ENERGIA ALTERNATIVA

Progetto Cittadinanza e Costituzione

a cura della III C a.s. 2019/2020 IIS “Genovesi-da Vinci� di Salerno

Supervisionato dalla Prof. ssa Milena Bottiglieri con la collaborazione del Prof. Carlo Vece

1

Energia alternativa A cura della III C a.s. 2019-2020 Nell’ambito del progetto Cittadinanza e Costituzione

Supervisionato dalla Prof.ssa Milena Bottiglieri con la collaborazione del Prof. Carlo Vece

2

Sommario Introduzione ...................................................................................................................... 6 Energia solare................................................................................................................ 9 Energia eolica .............................................................................................................. 10 Le biomasse ................................................................................................................. 11 Energia geotermica..................................................................................................... 12 Energia idraulica idroelettrica ................................................................................... 13 Energia Solare Termica ............................................................................................. 14 Pannelli Fotovoltaici ....................................................................................................... 17 Descrizione dell’apparato e funzionamento nella realtà ...................................... 21 Il processo fotovoltaico ............................................................................................. 22 Dove e perché ne è più diffuso l’utilizzo ................................................................ 22 Pro e Contro ............................................................................................................... 25 Conclusione ................................................................................................................. 28 Energia Eolica ................................................................................................................. 31 Origine fisica dell’energia eolica ............................................................................... 33 Equazione di Bernoulli .............................................................................................. 33 La Legge di Betz ......................................................................................................... 34 Energia Eolica Vantaggi e Svantaggi ....................................................................... 36 Energia Eolica In Europa ......................................................................................... 38 Conclusioni.................................................................................................................. 43 Energia Geotermica ........................................................................................................ 46 Fisicamente .................................................................................................................. 46 Fluido geotermico ...................................................................................................... 48 Struttura, funzionamento e tipi di impianti ............................................................ 48 3

Funzionamento delle centrali ad alta entalpia ........................................................ 50 Fattori a favore e non ................................................................................................ 50 LED .................................................................................................................................. 54 Pro e Contro ............................................................................................................... 58 Motore elettrico ............................................................................................................... 62 Energia elettrica .......................................................................................................... 65 L'utilizzo dell’energia elettrica però presenta vari pro e contro. ......................... 67 L’auto elettrica ............................................................................................................ 68 Il motore elettrico....................................................................................................... 70 Auto elettriche – costi e diffusione d’utilizzo ........................................................ 71 Conclusione ................................................................................................................. 73 Leonardo e la Scienza ..................................................................................................... 76 Leonardo e l’energia ................................................................................................... 77 Leonardo per il Vasari ............................................................................................... 78 Leonardo da Vinci e i mulini - Energia dall’acqua ................................................ 78 Leonardo e gli specchi - Energia solare .................................................................. 79 Leonardo da Vinci e l’automobile............................................................................ 80

4

5

Introduzione Il 29 luglio 2019, come comunicato dal Global Footprint Network (un’organizzazione internazionale no-profit che sviluppa strumenti per promuovere la sostenibilità ambientale), l’umanità è andata incontro all’Overshoot Day, “Giorno del superamento”, che segna la data in cui il consumo di risorse da parte dell’uomo eccede ciò che gli ecosistemi della Terra sono in grado di rigenerare per quell’anno.

Nel corso del 2019, l’uomo ha utilizzato le risorse naturali ad un ritmo 1,75 volte più veloce rispetto alla capacità di rigenerazione e smaltimento degli ecosistemi, vale a dire aver consumato 1,75 pianeti Terra.

Il sovrasfruttamento è possibile perché si va ad intaccare il capitale naturale del pianeta, cioè quelle che ormai sono riserve non rinnovabili di suolo, foreste, legname, allevamenti e pescato, accumulando emissioni dannose in atmosfera, quindi compromettendo ulteriormente la capacità futura di rigenerazione delle risorse.

6

Gli effetti di questo sovra-utilizzo delle risorse globali stanno diventando sempre più evidenti nel mondo in forma di deforestazione, erosione del suolo, perdita di biodiversità, e accumulo di anidride carbonica in atmosfera che porta ai cambiamenti climatici e a seri fenomeni di siccità, incendi e uragani.

L’obbiettivo per fermare questa erosione di risorse è di spostare la data del Giorno del Sovrasfruttamento in avanti di 5 giorni ogni anno; in questo modo l’umanità tornerebbe a essere in armonia con il pianeta prima del 2050. Il Global Footprint Network mette in luce le azioni concrete da mettere in pratica subito e ne valuta il loro impatto sul giorno del sovrasfruttamento: tra quelle più importanti vi è senz’altro la riduzione delle emissioni di CO2 dell’impronta globale del 50%, che porterebbe lo spostamento della data di Overshoot Day di 93 giorni.

Per rispondere a questa esigenza, negli anni si stanno adottando sempre di più fonti di energia rinnovabili, ovvero risorse che sono naturalmente reintegrate in una scala temporale umana e che quindi non si esauriscono a fine ciclo.

Al contrario di quelle che vengono definite fonti di energia non rinnovabili, cioè quelle fonti la cui velocità di estrazione è superiore alla velocità di rigenerazione del pianeta (carbone, petrolio, gas naturale, uranio ecc.), le fonti di energia rinnovabili: Sono illimitate Non inquinano, non emettono anidride carbonica/gas a effetto serra Sono ovunque Non comportano nessun rischio di trasporto

7

Le principali fonti di energia rinnovabile sono: Il sole Il vento L’acqua La terra Le biomasse

Le forme di energia prodotto da tali fonti non sono però direttamente utilizzabili, ma vanno trasformate, nella maggior parte dei casi, in una forma di energia differente, facile da trasportare e usufruibile da tutti: l’energia elettrica.

L'energia elettrica non essendo una fonte energetica primaria, derivando dalla trasformazione di altri tipi di energia, viene definita energia secondaria.

L’energia solare può essere convertita in energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici, mediante “celle solari al silicio”.

L’energia eolica viene convertita in energia elettrica mediante impianti eolici su terraferma oppure off-shore (in mare).

L’energia idraulica viene convertita in energia elettrica mediante un impianto idroelettrico costituito da complessi di opere idrauliche, macchinari e apparecchiature che sfruttano l’energia potenziale dell’acqua.

8

L’energia geotermica della Terra viene convertita in energia elettrica mediante appositi impianti geometrici che sfruttano il calore proveniente dal sottosuolo per far evaporare dell’acqua che, trasformata in vapore, entra in una turbina e aziona un generatore.

Nelle centrali a biomasse la produzione di energia elettrica avviene grazie al vapore generato attraverso la combustione delle materie di tipo organico che derivano dal ciclo industriale e umano.

Energia solare

Questo tipo di energia è utilizzata in tecnologie relative a impianti solari e fotovoltaici; i primi permettono la produzione di energia elettrica grazie all’utilizzo di pannelli solari dotati di un serbatoio per l’accumulo dell’acqua mentre gli impianti fotovoltaici sono impianti elettrici costituiti essenzialmente dall’assemblaggio di più moduli fotovoltaici che sfruttano l’energia solare incidente per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico. I vantaggi dell’uso di un impianto fotovoltaico in termini economici sono l’offerta di un notevole risparmio sulla bolletta della corrente elettrica; esistono offerte e agevolazioni nel finanziamento per 9

l’acquisto di impianti fotovoltaici; sono inoltre, investimenti a rischio zero con una durata di vita assicurata almeno per 30 anni; non necessitano di opere di manutenzione a parte il cambio ogni dieci anni dell’inverter (unico componente elettrico); infine riempiono spazi inutilizzati dell’abitazione quindi non comportano ingombro e disturbo. La composizione del pannello solare è normalmente in silicio in quanto è un materiale che ricevendo la luce dei raggi solari produce energia elettrica.

L’uso dell’energia solare è tipico per scopi domestici ossia per il riscaldamento di acqua e abitazioni o per l’alimentazione di frigoriferi e condizionatori; un uso frequente è quello per la distillazione di acqua marina e l’ottenimento di acqua dolce.

Energia eolica

Grazie alla potenza del vento è possibile generare energia meccanica e in un secondo momento anche energia elettrica. L’energia meccanica ricavata dal vento è quella ottenuta per esempio nei mulini a vento utilizzati per la macina del grano e di altri prodotti agricoli; la macina effettua il suo lavoro grazie alla spinta ricevuta dal vento che muovendo le pale del mulino aziona gli ingranaggi di attivazione del meccanismo. L’energia elettrica si ottiene grazie all’azione del vento su pale eoliche installate in cima a un 10

pilone e collegate a un rotore meccanico dotato di dinamo, una macchina elettrica che trasforma un lavoro meccanico, ricevuto da una fonte di energia meccanica, in energia elettrica sotto forma di corrente continua.

Quest’ultima permette la trasformazione dell’energia meccanica in energia elettrica. Solitamente il posizionamento degli impianti eolici è ideale in zone di pianura dove il vento si mantiene costante ma tra le ultime novità della tecnologia è compresa l’installazione di pale eoliche in mezzo al mare.

Per la produzione di energia eolica da parte di privati e aziende è disponibile la soluzione del mini-eolico con ridotte dimensioni delle pale e facilità di installazione: pali di sostegno in acciaio da 5 a 30 metri, la turbina le apparecchiature elettroniche che permettono la gestione del sistema. La convenienza dell’installazione di simili impianti si ripercuote positivamente sul costo dell’energia elettrica, sull’impatto generale ambientale e sulle opere di manutenzione pressoché inesistenti.

Le biomasse

Le biomasse sono prodotti biologici usati come combustibili o carburanti allo scopo di creare energia elettrica; attraverso le biomasse e quindi scarti di prodotti agricoli e industriali (rifiuti urbani, scarti di prodotti da allevamenti, legna da ardere e via dicendo), si produce energia elettrica a 11

basso costo e con un minimo impatto ambientale; le quantità di carbonio, azoto e zolfo rilasciate nell’aria dalla combustione di tali materiali sono inferiori rispetto a quelle emanate da combustibili fossili. L’uso delle biomasse comprende la trasformazione chimica del materiale organico in biogas ossia metano pronto all’utilizzo; la combustione di legname od oli vegetali per la creazione di energia elettrica o la produzione di calore; inoltre, la produzione di prodotti per l’agricoltura come il compost utilizzato per la fertilizzazione dei campi.

Energia geotermica

Si tratta dell’energia ricavabile dal sottosuolo terrestre grazie al calore proveniente dalle sue profondità e utilizzata per l’alimentazione di impianti di riscaldamento e condizionatori. Attraverso l’installazione nel sottosuolo dell’evaporatore di un circuito frigorifero, si consente al fluido frigorigeno si trasforma in forma gassosa.

Un altro tipo di sfruttamento di energia geotermica è utile per il riscaldamento dell’abitazione con l’installazione di impianti a pavimento che comprendono una serie di serpentine. Esistono due tipologie di energia geotermica: quella classica, che sfrutta anomalie geologiche e vulcanologiche; quella a bassa temperatura che sfrutta il sottosuolo come 12

serbatoio di calore. L’impianto geotermico può essere dotato di sonde verticali inserite nel terreno a svariate decine di metri; sonde orizzontali sia per impianti a trincea che distribuiti su ampie superfici; sonde a spirale che prevedono una realizzazione in senso orizzontale a circa 4 o 6 metri di profondità e che richiedono ampi spazi; o di pali energetici ossia sonde verticali inserite nei pali di fondazione. I vantaggi derivanti dall’uso dell’energia geotermica comportano anzitutto bassi livelli di inquinamento per l’ambiente; la sua disponibilità costante nel tempo in ogni arco della giornata; gli impianti installati inoltre, hanno una garanzia di vita assicurata per almeno 50 anni quindi si tratta di un investimento a lungo termine estremamente vantaggioso.

