito da tre componenti principali:

• Serbatoio/scambiatore di calore
• Collettore
• Telaio/struttura

Il collettore è la parte sensibile dello strumento che è in grado di captare l’energia solare termica. È una sorta di sandwich in cui c’è un supporto, costituito da materiale isolante (fibre minerali o poliuretano) per ridurre le perdite dietro il pannello, sul quale c’è lo strato attivo costituito da una piastra in rame sulla quale sono saldati dei tubi di rame (buon conduttore). Questa piastra è tipicamente di colore nero. I tubi sono collegati a condotti di mandata e di ritorno del fluido termovettore (miscela di acqua e glicole propilenico) che circola al loro interno. Vi è poi una copertura in vetro antiriflesso trasparente (quelli migliori in quarzo di silicio, che si lasci attraversare da determinate lunghezze d’onda) di 3-4 mm che riduce la dispersione per convenzione. Il serbatoio è il sistema di accumulo.

Collettore a tubi sottovuoto

• Serie di tubi paralleli di vetro borosilicato, chiusi a formare una camera nella quale viene realizzato il vuoto con effetto isolante;
• Elemento di vetro, ricoperto da materiale foto-selettivo, costituito dai condotti che convogliano il fluido termovettore, con eccellenti caratteristiche di assorbimento e di minima riflessione di calore;
• Riflettore di forma parabolica in grado di catturare e convogliare le radiazioni.

Nei tubi del pannello passa il fluido termovettore perché ha una migliore conducibilità termica rispetto all’acqua. Dal rubinetto però voglio che esca acqua, per cui occorre separare i tubi. Nel serbatoio si possono quindi trovare degli scambiatori di calore in cui i tubi del condotto termico primario sono a contatto con i tubi del condotto secondario in modo che questi si scambino il calore. Ci deve essere ovviamente una pompa per far sì che la velocità dell’acqua mentre attraversa gli scambiatori di calore sia ottimale. (Si usa acqua demineralizzata per limitare l’accumulo di calcare). Lo scambio tra il fluido termovettore e il serbatoio può essere diretto oppure indiretto.

Scambio diretto e indiretto

• Scambio diretto: nel serbatoio di accumulo confluisce la stessa acqua che circola nel pannello, e che poi verrà utilizzata per l’uso domestico;
• Scambio indiretto: nel pannello circola una soluzione di acqua demineralizzata e glicole che cede il suo calore al serbatoio di accumulo, per mezzo di uno scambiatore di calore, per poi immettersi nuovamente nel pannello e ricominciare il ciclo.

A circolazione naturale: vantaggi

• Velocità di scambio termico commisurata alla differenza di temperatura fra serbatoio di accumulo e pannelli.
• Autoregolazione della circolazione.
• Assenza di pompe di circolazione, centraline e sonde.
• Installazione rapida ed economica.
• Manutenzione ridotta al minimo.

A circolazione forzata: vantaggi

• Regolazione della velocità del fluido vettore e quindi rendimenti superiori.
• Erogazione di acqua calda durante tutto l’anno.
• Possibile utilizzo per riscaldamento di ambienti.

Questi sistemi possono essere associati a caldaie. Esistono modelli di caldaie che hanno direttamente l’ingresso dell’acqua calda: in questo modo gli elettrodomestici funzionano consumando meno energia elettrica. Durante la notte noi siamo esposti a una certa quantità di luce infrarossa, per cui i pannelli fotovoltaici anche in assenza del sole sono in grado di funzionare. I sistemi di riscaldamento a pavimento funzionano a temperature basse, intorno a 25-28°C e garantiscono un riscaldamento più uniforme. La durata di questi impianti è abbastanza lunga. Questi sistemi sfruttano come fonte primaria di energia la luce dell’infrarosso.

Energia solare: fotovoltaica

L’energia solare fotovoltaica sfrutta l’energia proveniente dalla banda del near-infrarosso fino alla banda del visibile. Consiste nella trasformazione dell’energia solare in energia elettrica a corrente continua per mezzo delle "celle fotovoltaiche". Le celle fotovoltaiche sono basate sull’uso di materiali semiconduttori che intercettano l’energia solare e la trasformano in energia elettrica.

Caratteristiche dei pannelli solari

I pannelli solari più diffusi hanno dimensioni che vanno da 1 a 1,5 m² e la cui massa si aggira intorno ai 20 kg, con potenze che si aggirano intorno ai 100-300 Wp (pannelli per uso domestico o per piccole aziende). Nuova fonte di energia: il pannello fotovoltaico prende energia dalla luce nella banda del visibile e da qualche banda del NIR. Il pannello fotovoltaico permette di raccogliere energia utile per l’uomo da questa fonte luce visibile che non è solo quella a percepibile, ma è inclusa nella banda dell’infrarosso vicino (NIR), mentre non risulta efficiente l’energia presente nella banda dell’infrarosso termico.

