L`UOMO, IL PROGRESSO E L`ENERGIA, RISORSA PER IL

ESAME DI STATO ANNO SCOLASTICO 2010/2013
ENERGIA
● L’UOMO, IL PROGRESSO E L’ENERGIA,
RISORSA PER IL PRESENTE,
CHIAVE PER IL FUTURO
VENTURELLI NICOLO’
ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE “BENEDETTO CASTELLI”
-1-
INDICE
Pagina 5
INTRODUZIONE ALLA TESINA
Pagina 7
SCHEMA DEI CONTENUTI
Pagina 9
ITALIANO
Pagina 13
DIRITTO
Pagina 17
STORIA
Pagina 21
IMPIANTI
Pagina 25
TDP
Pagina 29
ELETTROTECNICA
Pagina 33
BIBLIOGRAFIA
Pagina 35
APPENDICE
-3-
INTRODUZIONE ALLA TESINA E AL PROGETTO DI Tecnologie Disegno e Progettazione1
La scelta degli argomenti da trattare nella mia tesina è nata dalla considerazione delle connotazioni
tecnico-scientifiche caratteristiche del nostro percorso formativo.
Secondo me, per la nostra scuola è importante impegnarsi nel settore delle energie (alternative), o
meglio, nella ricerca e nello studio dei problemi e delle soluzioni ad esse correlati, e lo è ancor di più per
il dipartimento di Elettrotecnica e Automazione.
Per questo ho deciso di incentrare la mia tesina sulle trasformazioni che oggi stanno avvenendo e che
devono ancora accadere affinché l’uomo riesca finalmente a vivere in equilibrio ed armonia con la Terra ed i
suoi simili, risolvendo quei problemi (come l’inquinamento e il consumo di risorse in una crescita sfrenata e
senza risultati) che mettono a repentaglio la sua stessa sopravvivenza.
Per quanto riguarda TDP, il progetto “Magazzino del Sole” è un progetto sviluppato all’interno della
scuola, che rappresenta la risposta del nostro istituto a tutte le problematiche di svariata natura legate
all’uso delle energie rinnovabili e una risposta concreta al "problema dell'energia".
Il progetto prevede a livello teorico l'impiego di un sistema di pannelli solari e di un serbatoio di 5000 m3,
contenente acqua per l'accumulo di calore, utilizzato per fornire riscaldamento alle utenze scolastiche.
Per ora il “Magazzino del Sole”, si concretizza in un piccolo modello denominato “Serbatoio Prototipo”
che nasce in collaborazione con ASM spa (ora a2a spa) di Brescia e consiste nella verifica sperimentale
dell'ipotesi di accumulo stagionale dell’energia attraverso la stratificazione termica dell'acqua.
La scelta dell'utilizzo della stratificazione si deve alla necessità di confrontarsi con un semplice
problema: quando, nei mesi estivi, la radiazione solare è maggiormente disponibile per intensità e
durata il fabbisogno termico è minimo; all’opposto, nel semestre freddo, l’utilizzo termico è elevato e la
risorsa solare è scarsa.
In generale, quindi, non vi è (quasi) mai corrispondenza tra la disponibilità della risorsa e il fabbisogno.
Quest’anno il gruppo di lavoro di TDP del quale faccio parte ha lavorato sul progetto “Serbatoio Prototipo” ,
realizzato grazie al materiale ed alle apparecchiature messe a disposizione da ASM spa e da Fondazione
Cariplo a cui va il nostro ringraziamento.
Il progetto ha avuto inizio nel luglio 2006 ed è oggi ad una buona fase di realizzazione, in quanto siamo
riusciti a completare l’installazione delle apparecchiature che ne permettono il funzionamento ed abbiamo
dato il via alla fase di raccolta dati; non siamo riusciti invece a procedere con l’automazione del sistema,
anche per problemi legati alla fornitura dei materiali.
Durante il corso dell’anno siamo stati inoltre partecipi di un’uscita scolastica che ci ha permesso di vedere un
uguale impianto di immagazzinamento, funzionante, appartenente all’azienda Pressytal, che si ringrazia.
NOTE
1
Tecnologie Disegno e Progettazione, da qui in avanti chiamata TDP
-5-
SCHEMA DEI CONTENUTI:
La visione umana del progresso - ITALIANO - Il futurismo
Una nuova rivoluzione attraverso la decrescita felice - DIRITTO - La decrescita felice
I nuovi regimi energetici nelle rivoluzioni industriali - STORIA - Rivoluzioni industriali
Un nuovo modo di distribuire l'energia - IMPIANTI - Le smart grid
Il problema della conservazione dell’energia - TDP - Progetto “Serbatoio Prototipo”
Trasformare l’energia - ELETTROTECNICA - Motore
otore asincrono mono-bifase
mono
-7-
ITALIANO
LA VISIONE UMANA DEL PROGRESSO
LA NASCITA DELLA FEDE NEL PROGRESSO E LA SUA INCARNAZIONE NELLA LETTERATURA
FUTURISTA
-9-
LA VISIONE DEL PROGRESSO INFINITO
Nelle immagini 8 “tappe” del progresso della specie umana: la scoperta del fuoco (l’inizio dell’evoluzione umana),
l’invenzione della ruota (la prima invenzione che ha rivoluzionato la storia), l’invenzione della stampa a caratteri mobili
(rappresentante la scrittura), la scoperta dell’America (e l’esplorazione del globo terrestre), l’invenzione dell’aeroplano
(rappresentante l’invenzione del motore in genere), lo studio del DNA (lo sviluppo della medicina e della genetica), lo
sbarco sulla luna (con la scoperta dello spazio), la nascita della robotica (rappresentante delle nuove e future tecnologie)
Oggi la società (occidentale) vive con fervore e con abbandono straordinari una speciale religione:
la religione del progresso.
Nel XV secolo, con la rivoluzione scientifica, vi è uno straordinario sviluppo della scienza, che acquisisce
un’importanza mai avuta prima e crea le basi culturali della successiva rivoluzione industriale, di pari
passo con l'avanzamento delle conoscenze scientifiche e lo sfruttamento di queste da parte
della tecnica.
Scienza, prima, e rivoluzione industriale, poi, hanno influenzato profondamente il pensiero di
stampo razionalista-illuminista nel XVIII secolo e quello positivista nel XIX secolo, ed insieme ad essi
hanno creato il culto dell’ idea di storia come continuo ed inarrestabile avanzamento (anche ed
in certi casi sopratutto materiale), che è poi diventata il modello ideale della società.
Da lì l’ideologia del progresso illimitato ha assunto via via i caratteri di una vera e propria
nuova religione, sviluppatasi appieno alle soglie della Rivoluzione Industriale e basata su tre principi:
che il progresso esista, che sia possibile alla società umana perseguirlo in misura sempre maggiore e
più completa e che ciò porterà automaticamente la felicità agli esseri umani.
Bisogna innanzitutto intendere come si definisce il progresso: la società ha accomunato l’idea di
progresso con quella di crescita materiale personale, non considerando che fra essi vi è una profonda
differenza.
La crescita, infatti, prevede un “aumento del prodotto” senza modificazioni strutturali o di tipo
qualitativo, mentre il progresso è sinonimo di sviluppo, e presupponerebbe un'espansione
accompagnata da cambiamenti sostanziali nell'assetto sociale e culturale della società.
Per sostenere che il progresso (da qui in poi inteso come crescita materiale) esiste, bisognerebbe
sapere se la strada che stiamo percorrendo è effettivamente quella corretta, ovvero che sviluppo e
crescita materiale coincidono; ma la verità è che non lo sappiamo, ed anzi ci stiamo accorgendo di
quanto quest’idea possa essere sbagliata.
- 10 -
Se dovessimo considerare il paradigma del progresso inteso come crescita, la produzione di energia
atomica nelle centrali nucleari è da considerarsi senz’altro un progresso per l’umanità; se, viceversa, si
pensa agli effetti degli incidenti alle centrali di Chernobyl e di Fukushima, o alle bombe atomiche
sganciate sulle città di Hiroshima e Nagasaki, allora il giudizio cambia radicalmente e si vede come
questo “progresso” non sia realmente sviluppo.
Il concetto di sviluppo lineare ed irreversibile è stato assunto come un dogma, ma nessuno sa se
sia percorribile indefinitamente o se, arrivati ad un certo punto, ci si troverà davanti a un muro; inoltre,
niente dimostra che vi sia una relazione diretta e inequivocabile fra il progresso e la felicità.
L’uomo ha capito che esisteva la possibilità di conseguire successi senza precedenti se la scienza fosse
stata applicata sistematicamente alla tecnologia; l’avanzamento di questa avrebbe comportato,
necessariamente, una crescita del benessere.
Non si rese però conto che ogni forma di potere, incluso quello generato dalla tecnologia
scientificamente avanzata, è, dal punto di vista etico, del tutto neutro e può essere quindi usato sia a
fini buoni, sia a fini cattivi.
IL PROGRESSO NELLA LETTERATURA
Un esempio perfetto di questa cieca fede nel progresso è dato dal
futurismo, che si colloca sull'onda della rivoluzione tecnologica dei
primi anni del '900 (la “Belle époque”), esaltandone la fiducia
illimitata nel progresso e decretando violentemente la fine delle
vecchie ideologie.
