La fisica della sobrietà
Ne basta la metà o ancora meno
Giovanni Vittorio Pallottino
Ottobre 2014
http://www.roma1.infn.it/rog/pallottino/librigvp.html
Email [email protected]
Questo è il libro di cui
occupiamo oggi
edizioni Dedalo
Parlando di risparmio
di energia e di
efficienza energetica
con riferimento a tre
tematiche:
riscaldamento,
illuminazione e
automobile
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I tre pilastri di questo discorso
•Etica - fare spazio agli altri che ci sono
e a quelli che verranno
•Estetica – fare le cose nel modo più
elegante ed efficace
•Fisica – ci insegna come fare le cose
al meglio delle conoscenze scientifiche
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Alla base della sobrietà c’è la temperanza
• La temperanza rientra fra le quattro virtù
individuate dal filosofo greco Platone (La
Repubblica), che sono state assunte poi come
virtù cardinali dalla religione cristiana.
• La temperanza, come si legge nel Catechismo
della Chiesa cattolica (Art. 7, 1809), “rende capaci
di equilibrio nell’uso dei beni creati. Essa …
mantiene i desideri entro i limiti dell’onestà”.
• L’alternativa? Secondo Thomas Hobbes (quattro secoli fa): La
felicità è un progresso continuo del desiderio da un oggetto a
un altro, con le persone in stato di perenne insoddisfazione
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Il problema della sostenibilità
• Il falso mito delle risorse infinite è recente: una
novità rispetto a un passato assai più risparmioso
• La degenerazione dell’usa e getta
• Quello che usiamo, energia e materiali, provoca
sempre qualche tipo di degrado dell’ambiente
• L a Terra è un pianeta finito, e così le sue risorse
• E quindi il progresso materiale senza limiti
(sempre più cose per sempre più persone) è
semplicemente impossibile
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Dal Saggio sul principio della popolazione di
Thomas Robert Malthus (1766-1834), che
suggeriva di evitare la povertà evitando che la
popolazione aumentasse, come alcuni anche oggi
• Ogni bambino nato in soprannumero rispetto
all’occorrente per mantenere la popolazione al
livello necessario deve inevitabilmente perire
• Nelle città occorre fare le strade più strette,
affollare più persone nelle case, agevolando il
ritorno della peste
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• Qui ci vuole una precisazione
• Ho scritto questo libro nel 2011 parlando di
sobrietà ben prima che questo termine
trovasse spazio nelle politiche dei governi
nazionali e delle istituzioni europee, fino ad
assumere quella che per molti, oggi, è una
connotazione negativa.
• Anche perché considerata una sorta di
imposizione
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Verso l’efficienza energetica 1
• L’energia è una risorsa critica, che l’Italia
importa dall’estero per circa l’85%
• La bolletta energetica nazionale annua
ammonta a 63 miliardi di euro (quanto a testa?)
• Ma l’energia non ci serve in quanto tale.
Perché non è fine a se stessa.
• L’energia ci serve per ottenere determinati
beni e servizi: riscaldare una abitazione,
fabbricare qualcosa, fare un viaggio, …
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Verso l’efficienza energetica 2
• Questi beni e servizi si possono ottenere in
tanti modi differenti, ciascuno con impiego di
quantità di energia diverse, anche parecchio
• In questo ci guida in primo luogo la fisica
• Nel seguito ci occuperemo prima del
riscaldamento e del raffrescamento degli
edifici, poi dei dispositivi per l’illuminazione
degli ambienti e infine dell’automobile
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 1
• Ci sono tanti modi per riscaldare una casa
• Usiamo un normale bruciatore: circa 80% della
energia chimica del combustibile va in calore
utile
• Usiamo una caldaia a condensazione: questa
resa aumenta del 10% circa (perché?)
• Ma se usassimo una stufa elettrica il 100%
dell’energia andrebbe in calore per effetto
Joule. E allora perché no?
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 2
• Ma si può fare di meglio?
• Cioè ottenere più calore di quanto corrisponda
all’energia impiegata?
• E facendolo senza violare il principio di
conservazione dell’energia?