Energia solare fotovoltaica: consiste nella trasformazione dell’energia solare in energia elettrica a corrente continua per mezzo delle "celle fotovoltaiche". L’energia elettrica è la fonte di energia più preziosa che abbiamo attualmente perché è facilmente trasportabile, accumulabile, versatile. Il pannello solare termico non riesce a convertire direttamente l’energia luminosa in elettrica: alle volte è necessaria l’acqua calda associata ad un pannello fotovoltaico. Il pannello, ovvero il singolo quadratino, è composto da tante strisce di tanti rettangolini e ognuno di questi in realtà è il pannello fotovoltaico: quello che si vede sui tetti delle case, in realtà, è una stringa di pannelli messi uno accanto all’altro. Non è un monoblocco, ma è formato da quelle che comunemente sono chiamate celle fotovoltaiche basate sull’uso di materiali semiconduttori che intercettano l’energia solare, i fotoni, e la trasformano in energia elettrica di dimensioni variabili, mediamente 1,5m x 70, su potenza di 100/500watt e di peso di circa 20kg. Gli strumenti vengono aggiornati rapidamente e si evolvono, con utilizzo di nuovi materiali e tecniche che modificano la dimensione e tecnologia del pannello per aumentarne l’efficienza. Non è un sistema con una grande efficienza: la conversione da luce del visibile a energia elettrica non è un processo ad alto rendimento e difficilmente supera il 20 %. La ricerca si muove a trovare nuovi materiali per aumentarla in base ai meccanismo di funzionamento in continuo aggiornamento. Nonostante questo il sistema è molto in uso ed è comunque funzionale.

La fonte di energia (sole) sfrutta banda del NIR e del visibile. Il blocco in figura che converte energia solare in elettrica prende il nome di pannello (da cui escono 90v). L’energia che esce dal pannello è in corrente continua, ma la corrente che ci fornisce l’ente di distribuzione (Enel) non è continua, ma corrente alternata e con un livello di tensione più alto. Questo ci fa dedurre che non è possibile utilizzare direttamente questa energia, ed è quindi necessario l’utilizzo di un altro elemento, l’inverter, che svolge due lavori: convertire la corrente continua in alternata e prendere la tensione del pannello a bassa tensione e innalzarla al valore utile all’utente finale, ovvero 230 volt circa che si trovano nella presa di corrente.

Tranne in rari casi, la normativa attuale obbliga un allaccio alla rete nazionale e non sono consentiti impianti ad "isola" (case sperdute): si deve per forza essere connessi alla rete (Enel) e se ne ricava una "compensazione": i contatori (misurano l’energia che fluisce dalla rete nazionale a casa e permettono di visualizzare i consumi). Oggi sono bidirezionali: essi conteggiano l’energia consumata e anche l’energia che immessa sulla rete; alla fine verrà fatto un bilancio (ma ovviamente l’energia che si fornisce viene valutata meno), e quindi verrà scalato dal consumo della bolletta compensazione.

Tipologie di celle fotovoltaiche

Esistono diverse tipologie di celle fotovoltaiche: esse sono semiconduttori costruite in silicio. Le evolvono rapidamente, alcune delle quali sono qui descritte:

• A silicio monocristallino: quando gli atomi di silicio sono disposti in modo tale da costituire un unico cristallo, una sorta di lingotto (efficienza: 14-19%).
• A silicio policristallino: quando gli atomi di silicio sono disposti in modo tale da costituire vari cristalli uniti tra di loro (efficienza: 12-15%).
• A film sottile (thin film): quando si utilizzano strati molto sottili di silicio (silicio amorfo) oppure altre tipologie di materiali semiconduttori (Tellururo di cadmio (CdTe) Solfuro di cadmio (CdS) microcristallino, Arseniuro di gallio (GaAs), Diseleniuro di indio rame (CIS), Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS), Grafene) che vengono posizionati sopra ad una lastra di vetro o di metallo o di plastica (efficienza: 7-11%).

Ora si tende a usare pannelli flessibili in campo a livello consumer, come giacche con pannelli che ricaricano il telefonino (a film sottile).

Componenti di un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico è essenzialmente costituito da:

• "Generatore" (cella fotovoltaica)
• "Sistema di condizionamento e controllo della potenza" (inverter, trasformatore e sistema di rifasamento e filtraggio) a volte i pannelli non sono tutti identici e queste differenze peggiorano la situazione complessiva e l’inverter aiuta a lavorare sempre nella condizione ottimale cioè capisce l’esigenza del singolo pannello.
• Eventuale "accumulatore" di energia (batteria) in grandi impianti.
• Struttura di sostegno.