Università degli Studi di Firenze
Facoltà di Architettura
Corso di “Tecniche per le Energie Rinnovabili”
Prof. Giorgio Raffellini
a.a. 2003 / 2004
RACCOLTA DEGLI APPUNTI DELLE
LEZIONI DEL CORSO
(Rivisti dal Docente nel Giugno 2004)
Allievi:
Pietro Conti
Del Carlo Michela
1
INDICE
1. RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE....................................................................................................4
2. ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORSE DISPONIBILI ....................................................4
2.1 FABBISOGNI ..........................................................................................................................................................................4
2.2 DISPONIBILITÀ DELLE RISORSE............................................................................................................................................5
3. ENERGIA ELETTRICA.........................................................................................................................................................6
3.1 PRODUZIONE D’ENERGIA ELETTRICA ....................................................................................................................................7
3.1.1 Centrale idroelettrica ....................................................................................................................................................7
3.1.2 Centrali termoelettriche ................................................................................................................................................8
3.1.3 Centrali nucleare (reattore ad uranio)..........................................................................................................................8
3.2 PROBLEMATICHE RIGUARDANTI L’ENERGIA ELETTRICA ........................................................................................................8
3.3 L’ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA ..........................................................................................................................................9
4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO..........................................................................................................................10
4.1
4.2
4.3
4.4
LEGGE 10/91 E DECRETI ATTUATIVI ..................................................................................................................................10
TERMINOLOGIA ..................................................................................................................................................................10
DECRETI ATTUATIVI ...........................................................................................................................................................11
ISOLAMENTO TERMICO ......................................................................................................................................................13
5. L'ENERGIA SOLARE ..........................................................................................................................................................15
5.1 CARATTERISTICHE .............................................................................................................................................................15
5.2 UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA SOLARE ..............................................................................................................................16
5.3 “COME FUNZIONA L’EFFETTO SERRA”.................................................................................................................................20
5.3.1.Trasmissione del calore per irraggiamento. ...............................................................................................................21
5.3.2. Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto. ...........................................................................................................23
5.3.3 Apporto energetico da energia solare:........................................................................................................................26
6.0 QUADRO CONOSCITIVO DEGLI EDIFICI ESISTENTI DAL PUNTO DI VISTA ENERGETICO......................36
6.1 EDIFICIO COME SISTEMA .....................................................................................................................................................37
7.0 ESEMPI EUROPEI DI EDILIZIA BIOCLIMATICA.....................................................................................................39
8.0 ESEMPI DI BIO-ARCHITETTURA ...............................................................................................................................40
8.1 MANIFATTURA DI HEREND IN UNGHERIA ...........................................................................................................................40
8.2 COMPLESSO EST-GATE .......................................................................................................................................................40
8.3 AUDITORIUM .......................................................................................................................................................................41
9. QUALITA' DELL'ARIA .......................................................................................................................................................41
10.0 ELEMENTI A FORTE TRASMISSIONE ......................................................................................................................42
10.1 QUALITÀ DELL’ARIA INDOOR ............................................................................................................................................42
11. LE CELLE FOTOVOLTAICHE .....................................................................................................................................43
11.1 ASPETTI ECONOMICI ..........................................................................................................................................................43
11.2 INCENTIVI?........................................................................................................................................................................43
11.3 ESEMPI DI INTEGRAZIONE DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO IN FACCIATA ..............................................................................44
11.4 ESEMPI DI INTEGRAZIONE SULLE COPERTURE....................................................................................................................44
11.5 ESEMPI DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI INTEGRATI : ...............................................................................................................44
11.6 SITI INTERNET ...................................................................................................................................................................45
12. ENERGIA EOLICA ED IDRAULICA .............................................................................................................................45
12.1 GENERALITÀ .....................................................................................................................................................................45
13. ENERGIA DALL’ACQUA .................................................................................................................................................47
13.1 ENERGIA DALL’ACQUA DI MARE .......................................................................................................................................47
13.1.1 ENERGIA DALLE MAREE : ...............................................................................................................................................48
13.2 ENERGIA DALL’ACQUA DOLCE ..........................................................................................................................................52
2
13.3 IMPIANTI IDRAULICI ........................................................................................................................................................53
13.4 CLASSIFICAZIONI DELLE CENTRALI...................................................................................................................................53
13.5 QUADRO SINTETICO DELLA TECNOLOGIA, DEGLI IMPIANTI E DELLE MACCHINE ................................................................54
13.6 APPLICAZIONI ...................................................................................................................................................................55
13.7 POTENZIALITÀ...................................................................................................................................................................55
13.8 ASPETTI ECONOMICI ..........................................................................................................................................................55
14. ENERGIA GEOTERMICA (= CALORE DALLA TERRA)..........................................................................................56
15. IDROGENO E FUEL CELLS ............................................................................................................................................57
16. POMPE DI CALORE ..........................................................................................................................................................65
17. COGENERAZIONE ............................................................................................................................................................67
17.1 MACCHINE FRIGORIFERE AD ASSORBIMENTO ...................................................................................................................68
18. BIOMASSE...........................................................................................................................................................................69
19. CALDAIE A CONDENSAZIONE .....................................................................................................................................70
20. RECUPERATORI DI CALORE ........................................................................................................................................71
21. RISPARMI D’ENERGIA ELETTRICA............................................................................................................................74
22. CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI : ................................................................................................75
3
1. RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE
Unità di potenza : W (watt) = J / s , cioè Joule/secondo = energia / tempo ,
Unità di energia consumata KWh (chilowattora) = (kJ/s * 3600 s ) = 3,6 MJ , dove :
k (chilo) = 103
M (mega) = 106
G (giga) = 109
T (tera) = 1012
1 TEP( Tonnellata di Petrolio Equivalente ) = circa 7,3 Barili di Petrolio= 11628 kWh
1 kWh ( potenza x tempo = misura di energia) = equivalente a 8 grammi di petrolio potenziali
Equivalenze tra fonti energetiche
bep
tep
tec
km3 gas
1 bep (BARILE EQUIVALENTE DI PETROLIO)
1
0,137
0,196
0,167
1 tep (tonnellata equivalente di petrolio)
7,3
1
1,429
1,212
1 tec (tonnellata equivalente di carbone)
5,11
0,7
1
0,840
1.000 m3 gas
6,023
0,825
1,190
1
2. ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORSE DISPONIBILI
2.1 Fabbisogni
Il fabbisogno energetico usualmente si misura in TEP.
La sigla TEP indica le tonnellate equivalenti di petrolio, ed è in sostanza un'unità di misura dell'energia
potenzialmente utilizzabile.
Infatti l'umanità potrà usare anche altre fonti energetiche, ma per queste stime di max la loro potenzialità
energetica viene rapportata al potere calorifico del petrolio, in modo da poter usufruire di una scala di
misura unica.
La stima del fabbisogno energetico mondiale fino al 2050 è approssimativamente di 500 miliardi di TEP,
che corrisponde a circa il doppio delle riserve di idrocarburi attualmente disponibili.
Questa è una prima seria nota di allarme, senza tener conto del fatto che la maggior parte delle riserve di
petrolio attualmente conosciute sono situate in aree geografiche politicamente instabili (Arabia e Medio
Oriente).
Il petrolio viene estratto dai giacimenti, ma non è quasi mai lavorato sul posto, dunque viene trasportato
con le navi o attraverso gli oleodotti, cioè lunghissimi sistemi di tubature, con stazioni di pompaggio
disposte circa regolarmente a distanza di qualche km lungo il percorso.
Una volta giunto negli stabilimenti di lavorazione il petrolio viene sottoposto a trattamenti termochimici
nelle torri di distillazione. Il termine tecnico che indica queste lavorazioni è "cracking": a seconda del tipo
di cracking cui è sottoposto il greggio si ottengono in percentuali variabili benzine, gasoli, nafte e bitumi
di scarto, che sono molto viscosi.
E' importante ricordare che tutte le plastiche sono derivati del petrolio, così come il bitume e molte altre
materie molto diffuse. Dunque si può dire che la società in cui viviamo si nutre di petrolio.
Basti pensare che nel consumo mondiale complessivo, i combustibili solidi incidono per 1/4, i gas
naturali per poco meno di 1/4, l'energia nucleare per il 6,4% e tutto il resto spetta al petrolio.
Gli Stati Uniti consumano oggi circa il doppio dell'energia dei Paesi Europei, infatti il consumo pro-capite
annuo negli USA è di 8 TEP, mentre in Francia, Germania, Gran Bretagna e Giappone è di 4 TEP, mentre
in Italia è di circa 3 TEP.
Il consumo in Italia si mantiene più basso rispetto ad altri paesi europei per un minor sviluppo industriale,
ma anche grazie ad una recente più accorta politica economica.
4
I consumi di energia primaria nei principali Paesi del Mondo dal 1970 al 1996 sono costantemente
aumentati ma con cali della percentuale di aumento, eccezion fatta per molti paesi in via di sviluppo dove
il fabbisogno è in costante aumento.
Secondo le previsioni (che notoriamente hanno valori anche assai diversi tra loro a seconda
dell'orientamento politico-economico dell'ente che le pubblica) per il 2020 lo sviluppo mondiale dei
consumi di energia dovrebbe aumentare da un minimo di 11.400 ad un massimo di 15.400 MTEP
(megaTEP = 106 TEP).
Conseguentemente si registrerebbe ad esempio un aumento delle emissioni di CO2 dalle attuali 6.000
Mtonnellate a circa 10.000 Mt con conseguenti preoccupanti effetti inquinanti.
2.2 Disponibilità delle risorse
Dal 1973 al 1990 le riserve accertate di petrolio degli USA sono dimezzate, mentre quelle del
SudAmerica sono aumentate grazie alla scoperta di nuovi giacimenti, così come in Medioriente dove sono
raddoppiate. Il problema è che la scoperta di nuove riserve non aumenta proporzionalmente all'aumento
dei fabbisogni, dunque continuando di questo passo si stima che il petrolio disponibile potrebbe finire al
massimo tra 30 anni.
Per quanto riguarda il gas naturale ed il carbone (che permettono utilizzazioni alternative nella
combustione rispetto al petrolio), invece, c'è meno penuria ma il primo viene consumato molto
rapidamente, mentre l'altro è molto inquinante.
In particolare l'energia elettrica è tra le più pregiate perché permette numerosissime applicazioni ed è
facilmente distribuibile. La penetrazione dell'energia elettrica (ossia la parte del fabbisogno energetico
coperta dall'energia elettrica) nel mondo è in media il 37%.
L'Italia copre il 37% della richiesta nazionale di gas naturali con le proprie risorse, e deve importare il
resto, per quanto riguarda il carbone ed i combustibili solidi, invece ha una produzione quasi nulla. Per
l'importazione di gas naturali ci sono i grandi metanodotti che vanno in Russia, Algeria, Olanda; sono
grandissime opere, con tubazioni che passano sotto mari e fiumi, ma hanno il difetto di essere molto
“fragili” in quanto su un percorso di 6000 km può bastare poco a bloccarle ed è difficile controllarle.
L'Italia compra il gas naturale anche dalla Libia, ma non attraverso un metanodotto perché fino a qualche
anno fa non c'erano rapporti politici favorevoli, così esso viene trasportato da navi metanifere che tengono
il liquido in serbatoi a bassissima temperatura. Questo tipo di trasporto, però richiede molta cautela,
perché una percentuale del 7 - 15% di metano nell'aria è miscela esplosiva, dunque si odorizza il gas per
potersi accorgere il prima possibile di eventuali fuoriuscite.
In Italia attorno all’anno 2000 si producono in tutto circa 34 MTEP, se ne importano 157, ed esportano 17
(ma solo dopo averli importati e lavorati, dunque vengono anche quelli dall'estero). Il consumo interno
lordo è di 174 MTEP.
Le previsioni per l'Europa fino al 2020 sono di un aumento dei consumi accompagnato, però, da un calo
della produzione.
In Italia la media dei consumi del settore residenziale è del 15-20% dei consumi totali, con valori minori
al sud in virtù del clima più caldo.
I valori dei consumi legati al residenziale e al terziario, infatti, sono in gran parte dovuti al riscaldamento
e al condizionamento. Quest'ultima voce in particolare, con l'avvento dei condizionatori d'aria, ha subito
negli ultimi anni un aumento considerevole, tanto che in alcune località turistiche, ma in generale in tutto
il Paese, si registrano consumi estivi confrontabili con quelli invernali.
In Italia l'energia è al primo posto pressoché costantemente sulla bilancia dei pagamenti in uscita, soltanto
a volte in estate scendeva al secondo. La previsione di domanda energetica per il 2010 annuncia un
aumento, dunque, se non ci saranno sviluppi imprevisti della produzione energetica nazionale, le
importazioni sono destinate ad aumentare proporzionalmente.
Per legge è obbligatorio il "bunkeraggio", ossia l'immagazzinamento di una certa quantità di materie
energetiche in luoghi sicuri, escludendola dalla distribuzione, in modo che sia garantito un minimo di
autosufficienza per brevi periodi di crisi.
La quota attuale di materie energetiche destinate al bunkeraggio è di circa 4 MTEP sui 174 totali di
consumo interno lordo.
5
N.B. In Italia dei 174 MTEP di consumo interno lordo se ne importa l’80% circa.
3. ENERGIA ELETTRICA
In Italia si ricava poca en. dalle fonti idro–geo–rinnovabili; in Toscana l’utilizzo dell’en. geotermica è alta
per Larderello. Austria e Svezia hanno molte centrali idroelettriche. La Francia utilizza molto le centrali
nucleari. In Italia avevamo alcune centrali nucleari (Ispra, Caorso, …) ma poi le abbiamo chiuse.
Il pericolo rimane comunque, basti pensare all’incidente di Chernobil nel 1986, che pur distante da noi
1500 Km ha comportato effetti di qualche preoccupazione.
Saldo import-esport elettrico: in Austria è nullo perché è in grado di provvedere al proprio fabbisogno
soprattutto mediante centrali idroelettriche, la Francia, con tante centrali nucleari, esporta, l’Italia importa
molto (più del 20% del suo fabbisogno).
Il consumo e quindi la richiesta di energia elettrica sta aumentando in tutti i paesi industrializzati tra cui
l’Italia. Nel nostro paese la domanda di energia elettrica nel ’94 era pari a 254 miliardi di kWh, con un
aumento del 2,9 % rispetto al ‘93 e del 34% nell’ultimo decennio. In Italia c’è la più bassa penetrazione
elettrica, cioè la quota parte del fabbisogno di energia coperto dall’energia elettrica. Anche il consumo
pro capite, circa 3 TEP/anno, è uno tra i più bassi dei paesi industrializzati; la media mondiale del
consumo pro capite è circa 1,5 TEP/anno.
La situazione italiana non è particolarmente felice perché ha un’elevata dipendenza dall’estero (per la
fornitura di energia elettrica compra parecchio dalla Francia) e una scarsa differenziazione delle fonti di
produzione.
N.B. Differenza tra potenza e consumo
L’impegno di potenza max erogata dalla ditta erogatrice di energia elettrica viene stabilito per contratto
ed è espresso in KW (ad esempio nelle civili abitazioni la potenza è generalmente pari a 3 kW).
Il consumo è energia, cioè potenza in un determinato intervallo di tempo, ed è espresso in kWh. Ad
esempio un complesso come Santa Verdiana consuma 10-12000€ al mese di energia elettrica. All’utente
l’energia elettrica costa circa 200 Lire = 0,10€ al KWh. Quindi in casa posso prendere molta energia ma
non tutta la potenza che voglio.
Infatti, l’Enel crea dei condotti di distribuzione (fili, cavi) in previsione del numero degli utenti e della
potenza max da loro richiesta in una determinata zona; ad esempio se ho una strada con 10 utenti con
contratti da 3 KW ciascuno, l’Enel prevederà un conduttore da 30 KW.
In ogni produzione di energia ne viene persa una certa quantità già alla produzione: per quella
termoelettrica la perdita si aggira intorno al 30 %.
Un altro problema dell’energia elettrica è che non è cumulabile, è istantanea, quindi tutta quella prodotta
quando non c’è richiesta viene dispersa. Se al posto delle centrali termoelettriche, che funzionano sempre
allo stesso regime, si fossero potenziate quelle idroelettriche, che possono funzionare a seconda delle reali
necessità, questo problema verrebbe superato.
Poi, l’energia elettrica deve essere trasportata e durante il trasporto ne viene persa circa un 30%, la perdita
è inversamente proporzionale alla differenza di potenziale, quindi il trasporto è bene avvenga ad alta
tensione.
In Italia si trasporta en. el. ad alta tensione (per le linee principali di solito a 130 KV); più è elevata la
tensione minore è la perdita. Con il trasporto ad alta tensione si perde circa 1/3 di energia, se la
trasportassi a 20V ne perderei il 99%. L’energia elettrica si trasporta o per linee aeree sospese, o per cavi
interrati, e comunque con reti molto costose, basti pensare ad esempio che un traliccio ad alta tensione
6
costa più di 50.000€, mentre interrare i cavi non ha un costo molto elevato, sono i cavi stessi e la loro
protezione a costare parecchio.
Il valore di mercato dell’energia elettrica cambia a secondo del momento della giornata, cioè se c’è più
richiesta o meno (vedi fig.). L’Enel ha quattro fasce orarie di prezzo, durante la notte l’en. costa un quinto
del prezzo corrente.
diagramma di carico giornaliero in una città medio-piccola durante un giorno feriale
Lampade a risparmio energetico
Le lampade fluorescenti compatte con alimentatore integrato elettronico per attacchi usuali più
economici, sono caratterizzate da:
Durata pari a 6 anni (con l’accensione media di circa 3 ore al giorno9;
Un prodotto di qualità per l’impiego domestico;
Circa 75% di risparmio energetico rispetto alle lampade ad incandescenza convenzionali;
Accensione immediata e assenza di sfarfallio durante il funzionamento;
Vasto assortimento.
3.1 Produzione d’energia Elettrica
Per produrre energia elettrica è fondamentale disporre di lavoro (albero rotante) per ottenere tramite un
flusso magnetico indotto (statore con poli Nord-Sud ed avvolgimenti metallici sull’albero rotante) ai capi
di tali avvolgimenti una differenza di potenziale elettrico (fem).
Le centrali termoelettriche funzionano sempre a pieno regime, si fermano solo ogni 2-3 anni per
manutenzione e quindi c’è molto spreco. Molto più interessante è la produzione istantanea delle centrali
idroelettriche. Dal ’60 in poi non vengono più valorizzate le centrali idroelettriche per ragioni economiche
e politiche. Adesso è possibile, in Italia, anche per i privati produrre en. el. e venderla all’Enel.
3.1.1 Centrale idroelettrica
Descrizione molto semplificata di una tipica centrale idroelettrica: a monte, dove è possibile, si chiude un
fiume con una diga e quando si vuol far defluire l’acqua per creare energia elettrica si aprono le paratie.
L’acqua scende a valle nelle condotte forzate (grosse condutture di diametro 1-1,2 m e preferibilmente
molto ripide) fino ad arrivare alla centrale. A valle c’è una turbina che muove l’albero, tagliando un
campo magnetico si crea così una differenza di potenziale (stesso funzionamento della dinamo di una
bicicletta, ad esempio).
Equazione bilancio energetico per un kg di acqua tra la sez.1 (livello acqua nel bacino) e sez.2 (sbocco a
valle all’ingresso in turbina):
W2″-W1″
2
+ g ( Z2 - Z1 )
+ (P2 - P1) + R = L
r
7
R è trascurabile, W1 = 0 circa perché l’acqua è quasi ferma.
E’ importante il dislivello perché l’acqua nella condotta forzata scende velocemente e l’energia
potenziale si trasforma in en. cinetica.
Quando non è possibile utilizzare grandi dislivelli bisogna usare grandi portate d’acqua (centrale
idroelettrica per basse cadute). L’obiettivo è quello di produrre lavoro (L) a spese di energia potenziale
(caduta di livello) o cinetica, e con il lavoro prodotto far girare l’albero di una turbina.
3.1.2 Centrali termoelettriche
Ogni volta che si brucia un atomo di carbonio (metano, petrolio, carbone) si emette CO2 (anidride
carbonica) quindi inquinamento.
Nelle centrali termoelettriche c’è bisogno di un combustibile che viene bruciato in una caldaia, e quindi
emette gas e scorie. Nella caldaia, grande come una stanza, si produce vapore d’acqua (reazione
esotermica). Il vapore esce dalla parte superiore della caldaia e viene buttato dentro, seguendo un breve
percorso, ad una turbina a vapore. Nella turbina ci sono le palette fissate attorno ad un asse, alla fine del
quale ci sono gli avvolgimenti elettrici e si produce en. el. Il vapore poi espanso nella turbina ha bisogno
di essere raffreddato tramite un condensatore, per poi diventare acqua che viene ripompata in caldaia per
ricominciare il ciclo.
E’ facile che le centrali siano sul mare, ad esempio Porto-Tolle (FE) e La Spezia, perché possono
utilizzare l’acqua di mare per raffreddare e perché è più semplice ricevere via mare il combustibile
(petrolio o carbone).
A Larderello non serve la caldaia perché si prelevano deal terreno i soffioni di vapore molto caldo.
3.1.3 Centrali nucleare (reattore ad uranio)
Nel reattore nucleare avviene il bombardamento che produce una reazione esotermica e si produce en. el.
nello stesso modo che nelle centrali termoelettriche. La caldaia è sostituita dal reattore, dove avviene una
reazione controllata, mentre nelle bombe nucleari la reazione avviene a catena, senza controllo!
3.2 Problematiche riguardanti l’energia elettrica
Circa un terzo del fabbisogno energetico italiano è consumato sotto forma di energia elettrica. Il nostro
paese importa energia elettrica da Francia, Svizzera, Germania, Austria, Cecoslovacchia, Jugoslavia,
Albania e Grecia.
Verso alcuni paesi stranieri abbiamo anche delle esportazioni di energia elettrica, perché molte delle
nostre centrali devono lavorare a ciclo continuo, e quindi in certe ore della notte hanno un surplus di
produzione. Questa energia, però, la esportiamo quando la richiesta è bassa e dunque costa poco, mentre
quando la importiamo lo facciamo nelle ore di maggiore richiesta e dunque a prezzi molto più alti.
Questa situazione è il risultato di diverse scelte politico-economiche, ad esempio nel 1973 in conseguenza
della primo conflitto arabo-israeliano si verificò una gravissima crisi petrolifera, durante la quale era un
problema anche l'approvvigionamento di gasolio per i riscaldamenti di case e fabbriche.
Questo avvenimento segnò uno spartiacque per la politica energetica mondiale.
In Francia, per esempio, in seguito a quella crisi si decise l'adozione dell'energia nucleare per usi civili
(elettrico). In Italia, il referendum del 1988 (?) decise per il no al nucleare.
Il problema è sorto perché dopo il no al nucleare non si sono cercate alternative, ad esempio si sarebbero
potute incentivare le centrali idroelettriche, così dal 1973 in poi le importazioni sono aumentate sempre
più, in proporzione allo sviluppo del paese.
La produzione di energia in centrali termoelettriche genera inquinamento, in genere gli scarti della
produzione di energia sono ossidi di zolfo (SOx) e ossidi di azoto (Nox).
Una volta liberati in atmosfera questi elementi reagiscono con il vapore acqueo portando così alla
formazione di HSOx (acidi solforici) e HNOx (acidi nitrici), che sono altamente corrosivi. Le centrali
8
immettono in atmosfera migliaia di tonnellate di queste sostanze, oltre ad elevate emissioni di CO2 che
pare il principale responsabile dell'effetto serra.
Le centrali idroelettriche, invece, non producono emissioni inquinanti e producono grandi quantità di
energia, il loro unico inconveniente è l'elevato impatto ambientale dovuto alla chiusura di una valle e al
suo allagamento.
L'energia idroelettrica, in Italia è una risorsa sottosfruttata, infatti il paese è ricco di corsi d'acqua e
bastano anche piccoli salti per produrre energia elettrica.
Si potrebbero sfruttare anche dei microgeneratori, ossia piccole eliche che immerse in acqua corrente
creano energia elettrica sfruttabile anche a dimensione modesta (quasi a livello familiare).
La conseguenza di questa politica energetica è che mentre in media nel mondo petrolio e gas naturali
soddisfano insieme il 25% del fabbisogno energetico, in Italia questa percentuale sale al 70-80%.
Inoltre l'Italia, tra i paesi più sviluppati, è, insieme al Giappone quella più dipendente dall'estero per il suo
fabbisogno energetico in generale, ed elettrico in particolare.
L'argomento, comunque ha molte sfaccettature, e anche a posteriori non è facile dire quali siano state le
scelte giuste e quali no.
La Francia, ad esempio, in virtù dell'installazione sul suolo nazionale di centrali nucleari ora è quasi in
pari con il bilancio energetico elettrico, ma qual è il prezzo da pagare per questo? Le centrali nucleari una
volta avviate producono in continuazione, ma i prezzi e soprattutto i rischi sono elevati. Pertanto, attorno
all’Italia vi sono molte centrali nucleari (in Francia, Svizzera, Croazia), per cui noi corriamo, assieme a
loro, gli stessi rischi, senza averne i benefici!
Per quanto riguarda le energie alternative, in generale non sono soluzioni risolutive. Il solare, l'eolico
sono sistemi che presentano molti vantaggi, primo fra tutti quello di non inquinare, salvo l’impatto visivo,
seguito dalla possibilità di produrre energia in loco e da molti altri, ma devono abbassare molto il loro
prezzo per essere competitivi con gli idrocarburi.