• Invece di creare calore ex novo si può
prelevare calore “freddo” da qualche parte e
pomparlo, più “caldo”, all’interno degli
ambienti . Con la cosiddetta pompa di calore.
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 3
• La pompa di calore è una macchina termica
che preleva calore QF alla temperatura fredda
TF e lo pompa alla temperatura calda TC
• usando una quantità di energia E (meccanica o
elettrica) minore di QC
E (energia meccanica)
QF @ TF
QC @ TC
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 4
• Le prestazioni della pompa di calore sono
definite dal rapporto fra il calore utile QC e
l’energia E spesa per ottenerlo, chiamato
coefficient of performance COP
COP = QC/E che è maggiore di 1
• Idealmente dato dalla formula (Carnot)
COP = TC/(TC – TF)
con le temperature espresse in gradi kelvin
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 5
• In pratica i valori del COP sono alquanto
inferiori a quelli teorici, essendo tipicamente
compresi fra 2 e 4. Che non sono da buttar via!
(dati da “Pompe di calore …” Energia Elettrica, maggio 2012, pag. 47)
• Dove si preleva il calore freddo? Dall’aria, dal
terreno o da un bacino d’acqua
• Qualcuno si è accorto che una pompa di
calore è simile a una macchina frigorifera?
• Anche il frigo pompa calore: lo prende dallo
scompartimento interno e poi lo butta fuori
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 6
• Perché d’inverno dobbiamo immettere calore
negli ambienti? Per compensare le dispersioni
di calore verso l’esterno, mantenendo
l’interno a una temperatura gradevole
• La legge della conduzione termica (Fourier)
stabilisce che il flusso F del calore attraverso
una parete è proporzionale sia al salto di
temperatura DT che alla trasmittanza termica
U della parete:
F = U DT
• Da che dipende la trasmittanza U?
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 7
•
•
•
•
Per ridurre le dispersioni di calore possiamo:
ridurre la trasmittanza (pareti più spesse, isolanti
termici, cappotti, doppi vetri, vetri speciali, …)
ridurre il salto di temperatura DT fra interno ed
esterno, accettando una temperatura interna più
bassa di quanto si fa di solito, cioè rinunciando a
girare per casa in camiciola d’inverno
La legge prevede 20°C, in realtà nessuno rispetta
questa norma e lo spreco è ingentissimo.
Per esempio, con dentro a 25°C anziché a 20°C e
con fuori a 10°C, il maggior consumo è del 50%
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 8
• E d’estate? Evitiamo o riduciamo al minimo l’uso
dei condizionatori. In questo caso rinunciando a
girare in maglione
• Questi apparecchi consumano grandi quantità di
energia elettrica e causano un aumento della
temperatura delle città
• Si suggerisce invece il condizionamento passivo,
basato sull’uso accorto delle finestre, che
funziona sfruttando le variazioni giornaliere della
temperatura esterna.
• E vi dico che funziona! Ma il riscontro d’aria?
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 9
• Ricordiamo che circa un quarto del fabbisogno
nazionale di energia serve a coprire le esigenze di
riscaldamento e raffrescamento degli edifici.
• Questi consumi, dovuti a edifici costruiti quando
il costo dell’energia era relativamente basso o
comunque senza attenzione ai consumi, sono
decisamente più alti di altri paesi europei.
• In Italia in media circa 300 kWh/m2 all’anno
contro 200 kWh/m2 in Germania (paese più
freddo), cioè una volta e mezzo tanto!
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 10
• Realizzare edifici a basso consumo di energia è
tecnicamente possibile, e non parliamo qui di
prototipi sperimentali.
• A fianco la casa
passiva della famiglia
Angerer, costruita a
Bolzano nel 2007
seguendo la normativa
bolzanina CasaClima.
Casa che richiede appena 13 kWh/m2 all’anno.
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Riscaldamento e raffrescamento degli edifici 11
• Ci sono poi varie soluzioni avveniristiche,
risultato di ricerche di fisica applicata, già
sperimentate e prossime all’impiego
• Diodi termici costituiti da speciali pannelli
che, su comando, possono trasmettere bene il
calore oppure bloccarlo trasformandosi in
isolanti (utili per riscaldare e per raffrescare)
• Pannelli a cambiamento di fase, che
assorbono il calore e poi lo rilasciano quando
l’ambiente tende a raffreddarsi
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Dispositivi per l’illuminazione 1
• Le lampadine a incandescenza, ormai fuori legge,
convertono in energia luminosa soltanto circa il
5% dell’energia elettrica che le alimenta.