Energia idraulica idroelettrica

È l’energia generata dalla forza dell’acqua con le sue onde e le sue maree; per comprendere come dall’acqua si possa creare energia basti pensare all’energia emanata dal sole che provoca il riscaldamento dell’acqua, questa evaporando è poi destinata a ricadere sulla superficie terrestre in forma di pioggia o neve e ciò genera un movimento delle masse d’acqua che in caduta da un dislivello comporta la creazione di energia cinetica; quest’ultima, è trasformata a sua volta in energia meccanica attraverso 13

l’ausilio di turbine, e ancora si arriva all’energia elettrica associando un generatore elettrico, un dispositivo elettrico atto a produrre energia elettrica a partire da diverse forme energetiche quali energia meccanica, energia chimica, energia luminosa e energia termica. Questo metodo è utilizzato nelle centrali idroelettriche poste prevalentemente su zone di montagne in modo da sfruttare la forza di gravità terrestre in modo naturale ma può essere ricavata anche da fiumi, cascate naturali e artificiali.

Gli impianti idroelettrici più comunemente utilizzati sono quelli a bacino che sfruttano i bacini naturali o artificiali di laghi; gli impianti ad accumulo o serbatoio ricavano invece la disponibilità di acqua nel serbatoio con un sollevamento elettromeccanico dato da pompe o dalla stessa turbina di produzione. Nuovi tipi di impianti prevedono approvvigionamenti idrici da canali e condotte sfruttando l’energia prodotta anche per sistemi di canali di bonifica, circuiti di raffreddamento di condensatori e altri sistemi idrici vari.

Energia Solare Termica

Le fonti di energia rinnovabile si distinguono per la caratteristica di rinnovare l'offerta di energia ad ogni ciclo senza alcun rischio di esaurimento. Basti pensare all'energia solare o all'energia eolica. Nel campo dell’energia solare troviamo però due ceppi: energia solare fotovoltaica ed energia solare termica.

14

L’energia termica è la forma di energia posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto.

In generale l’energia termica viene liberata oppure ottenuta da un qualunque sistema che abbia una differente temperatura, che sia questa superiore o minore, rispetto a ciò che lo circonda, sia in forma solida che liquida. A seconda delle due possibilità, quindi rilasciata o acquisita, si attuano una serie di procedimenti che danno vita a tre diverse natura di scambio termico: per conduzione si verifica il passaggio di energia termica tra sistemi solidi o al loro interno; per convezione si verifica il passaggio di energia termica tra sistemi fluidi; per irraggiamento si verifica il passaggio di energia termica attraverso emissione di onde elettromagnetiche luminose ed infrarosse. Per intenderci, l’energia termica del sole arriva sulla terra per effetto di irraggiamento.

Ognuno di questi meccanismi ha una propria caratteristica, quindi, termineranno una volta raggiunte le temperature ottimali, che chiaramente dovranno essere le stesse.

Il pannello solare termico (la denominazione tecnica è collettore solare) è un dispositivo per la conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, per esempio, verso un accumulatore termico per un uso successivo: produzione di acqua calda (sanitaria o di processo), riscaldamento degli ambienti, raffrescamento solare (solarcooling).

L'ideazione di pannelli solari termici può risalire all'Impero Romano che già conosceva un metodo per sfruttare l'irraggiamento solare per mezzo dell'effetto serra creato dai vetri con cui venivano chiuse le finestre delle case. Nel Cinquecento peró Leonardo Da Vinci aveva ampliato lo studio di parabole per concentrare l'energia solare per applicarlo all'industria dell'epoca; nel Settecento, Lavoisier riuscì a fondere il platino, riscaldandolo tramite la concentrazione di raggi solari.

15

16

Pannelli Fotovoltaici1 A partire dal primo secolo d.C., i Romani iniziarono a sviluppare sistemi di riscaldamento delle abitazioni e dell’acqua basati sullo sfruttamento del calore solare e dell’effetto serra indotto dal vetro.

Nonostante ciò, la storia moderna dell’energia solare ha visto le sue origini molto tempo dopo. Risale, infatti, al 1767 l’invenzione del primo collettore solare, cioè un dispositivo in grado di catturare il calore dell'energia solare e utilizzarlo per il riscaldamento dell'acqua sanitaria o per il riscaldamento domestico, ad opera dello svizzero Horace de Sausurre. Per mezzo di una sorta di pentola, rivestita di sughero nero e coperta da tre strati di vetro, era possibile catturare il calore e portare ad ebollizione l’acqua per cucinare.

Più di un secolo più tardi, nel 1891, l’americano Clarence Kemp, brevettò il primo pannello solare termico per il riscaldamento dell’acqua sanitaria.

1

di Rossi Alessandro, Gatto Lucia, Esposito Cristiana, De Rosa Caterina, Mansi Alessandro

17

Solamente dopo la crisi energetica del 1973 e il conseguente aumento del prezzo del petrolio, importanti investimenti nelle tecnologie solari permisero al pannello termico di Kemp di acquisire la forma moderna per cui oggi lo conosciamo. La scoperta dell’effetto fotovoltaico è decisamente più recente.

Crescenti livelli di efficienza e adeguati piani di sostegno governativi hanno permesso una diffusione esponenziale delle tecnologie fotovoltaiche, in particolar modo negli ultimi anni, candidando l’energia solare ad un ruolo da leader nella soddisfazione del fabbisogno energetico globale.

I pannelli fotovoltaici sfruttano l'energia solare, trasformandola in energia elettrica tramite il processo fotovoltaico.

I pannelli solari sono molto utili perché l'energia elettrica da essi prodotta sfrutta un'energia infinita, cioè quella del sole. La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è molto alta, circa diecimila volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile.

Il fotovoltaico è una delle principali fonti di produzione elettrica da energia rinnovabile. La tecnologia alla base dei pannelli fotovoltaici garantisce l’assenza di emissioni inquinanti, senza rinunciare all'efficiente ritmo produttivo che ne giustifica un impiego di sempre più larga diffusione.

Un impianto fotovoltaico a energia solare prevede l'impiego di pannelli, ossia delle superfici che montano più celle fotovoltaiche: ciascuna di queste provvede a convertire l'energia trasportata dai fotoni (conduttori di luce e calore) in elettricità. Ciò avviene grazie alla “stimolazione” degli elettroni presenti nel materiale semiconduttore all'interno di ogni cella solare (tipicamente silicio cristallino), i quali sono eccitati dai fotoni e 18

iniziano a fluire nel circuito producendo corrente elettrica. Il funzionamento base di un pannello fotovoltaico prevede, appunto, questi passaggi: - esposizione del pannello alla luce solare, con i fotoni che colpiscono la superficie della cella fotovoltaica; - da qui, l’energia trasportata dal fotone è trasferita agli elettroni presenti sulla cella di silicio; - l'energia trasferita agli elettroni ne provoca “un'agitazione” che comporta la formazione di corrente nel circuito. Si produce quindi energia elettrica in corrente continua. Una volta prodotta questa energia, uno strumento connesso alla cella fotovoltaica (l'inverter) provvederà a convertire la corrente in alternata, così da poterla immettere sui cavi di collegamento e, infine, sulla rete di distribuzione che ne permette l'utilizzo per i fini più disparati sul mercato.

Passando all'esame più dettagliato delle celle fotovoltaiche, dobbiamo segnalare che la componente di gran lunga più importante e che ne condiziona lo stesso funzionamento è il materiale con cui vengono prodotte le celle fotovoltaiche. La specifica variante di questo elemento non esiste in natura, dal momento che la sua forma pura è soggetta a reazioni con l'ossigeno (non a caso, è frequente trovarlo sotto forma di ossido di silicio o in altri elementi compositi, come sabbia e argilla). È dunque necessario purificare prima tramite fusione con polvere di carbone e poi tramite processi chimici il silicio estratto, fino ad arrivare ad un grado di purezza del 99,9%: proprio a queste condizioni la materia assume la denominazione di silicio di grado solare. Con tali caratteristiche, questo elemento presenta delle caratteristiche di semiconduttore, nel senso che la conducibilità elettrica dipende dalla temperatura e quindi fornendo calore si può dare agli elettroni l’energia necessaria per passare dal livello energetico della banda di valenza a quello della banda di conduzione e quindi permettere loro di muoversi all’interno del materiale, soggetti alle forze elettriche: è proprio quanto avviene in un pannello fotovoltaico. In particolare, si usa il “drogaggio” dei semiconduttori con impurità di sostanze opportune (fosforo, arsenico o boro) per aumentarne la 19

conducibilità. Infatti, quando i pannelli vengono colpiti dalla luce del Sole si creano differenze di cariche negli strati della cella che scatenano la produzione di un campo elettrico. L'altro elemento imprescindibile dei pannelli fotovoltaici è rappresentato dagli inverter: questi come detto sono essenziali per convertire la corrente continua che si produce all'interno delle celle in corrente alternata. Una delle caratteristiche principali degli inverter è data dalla possibilità di allocare degli impianti di stoccaggio basilari, come batterie al litio, che permettono di tenere da parte l'energia necessaria al funzionamento stesso del pannello solare: ad esempio, per permettere la rotazione del medesimo (il cd. inseguimento) per avere sempre la migliore esposizione possibile. Infine, gli inverter garantiscono monitoraggio e protezione degli impianti e delle reti di alimentazione cui sono collegati e permettono di mantenere costantemente il punto di funzionamento ideale (MPP) per poter estrarre in ogni momento la massima potenza disponibile dai moduli fotovoltaici.

Chiaramente, l'ingrediente principale del processo appena descritto sta nell'energia che viene trasmessa dal Sole per la semplice irradiazione della superficie terrestre su cui sono montati i pannelli fotovoltaici. Si stima che la nostra stella invii ogni ora una quantità di energia pari al consumo medio annuale di tutta la popolazione mondiale. All'interno di queste stime, peraltro, è stato ritenuto che l'erogazione di energia da ogni metro quadrato di superficie solare sia pari a quella che si otterrebbe, per un'ora, bruciando oltre 6.000 litri di gasolio. Si tratta, quindi, della fonte di energia 20

più in assoluto. Purtroppo, il fotovoltaico, almeno stando alle tecnologie a disposizione, non è attualmente in grado di operare una conversione totale dell'energia che giunge sulla Terra (al momento l'efficienza di conversione è minore del 30%); inoltre, com’è noto, bisogna tener conto che l’esposizione solare risente delle variazioni legate al ciclo giorno/notte e a quello delle stagioni.

Descrizione dell’apparato e funzionamento nella realtà

Un pannello fotovoltaico è composto da celle fotovoltaiche (che sono le artefici della trasformazione: energia solare-energia elettrica) che vengono ricoperte da entrambi i lati da aceto di vinile, poi vengono incapsulate con delle lastre di vetro per trattenere meglio il calore. Nella parte retrostante viene fissata una intelaiatura di alluminio per poter fissare il pannello ad appositi sostegni, tra cui soprattutto i bracci di movimento, per consentire al pannello di muoversi seguendo i raggi del sole.

Le celle fotovoltaiche sono realizzate prevalentemente in silicio monocristallino, amorfo o policristallino, che è un materiale semiconduttore, poi sono cablate grazie ad appositi filamenti di alluminio sulla superficie e giunti l'uno con l'altro con sottili lamine di alluminio, questo per garantire un flusso di corrente continuo e soprattutto omogeneo in tutto il pannello.

Un pannello quindi usa l'energia solare, ma cosa è?

21

L'energia solare corrisponde ai fotoni, piccolissime particelle subatomiche che partono dal sole a una velocità di 300000 km/s, quindi alla velocità della luce, e sono chimicamente rilasciate quando gli atomi si eccitano cioè quando assorbono energia. I fotoni sono soggetti alla forza di gravità, sono i corpi più veloci che conosciamo al momento e impattano su altri corpi dotati di massa.

Il processo fotovoltaico Quando i fotoni impattano sul pannello, vengono incanalati e intrattenuti grazie al vetro e allo strato di aceto di vinile, penetrando fino allo strato semiconduttore del silicio che reagisce.