Inoltre un dato di cui bisogna sempre tenere conto è il fatto che l'energia elettrica è molto versatile e
pregiata, ma nei vari passaggi: dalla sua produzione e dal trasporto ne vanno dispersi circa i due terzi.
Dunque nella nostra presa di corrente elettrica arriva solo il 30% dell'energia primaria (in potenzialità), e
di essa nella lampadina viene sfruttato solo il 2% per fare luce, dunque gli sprechi sono enormi, e
ricordarsi di spengere sempre la luce quando non serve sarebbe già un bel risparmio (monito ricorrente
dei nostri nonni negli anni ’50!).
3.3 L’energia elettrica in Italia
Le centrali che producono en. elettrica in Italia sono suddivise nelle seguenti percentuali: il 32% brucia
olio combustibile, il 20% sfrutta l'energia idroelettrica, il 36% brucia gas naturale, l'8% il carbone.
Dal '90 ad oggi il numero delle centrali termoelettriche a carbone è in costante calo per i problemi di
trasporto ed inquinamento che per questo materiale sono notevoli.
Una possibilità di sfruttamento alternativo del carbone sarebbe quella del carbone gasificato, che
comporta minor inconvenienti, ma, per ora rappresenta una fetta minima del mercato energetico.
In Italia un 10% della potenza elettrica complessiva è generata dagli autoproduttori, principalmente con
impianti di cogenerazione o di valorizzazione dei rifiuti.
Ci sono anche alcuni autoproduttori nel settore idroelettrico, cioè gruppi di investitori che con il permesso
dello stato creano il lago artificiale, costruiscono la centrale e poi utilizzano per sé o vendono l'energia
prodotta.
Le centrali idroelettriche italiane sono situate sulle Alpi, e, in misura minore, sugli Appennini.
Analizzando i dati statistici sulla composizione della tariffa elettrica media nazionale si può notare come
essa sia rappresentata per il 10,6% dagli oneri generali (1,2 cent/kWh), per il 41,5% dai costi fissi
(generazione, trasporto, distribuzione - 4,75 cent/kWh), per il 38% dal costo dei combustibili (4,34
cent/kWh) e per il 9,9 % dalle imposte (1,136 cent/ kWh).
Le prospettive per il futuro, dunque, non sono molto rosee, visto che l'attuale prezzo del petrolio è di circa
30 $ a barile, e tutto fa pensare che da ora in poi tale cifra non possa fare altro che salire. C'è inoltre da
ricordare che l'Italia deve importare circa il 15% dell'energia elettrica che consuma.
9
4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO
Il problema energetico venne affrontato per la prima volta in ambito normativo a seguito della grande
crisi energetica del 1973.
La prima legge a riguardo è la 373 del 1976, con la quale si impose l'isolamento termico negli edifici di
nuova fabbricazione.
Nel 1977 vengono stabilite le aree climatiche a cui adattare la legge 373.
Già in tale Legge si prevedeva il calcolo del fabbisogno termico da presentare in comune con i calcoli di
Cd = coefficiente volumico di dispersione , di Cv = coefficiente volumico per la ventilazione , e di Cg =
coefficiente volumico globale, allegati al progetto dell'isolamento e dell'impianto dell'abitazione.
Nel 1982 questo obbligo fu esteso anche alle industrie, ed un’altra Legge (n.308), si favoriva e
incentivava il contenimento dei consumi energetici e l'uso di energie rinnovabili.
Nel 1983 viene pubblicata la legge 645 contenente disposizioni per l'esercizio degli impianti di
riscaldamento che ne limitano l'impiego ad un numero massimo di ore.
4.1 Legge 10/91 e Decreti attuativi
Le Leggi attualmente vigenti in campo di regolamentazione della produzione, del risparmio e dei consumi
energetici sono le 9 e 10 del 1991.
In tale anno esce la legge 9 contenente le norme per l'attuazione per il piano energetico nazionale. Questa
legge riguarda i grandi consumatori di energia e dedica un capitolo agli impianti idroelettrici, uno agli
idrocarburi, di cui incentiva la ricerca sul suolo nazionale, e così via fino al capitolo in cui sancisce delle
norme per gli autoproduttori di energia elettrica e per gli enti locali.
Sempre del 91 è la legge 10 i cui primi due articoli hanno l'obbiettivo di migliorare i processi di
produzione, di imporre un uso razionale dell'energia, di contenere i consumi, di sviluppare le fonti
rinnovabili. Il terzo articolo specifica che per fonti rinnovabili si intendono: l'energia solare, eolica,
idraulica, geotermica, quella dovuta alle maree e al moto ondoso, quella proveniente dalla trasformazione
termica dei rifiuti, la cogenerazione e le fonti assimilate.
Nella Legge 10/91, un capitolo molto importante, e complesso, a questo proposito è quello riguardante la
climatizzazione degli edifici, ed in particolare il loro riscaldamento invernale, ed i sistemi per evitare le
dispersioni di calore attraverso l'involucro.
La Legge 10/91 è la Legge quadro che ha fissato gli obiettivi del PEN (Piano Energetico Nazionale); per
l’attuazione rimanda a decreti incentrati su due obiettivi: sistema edificio e sistema impianto. Mancano
però ancora i decreti riguardanti l’art. 4 comma 1-2, che riguarda le tipologie degli edifici. E’ stato
emanato il Decreto che riguarda gli impianti, ma non è sufficiente un buon impianto per sopperire ad una
cattiva progettazione. Per la Legge Bassanini la certificazione energetica è diventata di competenza
regionale, di recente (Dic. 2002) è stata emanata al riguardo anche una Normativa Europea, che dovrà
essere recepita entro tre anni.
Il settore residenziale e commerciale rappresenta il 40 % dei consumi totali e questo riguarda soprattutto
gli edifici.
4.2 Terminologia
Concetto di edificio: spazio delimitato da un involucro riscaldato con energia da un unico impianto.
Solitamente abbiamo un condominio ed ogni appartamento ha la propria caldaia, quindi si hanno vari
edifici con diverse condizioni termiche oppure posso avere casi con impianto centralizzato.
Zona termica: l’impianto deve permettere di considerare e gestire in modo diverso le varie zone
termiche. Per il DPR 551 è obbligatorio che ogni alloggio o unità immobiliare abbia un impianto
indipendente con propria termoregolazione e controllo dell’erogazione effettiva.
10
Libretto di impianto e/o di centrale: ogni caldaia deve averlo, e ogni due anni si deve registrare il
controllo del tecnico per quelle più piccole < 35 kW; ed ogni anno per quelle di potenzialità maggiore con
il libretto di centrale.
4.3 Decreti attuativi
Il DPR 412/93 regola la parte impiantistica e introduce alcuni nuovi fattori, è stato poi in parte rivisto dal
DPR 551/99.
I decreti rimandano ad una normativa tecnica che non ha cogenza a meno che non sia richiamata da un
decreto, norme UNI10300, altrimenti sono facoltative. Ovviamente averle rispettate, in caso di problemi
pone il progettista a riparo da rischi. Così nel 94 vengono rese cogenti le norme UNI che riguardano
l'argomento.
Per quanto riguarda il sistema edificio-impianto, la normativa, oltre al Cd lim, ha introdotto nuovi
parametri di verifica:
FEN fabbisogno energetico normalizzato
η g rendimento globale dell’impianto
Cd coefficiente volumico di dispersione per trasmissione .
Secondo la legge attuale il coefficiente volumico di dispersione limite (Cd lim) dipende dal rapporto tra
la superficie lorda disperdente e il volume, e dai gradi giorno (GG). I gradi giorno sono una unità di
misura convenzionale che è indice della rigidezza del clima di una certa zona (ad esempio a Firenze si
hanno 1800 GG).
Il volume da riscaldare e la superficie esterna disperdente, dunque, sono dati fondamentali per tali
limitazioni.
Infatti maggiore è il volume maggiore sarà l'energia necessaria a riscaldarlo. E' per questo che in
Trentino, dove il clima è rigido, per il risparmio energetico la regione impone un limite massimo per
l’altezza dei soffitti di locali abitativi di 2,5m.
A parità di volume contenuto, la superficie disperdente minore è la sfera, infatti gli igloo funzionano bene
nei climi polari perché hanno forma emisferica.
Le ultime disposizioni sul Cd limite impongono un valore molto basso, quindi nel progettare nuovi edifici
bisogna isolare molto. E' importante ricordare che una volta che si è deciso di applicare uno strato di
isolante, dal punto di vista economico-prestazionale è un errore prevederlo sottile, visto che il prezzo del
materiale è modesto a confronto della manodopera richiesta per la sua posa (che è ciò che più incide sul
costo), e questa è la stessa per qualunque spessore.
La legislazione riconosce un ruolo molto importante anche alla ventilazione con aria esterna, ed introduce
il coefficiente Cv = coefficiente volumico per la ventilazione con aria esterna.
Inoltre il legislatore fissa dei limiti minimi per il ricambio d'aria con il valore n che indica il numero dei
ricambi del volume d'aria dell’ambiente per ogni ora (vol/h).
Per le abitazioni il valore di n è di 0,5 mentre per i luoghi pubblici è 5. Vale a dire che in un luogo
pubblico in un ora nell’ambiente in questione deve passare una quantità d'aria nuova pari a cinque volte il
volume della stanza stessa.
La legge 373 già prevedeva una riduzione di Cd in funzione del rapporto tra superficie disperdente e
volume e dei GG. La legge 10 del 91 introduce un ulteriore abbassamento del valore limite di Cd ed
un'altra modifica al rapporto S/V. Altre indicazioni di questa legge sono il miglioramento del rendimento
degli impianti, l'incremento della massa efficace delle strutture, il miglioramento del fattore di utilizzo
degli apporti energetici gratuiti, l'adozione per lo svolgimento di certi calcoli della temperatura operante (
che tiene conto anche dell'irraggiamento) al posto di quella dell'aria.
Per la legge 10, dunque, in un progetto il Cd di calcolo deve essere minore del Cd limite, ed il FEN
(fabbisogno energetico normalizzato) di calcolo minore del FEN limite.
Il FEN si misura in J/ m≥ °C giorno, e si ottiene attraverso una serie di formule da scegliere a seconda del
volume da riscaldare.
Il calcolo subisce delle variazioni per edifici con volume riscaldato superiore a 10000m3.
11
Il procedimento di calcolo stabilito dalla legge 10 prevede:
l'individuazione di parametri climatici quali l'area geografica, da cui si ottengono i gradi giorno, la
temperatura media esterna mensile, la temperatura operante (che dipende dalla categoria di uso),
l'irradiazione solare, la velocità e la direzione prevalente del vento; inoltre prevede la suddivisione
dell'edificio in zone caratterizzate dalla temperatura o dalla destinazione d'uso, il calcolo dei Cd secondo
le norme UNI 7357, il calcolo dei valori mensili dell'energia Q1 scambiata per trasmissione e ventilazione
attraverso il contorno di ciascuna zona.
Semplificando si può dire che
FEN =
Q
[ KJ/ m³ °C g]
(θi - θem)NV
Con :
Q
= fabbisogno energetico primario per il riscaldamento dell'edificio
θi
= temperatura interna di progetto
θem = temperatura media stagionale esterna
N
= numero di giorni del periodo di utilizzo del riscaldamento
V
= volume lordo dell'edificio da riscaldare
Il valore di Q viene fornito dalla UNI 10344
Per affrontare il problema delle dispersioni sia la Legge 373, prima, che ora la Legge 10 introducono il
"coefficiente volumico di dispersione termica" Cd definito con la seguente formula:
Cd = Qd = Σ Ki Si ∆ti + Σ Klj ∆tj
V ∆t
V (Ti - Te)
Dove Qd
V
Ki
Si
Cd
Cv
αi , αe
λi
Ck
=
=
=
=
=
=
=
=
=
( W / m3 °C )
quantità di calore dispersa nell’unità di tempo (J / s = W)
volume dell'ambiente riscaldato (m3)
coefficiente globale di scambio termico dell’elemento disperdente i-esimo
(es. pavimento, finestra, parete, ecc.) (W / m2 °C)
Superficie dell’elemento i-esimo (m2)
dispersione termica dell'involucro (W / m3 °C)
dispersione termica dovuta al ricambio d'aria (W / m3 °C)
coeff.di scambio termico superficiale interno ed esterno (W / m2 °C)
coeff. di conduttività termica dell’elemento i-esimo (W / m °C)
coeff. di conduttanza termica per gli strati non omogenei (es. solaio in
laterocemento) (W / m °C)
Alcuni articoli del DPR 412
art.2 divide l’Italia in zone climatiche da A a F.
Ad esempio Firenze è nella zone D che prevede l’accensione del riscaldamento per 12 ore giornaliere
dal 1° Novembre al 15° Aprile.
art.3 divide gli edifici per categorie.
art.5 definisce η g.
art.8 definisce la limitazione del consumo- concetto di FEN.
Verifiche richieste dalla legge:
η g > o = η g lim
FEN < o = FEN lim
Cd < o = Cd lim
12
Q: energia primaria necessaria per produrre calore, nella trasformazione si perde sempre una parte di
energia.
Il rendimento dipende dalla caldaia, dalla regolazione, dalle dispersioni, dall’isolamento delle tubazioni; il
rendimento medio stagionale del sistema impianto è il prodotto dei singoli rendimenti.
FEN = ___Q___
∆t * N*V
N = numero dei giorni del periodo convenzionale di riscaldamento
V = volume lordo riscaldato
FEN lim = [ ( Cd lim + 0.34 n ) – Ku ( 0.01* I + θ) ] 86.4
dθ m dθn ηg lim
4.4 Isolamento Termico
Le tecniche per realizzare una parete isolata termicamente sono molteplici. In generale ci sono alcuni
accorgimenti che consentono di ottenere buoni risultati, ad esempio spesso conviene aumentare
leggermente lo spessore dell'isolante e non predisporre una camera d'aria, infatti all'interno di essa si
innescherebbero dei moti convettivi che non permettono un isolamento altrettanto efficace.
Inoltre nel progettare una parete è importante ricordare che la quantità di materiali isolanti usata incide in
maniera minima sul prezzo della costruzione, visto che nel loro caso è la messa in opera a costituire la
vera spesa. Dunque se si decide disporre nelle pareti degli strati di materiale isolante conviene prevederne
uno spessore abbondante, in modo da essere sicuri del risultato a fronte di un aumento di spesa minimo
(vedi tabelle Norme Europee allegate).
Ad esempio progettare una parete con 2 cm di isolante significa spendere molto per la sua messa in opera
ma ottenere risultati modesti , mentre con un ulteriore spessore di 2-3 cm il risultato sarebbe stato molto
migliore a fronte di un aumento di spesa irrisorio.
Un altro dato importante è quello relativo al vetro-camera che mediamente dimezza la dispersione delle
superfici vetrate.
Se analizziamo due locali identici come dimensioni ma dei quali uno è stato progettato prevedendo
l'isolamento termico, mentre l'altro non è isolato si nota come il locale isolato disperda meno di un terzo
del calore dell'altro, cioè si risparmia facilmente il 65-70%.
Dunque per ottenere le stesse condizioni ambientali nei due ambienti, quello non isolato necessiterebbe di
radiatori più grandi e caldaie più grandi che, oltre ad occupare più spazio consumerebbero di più ed
inquinerebbero di più.
Facendo questo esperimento in un clima tipicamente padano, in cui consideriamo la temperatura esterna
pari a -5° C la temperatura superficiale interna della parete non isolata sarebbe di 16°C, mentre su quella
isolata ne registreremmo 19°C.
Dunque la differenza sarebbe di circa 3°C, ma non modesta per gli scambi termici per irraggiamento.
Infatti, la formula di cui dobbiamo tener conto in questi casi, secondo gli scambi per irraggiamento, è la
seguente:
Q1 = S F [ (Tc2)2 -( Tmr2)2 ]
Dove:
S
= superficie esposta del corpo umano
F
= fattore di vista del corpo umano nell’ambiente
Tc = temperatura del corpo umano in gradi Kelvin (35°C + 273 = 308 K)
Tmr = temperatura (Kelvin) media radiante delle superfici dell’ambiente “viste” dal corpo umano (circa
15-19°C, cioè 288-292K)
13
Ne deriva che più il corpo è vicino ad un corpo freddo, es. vetro semplice di una finestra, maggiore è lo
scambio quindi il corpo si raffredda molto.
Si nota come in questa formula le temperature (Kelvin) compaiano elevate alla quarta potenza, quindi
anche la differenza di soli tre gradi misurata nel caso di cui sopra diventa molto importante.
In materia di isolamento termico un altro argomento di grande importanza sono i ponti termici. Il caso più
frequente si verifica all'intersezione tra i solai e le pareti dove spesso nei progetti meno attenti si
verificano interruzioni degli strati isolanti, ma situazioni analoghe si possono verificare anche in
corrispondenza delle spallette e degli architravi delle aperture, o dei pilastri esterni.
I ponti termici sono dannosi in quanto portano alla formazione di zone di forte dispersione termica in
corrispondenza delle quali la temperatura è minore rispetto a quella del resto della parete, e talvolta in
misura sufficiente a far condensare il vapore acqueo contenuto nell’aria, tanto che a lungo andare genera
umidità e muffe.
L'unica contromisura contro questi inconvenienti è la realizzazione di uno strato isolante continuo
sull'intera superficie muraria a contatto con l'esterno, sia in fase di progetto che realizzativa.
Questa soluzione risulta di facile realizzazione nelle nuove costruzioni, dove può essere prevista sin dalla
fase di progetto, mentre risulta più problematica negli interventi su edifici esistenti.
In questi casi si adottano pannelli isolanti da incollare alle pareti, che in genere vengono posizionati
all'interno dell'edificio. Questa soluzione offre il vantaggio dal punto di vista progettuale di poter
intervenire solo su alcune zone, ma è meno efficiente dal punto di vista termico.
L'adozione di sistemi di isolamento termico su edifici esistenti rientra nella lista degli interventi
finanziabili dallo stato in quanto appartenenti alla categoria a (vedasi L.10/91 , art. 8, tab. A ).
L'adozione di uno strato isolante è consigliabile anche se ho grosse pareti di pietra, inoltre può essere
usato anche per suddividere aree di uno stesso alloggio con destinazioni d'uso diverse.
Gli interventi migliori in assoluto sotto il punto di vista dell'isolamento termico (anche nel recupero
edilizio quando è possibile) sono quelli che prevedono di fissare l'isolante all'esterno e di rivestirlo con
una rete plastica che faccia da supporto all'intonaco plastico. Quest'ultimo, infatti, ha la caratteristica di
lasciare uscire il vapor acqueo pur rimanendo impermeabile alla pioggia. Questo tipo di soluzione è detta
"a cappotto", poiché riesce a coprire con lo strato isolante tutte le zone, sia correnti che d’interazione.
Un'altra soluzione alternativa è la parete ventilata che è come la precedente ma invece di avere l'intonaco
posato direttamente sul manto isolante, prevede un rivestimento staccato e sostenuto mediante ganci o
staffe metalliche.
Questo tema può subire diverse varianti quali l'adozione di camere d'aria ventilate che in estate
impediscono l'ingresso di aria calda. Queste camere d'aria basano il loro funzionamento sul fatto che lo
strato esterno, irraggiato dal sole scalda l'aria presente nell'intercapedine, ed essa diventa più leggera
tende a salire per poi uscire dall'alto. In questo modo non stando ferma l'aria non ha il tempo di trasferire
il suo calore alla parete. In inverno, invece l'aria sta ferma e il sistema funziona come un semplice muro a
camera d’aria. In questa situazione, però la circolazione dell'aria ridurrebbe il potere isolante del sistema
nelle giornate particolarmente ventose, ed il suo funzionamento risulterebbe fortemente compromesso,
pertanto è bene prevedere artifizi costruttivi che consentano la chiusura della lama d’aria.
Per garantire un buon funzionamento di questo sistema è necessario che la parete esterna sia costruita con
un materiale conduttivo così la circolazione si innesca velocemente.
Questo principio è lo stesso che sta alla base del tetto ventilato, una delle soluzioni migliori per
l'isolamento delle coperture.
Un'altra considerazione importante è che i materiali isolanti non sono in grado di garantire inerzia
termica, in quanto hanno massa molto piccola, dunque è sempre bene abbinarli a pareti massive in modo
che, soprattutto per i periodi caldi l'inerzia sia garantita. Ricordarsi che l’isolante termico risulta efficace
nel periodo invernale, ma in modo assai modesto in quello estivo.
Nell’ edilizia bioclimatica è importante il coefficiente ηu, cioè il coefficiente di utilizzo delle risorse
gratuite. A questo riguardo gioca un ruolo importante l'inerzia termica dell'edificio che è una diretta
conseguenza della sua massa. Infatti maggiore è la massa maggiore sarà la capacità di accumulo, così se
un muro è in grado di immagazzinare il calore quando ne ha a disposizione lo restituirà progressivamente
14
quando la temperatura cala. Per fare questo è necessaria una certa massa, infatti una roulotte non disperde
calore perché è molto isolata, ma non ha inerzia termica perché le sue pareti sono molto leggere.
La legislazione regionale dell’E. R. fornisce anche la formula per calcolare il fattore di inerzia termica i.
5. L'ENERGIA SOLARE
5.1 Caratteristiche
L'energia del sole si trasmette attraverso il fenomeno dell'irraggiamento, che, come noto avviene
attraverso onde elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e quindi possono
farlo anche nel vuoto.
Gli effetti termici si hanno per lunghezze d'onda dell'ordine dei micron.
Lo studio dell'energia solare si basa sulle leggi dell'irraggiamento: si noti come per i corpi neri la legge di
irraggiamento sia: Q =I○ S = σ○ S ( T²)²
dove I è il potere emissivo integrale , S è la superficie del corpo e T è la temperatura termodinamica (in
scala Kelvin) del corpo.
Dunque la quantità di calore è sempre proporzionale alla superficie moltiplicata per la temperatura elevata
alla quarta potenza, il che comporta che anche una differenza di pochi gradi ha un grande effetto.
Il comportamento del sole si può assimilare a quello di un corpo nero alla temperatura di 5762 K, ma gli
effetti di tale radiazione sono leggermente smorzati dall'atmosfera terrestre che agisce come un filtro.
La gran parte dell'energia solare arriva sulla Terra attraverso i raggi infrarossi , e comunque l'intera
quantità di energia solare arriva con onde di lunghezza d'onda (λ) compresa tra 0 e 2,5 micron:
vediamone ora le caratteristiche per intervalli di λ :
- tra 0 e 0,36 micron la zona degli ultravioletti,
- tra 0,36 e 0,78 micron si ha l’energia luminosa (luce bianca naturale),
- tra 0,78 e 2,5 micron zona degli infrarossi, responsabili della trasmissione dell’en. termica .
N.B. 1 Buco Ozono
Nel campo degli ultravioletti, il compito dell'ozono (O3) è importantissimo, perché è quello di assorbire
onde elettromagnetiche soprattutto nella fascia tra 0 e 0,3 micron, appunto quella dei raggi ultra violetti
che , in dosi eccessive, sono molto dannosi per la vita umana (sono responsabili di tumori alla pelle).
La formazione del buco dell'ozono è in gran parte causata dalle catene di idrocarburi usate come gas
frigoriferi contenenti fluoro.
I gas incriminati sono i fluorocarburi, in particolare quelli della catena del freon . Sono stati messi al
bando, ma erano usati in molti campi, dunque prima che tutte le applicazioni in cui erano previsti
diventino obsolete e vengano sostituite devono passare ancora molti anni.
Il meccanismo per cui si forma il buco dell'ozono è il seguente: quando i frigoriferi, (o gli impianti di
condizionamento casalinghi o delle auto, o alcuni materiali isolanti contenenti fluorocarburi )
invecchiano, il fluido frigorigeno si disperde in atmosfera.
I fluorocarburi contengono il fluoro che per la sua forte tendenza ad attirare l'ossigeno, si dice che
"mangia l'ossigeno". Così quando queste sostanze raggiungono la fascia dell'ozono, la cui formula è O3, il
fluoro assorbe un atomo di ossigeno trasformando l'ozono in ossigeno puro O2. In questo modo la
progressiva emissione in atmosfera di fluorocarburi consuma lentamente il filtro dell’ozono del nostro
pianeta ai raggi ultravioletti.
N.B.2 Effetto Serra
Un altro fenomeno di cui si parla molto è l'effetto serra: esso è dovuto al fatto che alcuni materiali (es.
vetro, fogli di plastica) sono trasparenti alla luce solare, cioè all’energia incidente nelle lunghezze d'onda
comprese tra 0 e 2,5 micron.
15
Dunque attraverso un vetro può passare, ad incidenza perpendicolare o ad essa prossima fino a 40 gradi,
fino al 90% dell'energia solare. Una volta entrata questa energia colpisce i vari materiali contenuti nella
serra e li scalda. Gli oggetti, una volta scaldati, riemettono radiazioni con lunghezze d'onda maggiori, ma
il vetro, però, a queste radiazioni non è più trasparente, e quindi non le lascia uscire ed esse continuano a
scaldare l'interno della serra.
Questo effetto è utile e voluto nelle serre dei vivai perché permette alle piante di crescere più
velocemente.
L'effetto serra in atmosfera è basato sullo stesso principio, e sono gli strati trasparenti dell'atmosfera
stessa a svolgere il ruolo del vetro che prima lascia passare la radiazione solare e poi non permette alle
radiazioni riemesse dalla materia scaldata di uscire. Dunque è un effetto che è sempre esistito in natura,
ma negli ultimi anni la situazione è cambiata, soprattutto per l'aumento dell ‘anidride carbonica (CO2) e
di altri gas inquinanti in atmosfera, dovuto alle emissioni delle società industrializzate.