Questo movimento fa parte delle avanguardie del secondo e terzo
decennio del ventesimo secolo che si presentano, proprio come le
avanguardie dell’esercito da cui prendono il nome, come gruppi
organizzati che si spingono avanti (nel contesto letterario ed artistico)
nell’esplorazione di territori fino a quel momento sconosciuti e che
hanno come presupposto il rifiuto delle tradizioni.
Il fondatore del futurismo è il poeta italiano Filippo Tommaso
Marinetti, che lancia il movimento nel 1909 a Parigi, con un
Filippo Tommaso Marinetti (1876-1944)
clamoroso manifesto pubblicato su “Le Figaro”.
In esso è possibile ritrovare le idee guida ed i valori che guidavano i futuristi, secondo i quali la realtà
andava totalmente rifondata, dovendosi imperniare su nuovi valori, quali quelli della velocità, del
dinamismo, dell'industria e perfino della guerra, che essi esaltano.
L’idea guida della nuova società deve essere proprio il progresso, verso il quale, secondo Marinetti,
bisogna “Aver fiducia, anche quando ha torto, perché è il movimento, la vita, la lotta, la speranza”.
I futuristi rifiutano l’idea del passato, che viene considerato come espressione di una civiltà ormai
superata; proclamano che la cultura e l’arte non appartengono al museo, bensì s’incarnano nella vita in
movimento.
L’idea chiave della chiusura con il passato permette di conferire una piena visibilità alle novità del
progresso tecnologico e industriale; il futurismo porta l’artista ad aprire gli occhi sul mondo in divenire,
con la modernità realmente presente in quanto prefigurazione del futuro.
Il Futurismo esige un profondo coinvolgimento dell’arte nella contestualità del farsi della storia.
- 11 -
LO STILE ESPRESSIVO FUTURISTA
La letteratura futurista si propone di
colpire le strutture del linguaggio,
attraverso l’idea base della
“simultaneità”, che prevede che la poesia
e l’arte debbano emulare il dinamismo
della vita moderna, offrendo la
stessa rapidità, molteplicità e
sovrapposizione di emozioni.
Il Futurismo sostituisce
all’impianto logico del pensiero l’analogia, che accosta fra loro realtà diverse e lontane attraverso un
semplice accostamento, che suggerisce (e nello stesso tempo rende concretamente percepibile) un
rapporto di somiglianza fantastica.
La parola perde la funzione, che le era attribuita dalla letteratura tradizionale, di indicare
concretamente l'oggetto al quale si riferisce ed il suo significato diventa allusivo, evocatore, ricercando
la simultaneità.
Il Futurismo elimina la sintassi tradizionale, che riflette l'ordine logico di un pensiero rigorosamente
concatenato.
Vengono anche aboliti gli aggettivi e gli elementi di punteggiatura, che scandiscono i rapporti interni
della frase con lo scopo di suggerire il fluire ininterrotto delle sensazioni.
Proprio questo è ciò che deve diventare il testo, una scarica di impressioni ed emozioni, di
associazioni analogiche; per rafforzare questi effetti Marinetti propone l'uso del verbo all'infinito, che
indica il senso della durata e della continuità.
Notevole rilievo assume anche la forma grafica delle parole, che sottolineano effetti particolari poiché la
parola vale non solo per l'immagine mentale che può produrre, ma anche come segno
concretamente visibile, destinato a sua volta a suggerire impressioni acustiche o tattili; vi è un
accostamento di lettere, parole, segni grafici e immagini.
MANIFESTO DEL FUTURISMO
Le Figaro, 20 febbraio 1909
1) Noi vogliamo cantare l'amor del pericolo, l'abitudine all'energia e
alla temerità.
2) Il coraggio, l'audacia, la ribellione, saranno elementi essenziali
della nostra poesia.
3) […] Noi vogliamo esaltare il movimento aggressivo, l'insonnia
febbrile, il passo di corsa, il salto mortale, lo schiaffo ed il pugno.
La copertina dell’edizione di
“Le Figaro” con, alla spalla sinistra,
4) Noi affermiamo che la magnificenza del mondo si è arricchita di
il manifesto futurista
una bellezza nuova; la bellezza della velocità […]
[…]
7) Non v'è più bellezza se non nella lotta. Nessuna opera che non abbia un carattere aggressivo
può essere un capolavoro. La poesia deve essere concepita come un violento assalto contro le forze
ignote, per ridurle a prostrarsi davanti all'uomo.
[…]
9) Noi vogliamo glorificare la guerra - sola igiene del mondo - il militarismo, il patriottismo, il gesto
distruttore dei libertari, le belle idee per cui si muore e il disprezzo della donna.
10) Noi vogliamo distruggere i musei, le biblioteche, le accademie d'ogni specie, e combattere
contro il moralismo, il femminismo e contro ogni viltà opportunistica e utilitaria.
[…]
È dall'Italia che noi lanciamo per il mondo questo nostro manifesto di violenza travolgente e
incendiaria col quale fondiamo oggi il FUTURISMO perché vogliamo liberare questo paese dalla sua
fetida cancrena di professori, d'archeologi, di ciceroni e d'antiquari. Già per troppo tempo l'Italia è stata
un mercato di rigattieri. Noi vogliamo liberarla dagli innumerevoli musei che la coprono tutta di
cimiteri.
Filippo Tommaso Marinetti
- 12 -
DIRITTO
UNA NUOVA RIVOLUZIONE ATTRAVERSO LA DECRESCITA FELICE
INSOSTENIBILITA’ DELLA “CRESCITA INFINITA” E LA DECRESCITA FELICE
- 13 -
CRESCITA DELLA POPOLAZIONE, CRESCITA DEL CONSUMO DI RISORSE
I Grafici mostrano l’andamento della popolazione umana
(arrivando a stimarla fino al 2100, con un aumento della
popolazione al 2050 di oltre
e 1/3 rispetto a quella attuale),
attuale
l’incremento del consumo di risorse naturali dal 1985 ad
oggi, l’aumento dei livelli
lli di CO2 e di temperatura dal 1980
al 2005.
L’INSOSTENIBILITA’ DELLA “CRESCITA INFINITA”
Come già detto, la convinzione nell’idea di progresso infinito ha portato tutti
t
i regimi moderni a
considerare la crescita economica (confusa con il progresso stesso) come la pietra angolare
indiscutibile dei loro sistemi, ispirandosi al principio e alla prassi dell'efficienza.
dell'efficienza
Nell’economia classica l’efficienza spinge le imprese a minimizzare i costi nella prospettiva di
massimizzazione dei profitti; le imprese più efficienti realizzano maggiori profitti, questi consentono loro
di realizzare maggiori investimenti; questi produrranno nuovamente maggiore efficienza e in questo
modo il processo circolare si chiude innescando un feedback positivo
positivo che porta a ulteriore “progresso”
tecnologico.
Oggi però il mondo sta affrontando due crisi globali provocate dall’uomo: quella finanziaria ed il
cambiamento climatico.
Entrambe devono essere affrontate per evitare gravi conseguenze, ed entrambe richiedono
richiedono una soluzione
simultanea, poiché se la crescita delle immissioni di gas serra non sarà bloccata gli effetti del cambiamento
climatico supereranno di gran lunga quelli della crisi economica.
Ci stiamo rendendo conto che il concetto di crescita infinita
infinita non è applicabile all’intero pianeta,
pianeta poiché
quest’ultimo è finito in termini di risorse;
risorse oggi
ggi la crescita è un affare redditizio solo a patto di farne sopportare
il peso e il prezzo alla natura, alle generazioni future, alla salute dei consumatori, alle condizioni di lavoro
degli operai.
- 14 -
La critica bioeconomica (un ramo dell’economia creato dall’economista rumeno Nicholas Georgescu-Roegen,
ideatore anche del termine decrescita) ci dimostra che non è possibile prescindere dalle risorse naturali e
occorre dunque rivedere il nostro modo di concepire la produzione di valore economico.
Un possibile percorso attraverso cui intraprendere questa trasformazione è costituito dal trasferimento
della domanda verso la produzione di “beni relazionali” cioè favorire lo spostamento della domanda
dalla produzione di beni tradizionali ad alto impatto ambientale, a quei beni per i quali l'economia
solidale o civile possiede uno specifico vantaggio comparato, cioè i beni relazionali.
Nelle società avanzate vi è una specifica domanda di qualità della vita, che non si soddisfa grazie alla
produzione di maggiori quantità di beni “tradizionali”, ma è piuttosto una domanda di attenzione, di cura, di
conoscenza, di partecipazione, di nuovi spazi di libertà, di spiritualità.
La “produzione” di questo tipo di “beni”, che comporta la degradazione di quantità molto modeste di
materia/energia, può in prospettiva sostenere una quota significativa della produzione futura in termini
di valore umano ed economico.
Questo significa una trasformazione profonda dell'immaginario economico e produttivo, che
non significa una politica “ecologica” incentrata unicamente su una drastica riduzione dei consumi, che
creerebbe una drammatica riduzione della domanda globale e dunque un aumento significativo della
disoccupazione e del disagio sociale e sarebbe con ogni probabilità destinata al fallimento.