Il restante 95% va tutto in calore
• Queste lampadine sono dunque delle stufette,
ottime d’inverno, assai meno d’estate (perché?)
• Producono luce per emissione termica, con uno
spettro che ha il massimo nell’infrarosso (circa 1
mm) alla temperatura di circa 2400°C
• Per spostare il massimo nel visibile (legge di
Wien), e avere più luce, si dovrebbe lavorare a
temperature più alte, ma non vi sono metalli
adatti, cioè che ad esse restino allo stato solido.
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Dispositivi per l’illuminazione 2
• Oggi le lampadine più diffuse sono le fluorescenti
compatte. Ben più efficienti di quelle a incandescenza.
• Funzionano grazie alla scarica elettrica nel gas
contenuto al loro interno. Gli atomi del gas, eccitati
dalla scarica, emettono radiazioni ultraviolette.
• Le loro pareti sono ricoperte da polveri di materiali
chiamati (impropriamente) “fosfori”, che sono
fluorescenti. Cioè emettono luce visibile quando
vengono colpiti dagli ultravioletti
• Il colore della luce di queste lampade dipende dal
tipo delle polveri fluorescenti, che possono venir
dosate in modo che la luce risulti gradevole e
possibilmente non “falsi i colori”
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Dispositivi per l’illuminazione 3
• Come trasformare al meglio l’elettricità in
luce, in modo che tutta l’energia elettrica
utilizzata diventi energia luminosa?
• Ce lo dice la fisica. Bisogna fare in modo che
ogni elettrone di una corrente elettrica, cioè
un quanto elementare di carica elettrica,
venga usato per produrre un fotone, cioè un
quanto elementare di luce.
• E che l’elettrone possegga esattamente
l’energia necessaria, cioè quella del fotone.
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Dispositivi per l’illuminazione 4
• Il dispositivo magico che realizza questo miracolo è il
diodo emettitore di luce o LED dall’inglese (Light
Emitting Diode)
• Il primo LED risale al 1962, costruito dall’americano
Nicholas Holonyak utilizzando un semiconduttore con
un salto di energia corrispondente a luce rossa.
• Poi l’impiego di altri materiali semiconduttori permise
di ottenere luci di altri colori, mentre ulteriori progressi
ne miglioravano il rendimento
• Applicazioni: prima come lampadine spia e indicatori
luminosi nelle calcolatrici e negli orologi, poi nelle luci
di stop delle auto e nei semafori stradali.
• Sono dispositivi molto robusti e di grande durata.
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Dispositivi per l’illuminazione 5
Sembra una normalissima
lampadina e invece è una
lampada LED.
Che produce 400 lumen di
luce bianca “calda”
assorbendo appena 6
watt (invece dei 40 W
della lampadina
tradizionale equivalente).
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Dispositivi per l’illuminazione 6
• Per l’illuminazione occorre luce bianca
• Come la si ottiene da dispositivi che emettono
luce il cui colore, cioè la lunghezza d’onda, è fisso,
determinato dal salto di energia del materiale?
• Si sfrutta la sintesi additiva della luce in due modi:
• usando tre dispositivi che emettano i tre colori
primari, opportunamente dosati
• oppure usando “fosfori” che convertano la luce di
un colore in quella del colore complementare,
per esempio convertendo il blu nel giallo.
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Guardate intensamente per un po’ il cerchio
giallo e poi spostate l’occhio sul fondo bianco a
destra
Apparirà il colore complementare del giallo
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• Realizzare lampadine LED che forniscono luce
bianca ha richiesto di realizzare LED blu
• Questo ha richiesto decenni di ricerche, il cui
merito va ai tre scienziati Isamu Akasaki,
Hiroshi Amano e Shuji Nakamura che hanno
ricevuto il Nobel per la Fisica 2014
• E Holonyak?