La CO2, infatti, ha dei valori molto alti di assorbimento della radiazione solare, così l'emissione costante
di migliaia di tonnellate di CO2 fa aumentare l'assorbimento e dunque il riscaldamento, e con esso la
quantità di radiazioni che non sono più in grado di uscire dall'atmosfera.
La CO2 deriva da tutti i processi che coinvolgono il carbonio, dunque il processo che ne produce di più è
la combustione degli idrocarburi.
Conclusioni : l'intera società industriale è basata sulla combustione degli idrocarburi, ed il loro consumo
è in continuo aumento in tutto il mondo, quindi è necessario trovare una soluzione.
La prima risposta a questo problema, anche se non decisiva, è la più semplice, e l'unica immediatamente
attuabile da ognuno, cioè il risparmio energetico.
Molta dell'energia consumata nel mondo attualmente viene inutilmente sprecata, spesso
inconsapevolmente o per semplice ignoranza del problema .
Dunque se, anche attraverso campagne informative di sensibilizzazione, si riuscisse a far sì che ognuno
stia attento ad accendere gli elettrodomestici o il riscaldamento solo quando è necessario, o ad isolare in
maniera efficace gli edifici in cui trascorre le sue giornate sarebbe già un primo importante passo avanti
per frenare le emissioni di CO2. Infatti anche se lo spreco giornaliero di ogni singolo individuo può
sembrare marginale, questo va moltiplicato per miliardi di persone, dunque si capisce come ogni
contributo sia importante.
Il passo successivo, molto più complesso e meno immediato, sarà la progressiva diffusione di sistemi
basati sull'energia pulita, in modo da azzerare le emissioni dannose. Questo traguardo è ancora molto
lontano, ma già da adesso è possibile muoversi in questa direzione, iniziando a progettare tenendo conto
di queste problematiche.
5.2 Utilizzazione dell’energia solare
Il Sole può essere sfruttato a proprio vantaggio nella progettazione di edifici.
Per progettare un edificio che tragga vantaggio dal Sole bisogna in primo luogo saperne la latitudine
(l'Italia è tutta compresa tra 36° e 48° di latitudine Nord), la longitudine e l'orientamento, in modo da
poter decidere di conseguenza la disposizione degli ambienti e di eventuali pannelli solari. Anche la quota
sul livello del mare gioca, per quanto riguarda l'irraggiamento un ruolo importante, infatti minore è la
quota maggiore è lo spessore di atmosfera che i raggi devono attraversare, e di conseguenza sarà minore
la quantità di radiazioni che arriva a terra.
Ad esempio è importante tenere conto del fatto che le stanze rivolte a Nord non avranno mai
irraggiamento diretto, ma riceveranno soltanto luce diffusa.
Al contrario l'esposizione a Sud garantirà un soleggiamento diretto e medio durante tutto l'arco della
giornata, mentre i grafici dell'esposizione ad Est e ad Ovest sono simmetrici , dunque ad Est avremo un
forte irraggiamento mattutino , e ad Ovest i raggi arriveranno il pomeriggio e la sera .
A questo proposito non è consigliabile progettare edifici con camere da letto rivolte ad Ovest, in quanto
l’irraggiamento solare diretto agirà scaldando tale camera poco prima che si vada a letto, creando disagio
estivo agli utenti. Situazioni come questa , se conosciute , possono essere sfruttate con vantaggio , infatti
16
in un clima freddo avere il sole che riscalda la camera poco prima di dormire è una cosa positiva , ma sarà
negativa in un clima caldo, soprattutto in estate .
Anche il modo in cui vengono progettate le aperture, cioè di solito le abituali finestre, influisce in
maniera determinante sul benessere e sui consumi in un edificio.
Un esempio per tutti è quello degli shed usati nelle fabbriche . Molte di queste aperture venivano orientate
verso Nord poiché si voleva evitare l'abbagliamento dei lavoratori causato dalla luce diretta . Questa
soluzione, però , è molto dispendiosa perché richiede l’illuminazione artificiale quasi in continuità, e
mentre l’apporto energetico solare è nullo , le aperture sono le zone termicamente più disperdenti
dell'involucro di un edificio, ed inoltre gli shed si trovano in alto , dove sale l'aria calda. Dunque
rivolgendo queste aperture a Nord si ha la situazione di massima dispersione del calore.
Orientando gli shed verso Sud , invece , e dotandoli opportunamente di aggetti esterni e di rivestimenti
interni o pannelli diffondenti , si raccoglie energia solare senza il problema dell'abbagliamento, e si
limitano le dispersioni di calore, con un bilancio energetico ed illuminotecnico nettamente favorevole.
Per ogni località sono disponibili in bibliografia i dati statistici climatici, in particolare è indicata la
radiazione media mensile espressa in MJ/m2 .
Il dato geografico più incidente per gli effetti che il Sole può avere sulla costruzione è la latitudine, infatti
con essa varia l'inclinazione con cui i raggi solari la colpiscono .
Il modo più antico di usare l'energia solare è il guadagno diretto , cioè quello che si ottiene semplicemente
dal fatto che l’edificio , o un suo particolare componente , o gli oggetti che esso contiene vengono colpiti
e dunque scaldati dai raggi solari.
Qui gioca un ruolo importante l'inerzia termica , infatti la situazione più classica è quella che si verifica
quando i raggi attraversano una finestra qualsiasi e incidono direttamente su: pavimento e pareti e gli
oggetti contenuti nell'edificio in questione, ed indirettamente anche su soffitto e pareti interne. In questo
caso tutte le superfici durante le ore di illuminazione assorbono calore che poi riemetteranno di notte con
il calare della temperatura . Maggiore è la massa che viene colpita dai raggi solari , maggiore sarà il
potere d’accumulo, e quindi il calore assorbito di giorno, e quindi quello poi riemesso di notte. A questo
processo partecipano anche gli arredi e le finiture, ad esempio un colore più scuro assorbe di più . Questo
permette di innalzare sensibilmente la temperatura e , quindi , di risparmiare sul riscaldamento nei climi
freddi , quindi si dovrà aver cura di predisporre superfici trasparenti ed interni molto assorbenti.
Per quanto riguarda le vetrate bisogna tenere conto che sono punti deboli per quanto riguarda l'isolamento
termico, e quindi le loro dimensioni dovranno essere il risultato di una mediazione tra il bisogno di
accogliere i raggi solari e quello di non far uscire il calore.
Questo vale , come già detto , nei climi rigidi, invece in Sicilia ad esempio, ed ancor di più nei Paesi
tropicali, ci si dovrà proteggere dal fenomeno di surplus di calore, specialmente in estate e di notte.
Naturalmente esistono anche altri metodi di guadagno diretto più elaborati , ma che sono molto più
vincolanti dal punto di vista prettamente distributivo, visivo ed architettonico .
Il primo di questi sistemi è lo scambiatore aria-aria , che prevede il riscaldamento dell'aria da parte del
sole in una serra, separata, dal locale che si vuole scaldare, mediante una parete. La parete potrà avere
prese d'aria disposte in alto , in modo che l'aria scaldata nella serra salendo le raggiunga e possa entrare
nel locale, e, a sua volta la serra avrà prese d'aria verso l'esterno disposte in basso, per la ripresa dell’aria
dall’ambiente . Si genera così una circolazione per cui l'aria scaldata all'interno della serra sale ed entra
nell'edificio lasciando il posto nella serra per nuova aria da scaldare.
Questo sistema può anche avvalersi di un sistema di circolazione forzata dell'aria che ne migliora le
prestazioni.
Un altro sistema basato sullo stesso principio è il muro solare , che invece di prevedere una vera e propria
serra è costituito da una superficie esterna vetrata con prese d'aria disposte in basso , disposta a poca
distanza dalla parete vera e propria in modo da formare un'intercapedine in cui si scalda l'aria. La parete
come nel caso precedente avrà le prese d'aria disposte in alto in modo da consentire all'aria calda di
entrare nel locale da riscaldare.
17
Un ulteriore evoluzione di questo tema è il muro di Trombe-Michel : in questo caso l'aria non è presa
dall'esterno , perché è sempre l'aria interna a circolare riscaldandosi quando c’è irraggiamento solare .
Questo sistema è costituito da una superficie vetrata priva di prese d'aria disposta all'esterno della parete
vera e propria che invece è provvista di una serie di bocchette in alto e una in basso. In questo modo l'aria
presente all'interno dell'intercapedine viene scaldata dai raggi solari , dunque tende a salire e ad entrare
nel locale dalle bocchette disposte in alto . Questo fenomeno crea un risucchio dell'aria della stanza verso
l'intercapedine attraverso le bocchette disposte nella parte bassa della parete . Inoltre la parete deve essere
dotata di buona inerzia termica , in modo che di giorno , illuminata dal sole , assorba calore per restituirlo
poi di notte .
In questo modo è possibile operare con l’aria usufruendo degli stessi vantaggi del muro solare .
Naturalmente questa soluzione presenta molte problematiche , infatti per essere funzionale al massimo la
parete deve essere orientata verso Sud , ma questo significa avere delle ampie pareti cieche proprio dove
l'illuminazione è migliore . Inoltre per essere captante la parete interna viene dipinta con colori scuri , che
esteticamente non sono sempre facilmente accettati . Questo senza tenere conto dei problemi correlati alla
pulizia ed alla manutenzione delle vetrate.
Un'altra soluzione prevede la disposizione a Sud di serre addossate a muri massivi , in modo da garantire
un buon rendimento termico, ma anche questa pone forti limiti alla libertà progettuale .
La progettazione bioclimatica , dunque , deve tenere conto di moltissimi fattori, ed il Sole è il primo di
questi , anche perché è il motore stesso del microclima della zona , che è il secondo fattore di cui tenere
conto. Ad esempio in una valle sarebbe meglio evitare la cima perché troppo ventilata , ma anche il
fondovalle perché è meno soleggiato e più freddo visto che l'aria fredda scende in basso.
L'ideale è un semipendio rivolto verso Sud.
Un elemento fondamentale in tutti i sistemi analizzati sopra è il comportamento della radiazione
attraverso il vetro o le superfici trasparenti in genere.
Quando la radiazione colpisce il vetro , infatti una parte di essa viene trasmessa, un'altra viene riflessa e la
rimanente viene assorbita. La parte di energia trasmessa , riflessa o assorbita dipende dalle caratteristiche
del materiale e dall'angolo di incidenza dei raggi solari sulla lastra. Infatti per un'inclinazione dei raggi
fino a 45° rispetto alla normale, la percentuale trasmessa è molto alta (fino al 90-95 %) , e può variare a
seconda della trasparenza del materiale o della sua pulizia , ma oltre questa inclinazione il vetro riflette
via via la maggior parte della radiazione incidente.
Il vetro è un materiale che si ottiene dalla silice, e a seconda della percentuale di ossidi di silice e di altri
componenti chimici presenti si producono vetri più o meno opachi.
Il vetrocamera è costituito da due vetri con in mezzo aria, essiccata per evitare la formazione di condensa
alle basse temperature , inoltre sui vetri si possono stendere pellicole antiriflesso o energetiche .
Per quanto riguarda le pareti , invece , possono entrare in gioco molteplici fattori come i materiali , i
colori , lo strato isolante o gli accorgimenti tecnici .
La cosa più importante da ricordare è che all'aumentare della massa il muro trasmette meno il calore
mentre la sua inerzia termica aumenta, dunque se la massa è molto grande il calore assorbito viene
restituito molto più avanti nel tempo .
Un altro elemento di cui bisogna tenere conto sono le ombre portate , che oltre all'importanza
architettonica possono essere usate per evitare surriscaldamenti estivi .
Nello studio delle ombre portate va considerato il loro spostamento nell'arco delle ventiquattro ore e
nell'arco dell'anno.
Gli aggetti , dunque , possono svolgere un ruolo importante per sfruttare le ombre , così come gli schermi,
verticali o orizzontali, fissi o mobili, disposti in corrispondenza delle zone da ombreggiare.
La posizione del nostro pianeta nella sua orbita intorno al sole e l'inclinazione del suo asse , oltre la
latitudine, sono gli elementi che determinano l'inclinazione dei raggi solari sulla sua superficie ; le date
fondamentali da conoscere sono i due solstizi e i due equinozi . Il solstizio invernale (21 Dicembre )segna
nell’emisfero Nord la data con il dì più breve , mentre quello d'estate (21 Giugno) quella del dì più lungo;
e nell’emisfero Nord , viceversa . I due equinozi (21 Marzo e 21 Sett.), invece, sono i due giorni dell'anno
in cui il numero delle ore di luce è esattamente lo stesso delle ore di buio .
18
Il massimo irraggiamento solare ottenibile su una superficie orizzontale nel mese più favorevole e con
aria limpidissima è misurabile in 1100 W/m2. I coefficienti di utilizzazione sono molto minori di 1 , quasi
sempre minori del 50% , dunque si dice che il Sole dà energia a bassa intensità, e quindi per avere grandi
accumuli di energia servono grandi superfici captanti , che però costano molto.
Il Sole , inoltre regola tutto il ciclo dell'acqua e quello della vita. Le precipitazioni avvengono quando il
vapor d'acqua in aria condensa . Questo avviene quando un'alta concentrazione di esso si sposta in una
zona con una temperatura favorevole .
La temperatura dipende dal sole , ed era stato sempre il sole a far evaporare l'acqua delle riserve del
nostro pianeta portando il vapor acqueo in atmosfera.
Tornando a parlare di microclima si nota come in genere la temperatura salga con l'aumentare della
densità abitativa . In città, infatti arriva meno vento, ci sono più attività , e tutto crea calore. Dunque
secondo la legge se progetto in aperta campagna posso abbassare la temperatura esterna di progetto di due
o tre gradi .
Per stabilire la temperatura esterna del sito in cui progetto è importante l'altezza sul livello del mare. In
genere si calcola un abbassamento della temperatura esterna di un grado ogni 200m , e questo dato vale in
estate come in inverno.
Ogni elemento della morfologia di un sito : il mare , i laghi , i venti predominanti o la presenza di
montagne o colline, influenza il microclima, e quindi dovrebbe conseguirne una progettazione ad hoc.
Nel considerare i carichi termici agenti su un edificio bisogna sempre ricordare che anche quelli interni
influiscono . Infatti la presenza di lampade , elettrodomestici , persone , in un locale influiscono molto
sulla temperatura.
E se il contributo di un singolo individuo può essere trascurabile in un ambiente sufficientemente ampio,
quello dell'intero pubblico di un cinema o di un palazzo dello sport può essere molto grande, per non
parlare di luoghi in cui le persone compiono intensa attività fisica , o in cui sono in funzione grandi
macchinari. Tutti questi contributi devono essere considerati dal progettista.
La decisione di sfruttare l'azione del Sole in un edificio ne condiziona pesantemente il progetto in ogni
sua fase .
Esempi di edifici bioclimatici
Un esempio lampante è quello della "piscina senza Nord" , la cui pianta è costituita da un triangolo
con il vertice rivolto verso Nord e la base rivolta a Sud. Questa disposizione consente di non avere pareti
esposte direttamente a nord , che sono quelle che generano la massima dispersione e che non ricevono
mai direttamente la radiazione solare.
La facciata a Sud è completamente vetrata , così in inverno il sole entra permettendo all'acqua (che ha
un'elevata inerzia termica) e alle pareti interne di accumulare calore.
La notte, invece vengono fatti scorrere sopra alle vetrate dei pannelli isolanti che impediscono al calore
riemesso dall'acqua e dalle pareti interne di disperdersi.
L'impianto, inoltre , prevede l' uso di collettori solari per fornire l'acqua calda alle docce.
In una piscina la temperatura dell'aria e quella dell'acqua della vasca devono mantenersi sui 27-28°C ,
inoltre ogni giorno bisogna garantire un ricambio di almeno il 10% dell'acqua , il che equivale a buttare
via acqua calda . Da questi dati si capisce che una piscina è un impianto che divora letteralmente energia,
e come, tutti gli accorgimenti che consentono di risparmiarne, siano molto importanti.
Un altro progetto realizzato è la scuola materna di Tredozio , una località nell’Appennino ToscoEmiliano a 7-800 m slm . In questo caso è stato possibile realizzare l'edificio in maniera eco-compatibile
grazie a sovvenzioni speciali , visto che il costo di un edificio di questo tipo è superiore di quello di un
edificio tradizionale.
Questo progetto prevede dei muri di Trombe-Michel rivolti a sud ed un ingresso munito di doppia porta .
Inoltre il tetto sostiene una grossa "vela" che ospita 130 m2 di collettori solari inclinati di 60° rispetto
all'orizzontale.
19
Di fronte ai collettori una superficie di tetto piano è ricoperta da ghiaia chiara per creare un grosso albedo
( riverbero ). A nord sono disposti tutti i depositi ed i bagni .
La zona di guadagno diretto è quella dei muri di Trombe-Michel , la cui superficie muraria è dipinta con
una vernice verde selettiva , appositamente studiata per creare un maggiore effetto serra , mentre le ampie
vetrate utilizzano il vetro camera ed hanno l'intelaiatura ridotta al minimo necessario a garantire la
resistenza meccanica .
In questo modo il vetro camera impedisce la dispersione termica, mentre le sottili intelaiature non creano
ombre e non diminuiscono la superficie trasparente.
Oltre alle bocchette del muro di Trombe-Michel il sistema dispone di un sistema di ventilazione forzata
dell'aria interna che ne garantisce il ricambio richiesto dalla Norma vigente per le scuole.
Altro progetto di un'altra scuola ,che si trova a Massa Finalese (MO) , ed è molto più grande, dunque è
stata disposta in due corpi paralleli tra loro ed orientati a sud-est , visto che le aule hanno bisogno di luce
ed energia solare soprattutto durante la mattinata.
I due corpi di fabbrica sono disposti parallelamente ma a distanza tale da non farsi ombra tra loro . Il
progetto , inoltre prevede dei corpi captanti disposti lungo le facciate, costituiti da serre collegate alle aule
e leggermente schermate da setti - diaframmi della struttura , che , data la loro massa , fungono
contemporaneamente da corpi di accumulo . Queste zone captanti sono costruite a sbalzo rispetto alla
facciata , ma la loro forma è studiata in modo da generare il minimo possibile di ombra portata sulla
facciata sottostante. Questa soluzione per essere completa avrebbe dovuto essere corredata da tapparelle
isolanti con cui oscurare le serre , ma queste non furono inserite nel progetto per il loro costo , il che
diminuisce l'influenza del sistema.
La palestra , invece ha una falda del tetto completamente in policarbonato doppio in modo da garantire
un'illuminazione abbondante , limitando la dispersione di calore.
L'edificio , inoltre è dotato di un impianto per la circolazione dell'aria con un sistema di regolazione
singolo per ogni aula , e di un sistema di collettori solari per la produzione dell'acqua calda delle docce e
delle cucine.
Un altro stratagemma per sfruttare energia naturale per migliorare la qualità climatica di un edificio, ma
in questo caso per il raffrescamento estivo, è quello delle torri del vento. Ad esempio in Iran , esistono
costruzioni tradizionali che sfruttano questo principio.
Si costruisce la torre secondo la direzione dei venti dominanti , dotandola di aperture in quella direzione.
L'aria, così entra forzata dal vento nella torre, e da lì viene convogliata in condutture sotterranee dove si
raffredda. Da qui l'aria raggiunge il cortile dell'edificio da rinfrescare passando anche attraverso il getto di
una fontana per umidificarsi.
Un altro intervento molto riuscito è il palazzo per uso residenziale a BorgoTaro , a circa 6-700 m slm.
Il progetto prevede una facciata sud con ampie superfici vetrate con zone a guadagno diretto sulle camere
, serre a pianta trapezoidale con porta sulla sala da pranzo , e pannelli solari sul tetto . Il lato a nord ,
invece, è occupato dalle scale esterne situate in corpi chiusi che fungono anche da frangivento , dai servizi
, e dalle cantinette al piano
La parete che separa le serre disposte a sud dalla sala da pranzo è munita di bocchette, in cui è installato
un piccolo ventilatore regolato da un termostato che permette l'ingresso di aria calda dalla serra-terrazzo.
Quindi il funzionamento è semplice, basta regolare il termostato sulla temperatura desiderata , e quando
l'aria nella serra la raggiunge , si aprono le bocchette ed entra in funzione il ventilatore.All'interno della
serra il pavimento è bianco per riflettere la luce mentre la parete è scura per assorbirlo maggiormente. Il
muro esterno è realizzato con blocchi di argilla espansa che danno massa, mentre per le strutture sono
state usate cassaforme a perdere in materiale isolante, eliminando, così, i problemi legati ai ponti termici.
5.3 “Come funziona l’effetto serra”
20
5.3.1.Trasmissione del calore per irraggiamento.
L’elemento forse più importante dell’irraggiamento, che ci da la possibilità di sfruttare l’energia solare,
risiede nel fatto che questo fenomeno non necessita di un mezzo per aver luogo, come è noto l’energia
solare ci arriva anche attraverso il vuoto dello spazio.
Qualsiasi superficie emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche in funzione della natura della
superficie e della sua temperatura, e contemporaneamente assorbe energia dall’ambiente circostante.
L’energia che arriva ad una superficie può essere: assorbita, riflessa, trasmessa.
Secondo la legge di conservazione dell’energia: a + r + t = 1
Energia assorbita/energia tot = coef. di assorbimento
Energia riflessa / energia tot = coef. di riflessione
Energia trasmessa / energia tot = coef. di trasmissione
Il corpo nero, modello ideale, si può identificare nel sole.
Si definisce come quella superficie per cui: a = 1, r = t = 0, per qualsiasi lunghezza d’onda.
Per il corpo nero vale la Legge di Stefan - Boltzman : q° = σ° x T 4 , dove q° è il potere emissivo
integrale; ogni corpo emette energia a diverse lunghezze d’onda che nell’insieme danno q°.
Inoltre σ° = 5.67 x 10-8 w/m2 K4.
E’ possibile anche definire ε° potere emissivo specifico, ovvero l’energia emessa ad una data lunghezza
d’onda.
Quindi q° = ∫0,∞ ε° (λ, T ) dλ
I corpi grigi si definiscono sulla base del modello offerto dal corpo nero, per essi si può definire il potere
emissivo integrale: q = e x σ° x T4.
Dove e è l’ emissività emisferica totale, un coefficiente compreso tra 0 e 1, in funzione della superficie e
della sua temperatura.
e = potenza emessa dalla superficie/potenza emessa dal corpo nero in eguali condizioni.
Anche per i corpi grigi a + r + t = 1, tali coefficienti variano in funzione del materiale e della lunghezza
d’onda; ad esempio vi sono materiali trasparenti a certe lunghezze d’onda ma opachi ad altre.
Il vetro appartiene a questa classe; esso è trasparente alla radiazione solare che ci arriva a lunghezze
d’onda minori di 2.5 micron ( 1 µm = 10-6 m ) , ma è opaco alla radiazione a lunghezza d’onda maggiore
di 2.5 micron, riemessa dalle superfici circostanti. Sfruttando questa caratteristica possiamo riscaldare la
serra e gli ambienti attigui.
La Legge di Prevost, vale sia per corpi neri che grigi, dice che:
q scambiata = q emessa – q assorbita
dove q emessa = superficie che emette x potere emissivo integrale; q° per corpo nero e q per corpo grigio.
La legge di Kirchoff, vale per tutti i corpi, dice che: ε (λ, T ) / coef assorbimento (λ, T ) = costante
Ne deriva che e = a,ovvero una superficie tanto più emette e tanto più assorbe.
L’energia solare ci arriva a diverse lunghezze d’onda che vanno dall’ultravioletto ( 0 – 0.4 micron ), al
visibile ( 0.4 – 0.8 micron ), e infine l’infrarosso ( 0.8 – 2.5 micron ).
21
Fig.1 Spettro della radiazione solare
L’energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva a noi a terra, essa nel percorso
subisce diverse perdite : sia ad opera dell’atmosfera, sia ad opera di varie rifrazioni e assorbimenti.
Fig.2 Bilancio energetico atmosferico
22
“Serre solari e muri di trombe”
5.3.2. Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto.
Il fine da perseguire è quello, nel periodo invernale, di riscaldare aria da far circolare in alcuni ambienti
dell’edificio per alleggerire le spese per il riscaldamento, e quindi diminuire le emissioni in atmosfera.
D’estate vanno predisposte opportune schermature solari e vetri apribili per non aumentare il carico
termico dell’edificio.
5.3.2.1 Serre solari a guadagno diretto e indiretto:
Di giorno il sole scalda l’aria nella serra che può poi circolare negli ambienti attigui, e se la serra è a
guadagno diretto il sole scalda direttamente le superfici degli ambienti interni. Di notte l’energia assorbita
dall’involucro viene ceduta all’aria ambiente; attenzione però alle superfici vetrate che vanno
opportunamente schermate per non avere eccessive dispersioni termiche.
Ulteriori strategie: avere un pavimento della serra riflettente, di colore chiaro per massimizzare l’energia
disponibile; ne caso di serra a guadagno indiretto avere il muro entro la serra verso la casa di colore scuro
per massimizzare l’energia assorbita.
Fig.3, Fig.4: Sistema a guadagno solare diretto
23
Fig.5 Serra a guadagno solare indiretto
5.3.2.2 Muri di trombe:
Consiste in una intercapedine dal lato esterno vetrata e dal lato dell’edificio con un muro massivo in
grado di accumulare calore, di solito il muro è di colore scuro per massimizzare l’assorbimento di energia
solare. Nell’intercapedine l’aria di giorno si scalda, e sale per convezione verso l’alto, entra a “riscaldare”
l’ambiente interno, dopo aver ceduto calore, l’aria riesce dalle bocchette in basso e torna a scaldarsi
nell’intercapedine. Attenzione alla notte, si innescherebbe la convezione al contrario, determinando furto
di calore all’ambiente interno; vanno disposte delle chiusure apposite sulle bocchette.