LA DECRESCITA
In questo contesto la decrescita nasce in ambito
economico, ma è una rivoluzione culturale, che non
accetta la riduzione della qualità alla quantità, ma fa
prevalere le valutazioni qualitative sulle misurazioni
quantitative.
La decrescita è il rifiuto razionale dì ciò che non
serve, cioè la riduzione del consumo delle merci che
non soddisfano nessun bisogno (per esempio: gli
sprechi di energia in edifici mal coibentati), ma non il
consumo dei beni che si possono avere soltanto
sotto forma di merci perché richiedono una
tecnologia complessa (per esempio: la risonanza
magnetica, il computer, ma anche un paio di scarpe),
i quali però dovrebbero essere acquistati il più
localmente possibile.
Si propone di ridurre il consumo delle merci che si
possono sostituire con beni autoprodotti ogni qual
volta ciò comporti un miglioramento qualitativo e
una riduzione dell'inquinamento, del consumo di
risorse, dei rifiuti e dei costi (per esempio: il pane fatto in casa).
Il suo obiettivo non è il meno, ma il meno quando è meglio.
A rigore, sul piano teorico si dovrebbe parlare di a-crescita, come si parla di a-teismo, più che di de-crescita. In
effetti si tratta proprio di abbandonare una fede o una religione, quella dell'economia, del progresso e dello
sviluppo, di rigettare il culto della crescita fine a se stessa.
La grande trasformazione necessaria per la costruzione di una società autonoma di decrescita può essere
rappresentata come l'articolazione di otto cambiamenti interdipendenti che si rafforzano reciprocamente.
Si può sintetizzare l'insieme di questi cambiamenti in un circolo virtuoso di otto «R»; rivalutare,
riconcettualizzare, ristrutturare, ridistribuire, rilocalizzare, ridurre, riutilizzare, riciclare.
Questi otto obiettivi interdipendenti possono innescare un processo di decrescita serena, conviviale e
sostenibile.
- 15 -
Rivalutare
Noi viviamo in una società basata su vecchi valori (efficienza, lavoro, progresso ecc..), occorre rivedere dunque
i valori da rivendicare, quelli che dovrebbero avere la meglio sui valori (o piuttosto sulla mancanza di valori)
oggi dominanti.
Riconcettualizzare
II cambiamento dei valori da luogo a una visione diversa del mondo e dunque a un altro modo di vedere la
realtà, è perciò essenziale riconcettualizzare, o ridefinire/ridimensionare, i concetti.
Ristrutturare
Ristrutturare significa adeguare l'apparato produttivo e i rapporti sociali al cambiamento dei valori.
Ridistribuire
La ristrutturazione dei rapporti sociali è già ipso facto una ridistribuzione.
Questa riguarda la ripartizione delle ricchezze e dell'accesso al patrimonio naturale tanto tra il Nord e il Sud
quanto all'interno di ciascuna società, tra le classi, le generazioni, gli individui.
Rilocalizzare
Rilocalizzare significa evidentemente produrre in massima parte a livello locale i prodotti necessari a soddisfare
i bisogni della popolazione, in imprese locali finanziate dal risparmio collettivo raccolto localmente. Tutte le
produzioni realizzabili su scala locale per bisogni locali dovrebbero dunque essere realizzate localmente.
Ridurre
Ridurre significa in primo luogo diminuire l'impatto sulla biosfera dei nostri modi di produrre e di
consumare, si tratta dunque innanzitutto di limitare il sovraconsumo e l'incredibile spreco generato
dalle nostre abitudini.
Ridurre vuoi dire anche rallentare, e dunque resistere all'impeto della velocità oggi dominante.
Riutilizzare/riciclare
Nessuna persona di buon senso contesta la necessità di ridurre lo spreco sfrenato, di combattere
l'obsolescenza programmata delle attrezzature e di riciclare i rifiuti non direttamente riutilizzabili.
Le azioni descritte sono contemporaneamente atti rivoluzionari e ritorni all'indietro, innovazioni e ripetizioni.
Delle otto «R» tre hanno un ruolo strategico: la rivalutazione, in quanto presiede a qualsiasi
cambiamento; la riduzione, in quanto sintetizza tutti gli imperativi pratici della decrescita; e la
rilocalizzazione, in quanto riguarda la vita quotidiana e il lavoro di milioni di persone.
Si tratta sicuramente di consumare meno le risorse naturali limitate del pianeta, ma per produrre un di più
extraeconomico.
Bisogna arrivare al razionamento? Alcuni considerano seriamente questa ipotesi per quanto riguarda l'energia
e le emissioni di gas a effetto serra, ma poiché è ragionevole prevedere una crescita dell'efficienza ecologica
(aumento della biocapacità, del rendimento delle terre coltivate, della pesca, della produzione forestale ecc.)
grazie a migliori tecnologie e a una migliore gestione, la riduzione necessaria risulterà proporzionalmente
minore.2
2
Secondo il WWF, dell'ordine del 30% di qui al 2100.
- 16 -
STORIA
IL RUOLO DEI NUOVI REGIMI ENERGETICI NELLE RIVOLUZIONI
INDUSTRIALI
LA TERZA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE ED I NUOVI REGIMI DI COMUNICAZIONE NELLE PRIME
DUE RIVOLUZIONI INDUSTRIALI
- 17 -
ENERGIA E COMUNICAZIONE
Il primo atto che bisogna comprendere è che le grandi trasformazioni economiche della storia
avvengono quando una nuova tecnologia di comunicazione converge con un nuovo sistema
energetico: i nuovi regimi di comunicazione diventano il mezzo per organizzare e gestire un flusso di
attività reso possibile da un nuovo sistema energetico, creando una civiltà più complessa che può dare
il via ad una nuova era economica, la cui infrastruttura è una relazione integrata fra le tecnologie di
comunicazione e fonti di energia.
LA TERZA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
“Il petrolio e gli altri combustibili fossili, le fonti energetiche su cui si basa l'odierno
stile di vita nei paesi dell'Occidente, sono in via di esaurimento, e le tecnologie da essi
alimentate stanno diventando obsolete.
[…]
La nostra civiltà, quindi, deve scegliere se continuare sulla strada che l'ha portata a
un passo dal baratro, o provare a imboccarne coraggiosamente un'altra. E non ha molto
tempo per farlo. Dopo trent'anni di studi e di attività sul campo, Jeremy Rifkin decreta la fine
dell'era del carbonio e individua nella Terza rivoluzione industriale la via verso un futuro più
equo e sostenibile, dove centinaia di milioni di persone in tutto il mondo produrranno energia
verde a casa, negli uffici e nelle fabbriche, e la condivideranno con gli altri, proprio come
adesso condividono informazioni tramite Internet.” 3
Talvolta ci si riferisce agli effetti dell'introduzione massiccia dell'elettronica e dell'informatica
nell'industria come alla Terza rivoluzione industriale, ma il settore IT e Internet non hanno, in sé e
per sé, costituito una nuova rivoluzione industriale; oggi invece ciò sta accadendo, attraverso il
convergere dell'informazione distribuita e delle tecnologie di comunicazione con le energie rinnovabili, e
la creazione dell'infrastruttura di una vera rivoluzione industriale.
Come affermato da Jeremy Rifkin4 l’era industriale nella quale stiamo vivendo, fondata sui
combustibili fossili, è giunta alla fine.
E’ necessario, perciò, prendere coscienza di una nuova radicale trasformazione dell’economia e della
società, che come già detto sta già avvenendo e che è destinata a cambiare le nostre vite, facendoci
entrare in quella che è la Terza rivoluzione industriale.
Essa è organizzata intorno a energie rinnovabili distribuite, che si trovano ovunque e sono gratuite, che
saranno sfruttate in milioni di siti locali, per essere poi accorpate e condivise con gli altri attraverso una
rete intelligente, con l'obiettivo di ottenere livelli ottimali di energia e mantenere un'economia
sostenibile ma ad alte prestazioni.
3
Jeremy Rifkin, “La Terza rivoluzione industriale”, Mondadori, Milano, 2012
Jeremy Rifkin è un saggista, economista ed attivista statunitense.
È autore di numerosi volumi che trattano dell'impatto che i cambiamenti scientifici e tecnologici hanno
su economia, lavoro, società e ambiente, ed è inoltre consulente dell’Unione Europea sulle questioni energetiche.
4
- 18 -
I pilastri su cui deve fondarsi la Terza Rivoluzione Industriale sono:
1)
2)
il passaggio alle fonti di energia rinnovabile;
la trasformazione del patrimonio immobiliare esistente in tutti i continenti in impianti di
microgenerazione per raccogliere in loco le energie rinnovabili;
3) l'applicazione dell'idrogeno e di altre tecnologie di immagazzinamento dell'energia in ogni edificio e
in tutta l'infrastruttura, per conservare l'energia intermittente;
4) l'utilizzo delle tecnologie Internet per trasformare la rete elettrica di ogni continente in una
inter-rete per la condivisione dell'energia che funzioni proprio come Internet;
5) la transizione della flotta dei veicoli da trasporto in veicoli plug-in e con cella a combustibile che
possano acquistare e vendere energia attraverso la rete elettrica interattiva;
La Terza rivoluzione industriale avrà un impatto sul ventunesimo secolo quanto la Prima lo ha avuto sul
diciannovesimo e la Seconda sul ventesimo e, come nel caso delle due precedenti esperienze,
cambierà in maniera sostanziale ogni aspetto del modo in cui viviamo e lavoriamo.