Nell'atomo di silicio si vengono a creare delle lacune energetiche e lo spazio vuoto viene occupato da un elettrone di un altro atomo di silicio che spostandosi crea a sua volta uno spazio vuoto da riempire, innescando così un meccanismo infinito. Per far sì che vi sia produzione di energia elettrica c’è bisogno che vi sia un eccesso di atomi caricati negativamente (anioni) e positivamente (cationi) e questo può avvenire solo quando vi è un drogaggio del semiconduttore silicio tramite l'aggiunta nel reticolo di silice di boro B e di fosforo P. Con il boro si avrà un eccesso di lacune cioè di atomi caricati positivamente e nel fosforo si avrà invece un eccesso di elettroni caricati negativamente. Lo strato del semiconduttore con il boro è detto strato p e quello del fosforo è detto strato n. Tra lo strato p e n, vi è uno spazio chiamato regione di carica spaziale dove si assisterà alla vera e propria produzione di energia elettrica. L'interazione fra lo strato p e n viene chiamata giunzione p-n.

Dove e perché ne è più diffuso l’utilizzo Il fotovoltaico non smette di crescere, lo dimostrano le ultimi analisi del 2020 dove si registrano in alcuni paesi crescite esponenziali pari anche al 300%. Nonostante ciò, esso stenta a raggiungere percentuali meritevoli di 22

fonte di energia alternativa oscillando tra l'1 e il 2%, con ampia approssimazione per eccesso. Il fotovoltaico continua a crescere e ciò e dovuto all’aumento dei prezzi del petrolio, ad un miglioramento della tecnologia e un profitto per tutti i paesi che possono usufruire di terreno non inutilizzato. I paesi dove più si registra un consistente aumento della diffusione del fotovoltaico sono: Cina, India, USA, Unione Europea, Egitto, Emirati Arabi, Vietnam e Australia. Gli Emirati Arabi hanno registrato un aumento per via degli ampi spazi a loro disposizione per lo più desertici e appunto molto caldi con un’ottima irradiazione del sole. Tra le iniziative più stupefacenti di questo paese possiamo citare Noor Abu Dhabi, il più grande impianto solare al mondo.

In Australia si registra un grandissimo aumento di energia fotovoltaica soprattutto grazie agli ampissimi territori desertici e pianeggianti nell'entroterra del continente, tanto da poter sfruttare un ambizioso progetto di 22 milioni di pannelli solari per un totale di 10 GW di potenza.

Ma la novità non è solo questa. Infatti, il progetto prevede di essere collegato, tramite un cavo di trasmissione sottomarino lungo quasi 4mila Km, a Singapore che consentirà di soddisfare il 20% del fabbisogno energetico dello stato asiatico nel prossimo decennio con l'energia generata nelle vaste pianure australiane. In Australia si sta avendo negli ultimi mesi un boom nell'istallazione a livello residenziale di impianti fotovoltaici. Per quanto riguarda l’Europa, si assiste negli ultimi anni ad un costante rafforzamento della sua posizione globale sulle energie rinnovabili Negli Stati Uniti le installazioni dovrebbero crescere del 20% nel 2020, consolidando la sua posizione come il secondo mercato Solare più grande al mondo. California, Texas, Florida, Carolina del Nord e New York costituiranno i veri driver chiave per la crescita della domanda statunitense nei prossimi cinque anni.

23

Grafico mostrante l'aumento del fotovoltaico dei paesi nella legenda citati.

24

Il grafico mostra l'aumento dell’utilizzo in Italia del fotovoltaico in relazione al numero di impianti e potenza installata (MW).

Pro e Contro

Ogni cosa nel mondo ha dei vantaggi e degli svantaggi. Il fotovoltaico è da molti apprezzato come l'invenzione più grande degli ultimi decenni, indirizzando l'uomo a concentrarsi nella produzione di energie rinnovabile ed eco sostenibili. Partiamo subito dagli svantaggi.

Contro - Il fotovoltaico ha un grande costo di installazione seppur questo è stato sensibilmente diminuito con l'avvento di nuove tecniche e materiali utilizzati. A tutto ciò va unito il costo in termini di tempo di realizzazione, che interessare settimane, in alcuni casi anche mesi per installazione dell’ impianto.

-

il fotovoltaico produce energia elettrica solo durante le ore diurne, che è necessario accumulare in batterie che fanno lievitare non solo il costo di installazione ma anche quello di manutenzione.

-

La maggior parte dei consumi elettrici si verificano di sera e non di mattina e di pomeriggio. Un problema assolutamente da non sottovalutare è l'inferiore produzione durante l’inverno, con diminuzione in risparmio. Paradossalmente proprio nella stagione in cui l'energia elettrica serve di più, l'utente è costretto a ricorrere all’utilizzo di “energia esterna”. Questo è anche un altro dei fattori che aumenta i costi d’installazione, perché deve essere necessario il 25

plug-in per corrente esterna di distribuzione locale, che deve in alcuni casi per forza integrato nel sistema elettrico domestico -

Il fotovoltaico necessità di spazi, per un impianto fotovoltaico da un Kw sono infatti necessari in media ben 8 metri quadrati, spazio che molti utenti non posseggono.

Tutti questi problemi sono sostanzialmente problemi in chiave di consumo domestico ma che succede in larga scala? Il primo problema è lo spazio, poi si aggiunge la mancanza di alcuni materiali rari come per esempio l'argento, e inoltre l’imposizione di fare impianti solo dove c'è molta radiazione solare, principalmente all'equatore e ai tropici. Si è calcolato che per soddisfare l'intero fabbisogno energetico globale sarebbe richiesta una quantità di spazio pari a circa 1/3 della Libia. Una quantità di spazio enorme che richiederebbe costi, non solo di produzione ma anche di distribuzione enormi, includendo una quantità di materie prime insostenibili globalmente. Un pannello fotovoltaico inoltre dura in media 30 anni, questo vorrebbe a dire che ogni 30 anni verrebbe richiesta la completa sostituzione di migliaia e migliaia di metri quadrati di pannelli, con un enorme impatto ambientale in termini di risorse.

Pro -

Gli aspetti positivi per quanto riguarda un lato casalingo sono: il fotovoltaico ha la peculiarità di essere customizzabile a seconde delle necessità e comodità dell'utente;

-

alta durata in termini di tempo: un pannello in media dura senza manutenzione circa 30 anni; scarsa manutenzione appunto, soprattutto per impianti di piccola capacità.

-

Gli aspetti positivi globali sono invece più interessanti. Il fotovoltaico, se migliorato, darà un grandissimi contributo per combattere il surriscaldamento globale.

26

Il riciclo del fotovoltaico è un settore ancora in evoluzione. Si parla di settore proprio perché esso, se migliorato, accrescerà l’eco sostenibilità del fotovoltaico, diminuendo l'uso di materie prime, diminuendo gli sprechi.

Questo settore potrà portare avanti anche in un sostanziale aumento dei posti di lavoro.

I pannelli fotovoltaici dopo 30 anni del loro utilizzo devono essere sostituiti, ma dove vanno a finire? Vengono riciclati? I pannelli solari fotovoltaici vengono riciclati al 95,7%, cioè i materiali del quale il pannello è composto vengono quasi tutti riciclati e riutilizzati anche per la formazione di nuovi pannelli. Vengono specialmente riciclati plastica, alluminio, rame, vetro e la polvere di silicio.

In seguito alla legge del 1° luglio del 2012 tutti i produttori di pannelli fotovoltaici devono garantire che il loro prodotto sia pienamente riciclabile, sempre per un fattore ambientale ma anche per la tutela dei materiali e soprattutto del silice, materiale relativamente costoso data la difficoltà nel trovarlo puro.

La possibilità di riciclare i pannelli fotovoltaici è un grande vantaggio sia dal punto di vista ambientale che economico: -ambientale perché diminuisce lo sfruttamento delle risorse globali, e anche perché diminuiscono gli scarti che in un modo o nell'altro finiscono in discariche, inceneritori, oppure in mari, oceani, fiumi, laghi, pianure; -economico perché il riciclo dei materiali e del silice diminuisce di molto il costo di produzione delle aziende produttrici.

La ricerca in campo fotovoltaico è indirizzata verso un sempre più favorevole rapporto fra efficienza e costi che dovrebbe, ben presto, provvedere a rimuovere il limite più forte dell'affermazione su grande scala di questa tecnologia energetica, che al momento si traduce in un alto costo per kilowattora prodotto almeno nel periodo di ammortamento dell'impianto. Quindi la ricerca si indirizza verso la scoperta di materiali 27

semiconduttori e tecniche di realizzazione che coniughino il basso costo con un'alta efficienza di conversione.

Il pannello fotovoltaico organico consente un abbattimento dei costi e usa pigmenti organici al posto dei semiconduttori inorganici.

Il pannello solare termico è un dispositivo per la conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento verso un accumulatore termico per un uso successivo: produzione di acqua calda, riscaldamento degli ambienti, ecc...

Si differenzia con il pannello solare fotovoltaico, in quanto quest'ultimo serve invece per la produzione di corrente elettrica.

Presso l'Università di Toronto nel 2005 è stato inventato un materiale plastico che sfrutta nanotecnologie per convertire in elettricità i raggi solari anche nella banda dell'infrarosso, e che quindi funziona anche con il tempo nuvoloso. Gli autori della ricerca sperano che costruendo pannelli fotovoltaici con questo materiale si possano ottenere prestazioni cinque volte superiori al silicio, tanto che una copertura dello 0,1% della superficie terrestre sarebbe sufficiente a sostituire tutte le attuali centrali elettriche. Il materiale può essere spruzzato su una superficie, come un vestito o la carrozzeria di un'automobile.

Il neonato fotovoltaico organico consente un abbattimento dei costi, pur senza aumento di efficienza. Questa tecnologia usa pigmenti organici al posto dei semiconduttori inorganici e può sfruttare economiche tecniche realizzative di fotolitografia.

Conclusione Secondo noi, l’energia solare, sfruttata mediate l’utilizzo dei pannelli fotovoltaici è da ritenersi una fonte di energia rinnovabile vantaggiosa e consigliabile poiché il fotovoltaico è una tecnologia recente che sicuramente in futuro verrà migliorata. Inoltre, si possono trarre anche dei benefici dall’utilizzo di questa tecnologia: oltre a produrre energia pulita e 28

rinnovabile, essi consentono di ridurre l’importazione di energia estera portando ad un significativo guadagno economico.

29

30

Energia Eolica2 L’energia eolica è il prodotto della conversione dell’energia cinetica del vento in altre forme di energia, elettrica o meccanica. Abbondante, rinnovabile, ampiamente distribuita, pulita, non produce gas a effetto serra. E nonostante sia intermittente, in quanto dipende dalla presenza di un’adeguata quantità di vento, la sua diffusione in termini di kilowattora prodotti al mondo sta comunque crescendo continuamente nel tempo.

2

di De Caro Benedetta, De Rosa Simone, Di Pasquale Daniele, Villacaro Maurizio.

31

Il lavoro di sfruttamento viene realizzato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi distinti: Generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento;

Generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore va orientato (attivamente o passivamente) parallelamente alla direzione di provenienza del vento.

32

L’impianto delle cosiddette “pale” può avvenire anche in acqua, al largo delle coste: in questo caso si parla di eolico off-shore.

Origine fisica dell’energia eolica Il vento, definito come una massa d’aria che si sposta prevalentemente in senso orizzontale da zone di alta pressione (anticicloni) a zone di bassa pressione (cicloni), costituisce una grande sorgente potenziale di energia.

Per comprendere l’origine fisica dell’energia eolica, esaminiamo per mezzo dell’equazione di Bernoulli il comportamento di un fluido ideale in moto.

Equazione di Bernoulli Consideriamo un fluido ideale incompressibile e non viscoso, che scorre in regime stazionario e irrotazionale (Se un minuscolo oggetto, muovendosi con la corrente, non ruota intorno ad un asse passante per il suo centro di massa, il regime di flusso è chiamato irrotazionale), lungo un tubo di sezione e quota variabile, come mostrato in Figura Consideriamo il flusso di tale fluido in un tempo ∆t.