D’estate il muro di trombe può essere aperto in alto per far uscire l’aria calda, inoltre una tenda esterna
può coprire il pannello scuro.
Fig.6: la sporgenza del tetto si può calcolare in modo da fare ombra in estate
Fig.7: muro di trombe con o senza bocchette per ricircolo aria.
24
“Orientamento delle serre e dei muri di trombe”
L’orientamento consigliato è come per collettori solari e pannelli fotovoltaici, il Sud.
Per quanto riguarda l’orientamento in fase di progettazione dell’edificio è bene fare attenzione alla
destinazione d’uso dei locali, è consigliabile disporre a sud soggiorno, sala da pranzo, cucina…locali che
potrebbero sfruttare la serra come loro ampliamento.
Nello schema sottostante vi sono le orientazioni consigliate per edilizia residenziale.
Nel caso di serra solare addossata alle aule di una scuola, si può pensare anche ad un orientamento S-E,
per sfruttare l’irradiazione solare e la luce già dalle prime ore del mattino.
Dalle norme Uni 10349 e 10379 possiamo ottenere tutti i dati sull’irradiazione solare giornaliera media
mensile, su superfici orizzontali, verticali…variamente esposte N, S, E, O..
25
“Calcolo degli Apporti energetici gratuiti”
fonte: Progettare con la legge 10/91 Cellai, Casadidio, pag.181-215.
5.3.3 Apporto energetico da energia solare:
Qs = N ∑ j q s,j ( A e, i )*
N = n° giorni del mese
j = n° delle esposizioni
i = n° delle superfici esposte
q s,j = irradiazione globale giornaliera media mensile incidente sulla sup j.
A e,i = area equivalente della superficie esposta i
5.3.3.1 Apporti energetici dovuti alla radiazione solare incidente sulla superficie interna dei componenti
opachi attraverso i componenti vetrati : calcolo Qsi
Ae = Fs Fc Ff g 0.85 A
Fs = fattore di schermatura dovuto a ostruzioni esterne
Fc = coefficiente di riduzione dovuto a tende
Ff = coefficiente riduttivo dovuto al telaio
g = trasmittanza solare del vetro
A = area del componente
0.85 = coefficiente riduttivo
26
5.3.3.2 Per Serre solari:
Vi sono due casi:
a. lo spazio serra è riscaldato oppure c’è un’apertura continua verso l’ambiente interno, in questo caso
l’area da considerare è l’area tot esterna,
b. esiste una parete di separazione serra – ambiente interno e la serra non è riscaldata, allora le
dispersioni si calcolano col metodo verso ambienti non riscaldati.
Apporti solari entranti nello spazio riscaldato attraverso la serra, Qss ( *che andrà sommato a Qs)
Qss = ξ Q sd + ( 1 + ξ ) Qsi
Q sd = apporti solari entranti direttamente dalla parete di separazione
Qsi = apporti solari indiretti, che rimangono nella serra
ξ = H se / ( Hsi + Hse )
Hse = coeff. di dispersione globale per trasmissione e ventilazione tra serra ed esterno
27
Hsi = coeff. di dispersione globale per trasmissione e ventilazione tra serra ed interno
Q sd = qs Aed N = qs ( Fsp Fcp Fco Ffp gp g0 Ap ) N 11
Qsi = qs Aei N = qs ( Fso Fco Ffo Ls g0 A0 ) N
0
= è il pedice relativo alla parete esterna serra
=
p è il pedice relativo alla parete che separa serra e interno
Ls = coeff. di assorbimento della radiazione solare delle pareti interne della serra, pari a 0.7
Ap = area trasparente nella parete di separazione
A0 = area esterna della serra
“ Dalle serre dell‘800 alla progettazione supertecnologica”
Il calore prodotto nelle serre viene sfruttato già da molto tempo, le serre nascono per orticoltura e
fioricultura, e solo successivamente arrivano all’architettura civile.
Fig.8: Serra ’800 nel giardino dell’orticultura a Firenze.
Già in Le Corbusier troviamo le primi inconsapevoli idee “bioclimatiche”: l’uso dei brise-soleil,
l’attenzione alla luce naturale con orientamento studiato dell’edificio, studi sull’altezza del sole in estate e
in inverno, le prime serre solari…
28
Fig.9,10,11: Progetto Immeubles -Villas, 1922. Le Corbusier.
29
Fig.12,13,14 : Unitè d’habitation a Marsiglia,1946 .Le Corbusier.
Oggi la possibilità di sfruttare l’energia solare con serre e muri di trombe offre un’ampia gamma
progettuale, dalla semplice chiusura con doppi vetri di balconi alla progettazione accurata di sistemi
captanti.
Fig.15: Serra a guadagno solare diretto.
30
Fig.16: Serra a guadagno solare diretto.
Fig. 17: Serra a guadagno solare diretto.
31
Fig. 18 , 19 : Serre solari.
Fig. 20 , 21 : Tende estive per proteggere la serra.
32
Fig. 22 : Serre a guadagno solare indiretto, a Salisburgo.
Anche i grandi architetti di oggi sfruttano i guadagni solari, e non solo nell’edilizia residenziale; ne è un
esempio Norman Foster nell’edificio per Commerzbank del ’97 a Francoforte. Qui Foster inserisce a più
piani, più serre che ospitano vegetazione, e contribuiscono a “scaldare” l’edificio in inverno.
Fig.23: Commerzbank
Fig. 24: pianta tipo del piano con serra
33
Fig. 25 , 26 : giardino nella serra solare .
“Qualche idea”
Si potrebbe cerca di legare due tecniche bioclimatiche per il risparmio energetico :
la serra solare e i pannelli fotovoltaici.
Posizionano dei pannelli fotovoltaico sulla parte superiore della serra, otterrei dell’energia elettrica e
contemporaneamente il calore prodotto dal surriscaldamento dei pannelli contribuirebbe a scaldare la
serra; inoltre i pannelli fotovoltaici creano nell’ambiente una piacevole “ombra”.
Nel periodo estivo adotterei delle schermature per la serra, e l’aria scaldata dai collettori non entrerebbe
nella serra, ma verrebbe dispersa nell’ambiente esterno.
34
Fig. 27 , 28 : edificio con la tipologia della serra solare e pannelli fotovoltaici su copertura.
Non solo per edifici totalmente vetrati, anzi meglio per edifici con piccole serre, in modo da poter meglio
controllare il carico termico estivo.
Ipotesi di progetto:
Un edificio residenziale di tipo condominiale, con serre solari su soggiorno, eventualmente integrando
pannelli fotovoltaici sulla serra.
35
Fig. 29 , 30 : piante tipo degli alloggi
Fig. 31 , 32: Viste dei prospetti con serre e balconi.
6.0 QUADRO CONOSCITIVO DEGLI EDIFICI ESISTENTI DAL PUNTO DI VISTA
ENERGETICO
Esiste una nuova direttiva europea sul controllo del fabbisogno energetico.
36
Sostenibilità – il problema ambientale non comprende solo l’energia (prevalentemente si usa gas e
petrolio per riscaldare gli edifici di edilizia privata ) , bisogna prestare attenzione alle risorse in genere.
Risorse :
acqua ( è necessario un uso accorto )
materiali ( ecomateriali o materiali di recupero )
energia ( utilizzo di fonti di energia alternative, attenzione al funzionamento e al mantenimento degli
impianti )
suolo ( la possibilità di costruire su nuovi terreni è sempre più scarsa )
Principi :
riuso
rinnovare
riciclare
proteggere l’ambiente
creare un ambiente salutare
conservare
Questi principi devono essere messi in relazione con le risorse; ciò deve essere fatto nella progettazione
dei nuovi edifici, ma anche nell’adeguamento di quelli esistenti.
Sono cambiate le regole della progettazione; erroneamente, negli anni settanta, si consideravano gli
edifici indipendenti dall’ambiente esterno, si prendevano modelli di altre aree geografiche e si
trasportavano nella nostra realtà.
Adesso costruiamo pochissimo, è quindi bene occuparci anche degli edifici esistenti che sono
difficilmente adattabili ai nuovi canoni. Si può scegliere di intervenire utilizzando energie rinnovabili o
contenendo i consumi, per fare ciò è necessario conoscere l’edificio, i suoi caratteri, i suoi consumi.
Sarebbe proficuo realizzare una banca dati di informazioni sui vecchi edifici ed utilizzarli, tramite dei
programmi, per la valutazione dei possibili interventi.
I pochi interventi di recupero sono avvenuti solo per residenze e scuole, non è ancora stato fatto niente per
uffici e centri commerciali.
Retrofit – controllo degli edifici esistenti, la normativa europea è specifica per questi edifici e richiede
l’emissione di un Certificato di Efficienza Energetica.
Per le energie rinnovabili si hanno problemi legati al costo, al rendimento o all’affidabilità di sistemi di
cui non abbiamo certificazioni perché di nuova invenzione, si hanno quindi problemi di tipo tecnico e
tecnologico. Un altro problema è la poca piacevolezza al vedersi, per esempio riguardo ai pannelli
fotovoltaici o le centrali eoliche.
La Direttiva Europea 16/01/2003 prescrive :
metodologia di calcolo comune da implementare
applicazione standard minimi comuni
introduce la certificazione
crea squadre di controllo
entro cinque anni in tutte le nazioni della comunità europea si dovranno adeguare con l’emissione del
certificato di rendimento ecc.
Diventa quindi essenziale una corretta lettura dell’edificio considerandolo un unico sistema con il
contesto, si deve prestare attenzioni alle variabili ambientali, alle caratteristiche dell’involucro,
dell’edificio ecc.
6.1 Edificio come sistema
Interazione tra edificio (caratteristiche termiche, struttura, involucro … ) – ambiente (variabili
ambientali, controllo del clima) – impianto (gestione dei servizi) – utente (condizioni di benessere,
fattori chimici e fisici)
37
Bisogna fare attenzione perché le energie rinnovabili integrano i sistemi convenzionali, ma non si
possono sostituire totalmente a questi.
Variabili da controllare :
ambientali : soleggiamento, velocità del vento, umidità, precipitazioni, possiamo modificare il
microclima in modo da migliorare la situazione con barriere per i venti, presenza di acqua e
vegetazione. Non si può fare molto in questo senso nei centri abitati, comunque sono possibili piccoli
interventi come l’inserimento di tende o frangisole.
edificio : caratteristiche termiche, forma ( più o meno compatta ), porosità (cioè presenza di aperture
), massa termica, isolamento, materiali con cui è costruito l’involucro , divisione degli spazi interni in
verticale e in orizzontale ( la presenza di pareti o mobilio può ostacolare la ventilazione trasversale ).
impianto : è fondamentale una buona scelta dell’impianto quanto un’accorta gestione ( è importante
avere un controllo differenziato di ogni area a seconda delle necessità; si ha una scarsa coscienza degli
sprechi negli spazi pubblici. Ad esempio si potrebbe utilizzare un semplice dispositivo di controllo
che accende e spegne le luci in presenza o meno di persone).
utente: quanto detto deve comunque tenere presente il comfort visivo, acustico, la qualità dell’aria, il
controllo dei fumi e degli agenti chimici……
I fattori da tenere presente sono molteplici, ognuno porta dietro con sé una certa quantità di dati e per
comprendere l’edificio dobbiamo analizzarli tutti.
Metodologia dell’intervento : raccogliere i dati ed analizzarli, fare un’indagine energetica.
Metodologia di lettura :
1° fase : Capire quanto consumiamo
Raccolta dei dati delle fatture
Letture energetiche locali
Controllo della potenza energetica manuale
Calcolo degli indicatori delle prestazioni
2° fase : Valutazione comportamento energetico
Comparazione delle prestazioni con edifici simili
Misurazione del progresso nel controllo dell’uso energetico
3° fase : Sopralluoghi e verifiche
Fare un sopralluogo
Identificare opportunità di azioni a basso costo
Individuare le condizioni di esercizio
Identificare le necessità dell’utente
Indicare gli interventi preferenziali
4° fase : Opportunità e responsabilità
5° fase : Coinvolgimento del personale (soprattutto negli edifici pubblici)
Consultare il personale
Formazione del personale
Campagna di sensibilizzazione per il risparmio
6° fase : Controllo delle condizioni di esercizio
Ispezioni periodiche
Controllo operatività degli impianti
Operazioni di manutenzione
Calibratura dei sistemi
7° fase : Monitoraggio energetico
8°fase : Verifica delle tariffe
Scegliere i contratti di acquisto di energia secondo i criteri di impatto sui consumi
Requisiti di efficienza energetica nelle scelte dei contratti da stipulare
Verificare la conformità periodica delle forniture
38
9° fase : Pianificazione
Pianificare un programma di lavoro per miglioramenti futuri
Variare l’utilizzo di misure tecniche alternative.
ENERGY AUDIT: Modello di raccolta di dati sotto forma di formulario
1 Informazioni generali
2 Dati generali sull’intera struttura
3 Dati speciali
4 Caratteristiche degli impianti
5 Caratteristiche dei consumi
7.0 ESEMPI EUROPEI DI EDILIZIA BIOCLIMATICA
Il primo caso è quello dell'ecological residential developement del Kronberg district ad Hannover , dove
si è cercato di costruire edifici efficienti e posizionati in modo da soddisfare anche socialmente i residenti.
Questo quartiere prevede una grande quantità di verde, e per quanto riguarda il traffico si vogliono
massimizzare i trasporti pubblici ,incentivare lo spostamento su due ruote e minimizzare quello
automobilistico.
Addirittura oltre al supermercato è prevista per l'approvvigionamento alimentare una fattoria biologica.
Gli standard ecologici sono la costruzione di edifici a basso consumo , l'uso di turbine eoliche ,pannelli
solari, sistemi di controllo del consumo dell'acqua . Ci sono anche sistemi di recupero delle acque non
nere basati su un piccolo depuratore che permette di riusare l'acqua per usi non igienici come l'irrigazione
dei giardini o simili.
L'acqua piovana, inoltre viene tutta raccolta per essere pronta ad usi esterni .
Per quanto riguarda le acque nere , esse dopo aver subito adeguati filtraggi , sono usate per la fito
irrigazione.
I rifiuti sono differenziati al massimo , ed ogni abitazione ha un apposito spazio per i contenitori sotto
piccole tettoie davanti all'ingresso.
Un lato importante per quanto riguarda questo quartiere è quello riguardante l'informazione, infatti , si vi
si fanno molte riunioni i cui contenuti sono resi pubblici e spesso pubblicati , inoltre il quartiere è molto
visitato anche da scuole o semplici curiosi , con il doppio vantaggio che gli abitanti sono sempre
informati sulle norme da rispettare , e sono in grado di dimostrare ad altra gente come è possibile vivere
in una città più pulita.
Gli infissi delle finestre sono dotati di piccole grate apribili per consentire il ricambio d'aria e la
ventilazione . La stessa forma delle strade è studiata e prevede dei canali aperti per la raccolta delle acque
piovane.
Il quartiere è collegato benissimo con il centro di Hannover grazie ai treni che passano ogni cinque
minuti, e nelle scuole tutte le aule sono collegate direttamente con l'esterno perché è prevista molta
attività all'aria aperta.
La stessa maglia urbanistica del quartiere è molto permeabile e tutt'altro che rigida, tanto che spesso sono
lasciati liberi dei passaggi tra un edificio e l'altro in modo da facilitare lo spostamento a piedi.
Nei blocchi di edifici si cerca di sfruttare il riscaldamento centralizzato , e dove è possibile si usa questa
soluzione anche per più blocchi , in modo da sfruttare al meglio il prodotto dell'energia solare.
Questa situazione ideale , comunque, è una sperimentazione e quindi rappresenta un caso del tutto
eccezionale .
Altri esempi più vicini e anche di respiro molto meno ampio sono alcune soluzioni progettuali adottate da
Mario Cucinella , un architetto italiano con uno studio anche in Francia molto attento a queste
problematiche.
39
Ad esempio per diminuire il calore estivo in un edificio lo dota di un frangisole che funge da copertura filtro posizionata in modo da lasciar passare i raggi invernali ma fermare quelli estivi .
Nell'edificio "I Guzzini" usa ancora la copertura - frangisole legata ad una parete vetrata rivolta a sud e
dotata di brise soleil . Qui , però la soluzione più particolare riguarda la ventilazione , infatti l'aria
attraversa l'edificio e la corte centrale funziona come camino , il che permette una buona ventilazione
naturale , inoltre ci sono tre camini di aspirazione dell'aria per eliminare l'aria calda in eccesso . A questo
riguardo è notevole come si possa sfruttare l'ingombro di alcuni elementi di servizio come appunto dei
camini di aspirazione , per creare degli elementi architettonici caratterizzanti del progetto.
Altri esempi sono la stazione marittima della capitaneria di Otranto , in cui abbina pensiline leggere ad
una struttura chiusa e compatta con molta massa , e un polo universitario con ampie vetrate verso sud ed
una copertura frangisole simile a quelle descritte sopra.
8.0 ESEMPI DI BIO-ARCHITETTURA
Esempi di regionalismo climatico
Articolo tratto da “Costruire in laterizio” .
8.1 Manifattura di Herend in Ungheria
Viene bandito un concorso per la risistemazione del complesso, una vecchia fabbrica di ceramica,
facendo attenzione all’aspetto bioclimatico.
Vince il concorso Gabor Turànyi con un progetto in cui il mattone fa da assoluto protagonista, per il
modo in cui è trattato all’interno e per il contrasto, all’esterno, con le coperture di colore blu violaceo.Un
blocco del progetto è sormontato da un grande camino che ricorda una torre medievale, costruzione
comune in Ungheria. Nella torre ci sono feritoie per l’uscita dell’aria ottenute mediante una disposizione
particolare dei mattoni. Si vedono così , guardando la torre dall’interno , zone più chiare che
corrispondono proprio alle feritoie.
I segni delle prese d’aria sono visibili anche sulla parte esterna della torre. Si ottiene con questo sistema
una forte ed efficace ventilazione.
Articolo tratto da “Costruire in laterizio” .
Progetto del gruppo Arup in Sud Africa, nello Zimbabwe.
8.2 Complesso Est-Gate
Il progetto è connotato da grossi camini e da aggetti dei balconi che fungono da schermature.
Il progetto risulta, ovviamente, condizionato dalla latitudine a cui si trova, infatti i pannelli solari,
utilizzati per la produzione di acqua calda, sono integrati nella falda del tetto a lieve pendenza.
Solo i lati Est Ovest, quelli corti, saranno interessati dalle radiazioni solari e quindi sarà necessario un
uso massivo della muratura. Le parti vetrate devono essere inferiori al 25% e opportunamente
schermate. L’aspetto negativo della forte massa termica è il costo che è al m cubo.
Non c’è bisogno del condizionamento.
Le prese d’aria per l’aerazione naturale si trovano al livello del primo piano degli uffici, così l’aria
introdotta è di qualità migliore, senza odori e inquinanti ad esempio del traffico.
Questo tipo di aerazione naturale con camino centrale comune va a discapito dell’acustica. Si potrebbe
migliorare la situazione rivestendo, ad esempio, di materiale fonoassorbente l’interno del camino. I
ricambi di aria previsti sono dell’ordine di 2 volumi-ora , mentre durante la notte sono 7 volumi-ora
generando così il fenomeno del free-cooling.
All’interno sono state adottate soluzioni riguardanti l’illuminazione tenendo presente il potere termico
delle lampade, sopra ogni postazione di lavoro ci sono diffusori a basso consumo energetico. Le aperture
vetrate permettono la penetrazione della luce , ma non del sole perché oltre gli aggetti sono schermate
dalla vegetazione.
40
8.3 Auditorium
Anche questo edificio presenta camini del vento molto grandi, la soluzione architettonica non risulta
delle migliori.
La prima cosa da fare è conoscere il clima di una zona specifica, quindi il contesto architettonico,
culturale e sociale.
9. QUALITA' DELL'ARIA
Il ricambio d'aria richiesto per legge negli edifici pubblici del terziario è in genere di 5 volumi/ora,
dunque per garantirlo sono necessarie apposite apparecchiature.
Il problema è che , se un abbondante ricambio d'aria è necessario per il benessere degli utenti e per
mantenere una buona qualità dell'aria, è anche vero che ai fini del risparmio energetico esso andrebbe
limitato al massimo.
Infatti quando l'aria interna riscaldata viene sostituita da nuova aria esterna c'è bisogno di riscaldare anche
quest'ultima , dunque si consuma più energia.
Compito del progettista è , dunque , quello di raggiungere un equilibrio circa ottimale tra la necessità di
cambiare l'aria e quella del risparmio energetico.
Ma come si vede se l'aria è inquinata? L'indicatore dell'inquinamento dell'aria interna è una qualsiasi
alterazione della composizione chimica o fisica dell'aria . Con questa formula si intende dire che è da
considerarsi inquinamento la presenza di qualsiasi sostanza in grado di creare danno o molestia alle
persone .
Le cause del disagio possono essere molteplici , alcuni esempi possono essere l'uso di materiali contenenti
sostanze nocive ( vernici , insetticidi ecc.. ), la scarsa attenzione progettuale alle soluzioni tecniche, l'uso
di prodotti che aumentano il carico inquinante ( locali in cui si frigge o si fuma ..) .
Inoltre è importante ricordare che nella società moderna la maggior parte delle persone trascorre circa l'80
- 90% del suo tempo in ambienti confinati , dunque è importante che l'aria in questi luoghi sia di buona
qualità .
Questa definizione è dunque molto vaga . Ad oggi lo standard più usato al riguardo è quello ASHRAE
62/99, secondo il quale : “la qualità dell'aria è accettabile se non ci sono contaminanti noti in
concentrazione dannosa per la salute secondo quanto stabilito dalle autorità competenti , o comunque se
non più del 20% delle persone se ne dichiara insoddisfatta “ .
Gli effetti sull'uomo dell'aria inquinata possono andare dall'irritazione di cute o mucose , ad azioni sul
sistema nervoso ( emicranie), ad effetti sensoriali o respiratori , fino a veri e propri danni all'organismo.
I principali inquinanti degli ambienti interni sono: il fumo , la formaldeide , i detersivi, i VOC (composti
organici volatili ) , alcuni isolanti ed i prodotti della combustione.
In genere si dividono gli inquinanti in : chimici , fisici e biologici .
Gli inquinanti chimici sono : il monossido di carbonio (CO, che provoca la morte se respirato per 1520 minuti) prodotto dalla combustione, con carenza di ossigeno , in qualsiasi processo di tale tipo : nei
bracieri, negli scaldabagni, nei caminetti , nelle caldaie .
Il biossido di azoto e di Zolfo (NO2 ed SO2 );
L'ozono O3 ;
Il fumo di tabacco identificato dalla sigla ETS .
Gli inquinanti fisici sono: le fibre minerali , le polveri , il radon ; quest'ultimo è un materiale radioattivo
che si trova spesso nelle rocce vulcaniche, ma di cui si parla raramente in letteratura e sulla stampa, e si sa
abbastanza poco , se non che emette radiazioni ionizzanti, ed è sicuramente cancerogeno .
Gli inquinanti biologici , invece sono i virus ed i batteri.
Dunque la ventilazione deve essere uno dei requisiti di base del progetto di un edificio , pur ricercando un
equilibrio con le esigenze di risparmio energetico.
La ventilazione può essere naturale, meccanica o ibrida.
Quella naturale è la più difficile da realizzare ed è molto vincolante dal punto di vista architettonico.
41
La ventilazione naturale, inoltre non è costante, in quanto strettamente legata alle condizioni climatiche .
Infatti la portata immessa dipende dalla velocità del vento , ed il tiraggio naturale alla differenza di
temperatura tra l'interno e l'esterno , e dalla configurazione geometrica delle aperture e dalla loro
disposizione.
C'è da notare anche che pur verificandosi tutte le condizioni favorevoli , se gli infissi sono a tenuta , con
aperture di superficie pari ad 1/8 di quella della stanza non si garantisce un adeguato ricambio d'aria .
Una soluzione a questo problema sarebbe l'uso di infissi dotati di apposite bocchette apribili in grado di
garantire un minimo ma continuo ricambio con l'esterno.
Per quella meccanica, invece sono disponibili vari sistemi in commercio adatti a tutte le esigenze.
La ventilazione artificiale , infatti, prevede la raccolta di aria dall'esterno in luoghi dove sia il più pulita
possibile , per poi soffiarla attraverso ventilatori sulle batterie riscaldanti o raffreddanti , prima del suo
ingresso nei locali . In seguito l'aria interna viene risucchiata da altri ventilatori che la spingono
nuovamente fuori , oppure la riciclano parzialmente (ricircolo), a seconda delle condizioni di impiego.
La legge in tema di qualità dell'aria può essere prescrittiva ( ad es. vanno cambiati 5 volumi l'ora ) o
prestazionale, cioè stabilisce i risultati che si vogliono raggiungere , non specificando il sistema con cui
raggiungerli .
La ventilazione ibrida è un interazione tra i due sistemi precedenti , e presenta il vantaggio di poter usare
l'uno o l'altro metodo e di regolare la circolazione a seconda dei casi , limitando i consumi energetici.
Alcuni moderni edifici che adottano questa soluzione dimostrano come l'architettura ne sia pesantemente
condizionata . Uno di essi , infatti è dotato di grandi prese d'aria rotonde in facciata e di enormi camini sul
tetto, così l'aria entra dalle bocche in facciata per poi uscire risalendo i camini . Questi elementi, di per sé
funzionali, diventano caratteristiche estetiche dell'edificio.