UNA NUOVA FONTE DI ENERGIA E UN NUOVO REGIME ENERGETICO NELLA PRIMA
RIVOLUZIONE INDUSTRIALE: IL VAPORE E LA STAMPA
La Prima rivoluzione industriale si sviluppò in un arco
cronologico solitamente compreso tra il 1760-1780 e il 1830,
quando lo sviluppo industriale richiese quantità sempre maggiori di
energia.
L'energia termica, fino a quel momento sfruttata per riscaldare o
illuminare, iniziò a venir trasformata direttamente in energia
meccanica tramite la macchina a vapore di James Watt (17361819) che ottenne un rendimento ben quattro volte superiore a
quello delle precedenti vaporiere e si diffuse, nell'arco del XIX
secolo, rapidamente nelle attività produttive e nei trasporti,
sostituendo le tradizionali fonti di energia, in quanto in grado di
produrre energia di una intensità e di una concentrazione senza
precedenti.
Allo stesso tempo, contemporaneamente allo sviluppo industriale, vi
fu un intenso sviluppo delle comunicazioni, con la nascita della
ferrovia (1800 circa) e l’applicazione delle tecnologie del
vapore alla stampa (1814).
Lo sviluppo ferroviario permise alle merci e alle persone di spostarsi
su grandi distanze in tempi brevi favorendo lo sviluppo industriale in
primo luogo aumentando la capacità di scambio dei prodotti e in
secondo luogo aumentando la richiesta di acciaio e la ghisa
(necessari per la costruzione) richiesti dalle industrie siderurgiche, le
quali incrementavano la produzione.
L’uso delle tecnologie del vapore e in seguito le rotative e le
linotype,
inoltre, aumentò esponenzialmente la capacità di stampa e
compresso i relativi costi, così che questa diventò il principale
strumento di gestione
della prima rivoluzione industriale.
I materiali stampati, sotto forma di quotidiani, riviste e libri, proliferarono in Europa e in America,
incoraggiando per la prima volta nella storia l’alfabetizzazione di massa e l’avvento dell’insegnamento
pubblico e obbligatorio (fra gli anni trenta e novanta del ‘800) creò la forza lavoro
alfabetizzata necessaria per organizzare le complesse attività di fabbrica dell’economia a carbone e
vapore.
- 19 -
LA SECONDA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE, LO SVILUPPO PARALLELO DEL PETROLIO E
DELL’ELETTRICITA’
A partire dal 1870-1880 l’invenzione dell’energia
elettrica e dell’uso dei combustibili fossili (petrolio
e gas) rivoluzionarono ulteriormente il sistema
energetico mondiale, dando il via alla Seconda
rivoluzione industriale.
L’energia che si poteva ricavare da queste risorse era
molto più alta di quella ricavabile dal carbone e
veniva prodotta da motori a combustione, nuove
macchine più piccole e maneggevoli, dai quali
l’industria trasse enorme profitto.
Nacquero le prime centrali termiche, capaci di fornire energia
elettrica a interi quartieri urbani (vi fu una trasformazione
dell’illuminazione delle maggiori città europee ed americane) e alle
fabbriche, che poterono sviluppare il sistema di produzione in
serie, aumentando a dismisura la produzione di beni, il più
importante dei quali era l’automobile.
Lo sviluppo dell’automobile portò ad un ulteriore richiesta di
petrolio, che divenne la prima fonte di energia negli Stati Uniti nel
1951 scalzando il carbone.5
Inoltre l’automobile portò ad un conseguente sviluppo stradale,
con la posa di strade in cemento ad ogni angolo del paesaggio, il
raggiungimento di nuovi mercati per la vendita dei prodotti
industriali e agricoli ed a un nuovo aumento della capacità di
comunicazione.
Oltre all’invenzione dell’automobile e allo sviluppo della rete
stradale, capace di collegare paesi e città e di permettere scambi commerciali sempre più consistenti,
altre due invenzioni contribuirono a far diventare il mondo sempre più piccolo: il telegrafo (1851) e il
telefono (1876), con cui si poteva comunicare da una parte all'altra del globo, dapprima con impulsi
elettrici, poi con la voce.
Negli anni dello sviluppo dell’elettricità furono posati migliaia di chilometri di linee telefoniche e dopo
arrivarono anche la radio e la televisione, che ridefinirono la vita sociale e crearono una griglia di
comunicazione per la gestione e la commercializzazione delle attività dell’industria petrolifera ed
automobilistica.
Di nuovo, come nella Prima rivoluzione industriale, lo sviluppo dei trasporti e delle comunicazioni fu
molto importante per l'industria, perché permetteva di comunicare e commerciare i prodotti in breve
tempo e a grandi distanze e analogamente di ricevere le materie prime rapidamente.
Nel Novecento l’elettricità ed il petrolio hanno intrecciato il loro destino, diventando alternativamente
ed anche contemporaneamente fonti di energia e mezzi di comunicazione, permettendo uno sviluppo
senza precedenti e rendendosi inoltre il meccanismo di comando e controllo per gestire una Seconda
rivoluzione industriale basata sul loro stesso utilizzo.
5
US Energy Information Administration
- 20 -
IMPIANTI
UN NUOVO MODO DI DISTRIBUIRE L’ENERGIA
IMPIANTI DI PRODUZIONE DECENTRATI E SVILUPPO DELLE SMART GRIDS
- 21 -
SMART GRID
Schema grafico di come è sviluppata una smart grid: l’elettricità è generata da microimpianti installati negli edifici (1),
affiancati da impianti di generazione più grandi (2).
le utenze sono dotate di apparecchi per il controllo della domanda, la protezione delle utenze e per il risparmio
energetico (3), inoltre dei sensori monitorano la situazione della rete e sono in grado di intervenire tempestivamente in
caso di guasto (4).
Dei processori comandano il tutto (5) e vi sono batterie in grado di immagazzinare l’energia non consumata (6).
LA NECESSITA’ DI UNA SMART GRID
Come abbiamo visto, nel futuro è prevedibile una generazione di energia elettrica attraverso
microimpianti installati in ogni tipo di edificio e da fonti rinnovabili e distribuite, che hanno però la
caratteristica di non essere costanti nel tempo.
E’ quindi necessaria la creazione di una rete intelligente in grado di accogliere flussi di energia
bidirezionali, di fare interagire produttori e consumatori e adattare con flessibilità la produzione
di energia elettrica per supportare picchi e/o cali di produzione,garantendo il costante
dispacciamento assieme alle centrali elettriche di produzione.
Questa rete, detta smart grid, è una evoluzione delle reti di energia attuali, che si trasformerebbero in
una rete “infoenergetica” in grado di permettere a milioni di individui che producono l'energia da loro
consumata di condividere, da pari a pari, l'eventuale surplus.
Gli eventi a cui dovrebbe rispondere una smart grid si potrebbero verificare in ogni punto della catena
di produzione, di trasmissione, di distribuzione e di consumo dell'energia elettrica.
Ad esempio dei casi possono generalmente verificarsi nell'ambiente, come la nuvolosità che blocca
la radiazione solare e riduce la quantità di energia solare o una giornata molto calda che richiede un
uso maggiore di aria condizionata.
Potrebbero verificarsi commercialmente nel mercato della fornitura di energia elettrica, per esempio i
consumatori potrebbero cambiare il loro uso di energia.
Dei casi potrebbero inoltre verificarsi localmente sulla rete di distribuzione, per esempio un
trasformatore AT/MT o MT/BT potrebbe guastarsi, richiedendo un temporaneo arresto di una linea di
distribuzione.
Infine questi casi potrebbero verificarsi in casa, per esempio tutti i dispositivi elettrici potrebbero
smettere di lavorare, con il conseguente stop nell’invio delle informazioni al distributore.
Ogni caso motiva un cambiamento nel flusso di energia, al quale la smart grid risponde in
tempo reale.
- 22 -
IL NUOVO RUOLO DEL DISTRIBUTORE
Per il distributore non sarà più sufficiente avere un controllo sulla produzione nazionale, ma sarà
necessario monitorare, gestire e integrare anche a livello locale la distribuzione di energia
prodotta in bassa e in media tensione, con particolare attenzione a quella proveniente da fonti
rinnovabili data la sua caratteristica di variabilità.
Le società diventeranno i gestori di una rete infoenergetica e si allontaneranno sempre più dalla
funzione di vendita di energia prodotta in proprio, per diventare fornitrici di servizi, utilizzando le
proprie competenze per gestire l'energia degli altri.
In futuro le società di distribuzione elettrica, in questa nuova ottica, cogestiranno l'uso dell'energia
da parte delle imprese nell'intera catena del valore, così come oggi le società del settore IT, come
l'iBM, assistono le imprese nella gestione delle informazioni.