33

Poiché non ci sono forze viscose, la variazione di energia meccanica del fluido compreso tra le due sezioni A1 e A2 deve essere uguale al lavoro fatto dalle forze che agiscono su tale porzione di fluido. In corrispondenza della sezione A1, sulla porzione del fluido considerata agisce la forza di Pressione F1 = P1A1 e il lavoro fatto W da questa forza `e W1 = F1S1 = P1A1S1 = P1∆V

La Legge di Betz Per poter estrarre parte dell’energia cinetica del flusso di aria, si introduce nel tubo di flusso il cosiddetto rotore (o turbina), che sottrae energia dal flusso di aria e la converte in energia meccanica di rotazione. Per analizzare questa situazione, facciamo le seguenti ipotesi.

1. In ogni sezione del tubo di flusso deve sussistere una distribuzione di velocità permanente, cioè il flusso deve essere stazionario.

2. Il rallentamento dell’aria in corrispondenza del rotore `e distribuito uniformemente sulla sezione del rotore stesso.

34

3. Nelle sezioni infinitamente a monte e a valle del flusso di aria deve sussistere la pressione atmosferica dell’ambiente esterno.

4. Il vento non deve incontrare ostacoli, deve essere stazionario, non deve compiere moto rotatorio e di intensità costante con la quota.

5. La comprimibilità dell’aria `e considerata essere trascurabile, cioè la densità dell’aria `e costante.

Applicando l’equazione di Bernoulli in due sezioni del tubo di flusso in assenza del rotore e considerando l’aria come un fluido ideale, si ha

35

Energia Eolica Vantaggi e Svantaggi

L’energia eolica offre diversi vantaggi e, primo fra tutti, quello di essere un’energia pulita che non inquina e non produce rifiuti. Si reperisce facilmente e in modo costante e continuativo a patto, naturalmente, di sistemare l’impianto eolico in un luogo adeguato e sufficientemente ventilato.

Lo sfruttamento dell’energia prodotta è decisamente facile e la durata nel tempo dei macchinari, che a confronto con quelli delle centrali geotermiche si smantellano e si riciclano più semplicemente, si attesta intorno ai 25 anni. Il vento, inoltre, non ha costi. Tuttavia, e qui iniziamo a considerare gli svantaggi, il costo delle pale è piuttosto elevato e l’ammortizzazione della spesa avviene sul lungo periodo.

Purtroppo, dal momento che le zone più ventose sono solitamente quelle costiere, la presenza delle torri eoliche può risultare impattante sull’ambiente e causare anche inquinamento acustico perché, nel corso del loro lavoro, producono un rumore costante che può risultare fastidioso.

Va però detto che, come è già accaduto in Danimarca, è possibile minimizzare questi svantaggi installando gli impianti a qualche chilometro dalla costa dove, a fronte di una forza eolica comunque soddisfacente, non disturbano né visivamente né acusticamente.

36

In molte aree dell’Europa si sta, inoltre, implementando sempre di più il mini eolico nelle case. È possibile infatti installare un impianto mini eolico all’esterno della propria abitazione, e può soddisfare anche l’intero fabbisogno energetico della casa stessa, se naturalmente si valuta in maniera accurata il luogo dove installare tali impianti per avere la miglior resa possibile. Ovviamente c’è bisogno di installare l’impianto in un luogo che sia il più ventilato possibile. Esiste a tal proposito un Atlante Eolico che indica le zone in cui la velocità dei venti non è inferiore a 5 m/s, limite minimo affinchè si abbia una resa sufficiente dal punto di vista energetico.

Per questo motivo in Italia, dal nostro punto di vista, non sarebbe una tipologia di impianto “produttiva”, poichè le zone in cui i venti raggiungono una velocità sufficiente sono spesso zone rurali e inoltre nel nostro Paese sono poche le abitazioni isolate, in cui la mancanza di altri edifici attorno faccia sì che il vento arrivi a velocità relativamente elevate nei pressi dell’abitazione. Inoltre costruire case in zone parecchio isolate e ventose provocherebbe molti disagi.

37

Energia Eolica In Europa Questa è una tabella riguardante la situazione in Europa. Si può notare subito un totale dominio dei paesi europei (e dell’Unione Europea). Inoltre i valori sono complessivamente significativi, ad indicare come l’eolico sia una tecnologia più matura rispetto al fotovoltaico, con uno storico di installato maggiore e una migliore produttività in gran parte d’Europa.

Come si vede i primi due paesi (Portogallo e Spagna) non hanno incrementato la propria quota negli ultimi anni, anzi, si nota un leggero regresso. In compenso paesi come Germania e Regno Unito si sono avvicinati molto.

L’Italia è esclusa da questo grafico avendo una quota del 6%. Il paese europeo ad aver prodotto più energia dalle centrali eoliche (circa 43%) è la Danimarca. Grazie ad uno dei più grandi impianti eolici offshore del mondo, la centrale di Anholt nel mare Kettagat.

38

La produzione di energia eolica è aumentata dell’8% nel 2014, mentre quella prodotta da impianti a carbone è scesa del 6%. La differenza tra il vento e il carbone è più pronunciata nel Regno Unito, infatti nel 2014 ha generato l’11% in più di energia elettrica dal vento e il 25% in meno dal carbone che nel 2013.

Al settimo posto della classifica troviamo la Romania, quasi al 9 per cento di produzione di energia eolica. Questo paese è la patria di uno dei più grandi parchi eolici del mondo, un impianto da 600 megawatt di proprietà della Ceca CEZ. Per quanto riguarda i grandi produttori di CO2 quali Stati Uniti e Cina possiamo dire che i parchi eolici degli Usa producono più energia elettrica rispetto a quelli di qualsiasi altro paese: 182 terawattora nel 2014 pari al 4,4 per cento della produzione annuale del Paese.

39

La Cina, leader mondiale nella capacità installata per l’energia eolica con 115.000 megawatt rappresenta ancora meno del 3 per cento della produzione di energia elettrica. Eppure l’energia eolica è più che raddoppiata dal 2011, lasciando indietro l’energia nucleare.

Perché’ la Danimarca ha maggiore utilizzo in tutto il mondo di energia eolica?

Già a partire dal 2011, la Danimarca genera più di un quarto del fabbisogno di energia elettrica a partire dallo sfruttamento della forza del vento. Nel 2014 le pale hanno fornito il 39% di elettricità richiesta dalla rete di distribuzione, presto trasformatosi in 60%.

Questo meraviglioso angolo verde dell’Europa che è la Danimarca, ha cominciato ad installare pale eoliche come conseguenza alla crisi petrolifera, quindi a partire dagli anni ’70, ottenendo, così facendo, il titolo indiscusso di “pionieri dell’eolico”.

A partire dal 2013 la Danimarca ha deciso di aggiungere più di 100 turbine offshore, ovvero lontano da terra (possono essere installate o in mare o nei laghi, per esempio) di modo tale da deturpare il meno possibile il paesaggio e da riuscire a catturare molta più aria. È infatti noto che, in spazi aperti le correnti siano più veloci poiché non incontrano ostacoli lungo il loro cammino.

In soli 10 anni l produzione di energia eolica danese è quasi triplicata e questo dato fa ben sperare per quanto riguarda il raggiungimento dell’obbiettivo del 2050 di riuscire ad ottenere energia senza fonti fossili.

Poco più la metà del consumo di elettricità della Danimarca è stato soddisfatto grazie all'energia eolica nel 2019, stabilendo un nuovo record.

40

L'operatore per l'energia elettrica del paese, Energinet, ha annunciato giovedì che poco più del 47% dell'energia è stata generata dalle turbine eoliche, rispetto al 41% nel 2018.

L'energia generata dalle turbine eoliche in mare è aumentata al 18% l'anno scorso dal 14% nel 2018, mentre l'eolico onshore ha rappresentato il 29%.

Il parco eolico offshore ha sede nel Mare del Nord e ha contribuito alla maggiore produzione di energia eolica della Danimarca. la Cina ha da poco superato l’Unione Europea per capacità produttive dei suoi impianti eolici. Questo vuol dire che mettendo insieme tutti i parchi e le strutture allestite tra gli stati UE per ricavare energia eolica, non si arriva a quanto riesce a fare la Cina con i suoi impianti. Si tratta di un dato che indica l’energia che può essere potenzialmente prodotta, non la produzione stessa, ma che comunque rispecchia l’ingente sistema che sta mettendo a punto la Cina.

La Cina ormai investe più nel vento che nel nucleare, stando sempre a quello che dicono i numeri, ed ha ambizioni importanti, su tutte quella di coprire l’85% di consumo di elettricità con fonti rinnovabili entro il 2050.

Al momento, data l’importanza che rivestono ancora i combustibili fossili, sembrerebbe un’impresa più che una sfida, ma nel giro di 35 anni quell’85% potrebbe diventare anche 90% se il trend continua così. la Cina ha più di un motivo per orientare il suo fabbisogno energetico verso le fonti rinnovabili. Innanzitutto, la Cina si avvia a diventare la prima economia al mondo e non può permettersi di fermarsi per una crisi energetica, che è sempre dietro l’angolo con le tensioni nei paesi produttori ed un prossimo esaurimento del petrolio. A Pechino, inoltre, ci sono dei dati tutt’altro che positivi sull’inquinamento, che è aumentato in maniera importante come conseguenza della crescita stessa. Per queste ragioni la Cina continuerà ad investire nel settore riservando un occhio di riguardo all’eolico, assicurandosi il controllo di un mercato che sarà nelle economie mondiali del futuro.

41

Gli Stati Uniti hanno fatto piccoli passi in avanti negli ultimi anni, in particolare, nel 2015 gli americanisi sono piazzati al primo posto per produzione di energia eolica, superando anche la Cina che ha una capacità molto maggiore ma non ha potuto sfruttarla appieno nell’anno in esame.

Ciò che fa ben sperare gli americani è che in stati come Iowa e South Dakota, l’eolico arriva a coprire già il 30% circa dei consumi di elettricità e fornisce lavoro già a migliaia di persone.

In Europa il quadro è abbastanza buono. Nel 2014 si è stimata una copertura elettrica dell’8% da parte dell’energia eolica. I trascinatori sono Paesi come la Germania, che fino a qualche anno fa si contendeva il primato con USA e Cina, ma anche Spagna e Danimarca. C’è un’associazione non governativa che si chiama EWEA, che è attiva dal 1982 nell’eolico è sta monitorando la situazione in tutto il Mondo.

Ebbene, stando a quanto rilevato dai loro centri statistici, anche l’Europa si è posta, come gli USA, degli obiettivi nel prossimo trentennio: arrivare a 320 GW di capacità eolica e soddisfare qualcosa come un quarto della domanda totale in UE. In tutto ciò, l’Italia si posiziona al quinto posto in Europa per capacità eolica, che si attesta al 2015 intorno ai 9GW. Come ha anche segnalato Legambiente nel 2014, però, nonostante un trend positivo l’Italia soffre la mancanza di impianti off-shore. In un linguaggio meno tecnico, si parla di impianti eolici installati in mare. Quella degli off-shore è stata un’intuizione brillante della tecnologia, in quanto sfrutta le forti correnti marine che si generano a chilometri dalla costa.

Si può dire benissimo che, senza questa tipologia di impianti, sia l’Europa che la Cina non avrebbero mai avuto una crescita così importante nel settore. Il problema è che in Italia questo tipo di impianto rimane, al momento, solo un progetto. In Italia il quadro geografico premia nettamente le regioni del Centro-Sud, con la Sicilia e la Puglia a guidare la classifica delle regioni più produttive della penisola. Tra le zone più floride 42

c’è il confine tra Puglia e Campania, con grandi impianti nelle province di Avellino e Foggia, in Calabria principalmente il crotonese, mentre in Sicilia ce n’è uno molto vasto nel comune di Camporeale, in provincia di Palermo.

La speranza è che l’Italia si apra in maniera sempre più decisa verso le fonti rinnovabili e sblocchi definitivamente la situazione dell’energia eolica.

La nostra penisola potrebbe diventare leader europeo di un mercato chiave del futuro e competere con i più grandi colossi come Cina e Stati Uniti.

Conclusioni Un’ultima osservazione: nessuna fonte di produzione di energia elettrica può essere valutata disgiuntamente dalle altre e, l’insieme di queste, congiuntamente, deve essere coerente con il sistema delle utenze. E se c’è incompatibilità tra il sistema di utenze (la richiesta) e la rete (la produzione e la distribuzione), in un sistema democratico, occorre avvisare la nazione e discuterne coi cittadini. Le energie sono diverse tra di loro e non sono intercambiabili.