L'orientamento degli ultimi studi sul tema è quello di sostenere gli impianti ibridi per gestire il ricambio
d'aria , visto che sono una soluzione mediata tra i problemi del risparmio energetico e quelli del
mantenimento della qualità dell'aria.
Per ottenere un benessere ambientale è necessario ricambiare l’aria. Per le scuole è fissato per legge un
ricambio di 5 volumi all’ora di aria. Fare questa operazione è costoso del punto di vista energetico perché
la nuova aria in entrata ha bisogno di essere raffrescata in estate e riscaldata in inverno. Quindi è
importane nei progetti mediare la necessità del ricambio e la spesa ( esempio banca di Foster a
Francoforte).
Il risparmio energetico è relazionato all’isolamento dell’edificio.
K = trasmittanza termica ( W / m °K )
Prendendo ad esempio il sughero si vede che il valore di K aumenta , e quindi le dispersioni termiche
diminuiscono all’aumentare dello spessore. E’ preferibile quindi inserire più strati di sughero il cui costo
incide molto poco ( il sughero viene prodotto anche in Italia, precisamente in Sardegna) rispetto al costo
della manodopera per il montaggio che non ha significative variazioni se lo strato di sughero in opera è
più spesso.
10.0 ELEMENTI A FORTE TRASMISSIONE
Sono zone da fasciare meglio all’esterno, ma se non è possibile va fatto all’interno anche se si ruba spazio
utile all’abitazione
Solaio
Pilastro c.a.
Cordoli c.a.
Travi c.a.
10.1 Qualità dell’aria indoor
( IAQ = Indoor Air Quality )
42
Inquinamento interno : qualsiasi alterazione delle caratteristiche chimico fisiche e biologiche dell’aria
…che possano provocare danno ( cioè riguardo alla sicurezza o alla salute ) o molestia ( cioè riguardo alle
sensazioni di benessere).
Come si può definire l’accettabilità dell’aria interna?
Si fa riferimento allo standard definito dalla ASHRAE ( società americana che si occupa di
condizionamento).
La definizione a parole accettata a livello internazionale è :
la qualità dell’aria interna è considerata accettabile quando non ci sono contaminanti noti in quantità tali
da recare danno e se almeno l’80% delle persone presenti si reputa soddisfatta.
Esempio: Principles for hybrid ventilation , Amnex 35 , IEA ( international engeneering agency )
11. LE CELLE FOTOVOLTAICHE
la conversione della radiazione solare, in parte diretta in parte diffusa, in una corrente di elettroni avviene
nella cella FV: un dispositivo costruito da un sottile strato di materiale semiconduttore, molto spesso
silicio, mono o policristallino, l’elemento più diffuso in natura, dopo l’ossigeno. La fetta costituita da
silicio è di norma intrinsecamente drogata, mediante l’inserimento nella struttura cristallina di atomi di
boro. Una faccia dello strato viene invece, drogata per diffusione ad alta temperatura con piccole quantità
di fosforo.
Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si determina un campo elettrico; quando la cella
è esposta alla luce, si generano delle cariche elettriche e, se le due facce della cella sono collegate ad un
utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua.
In pratica una tipica cella FV commerciale ha uno spessore complessivo compreso tra 0,25 e 0,35 mm ed
è costituita da silicio cristallino: quest’ultimo si distingue in mono – e multi – cristallino in base alle
proprietà cristallografiche, che sono determinate dalla tecnologia di crescita del cristallino.
La cella solare, generalmente quadrata, ha una superficie compresa tra 100 e 225 cm2.
Il monocristallino ha un rendimento del 15-17%, il policristallino 12-14%.
11.1 Aspetti economici
Costo del kWh elettrico da fotovoltaico – Costo medio livellato dell’unità di energia elettrica.
Il metodo utilizza, per il calcolo del costo attualizzato del kWh, l’espressione:
CkWh = (Ci . A + Cm) / N
In cui: A è il fattore di attualizzazione dell’investimento; Ci è il costo dell’investimento; Cm è il costo
annuale di manutenzione; N è il numero di kWh prodotti dall’impianto in un anno.
Il fattore A di attualizzazione del costo dell’impianto dipende dalla durata t dell’impianto, da noi stimata
in 30 anni, e dal tasso di interesse reale r, cioè depurato dal tasso di inflazione, qui posto pari al 3%, ed è
valutabile mediante l’espressione:
A = r / 1 – (1 + r)-t
L’onere manutentivo Cm è stimato, sulla base dell’esperienza tratta dall’esercizio di impianti
sperimentali, come pari allo 0,75% del costo dell’impianto /anno. Dal calcolo risulta:
Famiglia tipo CkWh = 650 lire/kWh, iva esclusa
Ufficio CkWh = 580 lire/kWh, iva esclusa
11.2 Incentivi?
La principale barriera che rende oggi difficile la diffusione delle applicazioni fotovoltaiche è costituita
dagli elevati costi iniziali.
43
Le applicazioni fotovoltaiche edilizie, se non supportate finanziariamente, trovano allo stato attuale della
tecnologia, convenienza economica e quindi possibilità di utilizzo laddove l’energia elettrica è già messa
a disposizione dalla rete.
Risultano perciò necessari degli interventi pubblici che, riconosciutone il valore sociale, incentivino
l’adozione di tali sistemi, incoraggino le aziende a trovare nuove soluzioni tecniche di processo e di
prodotto.
Casi di retrofit: impianti fotovoltaici o sistemi misti che utilizzano il surriscaldamento delle parti
fotovoltaiche.
Esempio : edificio per uffici a Berlino che usa il fotovoltaico ai marcapiani, esposizione ottimale a sud.
Si possono utilizzare sistemi ibridi ossia a doppia pelle in modo da fare influire le condizioni climatiche
esterne con quelle interne, non importa che la doppia facciata sia sigillata, può anche essere aperta.
Oppure si può optare per una soluzione mista: pareti di celle fotovoltaiche e vetro a bassa emissività;
queste celle possono essere anche policrome.
La sperimentazione si ha soprattutto sugli edifici scolastici con programmi di incentivazione all’uso del
fotovoltaico.
11.3 Esempi di integrazione del sistema fotovoltaico in facciata
The solar office, Inghilterra : si ha una facciata inclinata che utilizza varie strategie passive; il
fotovoltaico è usato come schermatura e ci sono bocchette d’aria per una continua aerazione
Solar Zentrum, Friburgo : prevede il recupero dell’energia, delle acque piovane e l’utilizzo di tetti
verdi
Corinthia Panorama Hotel, Praga : utilizza celle cromatiche a vari colori per esigenze estetiche
Biblioteca a Matarò, Spagna : la facciata a sud è a doppia pelle; la prima è formata da celle
fotovoltaiche vetro-vetro e la seconda da vetri isolanti. Formano una camera d’aria da cui l’aria viene
immessa nell’impianto di riscaldamento
Accademia Mont – Cenis, Germania : la copertura è composta di pannelli orizzontali e tra fascia e
fascia sono inseriti gli elementi per la ventilazione
Deposito pompieri : la copertura curva con celle distanziate assicura il fabbisogno della centrale
11.4 Esempi di integrazione sulle coperture
Questi sono più numerosi perché più semplici da progettare, da installare, da aerare.
Si chiama intervento integrato la realizzazione di una copertura fotovoltaica al posto di quella
tradizionale.
Studio a Roma : c’è un sistema di pilastri che regge i pannelli. Le celle sono di due tipi: opache e semitrasparenti. Quelle opache non lasciano passare la luce e quindi vengono messe in opera distanziate;
quelle semi-trasparenti invece permettono di guardarci attraverso, ma per ora sono molto care.
Applicazioni frequenti :
solai tradizionali: nelle coperture in cotto vengono inserite celle fotovoltaiche, ce ne hsono varie
soluzioni in commercio
case a schiera: in Inghilterra Bed Zed è un quartiere residenziale dove si usano tetti verdi e celle
fotovoltaiche
uffici del Bre in Inghilterra: si hanno torri di dispersione dell’aria calda
11.5 Esempi di impianti fotovoltaici integrati :
In Germania è stata fatta una grande campagna di sensibilizzazione, si può produrre energia elettrica da
vendere alla rete nazionale. Le soluzioni fotovoltaiche possono essere interessanti in paesi in via di
sviluppo non ancora raggiunti dall’energia elettrica.
Esiste un tipo di celle a film sottile, è composto da vari strati plastificati, si vendono in rotoli e possono
essere messi sul tetto in modo semplice anche inchiodandoli.
44
Il Ministero dell’Ambiente dal 2000 ha promosso una grande campagna per incentivare l’uso del
fotovoltaico in edifici pubblici e privati.
Municipio di Capannori (Lucca): le celle si trovano sulla parete inclinata, già di suo orientata a sudovest ( orientamento non ottimale ). Nella parte centrale si ha il recupero del calore con bocchette di
aspirazione dell’aria calda che viene poi immessa negli uffici più interni. L’angolo ottimale per
l’orientamento dei pannelli è uguale alla latitudine, può oscillare di circa dieci gradi.
Scuola a Lucca: i lucernari permettono un accumulo di energia e un aumento di calore nei corridoi;
questi sono anche dotati di aperture verso nord per eliminare il calore in eccesso durante l’estate
Scuola a Lucca: sulla facciata in cemento armato il sistema di elementi frangisole tradizionale è stato
sostituito con uno fotovoltaico
Liceo scientifico a Pisa: sono stati realizzati due tipi di intervento: uno sopra il lucernario, su cui sono
stati inseriti i moduli per dare elettricità alla palestra, e l’altro interessa il fronte sud dove sono stati
inseriti elementi frangisole su vari ordini di finestre
Palestra a Livorno: sulla copertura in lamiera sono stati inseriti tre elementi orientati, diversamente
uno rispetto all’altro, per adattarsi alla forma della copertura
Ospedale Meyer a Firenze: sul corridoio di collegamento vetrato sono state poste delle celle ad alta
densità in alto e che, man mano che scendono, diventano semi-trasparenti e permettono di vederci
attraverso
Polo Scientifico di Sesto Fiorentino (finanziato dalla Comunità Europea e dal Ministero
dell’Ambiente): la struttura è in travi reticolari con sistema di celle in silicio mono-cristallino nel
grande atrio per dare energia alle aule
“ Solar Mission “ progetto di un’azienda australiana, sfrutta l’en. eolica e quella solare. Ogni centrale ha
la capacità massima di 200 MW equivalente alla fornitura di energia a 20000 abitazioni.
L’impianto è formato da una torre alta 1 Km sotto a migliaia di collettori solari.funziona come una
gigantesca serra; l’aria sotto i pannelli viene riscaldata dal sole e convogliata verso il camino per effetto
camino. Alla base della torre c’è una turbina azionata dall’aria calda. Il sistema funziona a pieno regime
anche di notte perché i pannelli solari rilasciano il calore accumulato di giorno.
L’aria riscaldata dentro la serra ha una temperatura maggiore di 35° rispetto a quella esterna. La serra
l’aria si sposa al centro del collettore dove c’e una torre che crea un tiraggio dell’aria attraverso le turbine
che vanno ad azionare en generatore elettrico. l’aria nella torre raggiunge una velocità di 15 m/s che è
ideale per l’impianto eolico.
Materiali per la realizzazione dell’impianto:
( suddiviso in tre parti principali )
Il collettore solare materiale trasparente
La torre solare CLS ad alta resistenza
Le turbine tungsteno, metalli leggeri e resistenti
11.6 Siti internet
www.ewea.org
www.isesitalia.org
www.enea.it
www.enviromission.com.au
www.newton.rcs.it
www.winddata.com
www.esaa.com.au
www.aie.org.au
12. ENERGIA EOLICA ed IDRAULICA
12.1 Generalità
45
L’energia eolica e l’energia idraulica sono le prime forme di energia che l’uomo ha utilizzato , ne sono
esempio i mulini a vento (es. Sicilia, Sardegna, Olanda) o ad acqua (fiumi o torrenti).
Di questi ultimi la città di Bologna ne offre un esempio: durante il 1500 sono stati portarti in città con
canali due fiumi (Reno ed Aposa), canalizzandoli e sfruttando un certo dislivello presente all’interno della
città, consentendo così agli artigiani di sfruttare la forza dell’acqua come forza motrice per muovere i
loro telai per la tessitura delle sete. Questa energia ha consentito la fortuna degli artigiani e di riflesso alla
città. Le botteghe artigiane di tessitura delle sete, per almeno duecento anni famose in Europa, quindi si
collocavano al piano terreno, mentre le loro abitazioni erano al primo piano.
L’ energia idraulica è più facilmente utilizzabile dell’energia eolica (a Campo dei Marsci, verso l’Aquila,
nei pressi di Monte Velino, c’è una centrale eolica di una certa importanza con circa 15 pali monoelica)
perché la portata di un fiume è pressoché costante e poi perché il peso specifico dell’acqua è circa 1000
volte superiore di quella dell’aria.
Per produrre energia elettrica tramite centrali termoelettriche si hanno emissioni inquinanti di :
CO2 ( anidride carbonica ) ne viene emessa 1000 g / KWh ed è responsabile dell’effetto serra.
SO2 ( anidride solforosa ) se combinata con l’acqua dà origine all’acido solforico
NO2 ( nitrato ) se combinato con l’acqua forma l’acido nitrico che insieme all’acido solforico è
nocivo e dà origine alle piogge acide.
Per le centrali eoliche c’è da considerare l’impatto visivo e il rumore, paragonabile a quello del traffico
metropolitano. Quando la velocità del vento è eccessiva per motivi di sicurezza le pale si mettono fuori
servizio.Gli impianti eolici in mezzo al mare si dicono offshore.
Vediamo, schematicamente, gli elementi caratterizzanti dell’Energia Eolica
CONCETTO BASE: Risorsa che deve essere:
1. Accessibile
2. Tecnicamente utilizzabile
3. Economicamente giustificata
MACCHINE classificabili per:
1. Posizione asse di rotazione
2. Numero pale e dimensioni
3. Taglia e potenza
TIPOLOGIA SOSTEGNO:
1. Palo acciaio
2. Palo cemento
3. traliccio
DISPOSIZIONE sul TERRENO o sul MARE
1. Quadrato o rombo
2. fila unica
3. file parallele
4. file incrociate (croce di Sant’Andrea)
5. casuale
ELEMENTI COSTITUTIVI PRINCIPALI:
A. Sostegno
B. Navicella o sistema alloggiamento
C. Sistema orientamento e freno
D. Rotore e sottosistemi
E. Generatore elettrico e connessione rete
F. Controllo sistema
46
*****
ENERGIA EOLICA (VENTO)
Trasformazione dell’energia cinetica del vento in energia meccanica, utilizzabile per la produzione di
energia elettrica, per usi vari (pompaggio, mole per macinare, ecc.).
Di solito ad asse orizzontale
- con alberi di trasmissione (lento, veloce), ingranaggi (moltiplicatori, demoltiplicatori);
- dispositivi terminali, rotore, gondola o navicella, che è in grado di ruotare, rispetto al sostegno, per
allinearsi istantaneamente alla direzione del vento;
- pale da 1 a 40 m di dimensione, in numero di 2 - ...), che azionano il rotore;
- inerzia del sistema (fermo per venti deboli);
- velocità nominale 2÷4 m/s ( ≅ 8-12 km/h), in genere 5-20 m/s (≅ 18-72 km/h), oltre i 25 m/s
disassamento per sicurezza.
*****
POTENZA RACCOLTA = ½ ρ A ω3 = ρ π r2 ω3 (cp)
2
cp adimensionale variabile in funzione di:
- posizione asse rotazione;
- taglia;
- n° pale;
- velocità rotore;
- regolazione;
- resa complessiva!
∆ω varia con H
ω/ωo = (H/H0)α
dove α = 0,1 ÷ 0,4;
E/E0 = (H/H0)3n
dove 3n = 0,3 ÷ 1,2.
H > 6m sempre.
13. ENERGIA DALL’ACQUA
13.1 Energia dall’acqua di mare
Si prova ad utilizzarla sotto varie forme, ma si tratta ancora di modi futuribili e acerbi, anche se sono già
presenti alcuni impianti sperimentali .
Dt : per ora è ancora teorico. Si utilizza la diff. di temperatura tra la superficie e le profondità
marine, quindi considerandole due sorgenti a temperature diverse, tramite una macchina operante
fra di esse che fornisce lavoro (ciclo diretto).
Maree : riguardo al livello del mare si registrano variazioni dal giorno alla notte che possono
essere in alcune località (es. Mont Saint Michel in Francia) dell’ordine anche di qualche
metro.Tale valore di per sé potrebbe avere poca rilevanza ma va considerata la grande portata
d’acqua interessata da tale movimento. Sono in corso degli studi specialmente in Francia su
questo fenomeno, almeno un impianto è già in funzione .
Moto ondoso : sono necessarie onde molto grandi (altezza ed ampiezza). Si può ottenere energia
sfruttando il funzionamento di un galleggiante che si alza e si abbassa con l’onda , che risulta
simile ad una pompa a stantuffo, oppure si creano cavità , simili a grotte, dove si intrappolano le
onde, ed alla cui sommità si pongono stantuffi o ventole , su cui vengono inseriti meccanismi per
muovere alberi in acciaio, e da qui l’alternatore.
Ci sono i primi impianti sperimentali in Inghilterra e in Giappone
47
Correnti: si utilizzano delle paratie, oppure delle grandi ventole immerse . Ci sono studi nello
stretto di Messina
13.1.1 Energia dalle maree :
Definizione di MAREA: deformazione della superficie di un astro prodotta dall’azione gravitazionale di uno o più
corpi celesti. Per la Terra l'oscillazione di livello del mare è causata dall'attrazione gravitazionale combinata del
Sole e della Luna.
La deformazione della massa acquea è periodica e regolare, in generale si manifesta col ripetersi nell'arco di 24 h
50 minuti, corrispondente al giorno lunare medio, di due innalzamenti (flusso o alta marea) e due abbassamenti
(riflusso o bassa marea) del livello marino. I due flussi e i due riflussi si alternano circa ogni sei ore generando due
correnti di senso opposto (correnti di marea). Le maree possono essere considerate come onde estese con periodo di
12h e 25m e lunghezza d'onda pari a circa una semicirconferenza terrestre. L'altezza dell'onda di marea è data dal
dislivello tra alta e bassa marea e dipende dalle posizioni di Terra, Luna e Sole. La marea raggiunge l’ampiezza
massima quando i tre corpi sono allineati (fasi di Luna nuova e Luna piena) e la minima quando la Luna si trova a
90° con l’allineamento Terra-Sole (fasi di Primo e Ultimo quarto).
IMPIANTI CHE SFRUTTANO L’AMPIEZZA DI MAREA :
Le centrali mareomotrici sono costituite da uno sbarramento artificiale sull’estuario che comprende, sotto il livello
del mare, una serie di tunnel contenenti turbine collegate a generatori. L'acqua che scorre attraverso lo sbarramento
passa all’interno dei tunnel dove acquista velocità e fa girare la turbina. Durante la bassa marea l'acqua dalla foce
defluisce verso il mare aperto, mettendo in rotazione la turbina; quando il livello del mare comincia a salire e l'onda
di marea è sufficientemente alta si fa fluire l'acqua del mare nella foce e la turbina si mette nuovamente in
rotazione. Le turbine sono quindi reversibili e funzionano sia al crescere che al calare della marea.
Affinché la centrale funzioni correttamente e abbia un rendimento elevato, è necessario che l’ampiezza della marea
sia sufficiente. Nel Regno Unito ci sono parecchi siti che sarebbero indicati per questo tipo di impianto, e il più
grande potrebbe essere sull’estuario di Severn. In Italia, considerando la modesta entità delle maree nel
Mediterraneo, non ci sono grandi potenzialità per questa fonte.
Es. Centrale mareomotrice di La Rance, Francia :
La centrale fu costruita tra il 1961 e il 1966, sulla foce del fiume Rance, in Bretagna, tra S.Malo e Dinard.
Comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce e 24
turbine a bulbo con asse orizzontale, sulle quali agisce direttamente il flusso d’acqua. I gruppi di turbine a bulbo
della centrale di marea bretone, sviluppate appositamente, comprendono una turbina, un generatore e una pompa e
funzionano con l'alta e con la bassa marea.
L’estuario viene riempito e svuotato due volte al giorno per il passaggio di un massimo di 18.000 metri cubi di
acqua al secondo. L’ampiezza della marea in questa zona è di circa 13,5 m. La centrale che produce 240 MW di
potenza, copre annualmente il 3 % del fabbisogno elettrico della Bretagna.
La centrale di marea funziona anche da centrale a ripompaggio: l'elettricità in eccesso viene utilizzata per pompare
acqua nel corso del fiume a monte. Quando l'acqua pompata è fatta nuovamente scorrere verso il mare attraverso la
turbina, viene generata nuova elettricità.
48
IMPIANTI CHE SFRUTTANO LE CORRENTI DI MAREA :
Nella sola Europa la disponibilità di energia di correnti di marea è pari a circa 75 GW (75 milioni di Kilowatt) e la
stima dell’energia sfruttabile è pari a circa 50 TWh (TeraWattora equivalenti a 50 miliardi di Kilowattora), è che
se questa fonte fosse opportunamente sfruttata, sarebbe in grado di fornire un enorme quantità di energia elettrica.
Poca attenzione, però, è stata prestata allo sfruttamento delle correnti di marea. È bene notare che gli impianti che
sfruttano le correnti di marea sono del tipo “non a barriera”, al contrario di quelle che utilizzano l’innalzamento e
l’abbassamento delle maree (come la struttura di La Rance in Francia) che dal punto di vista ambientale sono
particolarmente dannose ed invasive.
TECNOLOGIA
Uso di una turbina idraulica (ad asse verticale o orizzontale), direttamente connessa al generatore, capace di
convertire l’energia cinetica posseduta dalle correnti marine in energia di rotazione, la quale a sua volta viene
convertita in energia elettrica.
Il sistema è molto simile, anche meccanicamente, a quello eolico, con la differenza che l’impianto è sommerso e la
turbina viene mossa dal flusso d’acqua anziché dal vento, le turbine a corrente marina necessitano di dimensioni
più piccole rispetto a quelle eoliche; questo perché l’acqua è 800 volte più densa dell’aria. Inoltre le turbine
immerse possono essere poste più vicine tra loro in quanto le correnti marine, a differenza dei venti, sono
generalmente bidirezionali.
Rispetto alle centrali mareomotrici, che possono essere realizzate soltanto in
luoghi in cui l’ampiezza di marea e sufficientemente alta, le turbine possono
essere collocate anche nel Mediterraneo; un progetto attualmente in corso di
perfezionamento interessa lo Stretto di Messina.
Il progetto ENERMAR nello stretto di Messina :
Il progetto ENERMAR è stato realizzato dalla Ponte di Archimede nello
Stretto di Messina S.p.A.
Il progetto, finanziato in parte dall'Unione Europea, in parte dalla Regione
Sicilia ed in parte dalla Ponte di Archimede, propone lo sfruttamento dell’energia rinnovabile contenuta nelle
correnti marine per mezzo di una innovativa turbina ad asse verticale ( KOBOLD.
49
Un impianto pilota, che sfrutta appunto l’ energia delle
correnti di marea, è stato installato nello stretto di Messina, vicino alla costa siciliana, di fronte alla cittadina di
Ganzirri.
In questo sito è prevista una velocità massima della corrente di circa 2 m/s (4 nodi), la profondità del mare è di 20
metri e l’impianto è stato ormeggiato a 150 metri dalla costa.
La corrente non è mai ferma, ogni 6 ore circa inverte il verso di scorrimento, mentre la sua intensità varia con un
periodo di 14 giorni.
Gli obiettivi principali sono: ottenere un sistema con elevate caratteristiche di solidità ed efficienza, che necessiti di
poca manutenzione e promuoverne lo sviluppo industriale e la sua commercializzazione.
La turbina KOBOLD, che ha una potenza nominale di 120 KW, nello Stretto di Messina, dove la velocità della
corrente raggiunge al massimo 2 m/s, è capace di produrre circa 25 KW che soddisferebbero il bisogno di
elettricità di circa 8 unità abitative.
Turbina a sei pale all’interno della galleria del vento
L’impianto ENERMAR montato su una piattaforma
galleggiante situata nello stretto di Messina, è composto
dalla turbina e da un generatore elettrico.
La turbina KOBOLD, caratterizzata dal verso di rotazione
indipendente dalla direzione della corrente marina
(bidirezionale), è stata progettata per raggiungere il livello
più elevato possibile di salvaguardia ambientale e di
efficienza, e per rispettare le necessità di bassi costi di
costruzione e di manutenzione. Inoltre è caratterizzata da
un elevato valore della coppia all’avvio, che rende la
turbina capace di avviarsi spontaneamente, anche sotto
carico, senza la necessità di qualsiasi sistema di avvio. Le prove condotte sull’impianto pilota hanno rilevato che
50
anche con una corrente lenta (circa 1.2 m/s), il rotore inizia a ruotare velocemente senza nessun aiuto esterno.
Attualmente sono in corso studi relativi alla trasmissione meccanica e alla connessione con il generatore elettrico,
atti a migliorare l’efficienza del sistema.