LA SMART GRID NELLE NOSTRE CASE
Poiché il prezzo dell'elettricità varia all'interno della rete
durante le ventiquattro ore, informazioni in tempo reale
segnalate dal display di un contatore intelligente
installato in ogni edificio consentiranno una “determinazione
dinamica del prezzo”, permettendo al singolo consumatore di
aumentare o diminuire il proprio uso di energia
automaticamente, in funzione del prezzo.
Quindi per la creazione di tale smart grid è necessaria
l'installazione di contatori intelligenti, sensori della rete di trasmissione e tecnologie di accumulazione e
conservazione che garantiscano una distribuzione dell'elettricità ad alta tecnologia.
Perseguire questo risultato è complesso ma si sta raggiungendo per gradi.
Ad esempio, al momento è possibile distinguere le ore di maggiore richiesta dalle ore di minore
consumo facendo pagare un costo superiore a chi utilizza l'energia nelle ore di punta attraverso il
meccanismo delle fasce orarie e dando contemporaneamente un incentivo maggiore a chi produce nelle
medesime ore.
Inoltre l’Enel sta procedendo con l’installazione nelle abitazioni di contatori intelligenti e portando
avanti un progetto, quello del Telegestore, per la gestione remota dei nuovi contatori.
Attraverso l’infrastruttura di tele gestione (un insieme di apparati elettronici interconnessi, di cui il
contatore intelligente è parte integrante) l’Enel può, in ogni istante e in modo automatico, eseguire a
distanza numerose rilevazioni come la lettura dei consumi di ogni cliente, raccogliere i dati
relativi alla qualità della fornitura di energia elettrica e monitorare in tempo reale la continuità del
servizio, intervenendo tempestivamente su eventuali guasti o malfunzionamenti della rete e
gestendo l’erogazione di energia. 6
L’EUROPA E LE FONTE RINNOVABILI
Le condizioni necessarie per sviluppare una smart grid (e più in generale i cinque pilastri della Terza
rivoluzione industriale) a livello continentale sono ben chiare all'Unione Europea, che ha sviluppato un
apposito piano.
Gli obiettivi Europei “20-20-20”, prevedono entro il 2020 la riduzione del 20% delle emissioni
di gas serra rispetto ai livelli del 1990, l’aumento dell’efficienza energetica del 20%, e il 20% di
produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.
6
Enel Distribuzione, www.enel.it
- 23 -
Entro il 2020, l'Unione europea si auspica di trarre il 30% dell'elettricità di cui necessita da
fonti di energia verdi, questo significa che la rete elettrica deve essere digitalizzata e resa
intelligente per gestire energia intermittente proveniente da fonti rinnovabili e ceduta alla rete da
decine di migliaia di minuscoli produttori locali.
Naturalmente sarà anche essenziale sviluppare e applicare rapidamente tecnologie di
immagazzinamento7 dell'energia in tutta l'infrastruttura dell'Unione europea per evitare che
l'elettricità prodotta in eccesso rispetto al fabbisogno vada perduta ed è importante incentivare i
settori immobiliare ed edile per stimolare la conversione di circa 190 milioni di edifici in tutti i paesi
dell'Unione europea, al fine di trasformarli in microcentrali di generazione che riescano a sfruttare le
fonti rinnovabili di energia in loco, cedendo il surplus alla rete intelligente.
LA SITUAZIONE ITALIANA
Il grafico mostra l’aumento negli anni della quota di energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili in Italia, in relazione
alla scala di quote “traguardo” ipotizzata per raggiungere gli obiettivi europei “20-20-20”, per quanto riguarda la
produzione di energia elettrica appunto.
(fonte “SIMERI”) 8
Gli obiettivi europei “20-20-20” sono stati declinati in obiettivi nazionali, che per l’Italia si traducono
nel raggiungere un livello di produzione di energia da fonti rinnovabili del 17% entro il
20209, nel 2011 secondo l’Eurostat l’Italia aveva raggiunto la quota dell’11,5% di consumo di energia
elettrica da fonti rinnovabili.
Secondo uno studio di Arturo Lorenzoni del dipartimento di ingegneria elettrica dell'università di
Padova, nel nostro paese nel 2013 sarà raggiunta la “gridparity” (“parità della rete” significa che il
costo di generazione di elettricità da fonti alternative è minore o uguale al costo di generazione da
combustibili fossili tradizionali o nucleari), ed anzi questa favorevole situazione già si presenta per gli
impianti del sud Italia e per gli esercizi (come quelli industriali-commerciali) che presentano un
rilevante autoconsumo dell’energia prodotta.10
Inoltre il GSE (Gestore Servizi Energetici) dopo il conto energia, che finanziava l’installazione di
impianti fotovoltaici, ha introdotto a fine 2012 il conto termico, che prevede l’incentivazione di
interventi per l’incremento dell’efficienza energetica e per la produzione di energia termica da fonti
rinnovabili.
Se consideriamo la possibilità di immagazzinare l’energia (elettrica e/o termica) prodotta dagli impianti
rinnovabili, che abbiamo visto diventano sempre più convenienti, è facile capire come un futuro in cui
l’energia non sia più prodotta da fonti fossili, ma da microimpianti di proprietà dei consumatori non sia
una visione utopica, ma un traguardo non lontano dal raggiungimento.
7
Vedi sezione TDP
SIMERI, Sistema Italiano per il Monitoraggio Statistico delle Energie Rinnovabili, www.gse.it
9
Enel Distribuzione, www.enel.it
10
qualEnergia.it
8
- 24 -
TDP
IL PROBLEMA DELLA CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
L’IMMAGAZZINAMENTO DELL’ ENERGIA, IL PROGETTO “MAGAZZINO DEL SOLE”
- 25 -
LA NECESSITA’ DI IMMAGAZZINARE L’ENERGIA
Le imprese che producono e distribuiscono energia si stanno già preoccupando del fatto che, quando il
15 o il 20% dell'elettricità di rete proverrà da energie da fonti rinnovabili, la rete stessa sarà alla
mercé delle condizioni meteorologiche e ci troveremo a dover gestire cali di tensione e blackout
periodici in tutto il continente.
Si capisce perciò che quello dell’accumulo dell’energia è un problema essenziale da risolvere,
poiché è fondamentale se si vuole sviluppare una produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, ed
intermittenti, considerevole.
Esistono numerose e promettenti tecnologie di accumulazione dell’energia elettrica, quali le batterie di
flusso, i volani, i condensatori, il pompaggio dell'acqua e l'idrogeno; di seguito tratterrò dell’accumulo
di energia termica.
USUFRUIRE AL MEGLIO DEL CALORE ATTRAVERSO LA STRATIFICAZIONE
Oltre alle metodologie di conservazione dell’energia elettrica esistono sistemi grazie ai quali è possibile
(e conveniente) immagazzinare energia termica, cioè calore che può essere utilizzato per soddisfare
il fabbisogno termico di un utenza con conseguente risparmio di energia ed emissioni.
L'accumulatore termico è un componente d’impianto che ha il compito di immagazzinare l’energia
termica prodotta da un qualsiasi generatore ed è in grado di restituirla all’utenza in qualunque
momento venga richiesta; la modalità più semplice per accumulare energia termica può attuarsi
attraverso il riscaldamento (o raffreddamento) di un corpo solido o di un liquido.
Gli accumulatori di calore si suddividono in categorie secondo la temperatura di funzionamento; in
genere tutti presentano l’inconveniente di non riuscire a trattenere il calore per oltre 24 ore
circa.
Questa caratteristica, se il sistema di accumulo è fondato sull’utilizzo di energie quali il sole per
scaldare l’acqua e se l’ impianto di accumulo deve alimentare una grossa utenza (come la scuola ad
esempio), può diventare una importante carenza poiché, come già detto nell’introduzione, vi è difficile
corrispondenza tra la disponibilità della risorsa (nei mesi caldi) e il fabbisogno della stessa (nei mesi
freddi).
Per rispondere a tale problema si è considerata l’ipotesi della stratificazione.
Come tutti sappiamo in un bacino (come può essere genericamente inteso il nostro serbatoio) esteso in
altezza l’acqua più calda, se immessa con opportuna modalità, tende a galleggiare su quella più fredda,
stratificandosi in base alla temperatura.
I vari strati, a temperature differenti, spontaneamente non si mescolano e se vi è un opportuno
isolamento termico dall’ambiente esterno essi si mantengono separati anche per lunghi periodi.
Questo è il principio sul quale si basa l’intero nostro sistema, che, sia in fase di accumulo che di
utilizzo, opera prelevando e immettendo acqua a diverse altezze, in corrispondenza delle diverse
temperature dei singoli strati; in tal modo il sistema nella sua totalità presenta la massima efficienza,
venendo gestito applicando il salto termico ottimale sotto il profilo termodinamico.
Attraverso il metodo della stratificazione, infatti, otteniamo il miglior compromesso fra un sistema che
scaldando acqua a temperature mediocri immagazzini la maggior quota di energia possibile ed un
sistema che produca acqua alla maggior temperatura possibile, ma che assorba quantità esigue di
energia.