A meno che l’energia elettrica non diventasse economicamente e tecnologicamente immagazzinabile.

43

Cosa oggi non possibile se non in quantità limitate e a costi molto alti, e con rendimenti bassi, ossia con sprechi elevati. Il pensare ad una rete elettrica alimentata totalmente dall’energia eolica e/o dall’energia solare, oggi è totalmente fuori dalla realtà, in termini sia tecnici che economici.

Purtroppo. E dobbiamo accontentarci di soluzioni realistiche sapendo quanto, in ogni caso, c’è da pagare in termini di: capitali d’investimento, tariffe e bollette, inquinamento (oggi e domani), risparmio energetico, stile di vita, tipo di civiltà.

FONTI HTTPS://WWW.WEKIWI.IT/MAIN/ENERGIA-EOLICA-VANTAGGI-SVANTAGGI/

44

45

Energia Geotermica3 L’energia geotermica fu utilizzata per la prima volta per la produzione di elettricità il 4 luglio 1904. Accadde in Italia, ad opera del principe Piero Ginori Conti, il quale sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello in Toscana, in cui questo esperimento portò all’accensione di cinque lampadine. Più tardi, nel 1911, nello stesso posto fu costruito il primo impianto geotermico commerciale del mondo, tuttora in piena attività. Fino al 1958 questo è stato il primo impianto di produzione industriale al mondo di energia elettrica geotermica, fino a quando anche la Nuova Zelanda non ne costruì uno.

Fisicamente Una fonte di energia è definita rinnovabile, se viene continuamente reintegrata nel tempo, e perciò considerata inesauribile, come il vento o proprio come il calore della Terra. L'energia geotermica, è l'energia ricavata 3

di Zouhri Anuar, Ragone Valerio, Ferrara Alessio, Tenza Saturno

46

dal calore geotermico ovvero dal calore presente nella crosta terrestre. Lo sfruttamento dell'energia geotermica si basa, sul principio della geotermia: il decadimento radioattivo degli atomi.

Nel decadimento, gli atomi con nuclei instabili tendono alla trasmutazione ossia al passaggio a un nucleo di energia inferiore, raggiungendo così uno stato di stabilità con l’emissione di radiazioni ionizzanti, rispettando i principi della conservazione dell'energia e della quantità di moto. La stabilità di un nucleo atomico o di un isotopo è dovuta a delle forze che permettono ai protoni del nucleo di rimanere uniti, nonostante abbiano tutti carica uguale. Non appena queste forze vengono meno avviene il processo di decadimento dell’atomo. I decadimenti sono suddivisi in tre classi principali: ➢ Decadimento alfa; ➢ Decadimento beta; ➢ Decadimento gamma.

Il decadimento alfa ed il decadimento beta cambiano il numero di protoni nel nucleo e quindi il numero di elettroni che vi orbitano attorno (cambiando così la natura chimica dell'atomo stesso), il decadimento gamma avviene fra stati eccitati dello stesso nucleo e comporta solo la perdita di energia.

La temperatura media della crosta terrestre è influenzata dal decadimento alfa degli isotopi dell'uranio (U235,U238), del torio (Th232) e del potassio (K40), in cui l’energia cinetica del decadimento dell'atomo viene convertita in energia termica. Attualmente, secondo la teoria dei quanti, è impossibile prevedere quando un particolare atomo decadrà, indipendentemente da quanto tempo l’atomo esiste. Quest’energia termica viene accumulata nel sottosuolo (serbatoio geotermico) ed è resa disponibile tramite il cosiddetto “fluido geotermico”.

47

Fluido geotermico Il fluido geotermico è un vettore fluido che può essere naturale o iniettato, esso può fluire dal serbatoio geotermico alla superficie spontaneamente (geyser) o può essere erogato artificialmente tramite perforazione meccanica (pozzo geotermico). Il fluido geotermico (una miscela di vapore d'acqua e di gas incondensabili) è definito fluido perché rispetta il princìpio fondamentale della fluidomeccanica, ovvero: se un materiale sottoposto a uno sforzo di taglio, si deforma illimitatamente (ovvero che fluisce), indipendentemente dall’entità di quest'ultimo. Allora, si definisce fluido un particolare stato della materia che comprende i liquidi, gli aeriformi e il plasma. Il fluido geotermico viene estratto dalle sorgenti geotermiche che sono suddivise in tre categorie: ➢ Sorgenti idrotermiche, presenti a una profondità tra i 1000-2000 m; ➢ Sorgenti geopressurizzate, presenti a una profondità tra i 300010000 m; ➢ Sorgenti petrotermiche, presenti a profondità superiori ai 10000 m.

Struttura, funzionamento e tipi di impianti Per la produzione di energia elettrica, vengono impiegate le centrali geotermoelettriche. Esse sono collocate in zone vulcaniche poiché la temperatura media della crosta terrestre è superiore. Gli organi essenziali della centrale, in linea di massima, sono: le sonde o i vapordotti, la turbina, l’alternatore, il trasformatore e il condensatore: ➢ Sonde e vapordotti: Le tipologie più diffuse di impianti geotermici sfruttano sonde ovvero dei tubi in polietilene installati verticalmente nel terreno che permettono la circolazione di un fluido nel loro interno, il quale scende e risale all’interno di esse scambiando calore con il sottosuolo, seguendo una forma a “U”. Grazie a questo fluido, 48

durante l’inverno il calore viene assorbito dal terreno e rilasciato alla pompa di calore, mentre durante l’estate avviene l’inverso. I vapordotti sono dei tubi in acciaio inossidabile, utilizzati per trasportare il vapore erogato dai pozzi geotermici. Le sonde geotermiche sono impiegabili anche a livello civile e non solo industriale. ➢ Turbina: è una macchina motrice rotativa a fluido, il cui organo essenziale è rappresentato da una ruota provvista di palette periferiche convenientemente profilate per ricevere energia cinetica da un fluido (vapore acqueo nel caso di una centrale geotermica), sotto forma di velocità o di pressione. Il tipo più semplice di turbina prevede un complesso chiamato stadio, formato da una parte fissa, detta statore, ed una parte mobile, il rotore. ➢ Alternatore: è una macchina elettrica rotante basata sull’induzione elettromagnetica, che converte l’energia meccanica fornita dal motore primo (la turbina) in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.

Questo processo, denominato conversione elettromeccanica dell’energia, coinvolge la formazione di campi magnetici che agiscono come mezzo intermedio. La conversione elettromeccanica dell’energia è molto efficiente, con rendimenti normalmente prossimi al 100%. ➢ Trasformatore: è una macchina elettrica statica alimentata a corrente alternata, basata sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica, destinata a trasformare, tra il circuito primario (ingresso) e il circuito secondario (uscita) del trasformatore, i fattori tensione e corrente della potenza elettrica. Il trasformatore trasferisce quindi energia elettrica da un circuito elettrico a un altro che ha una tensione diversa, accoppiandoli induttivamente, senza che siano a contatto tra loro gli avvolgimenti del trasformatore. È una macchina reversibile. Si ricorda che una trasformazione è reversibile se è possibile percorrerla al contrario facendo in modo che sistema e ambiente esterno tornino 49

entrambi esattamente nel loro stato di partenza, senza subire alterazioni permanenti. ➢ Condensatore: Una volta uscito dalla turbina il fluido è inviato al condensatore a miscela, dove viene a contatto diretto con acqua fredda proveniente dalla torre di raffreddamento, con una portata molto maggiore rispetto a quella del fluido. In questo modo avviene un rapido raffreddamento e conseguente condensazione del vapore residuo.

Infine ciò che permette alla centrale di essere operativa è il “fluido geotermico". Al giorno d’oggi ci sono 4 tipologie di centrali geotermiche: ➢ Centrali a vapore secco ➢ Centrali flash; ➢ Centrali binarie; ➢ Centrali a bassa entalpia.

I primi tre impianti sono classificati ad alta entalpia, mentre l'ultimo a bassa entalpia. In termodinamica, l’entalpia è una funzione (detta anche impropriamente contenuto termico o calore totale) definita come somma tra l’energia interna e il prodotto della pressione per il volume di un fluido termodinamico; ha le dimensioni di un’energia

Funzionamento delle centrali ad alta entalpia Le centrali geotermiche ad alta entalpia necessitano del fluido geotermico, per poter iniziare l'intero processo di produzione di energia elettrica:

Fattori a favore e non La costruzione di centrali geotermiche e l'impiego dell'energia geotermica presenta particolari aspetti positivi. Innanzitutto la disponibilità è continua, perché indipendente dall'ora del giorno o dalle condizioni climatiche dato 50

che la presenza di calore in un determinato sito rimane costante tutto l'anno. Come altre fonti di energia rinnovabile l'energia geotermica ha un basso impatto ambientale e l'inquinamento acustico degli impianti è nullo, tuttavia è presente un odore sgradevole di zolfo. Infine la gestione di un sito richiede un basso costo operativo nonostante l'elevato capitale iniziale per la ricerca e la costruzione di un sito.

Nonostante l'energia geotermia sia una fonte rinnovabile rimane pur sempre una fonte energetica con pregi e difetti. Nonostante ciò, i vari paesi fanno a gara per diventare sempre più rinnovabili. L’Italia che arriva a coprire circa il 40% del consumo fa ben sperare. Il calore geotermico non è l'unica alternativa possibile all’impiego dei combustibili fossili, anzi esistono e sono impiegate altre fonti energetiche rinnovabili sfruttate attraverso le pale eoliche e i pannelli fotovoltaici. Lo dimostrano i dati estratti dagli studi preliminari del TERNA e del GSE del 2018.

51

BIBLIOGRAFIA HTTPS://IT.M.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/ENERGIA_GEOTERMICA HTTPS://IT.M.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/GEOTERMIA HTTP://WWW.NEXTVILLE.IT/GEOTERMIA/339/LIMPIANTO_GEOTERMICO HTTPS://WWW.REGIONE.TOSCANA.IT/-/GEOTERMIA HTTPS://IT.M.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/ALTERNATORE HTTPS://IT.M.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/TURBINA

52

53

LED4 In elettronica il LED o diodo (tubo elettronico a due elettrodi) a emissione di luce è un dispositivo che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea quando attraversati da una corrente elettrica, per mezzo di un fenomeno noto come elettroluminescenza.

I LED si sono diffusi in tutte le applicazioni dove servono affidabilitĂ , lunga durata, elevata efficienza e basso consumo. Alcuni utilizzi sono: il telecomando a infrarossi, gli indicatori di stato, i semafori stradali, i dispositivi luminosi di autovetture e motocicli, i lampeggianti dei veicoli di emergenza, l'illuminazione, ecc...

L’illuminazione coi LED sta lentamente sostituendo i vecchi metodi di illuminazione, come la lampadina a incandescenza.

4

di Barbato Emanuele, Medici Chiara, Quaranta Valeria

54

L’illuminazione con la luce LED è più vantaggiosa per diversi motivi: sono più efficienti, non producono calore, durano più a lungo, ...

Il primo LED fu inventato dallo statunitense Nick Holonyak Jr nel 1962 durante una collaborazione con la General Electric. È stato quest’uomo, ricercatore e docente dell’Università dell’Illinois, ad aver studiato e sviluppato tutte le potenzialità dei semiconduttori sfruttati dai dispositivi optoelettronici come i LED, che negli anni ’60 esistevano solo nella loro versione rossa. La luce bianca e brillante che oggi illumina le nostre stanze con un click dell’interruttore è stata inventata nei primi anni ’90 ed è frutto degli studi di tre fisici giapponesi, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura, che hanno prodotto il primo fascio di luce blu dai semiconduttori, innescando una trasformazione fondamentale per la tecnologia dell’illuminazione.

L'elettronica è la scienza concernente l'emissione e la propagazione degli elettroni nel vuoto o nella materia. L’elettronica è una branca della fisica, in particolare dell'elettrologia. Nata come branca dell'elettrotecnica è oggi intesa come disciplina a sé, e può essere definita come "tecnica delle correnti deboli e di alta frequenza" differendo dall'elettrotecnica che è invece "la tecnica delle correnti forti e di bassa frequenza".