Le principali dimensioni dell’impianto sono le seguenti:
TURBINA:
Diametro: 6 m
Altezza delle pale: 5 m
Corda: 0.4 m
Numero di pale: 3
PIATTAFORMA:
Galleggiante:
Diametro: 10 m
Altezza: 2.5 m
Pescaggio: 1.5 m
Ormeggio:
Numero dei blocchi di ancoraggio: 4
Peso dei blocchi (in cemento): 350 KN ognuno
Profondità: 18 – 25 m
L’efficienza globale¹ è pari a circa il 23%,
paragonabile, o addirittura migliore, rispetto a quella delle turbine eoliche che godono di uno sviluppo più che
trentennale. Tale risultato è estremamente incoraggiante.
Dall’impianto di Ganzirri è possibile estrarre annualmente² una quantità di energia utile pari a circa 219000 KWh,
mentre uno studio ha rilevato che l’energia totale estraibile in questo sito è pari a 538 GWh.
¹ Si definisce efficienza globale del sistema il rapporto tra la potenza elettrica erogata e la potenza teorica connessa
con la corrente marina che intercetta il rotore.
² Considerando che la corrente non è mai ferma: 25 KW · 8760 h = 219000 KWh.
Per quanto riguarda l’aspetto economico, per il momento il costo dell’impianto è molto elevato, il prototipo infatti è
costato 620.000 Euro, ma se il progetto Enermar venisse prodotto in serie il prezzo potrebbe abbassarsi
sensibilmente.
Relativamente al problema dell’impatto ambientale, l’Università di Messina ha condotto studi valutando la
compatibilità dell’impianto ENERMAR con il mare, la flora e la fauna marina. Gli studi hanno rilevato che
l’impatto ambientale è trascurabile, soprattutto perché la turbina ruota molto lentamente.
51
13.2 Energia dall’acqua dolce
Mulini e similari : prima fonte di energia , ma ancora attuale in certi paesi
Idroelettrica
Si sfrutta l’equazione energetica di un sistema aperto con fluido a r= densità costante
(W2-W1)2
2
+ g ( Z2 - Z1 )
+ (P2 - P1) + R = + L
r
( en. Cinetica + en. Potenziale + D pressione + perdite di carico )
W = velocità media ( m/s )
g = accelerazione di gravità ( m/s2 )
Z = quota ( m )
P = pressione esterna o atmosferica ( N/ m )
r = densità ( Kg / m3 )
R = perdite di carico o di pressione ( kJ/kg )
L = lavoro unitario speso o ottenibile ( kJ/kg )
La potenza ottenibile è data da :
P = L * M = kW
Potenza = lavoro unitario ottenibile * portata massa
P = kJ * kg = kJ = kW
kg
s
s
W = unità di potenza
2 principali sistemi di utilizzo:
52
Tipica centrale idroelettrica: grandi portate e grandi salti. In alto si costruisce una diga, un
canale di derivazione che va nella vasca di carico, l’acqua viene fatta passare da una condotta
forzata fino alla centrale e poi passa nel canale di scarico.
Grandi portate e piccoli dislivelli ad esempio deviando parte del corso di un fiume.
Questi impianti sono molto interessanti perché possono essere messi in funzione quando ce n’è reale
bisogno , basta aprire le paratie e l’acqua fluisce !, cioè quando la richiesta è maggiore e l’energia costa di
più. Si riducono così i costi.
13.3 Impianti Idraulici
Ad acqua fluente ( es. sul Po )
A bacino ( diga + condotta forzata + turbina )
Di accumulo con pompe ( durante la notte, quando c’è poca richiesta di energia el. e quindi essa
costa poco, queste pompe, funzionanti con en. El. a basso costo, riportano l’acqua nel bacino
superiore, per poi farla ridiscendere quando la richiesta è molta ed il costo elevato.
In questo modo, l’anno scorso, l’ENEL ha recuperato il 2 / 3 % della produzione).
13.4 Classificazioni delle Centrali
In base alle potenze ottenibili
MICRO : fino a 100 kW
MINI
: fino a 1000 kW
PICCOLI : fino a 10000 kW
GRANDI : oltre
In base alla portata
PICCOLA
MEDIA
GRANDE
ALTISSIMA
N.B. Per riferimento:
: fino a 10 m3 / s
: fino a 100 m3 / s
: fino a 1000 m3 / s
: oltre
1 rubinetto eroga 0,1 litri /s
In base al salto
PICCOLO :10 / 20 m
BASSO : fino a 50 m
MEDIO : fino a 250 m
ALTO
: fino a 1000 m
MOLTO ALTO : oltre
Ci sono vari tipi di turbine e pale a seconda delle necessità perché quando diminuisce il dislivello deve
aumentare la portata.
Esempio : turbina Pelton a 6 introduttori.
APPLICAZIONI MICRO
Acquedotti locali ( esempio città con piccoli dislivelli; c’è stato anche un concorso a Bologna
dove c’è un piccolo salto nella centralina detta del Cavaticcio )
Canali di bonifica
Canali e condotte per superi portata
Circuito di raffreddamento di grandi impianti
Piccoli salti di acqua ( dove poter utilizzare ad esempio miniturbine RIVA- CALZONI )
53
COSTI
1 KWh minidraulico costa mediamente sulle 100 lire = circa 5 cent €
IMPATTO AMBIENTALE
Attenzione alle variazioni di portata dei corsi d’acqua ed alle modifiche del paesaggio (es. Val
Venosta con chiesa sommersa)
Attenzione alle variazioni della qualità dell’acqua a livello industriale ( es. per le ditte che
estraggono materiali inerti del fiume ) e a livello ambientali ( vegetazione e fauna )
Attenzione alle piene e agli eventi catastrofici ( es. Vajont )
13.5 Quadro sintetico della tecnologia, degli impianti e delle macchine
Energia idroelettrica è un termine usato per definire l'energia elettrica ottenibile a partire da una caduta
d'acqua, convertendo con apposito macchinario l'energia meccanica contenuta nella portata d'acqua
trattata. Gli impianti idraulici, quindi, sfruttano l'energia potenziale meccanica contenuta in una portata di
acqua che si trova disponibile ad una certa quota rispetto al livello cui sono posizionate le turbine.
Pertanto la potenza di un impianto idraulico dipende da due termini: il salto (dislivello esistente fra la
quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il
passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa d'acqua che fluisce attraverso la macchina espressa
per
unità
di
tempo).
In base alla taglia di potenza nominale della centrale, gli impianti idraulici si suddividono in:
I.
Micro-impianti: P < 100 kW;
II.
Mini-impianti: 100 < P (kW) < 1000;
III.
Piccoli-impianti: 1000 < P (kW) < 10000;
IV.
Grandi-impianti: P > 10000 kW.
Gli impianti possono essere poi:
A. ad acqua fluente;
B. a bacino;
C. di accumulo a mezzo pompaggio.
In funzione del salto gli impianti idraulici possono essere:
1. a bassa caduta (H > 50 m);
2. a media caduta (H = 50 ÷ 250 m);
3. ad alta caduta (H = 250 ÷ 1000 m);
4. ad altissima caduta ( H > 1000 m).
Mentre in funzione della portata si parla di:
i.
piccola portata (Q > 10 m³/s);
ii.
media portata (Q = 10 ÷ 100 m³/s);
iii.
grande portata (Q = 100 ÷ 1000 m³/s)
54
iv.
altissima portata (Q > 1000 m³/s).
Una centrale è composta in genere da un'opera di derivazione (contenente uno sbarramento), un'opera di
adduzione (condotte di collegamento), una condotta forzata, una centrale elettrica che contiene il
macchinario
di
conversione
e
generazione
e
un'opera
di
restituzione.
La derivazione di acque è regolata per legge sulla base di apposite concessioni governative che risultano
sempre a titolo oneroso e che sono soggette a rinnovo con durata, in genere, almeno ventennale. La
portata derivata da un bacino deve essere tale da rispettare l'ambiente e l'idrologia del corpo idrico
intercettato.
Una delle particolarità salienti di questi impianti è legata al fatto che per tipologia impiantistica e taglia si
prestano ad essere del tutto automatizzati. L'impiego di macchinario elettromeccanico realizzato ad hoc
consente in qualche modo di ottimizzarne i costi ma va comunque tenuto presente che i costi legati a
questa
voce
non
superano
in
genere
il
10-15%
del
totale.
Il macchinario è costituito in genere da piccole turbine Francis e Pelton per gli impianti con maggiori
salti.
13.6 Applicazioni
In genere molti impianti di piccola taglia si trovano realizzati in aree montane su corsi d'acqua a regime
torrentizio o permanente e l'introduzione del telecontrollo, telesorveglianza e telecomando ed
azionamento consentono di recuperarli ad una piena produttività, risparmiando sui costi del personale di
gestione, che in genere si limita alla sola manutenzione ordinaria con semplici operazioni periodiche (ad
es. la sostituzione dell'olio per la lubrificazione delle parti). Molti impianti di piccola taglia attuano il
cosiddetto recupero energetico. I sistemi idrici nei quali esistono possibilità di recupero sono assai diversi
e possono essere indicativamente raggruppati nelle seguenti tipologie:
a. acquedotti locali o reti acquedottistiche complesse;
b. sistemi idrici ad uso plurimo (potabile, industriale, irriguo, ricreativo, etc.);
c. sistemi di canali di bonifica o irrigui;
d. canali o condotte di deflusso per i superi di portata;
e. circuiti di raffreddamento di condensatori di impianti motori termici.
13.7 Potenzialità
Secondo le analisi condotte da TONDI et al. (1999) esistono quote significative di possibile crescita per
gli impianti idraulici in Italia, e tali stime trovano conferma anche nelle valutazioni dell'ENEA (1998)
secondo cui sarebbe possibile realizzare in Italia, entro il 2010, 850 MWe di impianti idraulici di taglia
small (P > 10 MW), avendone messi in funzione per circa 311 MWe entro il 2001 insieme a 450 MWe di
impianti
di
taglia
superiore
a
10
MWe.
13.8 Aspetti economici
Il costo medio del kWh degli impianti mini-hydro varia dalle 85 alle 115 £ in funzione delle
caratteristiche
del
sito
(salto
e
portata).
Per uno sviluppo di tutti gli impianti individuati nel precedente par. si è stimata una somma pari a circa
880 miliardi di lire, con un costo unitario della potenza installata pari a circa 2.086.821 lire.
Alcune turbine Banki, realizzate in Italia, per impianti micro-hydro hanno costi compresi fra 1,5 e 2,5
milioni
di
lire/kW
nella
classe
da
10
a
60
kW.
Un possibile incentivo alla realizzazione degli impianti, ipotizzati per le aree urbane e/o suburbane,
potrebbe venire dalla loro integrazione in sistemi DPS (piccoli impianti distribuiti di accumulo a mezzo
55
3
pompaggio
) del tipo proposti da REYNOLDS (1995) ed in questo caso tali impianti potrebbero,
significativamente, partecipare al miglioramento della qualità del sistema di distribuzione elettrica a
livello locale, specie nelle aree appenniniche della penisola.
14. ENERGIA GEOTERMICA (= calore dalla terra)
Cenni storici
Fin dal 270 a.C. era nota, in Toscana, la presenza di acqua calda sotterranea. Le pozze d’acqua calda
erano chiamate Lagoni. Queste acque venivano trattate per ottenere il Boro usato come fissante
nell’industria ceramica e per ottenere l’acido borico ad usi farmaceutici.
Lardarello prende il nome da messier De Lardarel, ufficiale napoleonico che fondò una società, con altri
due ufficiali, per lo sfruttamento di questi lagoni. Questa prima società fallì perché per fare evaporare
l’acqua si usava della legna, prelevata dai boschi vicini, e ciò non era economicamente vantaggioso.
De Lardarel successivamente fondò un’altra società, che prosperò, avendo egli avuto la felice intuizione
di usare la sorgente stessa quale fornitore di energia .
Nel 1905 sfruttando i soffioni si diede energia elettrica alle prime sei lampade ad arco elettrico (Ginori),
ma solo un anno dopo (1906) a tutto il paese.
Nel 1915 fu installata una prima centrale con turbina e generatore elettrico da 2,57 MW.
Divisione delle acque:
Bassa entalpia
Media entalpia
Elevata entalpia
Le sorgenti a bassa entalpia sono utilizzate per le terme, ce ne sono sparse in tutta Italia. Ci sono
stati anche vari tentativi di utilizzo ad esempio per l’itticoltura , poichè in acque tiepide i pesci
crescono più velocemente, e per le serre, con coltivazione di ortaggi. Riscaldandole con questi
sistemi si possono ottenere primizie, praticamente senza costi aggiuntivi.
Nei posti dove ci sono i soffioni di vapore, si è venuto a creare un bacino perché l’acqua infiltratasi dal
terreno ha incontrato uno strato impermeabile, che la blocca formando una sorta di grande contenitore
(pentola) e una fonte di calore dovuta al magma, che la riscalda. Per ogni Km di profondità la temperatura
aumenta di 30 ° C circa, in zone particolari tipo Lardarello la temperatura aumenta di circa 50 °C per ogni
km di profondità.
Per mantenere le trivellazioni sempre in funzione i bacini vengono reintegrati dell’acqua estratta.
Ci sono due tipi di pozzo:
Pozzo ad acqua dominante
Pozzo a vapore dominante
Torri evaporative: hanno la funzione di raffreddare l’acqua una volta che si è espansa nelle turbine, per
reintrodurla nel terreno. Hanno un forte impatto ambientale come, del resto,le varie tubazioni (vedasi
foto) .
Tubazioni : questi tubi sono fortemente isolati, fatti di acciaio speciale poiché le acque hanno anche
elementi fortemente corrosivi derivati dall’anidride carbonica , dallo zolfo, dal boro e dai silicati.
I tubi sono ricoperti da uno strato isolante e poi da un rivestimento esterno in alluminio. Le tubazioni
sono lunghe qualche km e, come tutti gli elementi solidi, hanno una dilazione dovuta al calore. Hanno
bisogno quindi di giunti di dilatazione che possono essere di vari tipi . Il giunto a cannocchiale adotta
appunto lo stesso funzionamento del cannocchiale, i due tubi scorrono uno dentro l’altro. Il giunto a lira o
ad omega riprende la propria forma dal nome e collega due tubi rettilinei. Grazie alla forma diversa
assorbe la variazione di lunghezza, è importante però che siano collegati saldamenti gli estremi ai tubi. Il
giunto a soffietto, come quello che si usa per i riscaldamenti, è un tubo con flange che ne collega altri due.
56
L’utilizzazione più diffusa dell’energia ottenuta è per produrre energia elettrica tramite una turbina, che
può essere di vari modelli , ed un alternatore.
15. IDROGENO E FUEL CELLS
CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELL’IDROGENO, DELLA BENZINA E DEL GAS
NATURALE
PROPRIETA’
BENZINA
(pura)
GAS
NATURALE
IDROGENO
Stato fisico a 20 °C
Liquido
Gassoso
Gassoso
Densità (g/cm3)
0.73
0.78 10-3
0.84 10-4 (gas)
0.71 10-1 (liq. a –253 °C)
Punto di ebollizione
38/204 °C
Potere calorifico inf.
•
•
Gravimetrico
(kJ/kg)
- 156 °C
- 253 °C
4.8 104
12.5 104
37.3 103
10.4 103 (gas)
8.52 106 (liquido)
Volumetrico
(kJ/m3)
Composizione di com-
1.76
9.43
29.3
5 – 16
4 - 75
bustione in aria (% Vol)
Intervallo di infiammabili- 1.4 – 7.6
57
tà nell’aria (%)
Velocità di fiamma (m/s)
0.40
0.41
3.45
Temperatura di fiamma 2197
(°C)
1875
2045
Temperatura di ignizione 257
(°C)
540
585
Luminosità di fiamma
Alta
Media
Bassa
Prodotti di combustione
CO,CO2, H2O
CO,CO2, H2O
H2O
ELENCO PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’IDROGENO
TRASFORMAZIONE DEGLI IDROCARBURI: Lo steam reforming del metano (SMR) è un processo
ben sviluppato ed altamente commercializzato, attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno
mondiale. Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori. Tale processo, su
scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La
prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda
fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio
ed idrogeno.
GASSIFICAZIONE DEL CARBONE E DEI COMBUSTIBILI FOSSILI:
In generale, il processo di gassificazione consiste nella parziale ossidazione, non catalitica, di una
sostanza solida, liquida o gassosa che ha l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato
principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.
Tramite la gassificazione il carbone viene convertito, parzialmente o completamente, in combustibili
gassosi, i quali, dopo essere stati purificati, vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per
processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti, è questa una tecnologia che trova numerose
applicazioni commerciali, ma è competitiva con la tecnologia SMR solo dove il costo del gas naturale è
molto elevato (per esempio la Repubblica Popolare di Cina e il Sud Africa).
IDROLISI DELL’ACQUA: Esistono vari processi per ottenere idrogeno dall’acqua:
Elettrolisi: questo è sicuramente il processo più maturo per la produzione industriale, e sono stati costruiti
alcuni grandi impianti nelle vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo.
E’ importante però ricordare che, seppur svantaggioso, dalla produzione di idrogeno mediante il processo
elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro, da utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più
comune per la produzione di idrogeno anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di
idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di energia elettrica.
Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo
per soddisfare richieste limitate di idrogeno estremamente puro.
58
IDROGENO DALLE BIOMASSE
Le tecnologie per ottenere idrogeno dalle biomasse non sono ancora in commercio e sono ancora in fase
di ricerca e sviluppo. Gli esperti fanno questa distinzione tra i vari metodi:
- conversione di biomasse solide (palline da coltivazione, residui di biomassa),
- fermentazione di biomassa liquida, e generazione biologica di idrogeno.
La cosa più interessante riguardo al fatto di generare idrogeno direttamente da biomasse e’ che la
produzione di idrogeno deriva direttamente da fonti energetiche rinnovabili senza dovere convertire
l’energia contenuta nelle biomasse in elettricità (per la qual trasformazione sarebbe necessario il
processo di elettrolisi).
Il processo di riduzione della biomassa in vapore acqueo genera una miscela di gas che consiste in:
•
0% idrogeno
•
20% monossido di carbonio CO
•
10% diossido di carbonio CO2
•
5% metano
•
45% azoto
Usando ossigeno puro o solo vapore acqueo il gas prodotto non contiene azoto.
In questo processo a causa del calore le sostanze organiche si decompongono in coke.
Il processo è chiamato decomposizione termica o pirolisi: a causa della presenza di ossigeno nel
reattore. I prodotti intermedi non sono trasformati, ma avviene una parziale ossidazione.In una
seconda fase della reazione il monossido di carbonio insieme al vapore acqueo viene trasformato in
idrogeno e diossido di carbonio. Dopo ciò la miscela di gas viene scissa in un processo pressionerotazione-assorbimento in idrogeno puro e gas residuali.
STOCCAGGIO E TRASPORTO DELL’IDROGENO
COMPRESSIONE DELL’IDROGENO: l'idrogeno in forma gassosa può essere immagazzinato in
appositi contenitori a pressioni molto alte, nell'ordine di 20 MPa (200 bar), attraverso adeguati
compressori. Ciò necessita ulteriore energia e costi aggiuntivi, senza dimenticare che oltre a comprimerlo,
l'idrogeno va mantenuto a tali pressioni.
Per contenere il gas sono usate bombole in grafite/fibra di carbonio ad alta pressione, che hanno il difetto
di essere molto voluminose, nonostante il loro peso relativamente esiguo. In alternativa l'idrogeno può
essere immagazzinato, come gas compresso, all'aperto oppure sotto terra, in caverne. Quest'ultima
metodologia è più o meno conveniente, in termini di costi, secondo che si sfruttino strutture preesistenti
(miniere saline, pozzi di gas svuotati ecc.) o ne sia necessaria la loro creazione (pozzi artificiali ecc.).
La pericolosità e' simile a quella del gas metano. L'idrogeno già a contatto con l'aria forma miscele
esplosive che possono scoppiare, a differenza del metano però, grazie alla sua grande leggerezza,
l'idrogeno si disperde prima, diminuendo il rischio di concentrazione critica.
LIQUEFAZIONE DELL’IDROGENO: i processi di liquefazione usano una combinazione di
compressori, scambiatori di calore, motori di espansione e valvole a farfalla per ottenere il
raffreddamento desiderato. Il processo di liquefazione più semplice è il ciclo Linde o ciclo di espansione
Joule–Thompson. Tramite questo processo, il gas è compresso a pressione ambiente e quindi raffreddato
in uno scambiatore di calore prima di passare attraverso una valvola in cui è sottoposto al processo di
59
espansione Joule–Thompson producendo del liquido. Una volta rimosso il liquido il gas ritorna al
compressore tramite lo scambiatore di calore. L'idrogeno può essere liquefatto sia per la produzione
stazionaria di energia sia per il rifornimento di veicoli. Successivamente, nella maggior parte dei casi,
viene immagazzinato ad una temperatura di -253 °C. L' inconveniente di questo sistema è l'eventuale
fuoriuscita di parte dell'idrogeno liquido ed il notevole dispendio energetico dell’intero processo. Infatti
circa il 30% dell’energia dell’idrogeno è necessaria per il suo raffreddamento, inoltre sono necessarie
particolari attrezzature per il mantenimento dello stato liquido. Una delle preoccupazioni maggiori legate
a questo processo quindi, è quella della riduzione delle fuoriuscite di liquido. Dato che l’idrogeno è
immagazzinato ad una temperatura che corrisponde al suo punto di ebollizione, qualsiasi passaggio di
calore attraverso il liquido causa l’evaporazione di una parte dell’idrogeno e qualsiasi evaporazione si
riflette in una perdita dell’efficienza del sistema. La fonte di tale calore potrebbe essere la conversione
della configurazione elettronica delle molecole d’idrogeno da orto a para, l’energia del pompaggio,
oppure la conduzione, convezione o irraggiamento diretto del calore.
L’impiego di contenitori criogeni isolati invece, può far fronte al problema del calore generato per
conduzione, convezione ed irraggiamento. Tali contenitori sono progettati in modo da evitare qualsiasi
trasmissione di calore dalla parete esterna al liquido, per cui sono tutti costituiti da un doppio rivestimento
il cui interno è vuoto per impedire il passaggio di calore per conduzione o convezione. Per prevenire
l’irraggiamento diretto di calore invece, tra la parete interna ed esterna del contenitore sono installati dei
pannelli protettivi a bassa emissione di calore a base di plastica ed alluminio. La maggior parte dei
contenitori di idrogeno liquido hanno forma sferica perché quest’ultima ha la più bassa superficie per il
trasferimento di calore per unità di volume. Inoltre, al crescere del diametro dei contenitori il volume
aumenta più velocemente della superficie esterna per cui contenitori più grandi, in proporzione,
provocano minori perdite per trasferimento di calore. I contenitori cilindrici, invece, sono preferibili per la
loro facilità ed economicità di costruzione. Anche se sottoposto con cautela all’irraggiamento solare, una
parte dell’idrogeno può evaporare ed essere destinata ad aumentare la pressione nel contenitore o riciclata
nel processo di liquefazione oppure, in alcuni casi, semplicemente liberata. Riguardo questa tecnologia, il
costo operativo maggiore è dovuto all'elettricità necessaria per la compressione per cui, attualmente, si
stanno analizzando alcuni metodi per la riduzione della quantità di energia richiesta.
Una delle possibili soluzioni, la liquefazione magnetica, è in fase di sviluppo. Per quanto riguarda il
rifornimento di veicoli, quello dell'idrogeno liquefatto potrebbe sembrare uno dei metodi più adatti.
Comunque bisogna considerare i notevoli rischi legati, solo per fare un esempio, alle perdite di carburante
o ai problemi di sicurezza dovuti allo spazio ristretto a disposizione dei parcheggi. Inoltre, si stanno
progettando dei serbatoi ad alta pressione leggeri ed impermeabili all’idrogeno. Lo scopo è quello di
utilizzare tali serbatoi in spazi ristretti ed in particolare a bordo di veicoli. Basato sul principio fisico che i
cilindri siano efficienti nel contenere la pressione interna, questi serbatoi sono costituiti da più cilindri
congiunti, con un reticolato rinforzato interno. Il risultato è quindi quello di un contenitore "multi-cella" il
cui numero è ottimizzato in base al volume del liquido da immagazzinare. Con questo metodo è possibile
immagazzinare il 50% di idrogeno in più rispetto all’uso di serbatoi tradizionali multipli. Attualmente
sono stati già sperimentati i primi serbatoi formati da sole due celle.
TRASPORTO DELL’IDROGENO COMPRESSO O LIQUEFATTO: l’idrogeno come gas compresso
può essere trasportato in cilindri ad alta pressione, autocisterne e gasdotti . I cilindri ad alta pressione (40
MPa), pur consentendo un minore ingombro sono molto pericolosi da maneggiare e trasportare. Le
autocisterne invece, sono spesso composte da diversi cilindri in acciaio montati su di un’intelaiatura
protettiva e possono contenere da 63 kg a 460 kg di idrogeno compresso ad una pressione di soli 20 MPa.
Attualmente il trasporto ferroviario dell’idrogeno sotto questa forma non viene ancora effettuato, forse
anche perché questo metodo comporterebbe la costruzione di particolari vagoni con materiali idonei al
trasporto dell’idrogeno con conseguente notevole incremento dei costi di trasporto. L’idrogeno liquido
immagazzinato in contenitori isolati, come già detto, viene trasportato tramite autocarri ed altri automezzi
in quantità elevate e con modeste perdite per evaporazione (0,3%-0,6% al giorno). Per quanto riguarda il
trasporto navale, a causa dei lunghi periodi di tempo che richiede, è impiegato solo per l'idrogeno liquido.