Di seguito esporrò il funzionamento del processo di stratificazione dell’acqua che opera il nostro
sistema, mentre una descrizione completa dei componenti di tale impianto è presente nella appendice
finale.
- 26 -
LA STRATIFICAZIONE, IL FUNZIONAMENTO
Durante il funzionamento la parte di impianto preposta alla stratificazione opera nel seguente modo: il
computer che controlla il sistema determina a quale temperatura esso può ottimamente funzionare
funzionar e,
in base ad essa, riscalda l’acqua attraverso dei pannelli solari termici.
Dal serbatoio l’acqua, stratificatasi in base alla temperatura, viene prelevata ad immessa attraverso
2 diverse prese sulle 6 disponibili.
L’acqua entra in uno scambiatore di calore e qui si riscalda, grazie alla parallela circolazione di acqua
a temperature elevate proveniente dai pannelli solari termici.
Fra la temperatura dell’acqua circolante nei pannelli e quella circolante nello scambiatore proveniente
pro
dal serbatoio vi è un salto termico di 5-10
5 10 gradi; l’acqua se fatta scorrere in modo continuativo nello
scambiatore si scalda di circa 10 gradi, ma può esserci una maggiore riscaldamento essa circola ad
intervalli inframmentati
frammentati da pause, durante le quali la temperatura dell’acqua circolante nei pannelli sale
notevolmente.
Per comodità di esposizione dividerò il funzionamento in alcuni step,, che cercherò di illustrare
attraverso un esempio.
- STEP A
Un qualsiasi giornata il computer, iniziando il ciclo di lavoro, determina, attraverso un apposito
strumento11, il punto di funzionamento del sistema,, cioè la temperatura a cui si scalda l’acqua
circolante nei pannelli,, ad esempio 76 gradi.
Una volta trovato il punto di funzionamento, considerando lo scarto fra la temperatura dell’acqua nel
circuito pannelli e quella nel circuito serbatoio (che abbiamo già detto vale circa 5 gradi) calcola a che
temperatura teoricamente il sistema può riscaldare
riscaldare l’acqua contenuta nel serbatoio:
serbatoio
76 - 5 = 71 gradi.
- STEP B
A quel punto imposta:
- come valvola di immissione quella alla cui altezza si registra la temperatura più vicina a 70 gradi
ma minore o uguale ad essa, che nel caso dell’esempio è la seconda
seconda dall’alto, a cui si registra una
temperatura di 70 gradi;
- come valvola di prelievo quella immediatamente sotto alla prima, a cui si registra una
temperatura diversa (se
se lo strato fosse esteso in altezza, potrebbero esserci più prese alla cui altezza
l’acqua ha la stessa temperatura);; nel
n nostro esempio “strato” possiede una temperatura di 55 gradi.
- STEP C
Adesso il sistema presenta (dal lato serbatoio) una temperatura di
55 gradi all’entrata dello scambiatore, e lo strato relativo alla presa
di immissione a 70 gradi.
Se facessimo scorrere in modo continuativo l’acqua nello
nel
scambiatore, nonostante la temperatura
peratura di uscita teorica sia di 71
gradi, esso la scalderebbe fisicamente di circa 10 gradi,
gradi quindi ad
una temperatura di 65 gradi (55+10); è perciò
erciò non conveniente
immettere l’acqua cosi scaldatasi nello strato a 70.
il computer per questo motivo, rilevando che la temperatura non
è abbastanza elevata attraverso una sonda di temperatura posta
pos
all’uscita dello scambiatore, spegne la pompa del circuito
circ
serbatoio,
lasciando invece accesa quella del circuito pannelli;
pannelli l’acqua in tale
circuito, circolando senza scambiare calore, aumenterà di
temperatura.
11
Pannello pilota, vedi Appendice
- 27 -
- STEP D
Il computer a questo punto deve determinare quando è
conveniente riavviare la pompa perché l’acqua del circuito
serbatoio possa essere immessa nello strato a 70 gradi; la sonda
posta all’uscita dello scambiatore diventa inaffidabile se la pompa è
spenta, perciò utilizza la sonda posta all’uscita dei pannelli solari
termici.
Il computer ha già acquisito che il salto termico fra presa di
prelievo e presa di immissione si attesta pari a 15 gradi, calcola
perciò la differenza fra reale ed ideale salto termico
(15-10=5
10=5 gradi) e lascia scorrere l’acqua nel circuito pannelli fino
a che la temperatura di quest’ultima non si è innalzata della
differenza appena misurata (inizialmente l’acqua raggiungeva una
temperatura di 76 gradi, il computer la lascia scorrere fino a far
aumentare la sua temperatura a 76+5=81
1 gradi).
A quel punto il computer riavvierà la pompa del circuito serbatoio ed il sistema avrà le seguenti
condizioni di funzionamento:
- acqua nel circuito pannelli è alla temperatura
tempera
di 81 gradi all’entrata dello scambiatore;
- acqua nel circuito serbatoio
toio è alla temperatura di 55 gradi all’entrata dello scambiatore;
- acqua nel circuito serbatoio è alla temperatura di 70 gradi all’uscita dello scambiatore;
Durante il funzionamento i circuiti scambieranno calore che verrà immagazzinato nel serbatoio, quando
q
le temperature torneranno ad abbassarsi, il computer monitorandole fermerà di nuovo la pompa in
modo da garantire la produzione di acqua solamente alla temperatura voluta; nello stesso modo se
dovesse cambiare il punto di funzionamento e si rivelasse non più conveniente produrre acqua a 70
gradi, il computer modificherebbe le prese di immissione e prelievo del serbatoio, adeguando di
conseguenza il resto del sistema.
LA STRATIFICAZIONE, CONCLUSIONI
Analizzando il progetto da noi realizzato,
realizzato è chiara l’innovazione
innovazione da esso rappresentata, per i due
aspetti peculiari che lo caratterizzano:
- la capacità di conservare il calore prodotto per lunghi periodi,
periodi che risponde ad un importante
necessità presentata di alcuni tipi di utenze;
utenze
- la capacità di immagazzinare tale calore secondo una logica ben precisa,
precisa che consente di
immagazzinare quantità di energia notevoli ed allo stesso tempo soddisfa il bisogno di avere a
disposizione acqua a temperature elevate, caratteristica non
no comune agli altri tipi di accumulatore
termico;
- 28 -
ELETTROTECNICA
TRASFORMARE L’ENERGIA
LA MACCHINA ELETTRICA: IL MOTORE ASINCRONO MONO-BIFASE, UTILIZZATO
NEL PROGETTO DI TDP
- 29 -
IL MOTORE ELETTRICO
Una macchina elettrica è una macchina
che può, secondo il principio di
reversibilità, funzionare da generatore o
da motore.
Nel primo caso essa è in grado di
trasformare l’energia meccanica in
energia
elettrica;
nel
caso
di
funzionamento da motore è in grado di
trasformare una potenza di ingresso
di tipo elettrico in una potenza di
uscita di tipo meccanico.
Di seguito analizzerò il principio di
funzionamento del motore asincrono
monofase, il motore di una delle pompe
utilizzate nel progetto di TDP.
ASPETTI COSTRUTTIVI DEL MOTORE ASINCRONO
Un motore asincrono é costituito da due parti fondamentali, di forma
cilindrica: una parte esterna, fissa, detta statore ed una interna, munita
di albero e libera di ruotare intorno all'asse della macchina, detta rotore.
Lo statore fondamentalmente costituisce la parte del circuito
magnetico che contiene gli avvolgimenti induttori; a questi viene
applicata la tensione di alimentazione ed essi, essendo dei conduttori nei
quali scorre una corrente, generano un campo magnetico.
Gli avvolgimenti sono alloggiati in cave ricavate in corrispondenza della
Struttura schematica del rotore
superficie interna dello statore.
Il rotore che viene posizionato all'interno dello statore e costituisce il
circuito indotto della macchina.
Anch’esso presenta delle cave, esterne, per accogliere
l’avvolgimento rotorico di indotto.
Negli avvolgimenti di indotto, a causa del campo magnetico
induttore, si svilupperanno delle correnti e successivamente
delle forze, che permettono il funzionamento della macchina.
Rotore con avvolgimento a gabbia
FUNZIONAMENTO DEL MOTORE ASINCRONO MONOFASE
Il funzionamento del motore asincrono si basa sull’interazione tra il campo magnetico generato dalle
bobine di statore (un campo magnetico rotante) e il campo magnetico indotto nelle bobine di rotore,
che tende a sincronizzarsi con il primo.
Tale interazione crea delle forze; per far ruotare in modo continuo il rotore c’è bisogno che il campo
induttore sia rotante.
Il motore asincrono monofase possiede un solo avvolgimento induttore, posto nello statore, che,
poiché percorso da corrente alternata, crea un campo magnetico alternato unidirezionale; questa
caratteristica fa si che il motore non sia auto avviante, sia cioè incapace di avviarsi da solo.
Questo perché nonostante il campo alternato unidirezionale possa essere visto come la somma di due
campi magnetici contro rotanti, questi creano delle coppie di forze uguali in modulo ma di verso
opposto.