• Motivazione del Nobel: il drastico calo
dell’elettricità necessaria per l’illuminazione
• Effetto rebound (rimbalzo)
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Dispositivi per l’illuminazione 7
• Oltre all’elevato rendimento, un vantaggio notevole
dei LED è la possibilità di regolarne l’intensità della luce
regolando l’intensità della corrente che li attraversa.
• Ma anche i LED presentano qualche inconveniente
• Sono relativamente costosi, anche se la crescita della
produzione ne diminuirà certamente il prezzo
• Temperature eccessive ne riducono la vita utile, che è
specificata tipicamente in oltre 50 mila ore
• Vanno alimentati in continua, e quindi richiedono
circuiti raddrizzatori, con una componentistica (specie i
condensatori elettrolitici) che può guastarsi in tempi
brevi rispetto alla vita media dei LED
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Dispositivi per l’illuminazione 8
• Certi tipi di raddrizzatori alimentano i LED con un’onda
che contiene un residuo di alternata, che si manifesta
nella luce con un effetto di sfarfallamento, flicker
• L’occhio umano non se
ne accorge, ma il
cervello sì. E questo può
causare mal di testa,
stanchezza della visione,
e altri inconvenienti.
• Se ne accorge anche una
fotocamera, come
mostra la foto a fianco
http://www.edn.com/electronicsblogs/ssl-andbacklighting/4399628/Why-DoesFlicker-Matter-?cid=Newsletter++EDN+Products+and+Tools
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Dispositivi per l’illuminazione 9
• Non conviene esprimere le prestazioni
dei dispositivi di illuminazione in termini
di potenza luminosa, cioè in watt
• Perché l’occhio non è ugualmente
sensibile ai diversi colori della luce
• Per esempio, 1 watt di luce gialla l’occhio
umano lo vede assai più luminoso di 1
watt di luce blu
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Dispositivi per l’illuminazione 10
Lunghezza d’onda della luce in nm
(miliardesimi di metro)
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• La sensibilità
dell’occhio
umano è
massima per
la luce gialloverde con
lunghezza
d’onda di
555 nm
Dispositivi per l’illuminazione 11
• Per rappresentare quanta luce effettivamente noi
percepiamo, l’energia luminosa va pesata, colore per
colore, secondo la sensibilità dell’occhio
• La grandezza che risulta da questa pesatura si chiama
flusso luminoso e si misura in unità di lumen (lm).
Proprio il valore del flusso luminoso prodotto viene
specificato per ciascuno dei diversi tipi di lampade
• Il rapporto fra il flusso luminoso di un dispositivo o di
una lampada e la potenza elettrica da esso assorbita
ne rappresenta la efficacia luminosa, espressa in
unità di lumen/watt (lm/W)
• che è cosa diversa dal rendimento energetico
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Dispositivi per l’illuminazione 12
Prestazioni indicative di alcuni tipi di lampade
Tipo di lampada
Incandescenza
40 W
Incandescenza
100 W
Fluorescente
compatta 9 W
Lampada LED
6W
Efficacia Flusso
Durata
luminosa luminoso
12 lm/W 480 lumen 1000 ore
14 lm/W
50 lm/W
1400
1000 ore
lumen
450 lumen 10.000 ore
78 lm/W
470 lumen 50.000 ore
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Dispositivi per l’illuminazione 13
• Il rendimento massimo teorico è di 683
lumen/watt. Calcolato per la luce giallastra a
cui l’occhio è più sensibile. Ma chi vorrebbe
illuminare un ambiente con questa luce?
• Per la luce bianca il rendimento massimo è
attorno a 300 lm/W
• Vi sono prototipi di LED che hanno raggiunto
200 lm/W e lampade LED che hanno raggiunto
100 lm/W. Con continui progressi in atto.
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La guida dell’automobile 1
• Siamo in marcia dietro a una macchina le cui
luci di stop lampeggiano continuamente,
perché il suo guidatore alterna di continuo
rapide accelerazioni e convulse frenate.
• Il frenetico individuo brucia benzina a ogni
accelerazione, ma l’energia di movimento
appena acquistata dalla sua vettura, un attimo
dopo, viene dissipata frenando.
• Conviene imitarlo? No certamente.