60
DESCRIZIONE E FUNZIONAMENTO DELLA CELLA A COMBUSTIBILE
Le celle a combustibile sono dei sistemi elettrochimici capaci di convertire l'energia chimica di un
combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l'intervento intermedio di un
ciclo termico e di organi meccanici in movimento, e pertanto presentano rendimenti di conversione più
elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.
Una singola cella produce normalmente circa 0.7 V, quindi per ottenere la potenza e il voltaggio
desiderato più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto "stack”.
Gli stack a loro volta sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta.
Una cella a combustibile funziona in modo analogo a una batteria, in quanto produce energia elettrica
attraverso un processo elettrochimico, a differenza di quest'ultima tuttavia consuma sostanze provenienti
dall'esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito
combustibile (idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria), mentre la batteria deve essere ricaricata. Una FC
non immagazzina energia al suo interno e non si scarica come succede alla batteria; essa converte
direttamente il combustibile in energia elettrica, mentre la batteria deve rifornirsi di energia elettrica da
una fonte esterna.
La cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono
da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno e ossigeno, con
produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno (ad esempio una lampadina o un
motore).
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 produzione
di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura.
61
Nella figura è riportato il confronto tra le fuel cell e i sistemi tradizionali.
Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e grado di sviluppo.
Normalmente le celle vengono classificate sulla base dell'elettrolita utilizzato (celle alcaline, a elettrolita
polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, a ossidi solidi) o in base 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 costruttivi;
· la composizione dei gas reagenti;
· le modalità di smaltimento dei prodotti di reazione;
· le caratteristiche di resistenza meccanica e di utilizzo;
· la vita della cella.
PRINCIPALI TIPI DI CELLE
• Celle alcaline (AFC, Alkaline Fuel Cell), che usano un elettrolita costituito da idrossido di potassio ed
operano a temperature intorno a 120°C. Hanno raggiunto un buon grado di maturità tecnologica
soprattutto per usi speciali (applicazioni militari e spaziali); Le loro caratteristiche (richiedono gas di
alimentazione estremamente puri) ne hanno limitato fortemente la diffusione, tanto che oggi non vi sono
programmi di sviluppo in corso
• Celle ad elettrolita polimerico(PEFC, Polymer Electrolyte FuelCell), che usano come elettrolita
unamembrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e
100 °C; sono sviluppate soprattutto per la trazione e la generazione/cogenerazione di piccola taglia (1-250
kW)
• Celle ad acido fosforico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), che operano a temperature prossime ai
200 °C con un elettrolita costituito da una soluzione concentrata di acido fosforico; rappresentano la
62
tecnologia più matura per gli usi stazionari, con commercializzazione già avviata per le applicazioni di
cogenerazione nei settori residenziale e terziario (100-200 kW)
• Celle a carbonati fusi (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), che usano come elettrolita una soluzione
di carbonati alcalini fusa alla temperatura di funzionamento della cella (650 °C) e contenuta in una
matrice ceramica porosa; sono promettenti soprattutto per la generazione di energia elettrica e la
cogenerazione da qualche centinaio di kW ad alcune decine di MW
• Celle ad ossidi solidi (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), che funzionano a temperatura elevata (circa 9001000 °C) per assicurare una conducibilità sufficiente all’elettrolita, costituito da materiale ceramico
(ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio); come le celle a carbonati, sono promettenti soprattutto
per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione da qualche kW ad alcune decine di MW
• Celle a metanolo diretto (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), che operano a temperature tra 70 e 120
°C e come le PEFC utilizzano come elettrolita una membrana polimerica. Sono ancora nello stadio di
ricerca di laboratorio. Nella figura è riportato lo schema di funzionamento dei vari tipi di celle.
IMPIANTI CON CELLE A COMBUSTIBILE
63
Gli impianti con celle a combustibile sono costituiti da 3 sezioni principali:
1. una sezione di trattamento del combustibile (gas naturale, metanolo, olio combustibile,
carbone), che converte lo stesso in un gas di sintesi contenente idrogeno, purificato secondo le
necessità imposte dal tipo di cella. Raramente l’idrogeno, nonostante sia l’elemento più
abbondante dell’universo, è disponibile nella sua forma pura. Dunque la FC è dotata di un
reformer per ottenere idrogeno da combustibili fossili ricchi di idrogeno. La produzione di
idrogeno viene ottenuta con sistemi che utilizzano processi di steam reforming, ossidazione
parziale, ecc. Il processo normalmente impiegato quando si parte da idrocarburi leggeri (metano) è
quello di reforming catalitico con vapore, seguito da conversione dell'ossido di carbonio:
Cn Hm + n H2O = n CO + (m/2 + n) H2
n CO + n H2O = n CO2 + n H2
Il processo di reforming comporta l’emissione di CO2, in una quantità che è la metà di quella
generata dai tradizionali metodi di produzione di energia elettrica, e di NO in tracce.
Nel processo occorre adottare condizioni di reazione che prevengano la formazione di composti
indesiderati (es. formazione di carbone) che comprometterebbero l'efficienza del processo stesso.
Questa sezione non è presente se si utilizza idrogeno, se si impiegano celle ad alta temperatura
(MCFC e SCIFC) in cui la riforma del combustibile avviene all'interno della cella stessa o nel caso
di celle a metanolo diretto (DMFC);
2. una sezione elettrochimica, costituita dalle celle che producono energia elettrica per via
elettrochimica attraverso una reazione tra idrogeno alimentato all’anodo e ossigeno alimentato al
catodo; la trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore;
3.
un sistema di condizionamento della potenza elettrica, noto come “power conditioning
equipment”, che trasforma l'energia, prodotta sotto forma di corrente elettrica continua, in
corrente alternata di opportune caratteristiche.
Inoltre converte la potenza DC a basso voltaggio in potenza AC ad alto voltaggio, che viene
utilizzata nelle case ed impiega una batteria per soddisfare il picco dei fabbisogni energetici a cui
la cella non può far fronte. Infine consente il controllo della frequenza della corrente e mantiene le
armoniche ad un livello accettabile.
Completano l'impianto un sistema di regolazione e di recupero del calore, che può essere utilizzato sia
all'interno dell'impianto (ad esempio, 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.
64
Analizziamo il funzionamento di una FC di tipo PEM (PROTON EXCHANGE MEMBRANE).
Dopo che il reformer ha prodotto l’idrogeno, la FC combina l’ossigeno contenuto nell’aria con
l’idrogeno per ottenere energia elettrica e acqua.
L’idrogeno è alimentato all’anodo della FC, dove si trova un catalizzatore, solitamente platino, che
ha la funzione di separare gli elettroni carichi negativamente dall’idrogeno, i quali confluiscono
all’esterno della FC attraverso un circuito esterno come una lampadina o un motore. I cationi (H+)
dell’idrogeno attraversano la FC contenente una soluzione elettrolitica fino a raggiungere il catodo.
Qui si ricongiungono gli idrogenioni (H+), gli elettroni provenienti dal circuito esterno e l’ossigeno
alimentato al catodo. I coprodotti della reazione elettrochimica, chiamata idrolisi inversa, sono
vapore acqueo, calore ed energia elettrica. Teoricamente il vapore acqueo potrebbe essere riciclato
per produrre idrogeno e il calore potrebbe essere usato per riscaldare.
L’efficienza della FC è superiore a quella della combustione, che sappiamo essere limitata dalla legge
di Carnot. L’efficienza delle FC varia dal 35% al 90%. Impurezze presenti nei gas di alimentazioni
riducono le prestazioni di cella.
16. POMPE DI CALORE
Questi sistemi si possono usare sia per raffreddare che per riscaldare, ma ci sono alcune condizioni che
devono essere soddisfatte per poterle usare efficientemente.
Ad esempio questi impianti funzionano meglio in climi caldi come quelli dell'Italia centro-meridionale.
Il blocco fondamentale di una pompa di calore è basato su un gruppo frigorifero.
Un gruppo frigorifero è composto da quattro elementi principali , cioè : un compressore che aumenta la
pressione del fluido , due scambiatori di calore ( un condensatore ed un evaporatore) , e da una valvola di
espansione che abbassa la pressione .
Il ciclo frigorifero consiste nel fornire lavoro e sottrarre calore all'evaporatore per cederlo alla sorgente a
temperatura più alta tramite il condensatore.
Schematizzando il ciclo termodinamico avremo , innanzitutto un sistema di condutture contenenti il
fluido frigorigeno . Tale fluido in genere è costituito da elementi della catena del freon (tipo Rx) . Fino a
poco tempo fa veniva molto usato l'elemento il freon 22 (R22) che, però ora è stato messo al bando
(protocollo di Kioto) .
Il compressore , azionato in genere dall'energia elettrica , comprime il gas da p1 ad una pressione
maggiore p2, compiendo lavoro, e lo scalda . Dal compressore esce , dunque , gas compresso e caldo, allo
stato fisico di vapore surriscaldato, per raggiungere il condensatore, ossia uno scambiatore di calore
alettato, in cui il gas , che vi giunge più caldo dell'ambiente esterno , cede la quantità di calore latente Qc
condensando.
65
Dal condensatore, dunque, esce liquido alla pressione maggiore delle due di funzionamento . A questo
punto si fa passare il liquido attraverso una valvola di espansione, che funziona come quelle delle
bombolette spray (all’interno il fluido è liquido) , mentre esce dalla valvola , vaporizza .
Ora il fluido ha minore pressione ed è quasi tutto liquido con una parte vapore, ed è in questa condizione
che raggiunge il secondo scambiatore alettato, ossia l'evaporatore.
Attraverso l'evaporatore il fluido riceve la quantità di calore Qe dall'esterno , dove la temperatura è
maggiore, e in virtù di questo calore latente, esso evapora di nuovo , ma alla pressione minore.
A questo punto ho del gas caldo a bassa pressione che è pronto a ricominciare il ciclo passando attraverso
il compressore.
In realtà è lo stesso ciclo del frigorifero di casa, anche se il processo è leggermente diverso , infatti sono
le bevande ed i cibi caldi a cedere il loro calore al fluido , facendolo vaporizzare nell’evaporatore, invece
nel condensatore a sua volta cede il calore di condensazione all'ambiente. Dunque in questo processo
avviene un doppio scambio termico nei due scambiatori di calore (evaporatore e condensatore) , in genere
alettati .
L'effetto utile o frigorigeno nel ciclo frigorifero, dunque, è il rapporto tra il risultato ottenuto (Qe) e la
spesa (L) :
η = Qe =
Qe
L
Qc-Qe
.
La pompa di calore si può considerare come lo stesso ciclo frigorifero , di cui , però , si usa il calore
prodotto (Qc) . Dunque la macchina è sempre la stessa , solo che in estate si usa per raffreddare e in
inverno per riscaldare.
Della pompa di calore si può misurare il coefficiente di prestazione : C.O.P. = Qc / L = 1+η
Le pompe di calore, ciclo frigorifero a ciclo reversibile, permettono tramite una valvola a quattro vie
regolabile, di decidere se farle funzionare per scaldare o per raffreddare , senza nulla cambiare se non
mutando la posizione di una valvola , che cambia il flusso del fluido frigorigeno.
In una stagione (estate) fornirò acqua refrigerata, dall’evaporatore, a 10° C , e nell'altra acqua dal
condensatore a 35° C.
L'impianto è esattamente lo stesso , si cambia semplicemente il verso con un pulsante che agisce sulla
valvola a quattro vie.
L’ uso della pompa di calore è molto importante perché consente di ottenere un doppio servizio :
riscaldamento in inverno e raffreddamento in estate con la stessa macchina frigorifera e con lo stesso
impianto di utilizzazione (ad aria o con ventilconvettori).
E' importante ricordare , però , che la pompa di calore funziona bene in climi abbastanza miti (es. Italia
Centro Meridionale) , e che tale sistema è in genere conveniente solo se adottato in situazioni d'uso in
cui si usa sia per riscaldare che per raffreddare , e non dove serve per uno solo di questi scopi.
Ma il clima come influenza il rendimento di queste macchine?
Il C.O.P. massimo sarebbe quello ottenibile nel ciclo di Carnot , cioè Tc . ,
Tc-Te
Con Te e Tc rispettivamente temp. Kelvin dell’evaporatore , o sorgente fredda , e del condensatore , o
calda.
La pompa di calore è vantaggiosa se Tc-Te è un valore piccolo, ed in particolare se la sorgente fredda ha
una temperatura Te relativamente alta , mentre Tc non è troppo elevata.
Quindi, se ad esempio a Firenze, ho una temperatura invernale dell’aria esterna Te = 10°C = 283K,
e Tc è 45°C = 318K, allora C.O.P.max teor = 318 = circa 9 quindi spendendo 1 ne ricavo 9!
318-283
Questo teoricamente se la macchina fosse reversibile (Carnot) , in realtà, tenendo conto di tutte le
irreversibilità presenti (attriti, passaggi di en. Termica, ecc...) occorre ridurre tale valore di almeno il 6070 % , quindi il COP reale = 3 – 4 , pur molto interessante sia dal punto di vista energetico che
economico; .
66
A Milano , invece se Te=0°C =273K , Tc = 80° C = 353K (radiatore)
quindi C.O.P.max teor= 353 . = circa 4 , e quello reale 1,5 , molto meno, e non proponibile.
80
La differenza fra C.O.P. teorici su macchine di Carnot , e COP che nella realtà rispetto ai coefficienti
teorici perdono sempre almeno i due terzi , e per essere interessanti queste macchine sia dal punto di vista
energetico che economico, occorre che il COP reale sia almeno attorno a 3.
Quelli ipotizzati erano scambiatori aria-aria , che usano , cioè , come sorgente fredda l'aria esterna , ma
posso anche usare altre fonti fredde , purché gratuite , quindi vanno bene anche l'acqua se si è vicini a
corsi d'acqua laghi o al mare , i pozzi artesiani (se consentito!) o il terreno stesso. Anche il terreno dunque
è ottimo come sorgente fredda perché sotto 1 m dalla superficie in un anno la variazione di temperatura
massima è di circa 1-2°C , anche in funzione del tipo di terreno; dunque ci si mantiene sempre sui 15°C ,
che è una temperatura buona per il nostro impianto.
Come sorgente fredda si possono usare anche le acque condominiali di recupero , disponendo di un
impianto in grado di separare le acque nere dalle bianche, cioe’ quelle dei lavandini e delle lavatrici.
Le pompe di calore, in conclusione , sono molto proponibili a due condizioni:
- che ci sia la sorgente fredda con temperatura adatta (8 -15 °C) , gratuita e di grande capacità
termica ,
- che la situazione climatica del posto sia tale che i fabbisogni termici nelle stagioni opposte
(inverno,estate) siano circa gli stessi e circa della stessa durata in termini di servizio richiesto in
quella zona (es. Roma, Napoli) .
17. COGENERAZIONE
Cogenerare significa generare in maniera combinata energia termica ed energia elettrica spendendo
lavoro, ovvero energia meccanica.
Esempio di un impianto termoelettrico
Nelle centrali termiche semplici il calore a perdere non viene utilizzato ed attraverso gli scambiatori di
calore l’energia viene immessa a perdere , es. in atmosfera con scambiatori di calore o in acque , in
fiumi,laghi, nel mare . Le centrali termiche sono vicine al mare perché sono più facilmente rifornibili di
67
combustibili (gasolio, gas) con piattaforme al largo, e per utilizzare l’acqua ed il suo immenso potere
raffreddante al condensatore .
Nei processi di cogenerazione invece il calore a perdere viene riutilizzato, in genere per riscaldare.
Condizioni di fattibilità :
Richiesta contemporanea di en. elettrica ed en. termica
Richiesta di quantità ingenti o comunque significative
Richiesta costante
Numero minimo di tot ore all’anno di funzionamento richiesto (almeno 8.000 ore /a)
Vedi tab. 1 sui fabbisogni di en. primaria.
Vedi fig. 2 sul bilancio energetico in cogenerazione; la perdita è solo 15 , l’en elettrica 60 , il calore 100
su un totale di 175 unità di energia utilizzata.
Il rapporto tra potenza elettrica e potenza elettrica più potenza termica è molto importante per rendersi
conto dell’efficienza del ciclo combinato rispetto al ciclo singolo.
Potenza elettrica
= I ec indice elettrico caratteristico
Potenza el. + potenza termica
Vedi tab. 2 sui valori caratteristici dei motori; confronto tra tipo di motore, potenza elettrica ed indice
elettrico caratteristico.
Vedi schema di una turbina turbogas.
La centrale di cogenerazione può avere un’attività altalenante , ma è preferibile dal punto di vista energeconomico che possa funzionare molto (es. per 20 ore al giorno e per 5,5-6 giorni su 7) .
Un impianto di questo tipo può essere utilizzato in : aeroporti, ospedali, centri commerciali, grandi
palazzi per uffici .
In un ospedale , ad esempio , il calore uscente dalle turbine potrebbe essere utilizzato per le
sterilizzazioni.
17.1 Macchine Frigorifere ad Assorbimento
Gli impianti di cogenerazione diventano veramente performanti quando il calore che producono si usa
anche per fare freddo collegando l'impianto ad un frigorifero ad assorbimento.
L’uso dell’energia termica derivante dalla cogenerazione, ma non solo da essa, è molto interessante in
estate, altrimenti sarebbe a perdere : vi sono macchine frigorifere, definite ad assorbimento, dove il
compressore del ciclo frigorifero, già descritto, è sostituito da un sistema termico, che sfrutta proprio il
calore da smaltire.
Il funzionamento di un frigorifero ad assorbimento è basato su un condensatore, un evaporatore , e una
valvola di espansione facenti le stesse funzioni del ciclo frigorifero normale, ma anche da un assorbitore e
da un generatore (apparati termici).
In questo processo si usa oggi in genere il bromuro di litio (LiBr), cioè una composto chimico che è
molto avido di acqua. E' l'acqua , pertanto, che in questi apparati funge da fluido frigorigeno e si sposta
nelle condutture e negli scambiatori di calore (evaporatore e condensatore), mentre il bromuro di litio è
contenuto nell'assorbitore, dove, appunto si lega all'acqua per poi separarsene nella tappa successiva del
ciclo dove opera il generatore, che, grazie appunto al calore da smaltire dal ciclo frigorifero, riscalda il
fluido (miscuglio acqua- LiBr) e separa i due elementi, liberando l’acqua che va nel ciclo .
Questo processo pertanto consente di usare appunto il calore prodotto da un impianto di cogenerazione,
per creare freddo.
In generale le macchine frigorifere ad assorbimento, macchine statiche e meno rumorose, sono molto
grandi, e sono usate per il raffreddamento di grandi complessi come ospedali o altre strutture. Il loro costo
è piuttosto alto , ma una volta in funzione permettono di sfruttare il calore prodotto dalla cogenerazione
che altrimenti andrebbe sprecato , e quindi di risparmiare energia elettrica.
68
Un settore in cui questo sistema risulta particolarmente efficace è anche quello delle industrie in cui si usa
l'acqua per i processi di raffreddamento . Infatti , qui l'acqua una volta che è passata nei macchinari per
raffreddarli ne esce calda , quindi , usando un frigorifero ad assorbimento invece che eliminare
quell'acqua la si può raffreddare grazie al calore prodotto dall'impianto di cogenerazione e rimettere in
ciclo.
18. BIOMASSE
Per biomassa si intende tutta la componente dei rifiuti che ha matrice organica.
Una componente importante è costituita dalle biomasse vegetali.
Le piante hanno la capacità convertire la CO2 dell'atmosfera in materia organica attraverso la fotosintesi
clorofilliana .
Anche i residui di coltivazione , dunque , possono essere sfruttati . Per esempio, a Cavalese (TN) ed a
Valdaora , vicino a Brunico (BZ), funzionano centrali termiche collegate alla segheria locale, basata
sull'uso dei residui della segheria stessa, dei residui di legna raccolta e delle potature. Queste centrali sono
collegate ad un sistema di teleriscaldamento (tubazioni interrate , molto isolate termicamente) che
raggiunge gli alberghi della zona e le case della zona , e per ciascuno di essi tramite uno scambiatore di
calore , collegato ad un contacalorie, ne fornisce i fabbisogni, pagando ciò che ha prelevato , che risulta
dal conteggio automatico.
Questo sistema ha il vantaggio di potersi adattare bene alla richiesta ( che a Cavalese ed a Valdaora varia
a seconda che la stagione sia turistica o meno ) semplicemente aumentando o diminuendo la quantità di
materiale bruciato.
A questi scopi si possono usare anche gli scarti dell'industria , ad esempio gli scarti dei tagli di un
calzaturificio sono una grande quantità di materiale , e portarli via costa , dunque può essere utile bruciarli
per poterne sfruttare il contenuto energetico.
Anche gli scarti di qualsiasi tipo di allevamento possono creare energia, infatti gli escrementi di mucche ,
suini e polli sono usati per produrre una sorta di gas metano (biogas).
Altri materiali che possono essere inclusi nella definizione di biomassa sono gli scarti della lavorazione
del legno , quelli delle lavorazioni agro-alimentari , ed i rifiuti solidi urbani (RSU).
La conversione delle biomasse in energia può avvenire in diversi modi:
La conversione biochimica sfrutta l'azione di enzimi , funghi e microorganismi vari che si formano in
condizioni propizie. Tali condizioni sono C/N < 30 , ed un valore dell'umidità relativa maggiore del 30%.
Questa reazione biochimica crea i biogas,che possono essere bruciati per ottenere energia .
Un altro sistema è la conversione termochimica , che prevede la produzione di energia direttamente dalla
combustione di materie cellulosiche e legnose.
Altre tecnologie possono essere la carbonizzazione, la pirolisi , la digestione aerobica, quella anaerobica,
la fermentazione alcolica, l'estrazione di olii quali i biodiesel , e la steam explosion .
Un capitolo molto importante è quello riguardando il trattamento dei rifiuti solidi urbani, che sono
sempre un grosso problema.
Tutto comincia con la raccolta dei rifiuti ed il loro trasporto alle centrali , dove di solito subiscono: una
separazione magnetica (ferro e metalli vari), una riduzione delle dimensioni (triturazione) ,
l'omogeneizzazione, la vagliatura e la separazione gravimetrica (elementi leggeri : carte e plastiche da
quelli pesanti : materiale organico, che , attraverso lo stoccaggio e/o il compostaggio può essere di
qualche utilità.
Oggi gioca un ruolo molto importante la raccolta differenziata dei rifiuti che permette di eliminare le pile
ed altro materiale tossico , e di riutilizzare il vetro , la carta ed i materiali ferrosi.
Inoltre nei rifiuti c'è una grande quantità di materiale organico . Tutti i materiali organici attraverso
semplici processi chimici possono formare il compost , che può essere usato come fertilizzante blando, o
anche come semplice materiale di riporto a basso costo.
Eliminati tutti questi materiali riutilizzabili restano i cosiddetti sovvalli , ossia i materiali rimasti dopo le
varie vagliature e raccolte differenziate e destinati all'inceneritore.
69
L'inceneritore , anche se spesso criticato è un sistema di combustione che non inquina più degli altri, se vi
arrivano i materiali previsti e la combustione viene controllata.
Dunque gli inceneritori creano energia bruciando i sovvalli , il problema è che sono politicamente difficili
da gestire , di fronte all'opinione pubblica , ma d'altra parte i rifiuti vanno pur smaltiti in qualche modo , e
trarne energia è sempre meglio che ammucchiarli in discariche, spesso illegali e non autorizzate.
Dunque l'iter corretto da seguire sarebbe attuare correttamente la raccolta differenziata, e una volta fatta la
selezione, recuperare il recuperabile, poi si manda in discarica solo ciò che andrà a formare il compost,
mentre all'inceneritore arrivano solo i sovvalli. Si capisce che l'importanza della raccolta fondamentale è
enorme , ma essendo essa affidata in gran parte al comportamento dei singoli cittadini , è importante
istruire la popolazione a tale riguardo , affinché tutti sappiano cosa fare e quanto è importante che lo
facciano.
Altro capitolo è quello della digestione aerobica o anaerobica dei residui degli allevamenti.
La digestione anaerobica è un processo biologico con cui la sostanza organica viene trasformata in biogas
, cioè metano ed anidride carbonica.
Se il contenuto di solidi totale dei reflui è superiore al 20% la digestione è detta a secco , altrimenti a
umido.
Il processo può essere monostadio o bistadio a seconda del numero dei reattori che entrano in gioco
durante il processo.
In Europa ci sono circa 36000 digestori , alcuni dei quali sono in grado di usare anche le acque reflue dei
processi industriali , dunque la digestione dei residui degli allevamenti è la più importante forma
energetica bioalternativa europea .
Il vantaggio di questi impianti è in primis quello di permettere di smaltire grandi quantità di escrementi ,
che altrimenti nessuno vorrebbe , e che costituiscono sempre un problema, oltre a quello di trarne un
vantaggio economico attraverso la combustione del biogas negli impianti di cogenerazione dopo aver
subito dei processi di omogeneizzazione delle caratteristiche.
Il biogas ha anche il vantaggio di poter essere conservato in modo da poter essere usato solo di inverno
quando ne serve di più , o comunque a piacimento.
La maturazione avviene in apposite vasche munite di raccoglitori di gas in alto collegati ai dispositivi di
stoccaggio . Il tempo di maturazione va dai 15 ai 40 giorni.
Uno dei vantaggi principali di questi gas, inoltre , è che essi , come il metano, se correttamente bruciati,
inquinano poco .
19. CALDAIE A CONDENSAZIONE
Le caldaie a condensazione fanno parte degli interventi a risparmio energetico. Per interventi importanti
spesso la regione rimborsa parte delle spese.
C + O2 = ossidazione, si combina ossigeno e combustibile.