Le applicazioni più comuni dell'elettronica e dei circuiti elettronici sono: • • • • • • •

nelle telecomunicazioni; nell'informatica; nel controllo di robot e macchine industriali; nel controllo di ascensori e impianti automatizzati; nella diagnostica e nella clinica medica; negli strumenti di misura; nella conversione dell'energia elettrica; 55

In elettronica, il LED o diodo (tubo elettronico a due elettrodi) a emissione di luce è un dispositivo che sfrutta la capacità di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea quando attraversati da una corrente elettrica, per mezzo di un fenomeno noto come elettroluminescenza. Il materiale semiconduttore presenta due zone drogate differentemente in modo da avere portatori di carica opposta, elettroni e lacune, i quali si ricombinano emettendo energia sotto forma di fotoni. Quando al diodo viene imposta una tensione gli elettroni vengono sospinti attraverso la regione N, mentre le lacune attraverso la regione P, finendo entrambi nella cosiddetta "regione attiva", nei pressi della giunzione. Elettroni e lacune si spostano di livello energetico in livello energetico. Gli elettroni si muovono all'interno della banda di conduzione e le lacune in quella valenza. La differenza tra le due bande viene definita banda proibita. Quando elettroni e lacune si ricombinano rilascino una certa quantità di energia definita proprio da questa banda proibita: se essa è sufficientemente elevata questi pacchetti energetici saranno fotoni, altrimenti quell'energia sarà trasformata in calore.

Il LED può avere un'emissione continua, se il LED emette costantemente luce, o intermittente, se il LED emette luce a intervalli di tempo regolari.

56

0 Lo spettro luminoso dei LED varia molto a seconda del LED. Se il LED è usato per l'illuminazione si ha una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche al 100%, in altre applicazioni esistono anche LED che emettono luce non visibile. I LED possono produrre diversi colori in base al materiale utilizzato per la realizzazione. I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa e di affidabilità.

Il modo corretto di alimentare un LED è quello di fornire al dispositivo una corrente costante polarizzata. Ciò si può ottenere utilizzando un generatore di corrente o ponendo in serie al LED un resistore di valore appropriato, col compito di limitare la corrente che vi scorre. In questo caso la potenza in eccesso viene dissipata in calore. Questa soluzione penalizza l'efficienza del sistema e non garantisce al LED un preciso flusso di corrente corrispondente alle specifiche del costruttore.

I LED si sono diffusi in tutte le applicazioni dove servono affidabilità, lunga durata, elevata efficienza e basso consumo. Alcuni utilizzi sono: il telecomando a infrarossi, gli indicatori di stato, i semafori stradali, i dispositivi luminosi di autovetture e motocicli, i lampeggianti dei veicoli di emergenza, l'illuminazione, ecc...

57

Pro e Contro

PRO •

efficienza energetica, i LED rappresentano la tecnologia più efficiente, a parità di illuminazione consumano molto meno rispetto alle lampadine alogene e alle fluorescenti, con un consumo elettrico inferiore al 75% circa

•

la luce LED non produce calore, la lampada LED non si scalda e quindi non sprigiona calore al contrario delle lampade a incandescenza

•

durata, i LED durano circa 20 anni rispetto alle lampade fluorescenti che durano circa 4 anni

•

sono emissioni UV e infrarossi, le lampadine a LED non emettono raggi ultravioletti o infrarossi quindi non rovinano i tessuti, il pellame o i mobili e non attirano gli insetti

•

accensione immediata, le lampade LED emettono da subito la luce massima

•

estetica, le lampadine a LED permettono diverse tonalità: luce bianca calda o fredda e una vasta gamma di colori

•

non inquina e non è pericolosa, in quanto non contiene gas nocivi e sostanze tossiche 58

•

alta efficienza luminosa

•

controllo regolabile del flusso luminoso

•

resistenza meccanica (il massimo sforzo che un materiale è in grado di sopportare prima che sopraggiunga la sua rottura) superiore alle lampade tradizionali

•

colori vivaci e molto saturi

CONTRO •

la sorgente molto piccola ma così intensa potrebbe essere pericolosa da guardare direttamente da vicino

•

eccesiva emissione di componente blu nello spettro

•

tolleranza ristretta sulla temperatura dell'ambiente di istallazione

•

nel tempo, i LED hanno una perdita di luminosità proporzionale alla durata

•

non così impiegabili ovunque

Il LED è diffuso ormai in tutti i paesi sviluppati, perché è utile anche in casa, non richiede grandi costi iniziali, come ad esempio i pannelli solari, né grandi spazi per l’istallazione, come le pale eoliche.

Nonostante qualche piccolo neo, per il momento o fino alla realizzazione di un prodotto alternativo privo di rischi per la salute, il LED resta attualmente il prodotto maggiormente richiesto. D'altro canto, la risposta alla domanda risulta vantaggiosa anche per le aziende produttrici che non potrebbe ignorare una richiesta così alti di prodotti con costi di produzione non elevati.

59

FONTI HTTPS://WWW.GREENPLANNER.IT/ENERGIE-RINNOVABILI/ HTTPS://IT.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/LED HTTP://WWW.SAPERE.IT/SAPERE/STRUMENTI/DOMANDE-RISPOSTE/SCIENZATECNOLOGIA/COSA-SONO-LUCI-LED.HTML HTTPS://WWW.LAMPADADIRETTA.IT/LAMPADINE-LED HTTP://ELETTRICISMO.ALTERVISTA.ORG/NON-SAI-ANCORA-QUALI-PRO-LED-NON-DEVIPERDERTI-QUESTA-GUIDA-TROVERAI-TUTTE-LE-RISPOSTECERCHI/?DOING_WP_CRON=1586956527.7243120670318603515625 HTTP://WWW.RISPARMIARE-ENERGIA.COM/VANTAGGI-LAMPADINE-LED-PRO-CONTROILLUMINAZIONE-LED/ HTTPS://IT.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/LED#STORIA

60

61

Motore elettrico5 La commercializzazione dell’auto elettrica iniziò prima di quella della sua controparte con motore a combustione interna; Charles Jeantaud, costruttore di carrozze a Parigi, fu probabilmente il primo a dedicarsi seriamente a questo settore produttivo dal 1881, cinque anni prima di Karl Benz con la sua Patent Motorwagen. Gli elementi indispensabili per il funzionamento dell’auto elettrica erano già allora disponibili: il motore elettrico a corrente continua fu brevettato da Thomas Davenport nel 1834; le batterie ricaricabili al piombo da Gaston Planté nel 1859; infine, nel 1880 Thomas Edison brevettò il sistema di produzione e distribuzione dell’energia elettrica in corrente continua, indispensabile per l’uso pratico delle auto elettriche. La decisione di Jeantaud non fu certo motivata dalla ricerca del risparmio energetico o della riduzione dell’inquinamento, bensì dalla semplicità costruttiva di un veicolo dotato di propulsore elettrico.

Quest’ultimo era, infatti, meno complesso di quello a combustione interna e, per il suo impiego, non era necessario il cambio, la frizione né, 5

Apicella Francesco, De Piano Miriam, Vittorio Postiglione

62

tantomeno, la manovella d’avviamento. L’uso di questi tre dispositivi era considerato da molti come un impedimento rilevante alla diffusione dell’automobile con motore a combustione interna. I primi veicoli elettrici furono introdotti inizialmente in sostituzione delle carrozze di piazza, i taxi di allora, e alcuni propulsori elettrici furono proposti per la trasformazione delle carrozze esistenti, come gruppi intercambiabili con il loro assale anteriore. Jeantaud vantava nel 1895 un catalogo con diversi modelli.

Nel nostro Paese, la prima auto elettrica fu probabilmente costruita da Giuseppe Carli, fra il 1890 e il 1891, su progetto di Francesco Boggio, un suo collaboratore. Carli operò in diversi settori industriali a Castelnuovo della Garfagnana e fu uno dei pionieri nella produzione dell’energia elettrica per via idraulica per scopi industriali. La sua automobile, ricostruita nel 2009 dagli studenti dell’Ipsia S. Simoni di Castelnuovo della Garfagnana dal disegno originale, pesava 140 kg, per metà imputabili alla batteria; con una capacità di 250 Ah (circa 3 kWh), alimentava il motore elettrico attraverso un regolatore inversore a quattro livelli di tensione. La potenza era circa 1 cv, la velocità massima 15 km/h con un’autonomia di 10 ore. Furono costruiti solo alcuni prototipi, purtroppo perduti, e non vi furono seguiti industriali. Potrà oggi stupirci che, oltre che per la loro semplicità di guida, le auto elettriche fossero anche apprezzate per la superiorità delle loro prestazioni rispetto a quelle raggiungibili con i motori a combustione interna disponibili a quel tempo.

I primi record di velocità furono conquistati, infatti, da automobili Jeantaud. Gaston de Chasseloup-Laubat superò 63 km/h nel 1898, con una Jeantaud Duc da 35 cv. I motori termici più potenti, in quegli anni, raggiungevano al massimo 10 cv. Anche la Jamais Contente, costruita dalla Compagnie Internationale des Transports Automobiles de Paris, la prima a superare 100 km/h nel 1899, era elettrica. Utilizzava due motori con potenza complessiva di 68 cv. La scorta di energia era costituita da una batteria al piombo da 650 kg; l’autonomia alla velocità massima era appena 63

sufficiente a percorrere i pochi chilometri del tratto stradale impiegato per omologare il record. Credendo nel loro successo, anche Lohner, un costruttore di carrozze fornitore della casa imperiale austriaca, decise di costruire auto elettriche da turismo. Telai e carrozzerie provenivano dal suo stabilimento, mentre le apparecchiature elettriche erano fornite dalla Béla Hegger, in cui operava Ferdinand Porsche come direttore tecnico.

Porsche, invece, studiò un motore particolare, adatto a essere integrato nelle ruote anteriori, per evitare la necessità di trasmissione e differenziale; l’idea piacque così tanto a Lohner da convincere Porsche a trasferirsi nella sua azienda, facendogli iniziare, con un’auto elettrica, la sua fruttuosa carriera di progettista di automobili. La Lohner Electric Phaeton, presentata a Parigi nel 1900, aveva 5 cv, incrementabili a 14 per brevi periodi, potendo raggiungere la velocità di crociera di 37 km/h o la velocità massima di 60 km/h. L’autonomia era di circa 50 km con 400 kg di batterie. Peso e autonomia erano evidentemente i suoi punti deboli. La Lohner Semper Vivus del 1900, ancora progettata da Porsche, si proponeva di eliminarli. Il sistema propulsivo fu modificato, aggiungendo due piccoli gruppi elettrogeni, con motori a benzina De Dion-Bouton da 3,5 cv, che potevano ricaricare una batteria di più contenute dimensioni.

La prima auto ibrida nacque quindi esclusivamente per cogliere i vantaggi della trazione elettrica, limitando le penalizzazioni imposte dalla scarsa capacità delle batterie. Esistevano però ancora altri punti critici. I contatti striscianti dei motori erano soggetti a rapida usura e gli avvolgimenti erano costosi e poco affidabili, in particolare a causa dell’isolamento elettrico che, mancando materiali più appropriati, era costruito fasciando i conduttori di rame con fili di seta. Infine, per avviare il veicolo senza pericolo di surriscaldamento, a causa dell’elevato assorbimento di corrente dei motori a corrente continua allo spunto, era necessario ridurre temporaneamente la tensione; per questo si doveva variare lo schema di collegamento degli elementi della batteria e, eventualmente, degli 64

avvolgimenti del motore. Erano necessari costosi e complicati interruttori combinatori, i controller; un esempio di questi dispositivi è mostrato all’interno della colonna di sostegno del volante di una Krieger Electric Brougham del 1904. I contatti, aperti e chiusi per mezzo della rotazione di un albero a camme, erano in grado di variare la tensione in sei-otto combinazioni, impiegate per accelerare, rallentare e invertire la marcia.