Sul rotore la risultante della forza è nulla e questo non permette alla macchina di iniziare la fase di
avviamento.
- 30 -
L’incapacità
del
motore
asincrono monofase di avviarsi
è
deducibile
anche
dalla
caratteristica
meccanica,
che in ogni punto è la somma
algebrica delle caratteristiche
dei
due
campi
magnetici
rotanti.
Come si vede in figura,
all’avviamento, a velocità
pari a zero anche la coppia è
nulla, perciò il motore è
impossibilitato ad avviarsi.
Caratteristica meccanica del motore asincrono monofase
Per risolvere questo problema, si fa circolare una seconda corrente tale
da far diventare, almeno all’avviamento, il campo magnetico rotante,
inserendo nello statore un secondo avvolgimento sfasato di 90°
geometrici.
Il motore da noi utilizzato è un motore asincrono mono-bifase a
condensatore, in cui la corrente che percorre l’avvolgimento secondario,
come dice il nome stesso, è sfasata da un condensatore
permanentemente inserito.
Si vengono cosi ad avere due correnti, sfasate di 90° e
circolanti in due avvolgimenti disposti a 90°; il motore a questo
punto è da considerarsi un vero e proprio motore bifase.
Correnti di statore,
sfasate di 90°
Per comprendere il principio di generazione del campo magnetico rotante bisogna osservare la figura,
dove è rappresentato lo stato delle bobine di statore in termini di correnti entranti/uscenti in
tre differenti istanti temporali.
Generazione del campo magnetico rotante
Il pallino indica una corrente entrante nel circuito, mentre la croce indica una corrente uscente; si vede
che dall’interazione dei campi magnetici nasce un campo magnetico la cui direzione cambia nel tempo,
cioè un campo magnetico rotante che compie un giro ad ogni periodo T delle correnti che percorrono le
bobine.
Tale campo magnetico determina, negli avvolgimenti di rotore delle tensioni indotte, e poiché sono
chiusi in cortocircuito, delle correnti indotte.
Una volta che essi sono percorsi da correnti e immersi nel campo magnetico (generato dallo statore), si
formano delle forze, o meglio delle coppie di forze che portano il rotore al movimento.
- 31 -
La creazione delle forze si può osservare nella figura: sul
conduttore 1, investito dal campo rotante prodotto dalla coppia di
poli N’- S’ e sede di una corrente entrante, si sviluppa una f.e.m.i.
verso “l’alto”, che tende a far ruotare in senso orario il rotore in
figura; in modo analogo si determina la forza agente sul
conduttore 2.
La coppia di forze così ottenuta sui conduttori 1 e 2, unita alle altre
che agiscono sui conduttori restanti dà luogo a una coppia
risultante che porta in rotazione l’indotto nello stesso senso
di rotazione del campo magnetico induttore.
La coppia motrice tende a sincronizzare il rotore con il campo
rotante induttore ma qualora il rotore risultasse possedere la
Creazione delle forze sul rotore
stessa velocità del campo di statore verrebbero meno i fenomeni
di induzione e la stessa coppia motrice si annullerebbe.
Questa macchina necessita dunque, per poter attuare la conversione elettromeccanica, della presenza
di uno scorrimento tra rotore e campo: di qui il nome di macchina asincrona.
PECULIARITA’ DELLA CURVA CARATTERISTICA NEL FUNZIONAMENTO DA POMPA
Caratteristica meccanica con carico
“costante”
Caratteristica meccanica con carico
equivalemte a quello di una pompa
Nella caratteristica meccanica di un motore, a cui è
applicato un carico che presenta in ogni istante la
stessa coppia resistente, è possibile distinguere due
tratti della caratteristica, uno detto stabile ed uno
instabile.
Se il punto di funzionamento del motore (cioè il
punto di intersezione delle due curve) si trova nel
tratto stabile, prima del punto critico, il motore
funziona senza problemi, poiché anche al diminuire
della velocità di velocità, la sua coppia rimane
“maggiore” di quella resistente.
Nel tratto instabile invece, una diminuzione della
velocità del motore porta coppia resistente ad essere
“maggiore” di quella del motore, portando
quest’ultimo ad una decelerazione che lo fa fermare.
Il motore da noi utilizzato funziona da pompa e
questo implica una diversa curva rappresentante il
carico, assimilabile più ad un esponenziale che ad una
retta (all’ aumentare della velocità aumenta la coppia
resistente del carico).
Questo fa si che il punto di funzionamento sia da
considerarsi sempre in una zona stabile, poiché se
anche il punto di funzionamento si trovasse prima del
punto critico la maggiore pendenza della curva del
carico fa si che questa sia sempre “minore” della
caratteristica meccanica del motore.
- 32 -
BIBLIOGRAFIA
Jeremy Rifkin, “Il sogno europeo. Come l'Europa ha creato una nuova visione del futuro che sta
lentamente eclissando il sogno americano”, 2004, Mondadori, Milano
Serge Latouche, “Breve trattato sulla decrescita serena”, 2007, Bollati Boringhieri, Torino
Nicholas Georgescu-Roegen, “Bioeconomia”, 2003, Bollati Boringhieri, Torino
Giorgio Ruffolo, “Lo specchio del diavolo. La storia dell’economia dal parafiso terrestre all’inferno
della finanza”, 2006, Einaudi, Torino
Jeremy Rifkin, “La terza rivoluzione industriale. Come il “potere laterale” sta trasformando
l’energia, l’economia e il mondo”, 2011, Mondadori, Milano
Mario Ubaldini, “Macchine elettriche”, 1997, Esculapio, Bologna
- 33 -
APPENDICE
DESCRIZIONE TECNICA DEL PROGETTO “SERBATOIO PROTOTIPO” 12
12
Nell’appendice mi limiterò a descrivere l’impianto di accumulo del progetto, tralasciando la parte di impianto (funzionante ma
non ancora completamente installata) dedicata all’utilizzo del calore accumulato, realizzata da ex studenti dell’istituto oggi
universitari.
- 35 -
SCHEMA GENERICO
DELL’IMPIANTO:
1) SERBATOIO
2) PANNELLI SOLARI TERMICI
3) PANNELLO PILOTA
4) POMPE /
CIRCUITI IDRAULICI
5) SCAMBIATORE DI CALORE
6) PRESE DI IMMISSIONE /
VALVOLE MOTORIZZATE
7) SONDE DI TEMPERATURA
(ROSSE)
8) PC /
MULTIMETRO
9) QUADRO ELETTRICO
SERBATOIO ED ISOLANTE
Il nostro sistema è composto innanzitutto dal
serbatoio,, di forma cilindrica e realizzato in acciaio
ac
inox, con una capacità di 4400 litri; esso
e
è il nucleo
dell’impianto ed ha il compito di conservare
l’energia termica.
1 - SERBATOIO
Per
er evitare dispersioni di calore il serbatoio è isolato
termicamente verso l’esterno, sul fondo e sul
coperchio, e sui lati attraverso uno strato di isolante
(lana di vetro,, spessore 50 cm)
cm che deve essere
ancora installato.
Nelle condizioni nominali, presentando lo strato
stra
isolante, la costante di tempo del sistema (cioè il
tempo necessario affinché il sistema perda tutto il
calore accumulato) risulta di 6 mesi; uno degli
obbiettivi del “serbatoio prototipo” sarà proprio
quello di verificare che essa, nonostante cause di
dispersione secondarie rimanga elevata, poiché nel
caso contrario l’utilizzo del sistema per l’accumulo di
tipo stagionale diventerebbe inutile.
1.A - ISOLANTE TERMICO
- 36 -
PANNELLI SOLARI TERMICI
L’energia termica è generata da una serie di 3
pannelli solari termici per una superficie totale di
7.54 metri quadrati; si prevede già un ampliamento
a 5 pannelli, per aumentare la potenza dell’impianto.
Tali pannelli sono installati sul tetto soprastante il
laboratorio di energia, e sono di marca
WALLNOFER.
Ogni pannello misura 1.07x2.35 metri, con uno
spessore di 8.8 centimetri, ed ha una capacità di
1.72 litri.
2 - PANNELLI SOLARI TERMICI
PANNELLO PILOTA
Sul tetto, a fianco dei pannelli solari termici è
installato il “pannello pilota”, costruito da noi ad
inizio anno e costituito da una sonda posizionata a
contatto di una superficie captante dalle stesse
caratteristiche dei pannelli, che ha il compito di
rilevare la temperatura massima raggiungibile
dai pannelli solari.
Una seconda sonda è posizionata sul retro del
pannello, in ombra, e misura la temperatura
dell’aria (ambiente).
3 - PANNELLO PILOTA
3.A - SONDA TEMPERATURA
PANNELLO
Il pannello pilota è molto importante, poiché grazie
ai dati ricevuti da esso è possibile ricavare, tramite
una semplice operazione, il punto di
funzionamento, cioè la temperatura teoricamente
raggiunta dall’acqua circolante nei pannelli solari
termici.
Il punto di lavoro si trova a metà strada fra la
condizione che vede l’acqua circolante nei pannelli
alla temperatura massima ed un rendimento pari
allo 0%, e la condizione che presenta rendimento
pari al 100% ma una temperatura dell’acqua così
bassa da renderla inutilizzabile.