Gli elementi combustibili sono il carbonio , l’idrogeno ecc.
Legge della conservazione della massa: la massa tot ( combustibile + aria ) è pari alla massa dei prodotti
della combustione. Gli atomi alla fine sono gli stessi, cambiano le molecole.
Legge della conservazione dell’energia : l’energia entrante è pari a quella uscente .
Il combustibile è caratterizzato da un potere calorifero.
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Bisogna fare attenzione che l’ossigeno sia sufficiente altrimenti si crea monossido di carbonio, al posto
dell’anidride carbonica, che è letale. L’ossigeno deve essere in abbondanza , l’eccesso d’aria serve per
creare l’effetto “sventolio” ( come soffiare sul fuoco ); per i combustibili gassosi serve il 4-5 % d’aria in
eccesso, per il gasolio ne serve molto di più, per il gasolio nebulizzato serve almeno il 20-30% di aria in
eccesso; per i combustibili solidi l’eccesso è ancora più alto , almeno il 50 %.
Alla base del camino (l’ espulsione) ho 2 molecole di H2O; l’acqua logicamente è a questo stato
dall’uscita della combustione a temperatura tale che diventa vapor d’acqua e va via con i fumi; cioè ha un
70
contenuto energetico pari al calore latente di evaporazione , pertanto uscendo essa dal camino perdo
l’acqua allo stato di vapore che si è creata.
Le caldaie a condensazione fanno condensare, da vapore a liquido, il vapore d’acqua contenuto nei
prodotti di combustione potere calorifico superiore (PCS), mentre ho il potere calorifico inferiore (
PCI ) se le 2 molecole di H2O vanno via come vapore .
Metano ( CH4 ) PCI 35 MJ/ m cubo = 8350 Kcal / m cubo
PCS 39 MJ/ m cubo = 9300 Kcal / m cubo,
quindi si registra un aumento di circa del 10 %.
La differenza tra PCS e PCI è pari alla quantità di H2O prodotta dalla combustione dell’unità di massa
di combustibile per il calore di condensazione.
Oltre all’anidride carbonica è inquinante anche l’anidride solforosa SO2 e si può ridurla riducendo lo
zolfo nel carbone e nel gasolio trattare i fumi con reagenti come la calce e il calcare per evitare
inquinamenti dal punto di vista ambientale.
In una soluzione ottimale la fiamma della combustione dovrebbe essere blu.
Lo zolfo è abbondante nelle nafte, perciò sono state quasi abbandonate, perché assai inquinanti.
Un altro elemento inquinante è l’azoto, che dovrebbe essercene il meno possibile.
20. RECUPERATORI di CALORE
Sono apparecchiature che “recuperano” energia termica che altrimenti andrebbe dispersa, ad esempio
l’aria “viziata” che viene estratta da certi locali può, attraverso un recuperatore di calore aria-aria,
preriscaldare l’aria esterna di rinnovo.
Questo recupero è anche reso obbligatorio dalla Legge vigente (L. 10/91, DPR 412/93, All.C) nelle
seguenti condizioni:
ALL. C
Zona G
PORTATA (m3/h)
2.000
5.000
10.000
30.000
60.000
Zona D
Zona E + F
1.400-2.100 gg
oltre 2.100 gg
ORE FUNZIONAMENTO / ANNO
4.000
2.700
2.000
1.200
1.600
1.000
1.200
800
1.000
700
La normativa italiana indica anche un requisito minimo all’apparecchiatura. Considerati i 2 flussi d’aria
entrante ed uscente (fig.1), l’efficienza dello scambio termico è definita da:
ε =
Wex ⋅ (ti – tu)
Win ⋅ (tin – te)
  =  
Wmin ⋅ (ti – te)
Wmin ⋅ (ti – te)
ε
Wex
ti
tu
Win
tin
te
= efficienza dello scambio termico;
= portata d’aria espulsa;
= temperatura dell’interno;
= temperatura di uscita dallo scambiatore;
= portata d’aria di rinnovo;
= temperatura di ingresso dopo lo scambiatore;
= temperatura dell’aria esterna;
71
Wmin = portata più piccola tra le due;
fig. 1 – Caratteristiche delle portate di espulsione e di
rinnovo per uno scambiatore.
Qualora, come spesso si può ipotizzare, le portate dei
flussi siano analoghe, l’efficienza è definita
semplicemente da:
ε =
(ti – tu)
(tin – te)
  =  
(ti – te)
(ti – te)
La normativa impone che, qualora si rientri nell’obbligo di installare un dispositivo di recupero, questo
presenti almeno un’efficienza del 50%. In termini direttamente apprezzabili, questo implica che il carico
di ventilazione venga almeno dimezzato.
La normativa, però, non si occupa dei carichi estivi, inoltre nell’efficienza del dispositivo di recupero
termico considera il solo recupero sensibile, dimenticando il possibile recupero latente.
Fig.2 Funzionamento di un dispositivo di
recupero del calore sensibile nelle condizioni
di progetto di Milano.
Fig.3 Funzionamento di un dispositivo di
recupero energetico totale nelle condizioni di
progetto di Milano.
20.1 Classificazione degli scambiatori
SCAMBIATORI
RECUPERATIVI
SCAMBIATORI
RIGENERATIVI
RECUPERO SENSIBILE
Scambiatore aria-aria a piastre
Scambiatore a tubi di calore
Batterie accoppiate
Batterie accoppiate con fluido
bifase
Rigeneratori rotativi
RECUPERO TOTALE
Scambiatore aria-aria a piastre
con recupero totale
Ruote entalpiche
Torri entalpiche accoppiate
Uno scambiatore di calore è un apparecchio concepito per realizzare il trasferimento di calore tra due
fluidi che devono essere mediamente a temperature diverse, per cui si parla comunemente di fluido freddo
(che assorbe calore) e di un fluido caldo (che cede calore).
72
TIPI DI SCAMBIATORI DI CALORE
Fig. Scambiatore di calore a tubo corrugato
Turflow.
SCAMBIATORI A CONTATTO DIRETTO. Si tratta di scambiatori in cui i due fluidi scorrono separati
da una parete solida. Per poter realizzare un efficace scambio di calore tra i due fluidi è necessario che
essi siano messi a contatto attraverso una parete che sia per quanto possibile, buona conduttrice del
calore.
Va comunque sottolineato che la conduttività termica deve essere considerata insieme ad altre
caratteristiche come, per esempio, la resistenza meccanica, la resistenza alla corrosione, il costo dei
materiali ecc. nella maggior parte dei casi si usano materiali metallici, con preferenza per l’acciaio al
carbonio, se le condizioni di funzionamento, in relazione alla temperatura e all’aggressività delle sostanze
trattate, lo permettono; altrimenti si ricorre a metalli o leghe pregiate o anche a materiali non metallici.
Tra questi ultimi vengono in genere utilizzati la grafite, il quarzo o perfino le materie plastiche.
La forma costruttiva deve essere tale da rispondere ai seguenti requisiti:
- elevata superficie di scambio per unità di volume;
- alti coefficienti di trasmissione del calore;
- piccole perdite di carico;
- facilità di montaggio e manutenzione;
- costo limitato;
- sicurezza del funzionamento sia per le persone che per gli impianti.
A. Collegamento in serie
B. Collegamento serie – parallelo
C. Scambiatore a doppio tubo.
Q = K S ∆Tml
73
∆Tml =
Se:
-
T1 =
T2 =
t1 =
t2 =
(∆
∆Tmax – ∆Tmin)
  
ln (∆
∆Tmax / ∆Tmin)
90 °C
70 °C
15 °C
45 °C
∆Tmax = 90 – 15 = 75
∆Tmin = 70 – 45 = 25
Scambiatore di calore a piastre, che presenta molti
vantaggi :
- ottimo scambio termico per la grande superficie in
spazio limitato e per l’elevato valore del
coefficiente di scambio ,
- facilità di manutenzione e pulizia,
- poco ingombro,
- spesa contenuta .
19.1 TUBO DI CALORE
Fluido che evapora ad una estremità ricevendo Q·, va verso l’altra estremità come vapore, dove cedendo
Q·’ all’esterno condensa e ritorna indietro per capillarità allo stato liquido.
- Potenza trasferibile per ora limitata;
Attenzione al materiale ed alla permanenza delle caratteristiche nel tempo.
21. RISPARMI d’ENERGIA ELETTRICA
Lampade a basso consumo :
Sensori di presenza : le lampade restano accese solo in presenza di utenti, con un tempo di ritardo da
selezionare a piacere.
Rifasatori
74
22. CERTIFICAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI :
La Direttiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio, 16 dicembre 2002 sul rendimento
energetico dell’edilizia
Finalità ed ambito della Direttiva proposta
Il principale obiettivo sotteso al progetto della direttiva è promuovere il miglioramento delle prestazioni
energetiche degli edifici all’interno dell’UE, garantendo per quanto possibile che siano intraprese solo le misure più
efficaci sotto il profilo dei costi. Dato l’esiguo turnover degli edifici (ciclo di vita che va da 50 a più di 100 anni), è
chiaro che se è dato di migliorare le loro prestazioni energetiche, nel breve e medio termine questo va fatto sullo
stock esistente. La direttiva proposta istituisce un quadro che permetterà agli Stati membri di coordinare meglio la
normativa in questo campo, anche se l’applicazione pratica del quadro incomberà essenzialmente sulle
amministrazioni nazionali. La proposta comprende quattro elementi principali:
1. l’istituzione di un quadro generale per un metodo comune di calcolo integrato del rendimento energetico
degli edifici.
2. l’applicazione di norme minime sul rendimento energetico agli edifici di nuova costruzione e agli edifici
in ristrutturazione, quando appartengono ad una certa categoria.
3. l’introduzione di un sistema di certificazione degli edifici di nuova costruzione ed esistenti in base alle
norme di cui sopra e l’esposizione negli edifici pubblici o frequentati dal pubblico degli attestati di
rendimento energetico, delle temperature raccomandate per gli ambienti interni nonché di altri fattori
meteorologici pertinenti.
Risparmi ottenibili promuovendo il rendimento energetico nel settore dell’edilizia
a) Ambito di applicazione dell’iniziativa
questa iniziativa affronta gli aspetti dell’edilizia riguardanti il consumo di energia al fine del riscaldamento degli
ambienti e dell’acqua sanitaria, il condizionamento e l’illuminazione.
Va notato che il presente atto riguarda il “sistema edificio”, finestre comprese, e tutti gli impianti installati per
riscaldamento, condizionamento d’aria e ventilazione. Sono esclusi gli impianti non installati, come gli
elettrodomestici (cucine comprese), che messi insieme assorbono il 18% del consumo energetico totale del settore
residenziale. Nel settore terziario, gli impianti di illuminazione che rispondono del 14% del consumo energetico del
settore, sono per la gran parte installati e quindi ricadono nel campo di applicazione della direttiva. Gli impianti non
installati rappresentano circa il 20% del consumo del settore terziario, assorbito almeno in parte dalle macchine per
ufficio. Per quanto riguarda le attrezzature non installate sono state attuate o sono previste nel piano d’azione
sull’efficienza energetica politiche specifiche in materia di etichettatura, limiti minimi di efficienza, accordi di
autoregolamentazione, ecc.
b) Potenziale di risparmio complessivo
Per quanto riguarda l’edilizia utilizzata negli edifici a fini di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria,
condizionamento d’aria o illuminazione, si calcola che esista un potenziale di risparmio pari a circa il 22%
dell’attuale livello di consumi potenziale che può essere realizzato entro il 2010 in modo efficace sotto il profilo
costi. Questa stima è ottenuta presumendo un normale tasso di riadattamento e riqualificazione degli edifici
esistenti, un aumento netto del parco edificio dell’1,5% all’anno circa e una quota progressivamente crescente
dell’uso delle migliori tecnologie disponibili nell’edilizia.
Nel Libro verde la Commissione ribadisce l’obiettivo indicativo fissato nella risoluzione del Consiglio del 7
Dicembre 1998: migliorare l’intensità energetica dei consumi finali di un ulteriore punto percentuale all’anno
rispetto al livello altrimenti raggiunto. Per il settore dell’edilizia, conseguire questo obiettivo di massima
significherebbe evitare consumi di energia per oltre 55 milioni di tonnellate, cioè abbattere le emissioni di CO2 di
circa 100 milioni di tonnellate all’anno, ovvero realizzare circa il 20% dell’impegno assunto dall’UE a Kyoto.
Inoltre significherebbe realizzare due terzi del potenziale risparmio per il settore, pur tenendo conto di eventuali
fluttuazioni dei prezzi e di possibili “contraccolpi”. Ma per conseguire questo obiettivo è necessario un intervento
efficace.
c) Risparmi ottenibili mediante migliorie del sistema
Nel 1995 le abitazioni residenziali nei 15 Stati membri dell’UE erano circa 150 milioni. Circa il 32% del parco
esistente risale a prima dl 1945, il 40% circa è stato costruito tra il 1945 e il 1973-75, e circa il 28% tra il 1973 e il
1975. in media il 56% degli edifici residenziali è occupato dai proprietari e questa cifra varia dal 40% della
Germania a quasi l’80% della Spagna. Il 66% delle abitazioni nei 15 Stati membri è costituito da unità
monofamiliari, percentuale che sale all’80% ed oltre in Germania, Irlanda, Lussemburgo e Regno Unito.
75
Il più recente sondaggio EOROSTAT sul consumo energetico residenziale (pubblicato nel 1999) evidenzia una
grande eterogeneità per quanto riguarda i sistemi di coibentazione adottati dagli stati membri, spiegabile in parte,
ma non del tutto, con le differenze climatiche tra i paesi stessi. Sebbene la situazione appaia migliorata rispetto ai
precedenti sondaggi, sussistono grandi differenze tra gli Stati membri (situazione italiana). La perdita di calore
media degli edifici di nuova costruzione nell’UE corrisponde a circa la metà di quella degli edifici costruiti
anteriormente al 1945. l’energia totale impiegata nelle nuove abitazioni è il 60% di quella consumata dalle vecchie
abitazioni. L’aggiornamento delle norme sulla termocoibenza e il miglioramento dell’efficienza degli impianti
installati nelle abitazioni esistenti, onde avvicinarli ai codici di costruzione attualmente esistenti, contribuirebbe a
realizzare un potenziale di risparmio estremamente auspicabile ed in molti casi efficace sotto il profilo dei costi.
d) Risparmi ottenibili mediante il miglioramento delle caldaie
La direttiva 92/42/CE ha introdotto livelli minimi di rendimento per le caldaie che producono acqua calda per usi
igienico sanitari nel settore residenziale, garantendo così che tutte le nuove caldaie presentino un rendimento
accettabile. Gli studi SAVE, tuttavia indicano che nell’UE più di 10 milioni di caldaie hanno più di 20 anni di età;
si stima che il risparmio energetico realizzabile sostituendo queste vecchie caldaie equivarrebbe di per se ad una
riduzione dei consumi di oltre 10 milioni di tonnellate, ovvero il 5% circa dell’energia impiegata nel settore
residenziale ai fini del riscaldamento.
Il rendimento complessivo annuo della caldaia può inoltre essere migliorato mediante la scelta dell’apparecchio più
idoneo all’impianto termico (sistema di radiatori), la riduzione delle perdite di mantenimento, l’uso di dispositivi di
controllo e di corretto dimensionamento della caldaia rispetto all’edificio e al clima. Le vecchie caldaie non solo
presentano un rendimento nominale e a carico parziale notevolmente inferiore, ma spesso sono sovradimensionate,
anche perché l’installatore ha un interesse economico nel promuovere caldaie più grandi e più costose. La
combinazione di sovradimensionamento, alte perdite di mantenimento e bassa efficienza fa sì che il rendimento
complessivo sia del 35% inferiore a quello delle nuove caldaie, che sono correttamente dimensionate ed installate
nonché conformi ai limiti minimi di rendimento vigenti nell’UE.
È bene notare che spesso il vantaggio di una caldaia nuova e moderna, calcolato solo in base alla potenza
nominale, non basta a giustificare il costo della sostituzione di una caldaia ancora funzionante. Occorre effettuare
un calcolo integrato, che inserisca i fattori di cui sopra nel costo del ciclo della vita della nuova caldaia e nel costo
(e rischio) alternativo insito nel mantenere la caldaia esistente.
e) Risparmi ottenibili mediante gli altri impianti installati
Nel settore residenziale, nel quale la maggior parte degli impianti di illuminazione non è installata in modo
permanente nell’edificio, l’illuminazione consuma circa 9 milioni di tonnellate, ovvero circa il 4% dell’energia
totale. Nel settore terziario, invece l’illuminazione è data da luci fluorescenti installate nella struttura dell’edificio,
con un consumo di circa 18 milioni di tonnellate, ovvero il 14% dell’energia del settore. Il settore
dell’illuminazione presenta un notevole margine di risparmio, soprattutto per quanto riguarda il terziario: si tratta di
un risparmio dell’ordine del 30-50%, ottenibile impiegando i componenti più efficaci esistenti sul mercato, i
sistemi di controllo e di integrazione della luce naturale e altre tecnologie ausiliarie. Questi risparmi, che si situano
tra i 6 e i 9 milioni di tonnellate, rappresentano una quota notevole del potenziale esistente nel settore dell’edilizia.
Il programma GreenLight recentemente lanciato dall’UE dimostra che la maggior parte dei risparmi energetici
nell’illuminazione è altamente efficace rispetto ai costi.
Un’altra fonte dei consumi in rapida crescita è il condizionamento dell’aria, sia nel settore residenziale che nel
terziario. Alle attuali tendenze il consumo totale di energia per il condizionamento, pari a circa 3 M tonnellate
ovvero allo 0,7% del consumo energetico finale totale nei due settori messi assieme, nel 2020 sarà raddoppiato. Qui
il potenziale di risparmio, entro i limiti dell’efficacia rispetto ai costi, ammonta al 25% circa. Molto si potrebbe fare
di qui al 2010, a condizione di predisporre tempestivamente interventi idonei, tra cui l’introduzione di limiti di
rendimento minimi per gli impianti di condizionamento.
f) Risparmi ottenibili con gli impianti ecologici di generazione e di energia
Molti edifici offrirebbero un ampio margine di riduzione delle emissioni di CO2 e di risparmio energetico se fosse
adottato un approccio integrato, basato cioè su un tradizionale abbattimento dei consumi del sistema edificio, ma in
abbinamento a lla generazione di energia con sistemi ecologici. Spesso questi sistemi possono essere sia
decentralizzati che in sito, ma anche la connessione a reti esistenti di riscaldamento o raffrescamento a distanza può
contribuire nettamente a migliorare le prestazioni energetiche complessivamente di un edificio. Gli impianti di
generazione ecologica dell’energia applicabili al settore dell’edilizia possono essere suddivisi in tre grandi tipologie
di massima:
fonti energetiche rinnovabili;
76
sistemi di cogenerazione di calore e di elettricità e riscaldamento/raffrescamento a distanza;
pompe di calore (solo per casi specifici e a determinate condizioni).
g) Risparmi ottenibili con la progettazione mirata e l’orientamento degli edifici: la dimensione bioecologica
Si ritiene che se in fase di progettazione e posizionamento degli edifici viene dato pieno riscontro dei vincoli
bioclimatici ed ecologici esistenti, il fabbisogno energetico degli edifici stessi durante il loro ciclo di vita può
risultare significativamente ridotto. In alcuni casi gli edifici già conformi ad elevati standard di termocoibenza
possono ridurre il proprio fabbisogno energetico anche del 60%, mediante l’ottimizzazione dei sistemi di
esposizione solare passivi e di quelli attivi (questi ultimi per la produzione di acqua calda per usi igienico sanitari e
il riscaldamento degli ambienti), dello sfruttamento della luce naturale e di raffreddamento naturale e del controllo
dell’irradiazione e dell’abbagliamento solare.
I nuovi edifici costruiti secondo questi principi possono presentare un fabbisogno di riscaldamento degli ambienti
pari ad un quarto di quello attuale.
Persino negli edifici esistenti, le cui caratteristiche fisiche ed architettoniche non possono essere modificate, può
esistere un notevole potenziale di risparmio se le condizioni sono favorevoli e sono adeguatamente sfruttate. Il
concetto di architettura e costruzione bioclimatici prevede strategie per potenziare tutti i parametri fisici e
migliorare riscaldamento, condizionamento, ventilazione e illuminazione. Qualsiasi strategia in materia di
riscaldamento e condizionamento si baserà su accorgimenti che, per esempio, massimizzano l’uso e l’accumulo di
calore passivo da irradiamento solare durante la stagione fredda e li minimizzano durante quella calda, in funzione
della durata relativa dell’una e dell’altra. Studierà il posizionamento dello stabile in modo da esporre la massima
superficie esterna possibile verso il sole (o viceversa, per il condizionamento, proteggerla dal sole). Presuppone
anche di tener conto dei venti prevalenti, dell’ombreggiatura degli alberi esistenti o previsti, del possibile accumulo
di calore e freddo offerto dai terreni e dai corpi idrici circostanti ai fini dell’uso di pompe di calore o di
raffreddamento e così via.
Le strategie relative all’illuminazione mirano ad ottimizzare l’uso della luce naturale diurna onde integrare e ridurre
il fabbisogno di luce artificiale: tra le tecniche di illuminazione naturale si contano la geometria delle finestre, la
diffusione della luce, la tecnologia dei prismi e altri accorgimenti di questo tipo.
4. Giustificazione per l’azione a livello comunitario
come si è detto, sussistono notevoli differenze nel grado di risparmio energetico operato dagli Stati membri nel
settore dell’edilizia e sono state illustrate le misure più promettenti.
Pertanto la proposta di direttiva va vista alla luce dell’obiettivo di aumentare il rendimento energetico degli edifici
di tutti gli Stati membri dell’Unione Europea. La riduzione delle emissioni di biossido di carbonio e la sicurezza
dell’approvvigionamento energetico rientrano nella responsabilità comune degli Stati membri, per cui si giustifica
un’iniziativa giuridica in sede comunitaria. In taluni Stati membri le norme edili risalgono agli anni 70, mentre in
altri ci sono stati, in tempi più recenti, notevoli miglioramenti in questo settore importante. Occorre quindi
sottolineare che, in una prima fase, la proposta si prefigge di conseguire una convergenza degli standard di
costruzione, come quelli relativi alla termocoibenza, verso quelli degli stati Membri in cui già vigono livelli
relativamente ambiziosi.
Occorre altresì sottolineare che un approccio comunitario comporterà dei vantaggi di scala per il mercato interno
dei vari prodotti componenti ed impianti. Che anch’essi contribuiranno al miglioramento delle prestazioni
energetiche degli edifici. Inoltre, laddove le imperfezioni del mercato rendono necessario un intervento normativo
quale la certificazione obbligatoria per la promozione del rendimento energetico, l’approccio comunitario garantirà
una maggior omogeneità del contesto economico in cui operano i consumatori e l’industria, i quali appunto
occupano, affittano, costruiscono e vendono edifici sul mercato interno.
Contenuto della proposta
Art. 1
definisce finalità e campo di applicazione della proposta.
Art. 2
definisce i termini e i concetti utilizzati.
Art. 3
sancisce l’obbligo degli Stati membri di predisporre una metodologia per il calcolo integrato del
rendimento energetico degli edifici. Il quadro di tale metodologia figura in allegato alla direttiva
proposta.
Art. 4
impone agli Stati membri di fissare limiti minimi di rendimento energetico degli edifici dei nuova
costruzione, aggiornandoli regolarmente, nonché di valutare la fattibilità dell’installazione di sistemi
alternativi di fornitura energetica per gli edifici nuovi di grandi dimensioni.
77
Art. 5
impone agli Stati membri di applicare gli opportuni standard di rendimento energetico agli edifici
esistenti di grandi dimensioni, ogniqualvolta questi subiscano lavori sostanziali di ristrutturazione, a
condizione di soddisfare determinati criteri di costo e di efficacia sotto il profilo dei costi.
Art. 6
prevede che al momento della costruzione, della compravendita o della locazione di un edificio
nuovo o esistente sia messo a disposizione del potenziale acquirente o locatario un attestato di
certificazione energetica di non più di cinque anni. Per gli edifici pubblici o frequentati dal pubblico
la certificazione deve avvenire almeno ogni cinque anni e il relativo attestato deve essere esposto in
luogo visibile ed essere chiaramente consultabile al pubblico. Inoltre, sempre per gli edifici pubblici,
devono essere chiaramente esposte le temperature e le altre condizioni climatiche eventualmente
raccomandate per gli ambienti interni, con indicazione dell’effettiva temperatura e delle effettive
condizioni climatiche dell’’interno.
Art. 7
fissa norme specifiche relative alla regolare ispezione delle caldaie e sistemi di condizionamento
d’aria, connesse ad un’ispezione e valutazione una tantum dell’impianto termico complessivo nel
caso in cui le caldaie non siano state installate da più di 15 anni.
Art. 8
dispone che i sistemi di condizionamento centralizzati vadano ispezionati ad intervalli regolari.
Art. 9
impone agli Stati membri di predisporre un sistema che garantisca che la certificazione e l’ispezione
siano svolte esclusivamente da personale qualificato e indipendente.
Artt. 10 e 11 riguardano la procedura di comitato per l’adeguamento dell’allegato della direttiva proposta al
progresso tecnico o per l’inserimento standard concordati in futuro.
Artt. 12 e 13 concernono le disposizioni amministrative connesse alla proposta.
L’allegato
contiene i principali aspetti da prendere in considerazione nel calcolo del rendimento energetico degli
edifici nonché le esigenze per l’ispezione delle caldaie e degli impianti centralizzati per il
condizionamento d’aria.
78