Energia elettrica L’energia elettrica, insieme al petrolio, permise nella seconda metà del XIX secolo di compiere il salto di qualità verso l’industrializzazione così come noi la conosciamo oggi, perché divenne la fonte d’energia capace di far muovere le macchine da utilizzare nei processi produttivi con l’introduzione dei motori elettrici.

La scoperta dell’elettricità permise lo sviluppo di una miriade di invenzioni che oggi fanno parte della nostra vita quotidiana e sono ormai indispensabili.

Dal punto di vista fisico la corrente elettrica è il flusso di cariche elettriche.

Per poter comprendere questo concetto è necessario conoscere alcuni concetti: La carica è una proprietà della materia, proprio come massa, volume, o densità. È misurabile. Il concetto chiave che dobbiamo apprendere è che può essere di due tipi: positivo (+) o negativo (-).

Gli elettroni portano con sé sempre una carica negativa, mentre i protoni sono sempre carichi positivamente. due corpi elettricamente carichi si attraggono o si respingono con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle

65

due cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa.

Gli elettroni negli atomi sono portatori di carica, perché ogni elettrone ha una carica negativa. Utilizzando abbastanza forza elettrostatica su un elettrone di valenza (elettrone più esterno) o spingendolo con un'altra carica negativa o attraendolo con una carica positiva, possiamo estrarre l'elettrone dall'orbita intorno all'atomo creando così un elettrone libero.

L’elettrone libero è fluttuante in uno spazio tra gli atomi, è tirato e spinto da cariche in quello spazio circostante. In questo caos alla fine trova un nuovo atomo su cui attaccarsi; in tal modo, la carica negativa espelle un altro elettrone di valenza dall'atomo. Ora un nuovo elettrone è alla deriva attraverso lo spazio libero cercando di fare la stessa cosa. Questo effetto catena può continuare all'infinito per creare un flusso di elettroni.

L'elettricità statica è l'accumulo superficiale e localizzato di cariche elettriche su di un corpo. Può verificarsi sia in un materiale conduttore che in un isolante. L'elettricità statica esiste quando vi è un accumulo di cariche opposte su oggetti separati da un isolante. L'elettricità statica (cioè "a riposo") esiste finché i due gruppi di cariche opposte non trovano un percorso per equilibrare il sistema. Quando le cariche trovano un mezzo di equalizzazione, si verifica una scarica statica La corrente elettrica esiste quando le cariche sono in grado di scorrere continuamente. Al contrario dell'elettricità statica in cui le cariche si riuniscono e restano a riposo, la corrente elettrica è dinamica, le cariche sono sempre in movimento L'energia potenziale elettrica, anche detta energia potenziale elettrostatica, in fisica, è l'energia potenziale del campo elettrostatico. Si tratta dell'energia posseduta da una distribuzione di carica elettrica, ed è legata 66

alla forza esercitata dal campo generato dalla distribuzione stessa. Più intuitivamente l'energia elettrica può essere immaginata come l'energia causata dallo spostamento di cariche elettriche, chiamate elettroni. Più velocemente le cariche si muovono, più energia elettrica trasportano.

L'utilizzo dell’energia elettrica però presenta vari pro e contro.

Pro o È un'energia comoda e facile da usare: basta premere un interruttore e l'energia elettrica è subito disponibile. o È un'energia pulita: non produce polveri o elementi inquinanti nel momento in cui viene utilizzata. o Si può trasportare con relativa facilità anche a migliaia di chilometri dal luogo di produzione. o Può essere facilmente trasformata in altre forme di energia: meccanica, termica, luminosa, ecc.

Contro o La conversione in energia elettrica di altre fonti energetiche primarie come il carbone, petrolio e il gas comporta una notevole perdita energetica, solo il 30 - 40% di energia primaria viene convertita in energia elettrica utilizzabile. o L'energia elettrica non può essere accumulata convenientemente su larga scala. o L'energia può essere trasportata a grandi distanze ma ciò comporta una notevole perdita.

67

L’auto elettrica In Europa, il settore dei trasporti è responsabile del 30% delle emissioni totali di CO2 , di cui il 72% viene prodotto dal solo trasporto stradale. In particolare, le autovetture sono fra i mezzi più inquinanti, considerato che generano il 60,7% del totale delle emissioni di CO2.

Sono due i modi con cui si possono ridurre le emissioni di CO2 delle auto: rendendo i veicoli più efficienti e/o cambiando il tipo di alimentazione delle autovetture.

L’auto elettrica è un’automobile con un motore elettrico che utilizza come fonte di energia primaria l’energia chimica immagazzinata in una o più batterie ricaricabili e resa disponibile da queste al motore sotto forma di energia elettrica; quest’ultimo la trasforma in energia meccanica che consente alla macchina di muoversi.

Rispetto alle automobili dotate di un motore a combustione, quelle elettriche presenta numerosi vantaggi: Nella trasformazione da energia elettrica in meccanica i motori elettrici hanno un rendimento elevatissimo; in alcuni casi riescono a trasformare il 95% di energia elettrica ricevuta in energia meccanica rispetto al solo 20% dei motori a combustione (in particolare diesel).

Sono molto silenziose e, insieme alle batterie, richiedono pochissima manutenzione Non producono direttamente alcuna emissione nociva Le auto elettriche non emettono polveri sottili (nano particelle solide prodotte o dai residui della combustione di idrocarburi o dalla micro-usura dei metalli, causa ogni anno in Italia di 66.630 68

decessi prematuri), o ne emettono in misura enormemente minore rispetto alle auto termiche. Nelle auto elettriche non c’è alcuna combustione e le parti metalliche in movimento (quindi soggette ad usura) sono poche decine contro duemila circa di un’auto termica. A questo proposito valga per tutti l’esempio dei freni.

Nelle auto tradizionali i freni a disco si fanno carico dell’80% del rallentamento attraverso l’attrito fra dischi e pastiglie; il risultato è un veloce consumo di entrambi, che comporta più sostituzioni (le pastiglie in particolare) durante la vita di un’auto. Le auto elettriche frenano principalmente attraverso la frenata rigenerativa che inverte il flusso di energia tra motore e batteria, senza attriti meccanici. Non c’è cambio, non ci sono ingranaggi di trasmissione né sistemi di conversione del moto da oscillatorio (i pistoni) a rotatorio (l’asse delle ruote).

Le batterie possono essere ricaricate con appositi dispositivi che sfruttano i tratti stradali in discesa o quelli in decelerazione.

La guida è semplificata dall’assenza del cambio e della frizione.

Anche il pedale del freno si aziona solo in casi eccezionali dal momento che il solo rilascio dell’acceleratore rallenta con decisione l’autovettura, grazie alla frenata rigenerativa.

Le automobili elettriche non sono però esenti da difetti: La produzione delle batterie ha comunque un elevato impatto ambientale e la loro autonomia non è molto elevata (circa 300 chilometri massimi di percorrenza).

Per questi motivi negli ultimi anni si è fatta sempre più concreta e reale la possibilità di costruire autoveicoli a propulsione ibrida. Si tratta di autoveicoli dotati di un motore termico tradizionale e un motore elettrico

69

In epoca contemporanea, prevalentemente da:

l’energia

elettrica

viene

prodotta

Centrali termoelettriche tramite combustione delle fonti di energia fossili (petrolio, gas, carbone) centrali nucleari (energia nucleare) energie rinnovabili Quindi un’auto elettrica si potrà definire veramente ecologica solo quando utilizzerà energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili

Il motore elettrico Un motore elettrico è costituito generalmente da una parte fissa (statore) e da una mobile (rotore). Una spira rettangolare di filo conduttore rigido, montata su un asse sul quale è libera di ruotare, è immersa in un campo magnetico uniforme perpendicolare all'asse di rotazione, generato per esempio dai poli di un magnete.

Quando la spira è percorsa da corrente elettrica l'azione del magnete produce una coppia di forze che la costringono a ruotare. La spira ruota di 90° prima di fermarsi: quando infatti il piano della spira è perpendicolare al campo magnetico, la forza esercitata sulla spira è nulla e questa si ferma; ma, per effetto dell'inerzia, la spira percorre in realtà un angolo leggermente superiore a 90° e la coppia di forze prodotta dal campo magnetico nella nuova posizione, opposta alla precedente perché si sono invertite le direzioni delle correnti nei due rami verticali della spira, la costringerebbe a tornare indietro. Se a questo punto, mediante uno speciale dispositivo detto collettore, si inverte il senso della corrente nella spira, viene invertita anche l'azione delle forze e la spira continua la

70

rotazione nello stesso senso. La rotazione della spira viene trasmessa a un albero girevole e può far funzionare un apparecchio elettrico.

Auto elettriche – costi e diffusione d’utilizzo La mobilità elettrica apporta quindi indiscutibili vantaggi ambientali, ma vi sono alcuni ostacoli da superare per la conquista del mercato: il prezzo dei veicoli, quello dell’elettricità e la scarsa presenza delle colonnine di ricarica sul territorio, circa 10 mila sul territorio nazionale, con forti discrepanze tra Nord e Sud, numeri ancora bassi per garantire un consolidamento della rete di ricarica.

L’auto elettrica oggi è penalizzata da un costo di investimento iniziale superiore rispetto a un modello a combustione interna con medesime caratteristiche e dimensioni, anche il 100% in più nel caso delle city car e fino al 20-30% in più nel caso dei modelli più grandi.

Il costo di una vettura elettrica oscilla mediamente tra i 25 000 euro per un’automobile “low-cost”, passando per una fascia di prezzo medio che oscilla intorno ai 40 000 euro, sino ai modelli elitari che raggiungono i 90000 euro. Nel costo bisogna poi considerare la possibile sostituzione della batteria od il canone di noleggio che possono incidere sul bilancio economico dell’acquisto.

Alcune case automobilistiche garantiscono comunque la funzionalità della batteria per 8 anni o con 160.000km e quindi simili ad altri componenti dei veicoli convenzionali.

Considerando, invece, i costi operativi legati al rifornimento, la convenienza è in funzione di quanto si paga l’energia elettrica con cui si ricarica il veicolo.

71

Se si paga l’elettricità al prezzo degli utenti domestici, quindi 0,2-0,23 euro al kWh, i costi operativi sono tutti a vantaggio dell’auto elettrica, consentendo un risparmio che va dal 50% al 70%”.

Fare il pieno all’auto elettrica può anche non costare nulla se l’abitazione del proprietario è dotata di impianto fotovoltaico con un sistema di alimentazione “intelligente” e se i tempi della ricarica sono scelti con una certa accortezza, privilegiando i momenti della giornata a maggiore insolazione.

In condizioni di efficienza ottimali, con 1 euro si possono percorrere circa 50 chilometri (più del triplo della distanza che si potrebbe percorrere, a parità di costi, con un motore diesel).

L’auto elettrica, inoltre, vanta costi di assicurazione e di bollo inferiori, per cui, nonostante il più alto prezzo di acquisto, l’investimento iniziale può essere ripagato in due o tre anni per auto di medie dimensioni, fino a sei o sette nel caso delle utilitarie.

Il problema è che fare il pieno di energia elettrica fuori casa può costare molto di più, stando alle tariffe proposte da alcuni operatori che per primi stanno investendo nel settore: in alcuni casi si arriva anche a 0,45 – 0,5 euro/kWh, ossia più del doppio delle tariffe domestiche.

Con questi prezzi, il vantaggio dell’auto elettrica viene annullato e diventa più conveniente l’auto a combustione interna.

Secondo il Global EV Outlook, i paesi nei quali sono più diffusi i veicoli elettrici sono la Norvegia (23%), Olanda (10%) seguiti da Svezia, Danimarca, Francia, Cina e Gran Bretagna.

Il successo in Norvegia si deve a un'incentivazione economica statale all'acquisto dei veicoli elettrici in media pari a circa 20 000 euro e alla pesante tassazione dei veicoli a benzina. Questo ha permesso, assieme alle 72

auto ibride, di raggiungere quasi il 50% delle auto immatricolate nei primi due mesi del 2017.