3.B - SONDA TEMPERATURA
ARIA
La temperatura di funzionamento da noi ipotizzata
è “data” per il 50% dalla temperatura dei pannelli e
per il 50% dalla temperatura dell’aria esterna.
TFUNZ = (Tpann x 0.5) + (Taria x 0.5)
- 37 -
CIRCUITI IDRAULICI
4.A - POMPA CIRCUITO SERBATOIO
A collegare serbatoio e pannelli solari termici vi è un
sistema idraulico composto da due circuiti diversi.
E’ importante infatti specificare che l’acqua
circolante nei pannelli e l’acqua contenuta nel
serbatoio (usata per il riscaldamento dell’utenza)
sono diverse: la prima infatti è demineralizzata (per
evitare la formazione di calcare), in pressione (per
evitare l’ebollizione) e con l’aggiunta di antigelo (per
evitare il congelamento), la seconda è acqua
comune.
I due circuiti dell’acqua (che chiamerò circuito
pannelli e circuito serbatoio) sono a circolazione
forzata, per mezzo di due pompe; la pompa del
circuito serbatoio è azionata da un motore asincrono
trifase, la pompa del circuito pannelli da un motore
asincrono mono-bifase13.
4.B - POMPA CIRCUITO PANNELLI
(IN ALTO A DESTRA IL POLMONE D’ARIA)
SCAMBIATORE DI CALORE
L’energia termica è in grado di trasferirsi dall’acqua
circolante nei pannelli a quella nel serbatoio grazie
ad uno scambiatore di calore, nel quale le due
diverse acque circolano l’una accanto all’altra, senza
mischiarsi, in direzioni opposte; in tal modo il
calore si trasferisce da un circuito all’altro, con
un salto “medio” di temperatura, da un circuito
all’altro, di circa 5 gradi.
L’acqua in ingresso nello scambiatore dal lato
serbatoio, invece, si scalda attraverso esso di circa
10 gradi.
5 - SCAMBIATORE DI CALORE
13
Vedi Anche Sezione Di Elettrotecnica
- 38 -
PRESE DI PRELIEVO ED IMMISSIONE
Ho già parlato della stratificazione quale principio
che permette il funzionamento del sistema; tale
stratificazione avviene grazie ad una serie di 6
prese poste a distanza regolare (circa 50 cm) l’una
dall’altra lungo il lato del serbatoio.
Ciascuna presa è collegata ad un diffusore ad
anello posto
osto all’interno del serbatoio, al fine di
evitare la creazione di moti e turbolenze nell’acqua
durante la fase di immissione o di prelievo, in grado
di disturbare la stratificazione del liquido (tale
sistema di diffusori
usori è stato studiato ed installato dai
ragazzi creatori del sistema di utilizzo).
6.B - PRESE DI PRELIEVO/IMMISSIONE
VALVOLE MOTORIZZATE
Per rendere possibile la fisica fase di immissione e
prelievo sono installate 6 valvole motorizzate a 3
vie, in grado di posizionarsi su 3 diverse posizioni:
- La prima porta alla chiusura della via inferiore,
utilizzata dalla valvola corrispondente alla presa di
immissione dell’acqua (1)
- La seconda porta alla chiusura della via superiore
ed è utilizzata dalla valvola corrispondente alla presa
di prelievo (2)
- La terza posizione chiude la via che conduce alla
presa di immissione prelievo,
prelievo in tal modo la presa
stessa viene “scavalcata (3)
6.B - SCHEMA DI UNA VALVOLA MOTORIZZATA
IN CUI SI VEDONO LE 3 DIVERSE POSIZIONI
ASSUNTE DALLA STESSA E IL RELATIVO
“PERCORSO” SEGUITO DALL’ACQUA
- 39 -
SONDE DI TEMPERATURA
Per funzionare in modo regolare il sistema necessita
di una serie di sensori, che siano in grado di fornire
al computer le informazioni necessarie al suo
funzionamento.
Per questo motivo sono installate 17 diverse sonde
di temperatura, con le seguenti distinzioni:
7.A - ASTE PORTASONDE
(UNA INSTALLATA PER IL CIRCUITO UTILIZZATORE)
7.B - PARTICOLARE DELL’ASTA PORTASONDE,
CONDUTTORE
TERMICO
E SONDA
DI TEMPERATURA
7.B - PARTICOLARE
DELL’ASTA
PORTASONDE
(I
FILI AZZURRI)
(BLOCCHETTO
DI ALLUMINIO E SONDA NTC)
- 11 sonde (di tipo NTC) sono posizionate sul lato
del serbatoio lungo tutta la sua altezza, in
corrispondenza delle 6 prese ed a una distanza
intermedia fra esse; queste sonde hanno il compito
di rilevare la temperatura dei diversi strati
d’acqua che si vengono a creare all’interno del
serbatoio.
Per rendere possibile l’intervento su di esse anche
dopo l’installazione dell’isolante le sonde sono fissate
ad un’asta (cosiddetta asta portasonde),
posizionata all’interno di una canalina e “pressata”
contro il serbatoio da una sorta di camera d’aria
riempita d’acqua.
A pressare fisicamente contro il serbatoio non sono
le sonde, ma dei blocchetti di alluminio che fanno da
conduttore termico.
Questo sistema di fissaggio è stato realizzato da noi
stessi.
- 2 sonde (di tipo PT 1000) sono collocate a
contatto dei tubi del circuito pannelli, una
all’entrata ed una all’uscita dei pannelli solari
termici, per misurare la temperatura di entrata ed
uscita dell’acqua stessa da essi.
- 2 sonde (anch’esse di tipo PT 1000) sono invece
situate all’entrata ed all’uscita dello
scambiatore di calore, sul circuito serbatoio, per
verificare il riscaldamento effettivo dell’acqua.
Queste e le precedenti 2 sonde sono foderate da uno
strato di lamina di alluminio per favorire lo scambio
termico tra conduttura e sonda ed uno strato di
isolante, realizzato con semplice polietilene a bolle
d’aria, allo scopo di ridurre al minimo la dispersione
termica verso l’esterno.
7.C - SONDA PT 1000
(CON LAMINA DI ALLUMINIO)
- 2 sonde (sempre di tipo PT 1000) compongono
infine il pannello pilota, come illustrato in
precedenza.
- 40 -
COMPUTER MULTIMETRO E QUADRO ELETTRICO
Il cervello dell’intero sistema è un computer, con
sistema operativo DOS, che facciamo funzionare nel
ruolo di PLC, acquisendo i dati i dati attraverso un
multimetro e regolando il sistema di conseguenza.
Il computer opera attraverso un ciclo di lavoro:
acquisisce i dati relativi alle temperature delle
posizioni delle diverse sonde, i dati sulle condizioni
di lavoro delle pompe e sulla posizione delle
elettrovalvole; dopodiché decide le nuove
condizione di lavoro in cui far funzionare il sistema
e di conseguenza modifica la posizione delle valvole
di immissione e prelievo, e eventualmente spegne o
accende le pompe.
8 - COMPUTER E MULTIMETRO
Per poter fisicamente permettere lo scambio di
informazioni fra le sonde ed il multimetro e
trasmettere i comandi alle valvole motorizzate ed
alle pompe abbiamo installato un quadro elettrico,
contenente:
9 - QUADRO ELETTRICO
-interruttore magnetotermico differenziale da
16 A
- trasformatore 230/24 V, per l’alimentazione dei
relè
- condensatore e ponte di diodi, al fine di
ottenere corrente continua
- scheda elettronica composta da 8 relè che
ricevono i comandi dal PC tramite porta parallela
- 10 relè 24 V DC 4 contatti, 10 relè 24 V DC 3
contatti e 2 relè 24 V AC 3 contatti;
i relè, opportunamente disposti in serie ed in
parallelo ed accesi o spenti mediante i segnali che
arrivano dal computer, provvedono a indirizzare il
segnale verso un uscita, che sia una sonda, una
valvola motorizzata o una pompa, sempre diversa
- 1 teleruttore e un relè termico, per il comando
della pompa del circuito serbatoio
- canaline passacavi, per un maggior ordine
Abbiamo provveduto anche ad installare un
adeguato sistema di distribuzione dei cavi: canaline
metalliche per la posa dei cavi di comando delle
valvole motorizzate e delle pompe, tubi per la posa
dei cavi per il segnale delle sonde.
IMPIANTO DI ACCUMULO NEL SUO COMPLESSO
(ESCLUSI NATURALMENTE I PANNELLI SITUATI SUL
TETTO E L’ISOLANTE TERMICO)
Inoltre abbiamo installato un termostato che,
facendo da “sistema di sicurezza” avvia la pompa
del circuito serbatoio se la temperatura del circuito
pannelli supera i 70 gradi.
Questo durante la fase attuale, in cui non è
operativo il programma di controllo delle pompe e
delle valvole, al fine di evitare che l’acqua del
circuito pannelli non scambiando abbastanza calore
arrivi a temperature troppo elevate e vada a
ebollizione.
- 41 -