• Ma i modi per sprecare benzina sono anche altri
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La guida dell’automobile 2
Cause di maggior consumo di carburante (indicativo)
pneumatici sgonfi
motore mal regolato
portapacchi vuoto sul tetto
condizionatore in funzione
guida aggressiva in città
Guida troppo veloce su strada
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2-4%
5-10%
5-10%
3-6%
20-40%
40-60%
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La guida dell’automobile 3
• E’ chiaro che il carburante serve a far camminare la
macchina. Ma dove va a finire il calore che si sviluppa
quando il carburante viene bruciato nel motore?
• Sventuratamente, il secondo principio della
termodinamica vieta la trasformazione integrale del
calore in lavoro meccanico, cioè in quello che serve
per far marciare l’auto
• Quindi solo una frazione dell’energia del carburante,
circa un quarto (un terzo per il diesel) risulta
effettivamente utilizzabile. Il resto viene disperso
nell’ambiente come calore, cioè sprecato.
gv pallottino ottobre 2014
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La guida dell’automobile 4
La parte utile, l’energia meccanica, a che serve?
1) ad accelerare la macchina. Che acquista così energia
di movimento (che perderà alla prossima frenata)
2) a far marciare la macchina in salita. Che acquista così
energia potenziale (che perderà nella prossima discesa)
3) a vincere le forze di attrito: gli attriti meccanici del
motore, la resistenza al rotolamento degli
pneumatici e soprattutto la resistenza dell’aria
• E anche ad azionare congegni come l’alternatore (per
tenere la batteria sotto carica), il condizionatore, …
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La guida dell’automobile 5
Dati indicativi per un percorso medio
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La guida dell’automobile 6
• L’attrito più insidioso è la resistenza dell’aria,
che si combatte dando alle auto forme
aerodinamiche.
• Insidioso perché la potenza necessaria per
vincerlo è proporzionale al cubo della velocità
• Portando la velocità da 120 km/h a 150 km/h
la potenza necessaria cresce del fattore
(150/120)3 = 1,95, cioè praticamente si
raddoppia. E con essa il consumo di benzina.
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Da Jo Hermans, Scuola SIF di Varenna 2014
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La guida dell’automobile, ecc. 7
• SUV: superfluo, dannoso e costoso
• E l’auto elettrica? Richiederebbe un discorso a parte!
Energia necessaria a percorrere un chilometro
In unità kJ
A piedi di buon passo
150
In bicicletta (15 km/h)
70
Treno
600
Autobus
900
Automobile
2500
Aereo
4000
Elicottero
16000
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La guida dell’automobile, ecc. 8
• In bicicletta, l’equivalente in cibo di un litro di
benzina ci fa percorrere circa 500 chilometri
• Da confrontare con i 100 km/litro di una delle
automobili più risparmiose:
la Volkswagen ibrida XL1
(leggerissima con 795 kg
e con aerodinamica
veramente eccezionale)
gv pallottino ottobre 2014
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La guida dell’automobile, ecc. 9
• Salire le scale invece di usare l’ascensore?
• L’energia meccanica necessaria per salire al
quarto piano (h = 12 m) è E = m g h.
Ponendo m = 70 kg, g = 9,8 m/s2
si ha E = 8000 J cioè 2 kcal, che diventano 10
considerando il rendimento (20%) del motore
muscolare. Cioè si perdono circa 10 calorie,
risparmiando nel contempo energia elettrica.
• Iniziativa “No lift days” svolta presso ENEA
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• Ci sarebbe molto altro da discutere:
sulla cottura dei cibi, sull’impiego
dell’elettricità, sui rifiuti, …
• Ma ci fermiamo qui
• E prima di dare il via alle domande
voglio richiamare l’attenzione sul
compito affidato a ciascuno di noi, nelle
grandi cose come in quelle piccole
• Per cambiare stile di vita, se vogliamo
davvero cambiare le cose
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Non mancano forti richiami da parte di autorità sia
laiche che religiose
Il Signore ci chiama a uno stile di vita evangelico
segnato dalla sobrietà, a non cedere alla cultura del
consumo.
Francesco, 2014
Questa presentazione è a disposizione degli interessati
e-mail [email protected]
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