In Italia la diffusione è in forte crescita ma ancora marginale: la quota di vendite è passata da circa lo 0,1% al 0,4% del totale del mercato tra luglio 2017 e luglio 2018. Secondo un rapporto della Business School del Politecnico di Milano, nel 2020 saranno tra 70 mila e 130 mila.

Secondo i dati di settore pubblicati dalla UE, in Italia si è passati da 117 auto elettriche del 2011, a 12 337 del 2018, cui si aggiungono, nel 2018, 10 820 auto ibride.

Conclusione Le automobili elettriche rappresentano sicuramente una valida prospettiva per il futuro, ma sono necessari ancora ulteriori sviluppi tecnologici e soprattutto una maggiore volontà politica globale per spingere lo sviluppo dei veicoli elettrici. Bisogna inoltre incentivare il più possibile la ricerca scientifica volta alla produzione generale dell’energia elettrica con metodi ecologicamente sostenibili. Solo così gli autoveicoli a trazione elettrica riusciranno a dare un pieno contributo allo sviluppo ecosostenibile dell’umanità.

73

FONTI: HTTPS://WWW.LIFEGATE.IT/PERSONE/NEWS/ENERGIE_RINNOVABILI_ECCO_IL_FUTURO1 HTTPS://WWW.IRENLUCEGAS.IT/RISPARMIO-ENERGETICO/ENERGIE-RINNOVABILI HTTPS://WWW.OVERSHOOTDAY.ORG/NEWSROOM/PRESS-RELEASE-JUNE-2019-ITALIAN/ HTTPS://WWW.FOCUS.IT/AMBIENTE/ECOLOGIA/EARTH-OVERSHOOT-DAY-2019-29LUGLIO HTTPS://WWW.LIFEGATE.IT/PERSONE/NEWS/OVERSHOOT-DAY-2019-29-LUGLIO HTTPS://WWW.COSVIG.IT/GEOTERMIA/PRODUZIONE-ENERGIA-ELETTRICA-2/ HTTPS://WWW.EUROPARL.EUROPA.EU/NEWS/IT/HEADLINES/SOCIETY/20190313STO31

218/EMISSIONI-DI-CO2-DELLE-AUTO-I-NUMERI-E-I-DATI-INFOGRAFICA HTTPS://WWW.TUTTOGREEN.IT/BIOMASSE-COSA-SONO/ HTTPS://INDUSTRIALE.VIESSMANN.IT/BLOG/AUTO-ELETTRICA-CONVIENE-AZIENDE HTTPS://WWW.LASTAMPA.IT/TUTTOGREEN/2019/11/15/NEWS/LA-RETE-ELETTRICA-EPRONTA-PER-6-MILIONI-DI-AUTO-ELETTRICHE-1.37902130 HTTPS://WWW.PROGETTIARDUINO.COM/ELETTRICITAGRAVE-COSEGRAVE-E-COMEFUNZIONA-PRINCIPI-BASE.HTML HTTPS://IT.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/AUTO_ELETTRICA MOTORI.ILGIORNALE.IT

74

75

Leonardo e la Scienza Scienza e arte sono due parole che sono ritenute incompatibili, ma in certi casi non è così, anzi, questi termini possono essere addirittura complementari; un caso di questi avvenne con il pittore, ingegnere e scienziato Leonardo da Vinci. La vera scienza, secondo Leonardo, coinvolge sia la teoria che la pratica; implica sia le dimostrazioni matematiche che l’esperienza. Leonardo rilancia la definizione di scienza di matrice aristotelica e nello stesso tempo prepara la nascita del moderno metodo sperimentale, senza operare frattura, grazie alla fondazione della “scienza della pittura”. La pittura è, infatti, scienza eccellente per la sua proprietà di sintesi dell'istanza teorica e di quella pratica. Tra i tanti traguardi raggiunti da Leonardo, uno dei più importanti è proprio la pittura, perché essa è scienza e rappresenta, con verità e certezza, le opere della natura. Inoltre, riprendendo un concetto aristotelico, Leonardo aggiunge: “È più mirabile quella scienza che rappresenta le opere di natura, che quella che rappresenta le opere degli uomini, com’è la poesia, e simili, che passano per la umana lingua». Per quanto riguarda le tecniche rappresentative, Leonardo utilizzò la tecnica 76

della prospettiva aerea in alcuni suoi capolavori come la Gioconda e la Vergine delle Rocce. L’artista si rifece anche agli studi dello scienziato arabo Alhazen secondo il quale da ogni minuscola particella di un oggetto ipoteticamente osservato, si staccano “scorzettine”, cioè informazioni luminose che viaggiano nell’aria fino a raggiungere la nostra retina (dove le immagini si fissano capovolte). Leonardo studiò anche per primo in Europa la possibilità di proiettare immagini dal vero su un foglio dove potevano essere facilmente ricopiate, con la cosiddetta camera oscura leonardiana. Egli inoltre fu tra i pionieri dell’uso della pittura a olio in Italia, che usava essenzialmente in tecniche miste, soprattutto per i ritocchi.

Leonardo e l’energia La nascita del sogno di volare dell'uomo si perde nella notte dei tempi.

Il primo studioso a formulare una vera e propria teoria è stato però Leonardo Da Vinci, basandosi così come avevano fatto in vani esperimenti alcuni suoi predecessori sull'osservazione degli uccelli.

Sono assai noti i disegni delle macchine progettate da Leonardo, nel corso di studi condotti sulla fisica, l'aria e il comportamento dei venti, partendo dall'idea che il volo sia un fenomeno puramente meccanico, che l'aria sia comprimibile e possa quindi esercitare una resistenza in grado di sostenere un corpo.

Questa teoria trova applicazione quando Leonardo realizza il primo prototipo di paracadute sviluppando in contemporanea, sulla base del medesimo principio, l'idea della vite aerea, anticipatoria del moderno elicottero. Ciò che Leonardo non poteva risolvere era però la forza motrice attraverso la quale far muovere le sue macchine. Dopo diverse ricerche pensò all'ala battente, come quella a forma di pipistrello, arrivando così a comprendere come il fattore determinante fosse 77

rappresentato dall'energia. Da ulteriori osservazioni condotte sul movimento degli uccelli lo scienziato si convinse quindi che la soluzione migliore era rappresentata dal volo veleggiato e dall'ala fissa come quella dell'aliante.

Leonardo per il Vasari Giorgio Vasari coglie uno degli aspetti più significativi della personalità di Leonardo: la versatilità dell'ingegno. Leonardo si cimentò nei più svariati campi del sapere umano, raggiungendo in alcuni livelli altissimi. Uomo del Rinascimento per l'attaccamento alla vita attiva e per la fedeltà al modello umanistico della perfezione dell'uomo, è costretto a confrontarsi con i suoi limiti e a prenderne atto. Nessuna via è vietata pregiudizialmente all'uomo, ma qualcuna si rivela poi impercorribile: proprio il modello umanistico e platonico di perfezione costringe Leonardo a lasciare incompiute molte imprese. Leonardo da Vinci è stato descritto dai suoi primi biografi come un uomo dotato di grande fascino personale, fortemente carismatico, di carattere gentile e generoso, pertanto anche generalmente molto benvoluto dai contemporanei. Sempre secondo il Vasari la sua disposizione d’animo era amabile, un conversatore brillante che affascinò Ludovico il Moro con la sua arguzia.

La forza in lui fu molta e congiunta con la destrezza, l’animo e ‘l valore, sempre regio e magnanimo.

Leonardo da Vinci e i mulini - Energia dall’acqua Tra il Cinquecento e il Seicento, sono stati realizzati numerosi macchinari alimentati dalla corrente dei ruscelli. Uno dei più prolifici inventori di queste macchine fu proprio Leonardo da Vinci. Sin dall'infanzia Leonardo vivendo nel borgo di Vinci alle pendici del 78

Montalbano, nei suoi giri con il nonno Antonio e lo zio Francesco si è imbattuto certamente nei mulini per la macinazione del grano, mulini assai presenti in quel periodo proprio a Vinci. Si pensa che proprio nel periodo dell'infanzia Leonardo sia rimasto affascinato dal movimento dell'acqua che faceva girare le pale e gli ingranaggi a tal punto da copiare su piccoli fogli di carta dati dal nonno, tutti i dettagli delle ruote dentate, delle macine e dei fluidi. Tra i tanti soprannomi attribuiti a Leonardo Da Vinci all’interno dei registri del governo Fiorentino del XV secolo compare “Maestro dell’acqua”. Leonardo deviò la corrente del fiume Arno da Pisa in modo da tagliare l'accesso alla città, all’epoca rivale di Firenze, dal mare. Questo è stato uno dei numerosi lavori svolti dall’artista legati al controllo dell'acqua come mezzo per esercitare il potere. I taccuini storici di Leonardo rivelano la grande attenzione da lui posta su questo elemento; il genio fiorentino ha analizzato il flusso e il riflusso delle maree, le origini dei fiumi e degli oceani e il ciclo dell'acqua. Se l’uomo non poteva avere controllo completo sull'acqua, secondo Leonardo ci si poteva comunque lavorare. Nel corso della sua vita gli sono stati commissionati una serie di progetti legati alla gestione di questa risorsa, in particolare attraverso canali costruiti artificialmente. Inoltre, si occupò anche dei canali di Milano.

Leonardo e gli specchi - Energia solare Leonardo da Vinci, all’incirca nel 1480, s’interessò ai fenomeni dell’ottica. Oltre a dedicarsi allo studio delle proprietà di sfere e paraboloidi, infatti, realizzò macchine per la lavorazione di specchi concavi metallici e nel 1515 diede inizio alla costruzione di un gigantesco specchio per poter sfruttare i raggi del sole in campo industriale. Leonardo studiò con grande passione le macchine per lavorare gli specchi, come egli stesso li definì, “da fuoco”. I dispositivi ottenuti sarebbero serviti di ausilio per la realizzazione delle grandi 79

saldature in cui occorre una potenza elevata. Leonardo da Vinci progettò svariate macchine per la realizzazione di specchi parabolici solari che intendeva utilizzare come fornaci solari per la fusione del bronzo. Egli concepisce i disegni di uno specchio parabolico per un’applicazione tecnico-pratica.

Leonardo da Vinci e l’automobile Tra le sue numerosissime opere d’arte e invenzioni, può essere individuata quella che si può definire la prima automobile della storia.

All’interno del famoso Codice Atlantico, enorme raccolta di schizzi e disegni dell’inventore toscano, è presente, nel foglio f.812r (ex 296va) datato intorno al 1478, il progetto di un veicolo che si muove senza il traino esterno di uomini o animali.

Un'idea incredibile, quasi folle negli anni del Rinascimento, testimoniata da disegni di quella che uno dei suoi maggiori studiosi, Gerolamo Calvi nel 1936 chiamò simpaticamente "La Fiat di Leonardo". Da Vinci però non concepì questa prima "automobile autonoma" con l'intenzione di utilizzarla per i trasporti, bensì solo per intrattenere e far divertire con nuovi trucchi e creazioni la corte fiorentina di Lorenzo il Magnifico.

L'artista disegnò l'automobile attraverso due punti di vista: nella parte superiore del foglio i dispositivi meccanici sul lato sinistro del carro e una terza ruota, con sterzo a timone. Nella parte inferiore, invece, Leonardo visualizza in maggiore dettaglio i meccanismi, senza lo sterzo a timone, sostituito da un complesso dispositivo con tiranteria e asta a cremagliera.

Partendo da questi disegni, Carlo Pedretti e M. Rosheim, oltre all'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze e lo Studioddm di 80

Milano, sono riusciti a realizzare, grazie alle moderne tecnologie di stampa in 3D, un vero e proprio modello reale e funzionante dell’auto di Leonardo.

La vera denominazione dell’invenzione del genio rinascimentale è “carro semovente”, e grazie alle ricerche dell’IMSS si è riuscito a stabilire la definizione degli elementi fondamentali dell’invenzione: il passo della dentatura degli ingranaggi, i diametri delle ruote, i sistemi meccanici e le loro linee di azione, i sistemi di trasmissione e di regolazione del moto. Una ricostruzione del carro semovente si può vedere al Museo Galileo, nome ufficiale dell'IMSS fiorentino, in Piazza dei Giudici.

81