Dall’asfalto bollente all’energia

In questo articolo:

– Caldo record? In Germania scoppiano le autostrade?

e’ stato fatto un commento davvero molto interessante. Come potete leggere, il commento pone l’attenzione sugli studi attualmente in corso per la produzione di energia sfruttando il calore accumulato dall’asfalto delle nostre strade. Questa possibile soluzione non e’ in realta’ l’unica al vaglio dei ricercatori e proprio per questo motivo, credo sia interessante fare il punto della situazione.

Come sapete bene, diverse volte ci siamo occupati di fonti di energia alternativa o anche di utilizzi piu’ intelligenti delle risorse a nostra disposizione. Questi sono solo alcuni degli articoli che potete trovare sul blog:

– Elezioni, promesse verdi e protocollo di Kyoto

– Il futuro verde comincia da Masdar

– Energia solare nel deserto

– Pannelli, pannelli e pannelli

– Il led rosso dello stadby …

– Elettrodomestici e bolletta

Ora, come anticipato, vogliamo analizzare le possibili tecniche per sfruttare il calore che viene raccolto dalle nostre strade per poter creare energia elettrica. Come sapete bene, l’asfalto e’ in grado di accumulare una notevole quantita’ di calore, che poi viene ceduta all’ambiente in tempi molto lunghi. Proprio per questo motivo, le nostre strade rimangono ad una temperatura elevata anche per diverse ore dopo il tramonto del sole. Purtroppo, riuscire a catturare questo calore non e’ semplice. Prima di tutto, una limitazione e’ data dall’enorme superficie da cui estrarre calore, cioe’ l’intera lunghezza della strada, e soprattutto nella scelta del metodo piu’ adatto per raccogliere efficientemente questa energia.

Il metodo proposto nel commento da cui siamo partiti, punta ad utilizzare il calore per scaldare l’acqua contenuta all’interno di piccole tubature inglobate nell’asfalto stesso. In tal senso, tubicini di materiale in grado di condurre molto bene il calore vengono posizionati a circa 1 cm dalla superficie, in modo da poter raccogliere il calore del catrame. L’acqua cosi’ riscaldata puo’ poi essere utilizzata per produrre energia o anche per fornire acqua calda sanitaria per le diverse postazioni o edifici intorno alla strada stessa. Questo metodo presenta anche due ulteriori vantaggi importanti. Il primo e’ che in questo modo viene ridotto il calore che rimane intrappolato nell’asfalto e che, quando ceduto all’ambiente, crea il cosiddetto problema dell’isola di calore soprattutto nelle nostre citta’. L’altro vantaggio notevole e’ che un impianto cosi’ realizzato potrebbe essere sfruttato anche al contrario, un po’ come avviene nei pannelli radianti sotto il pavimento utilizzati per riscaldare le nostre case. Cosa significa? Durante i mesi invernali, si potrebbe pompare nel sistema acqua a temperatura maggiore, in modo da riscaldare la strada e non permettere la formazione di ghiaccio, responsabile molto spesso di incidenti.

Questa che abbiamo visto, non e’ pero’ l’unica soluzione al vaglio dei ricercatori.

Un altro metodo per sfruttare le nostre strade e’ quello di integrare direttamente pannelli solari. Cosa significa? Come detto in precedenza, l’asfalto e’ soggetto, molto spesso, ad un irraggiamento notevole. Le piu’ grandi arterie sono praticamente sempre assolate garantendo un’esposizione buona ai raggi solari. Bene, sostituendo le nostre strade con una sequenza di pannelli solari, si potrebbe produrre direttamente elettricita’ sfruttando l’effetto fotovoltaico. Questa energia potrebbe al solito essere utilizzata per alimentare aree di servizio e abitazioni in prossimita’, ma potrebbe anche essere immessa nelle rete elettrica e dunque essere a disposizione dei consumatori.

Come e’ possibile mettere un pannello solare al posto delle strade?

Ingegneristicamente parlando, la soluzione proposta e’ molto interessante. Negli USA e’ gia’ in corso uno studio utilizzando pannelli di larghezza 3,7 metri, che e’ la larghezza standard delle corsie americane. Se consideriamo un’esposizione di 4 ore al giorno, con un efficienza anche solo del 10%, poiche’ l’orientamento dei pannelli e’ deciso dalla strada e non dall’ottimizzazione dell’esposizione, si potrebbero produrre circa 5-6 KWh per pannello al giorno. Se ora pensiamo che, solo negli Sati Uniti, ci sono circa 100000 Km di autostrade, direi che i numeri cominciano a diventare interessanti.

Tornando pero’ all’ingegneria, come puo’ un pannello resistere al passaggio di una macchina o, ancor piu’, ad un mezzo pesante? I pannelli per questo scopo sono costruiti con una protezione in vetro, pensata come quella dei vetri anti proiettile delle vetrine. Essendo questi vetri studiati per resistere ai notevoli impulsi dei proiettili, sarebbero in grado di supportare anche il peso di un veicolo. C’e’ un altro problema da considerare. Per evitare slittamenti dei veicoli al loro passaggio sul vetro, la superficie verrebbe lavorata in piccolissimi prismi, in grado di assicurare una buona presa degli pneumatici sui pannelli. Come detto, una sperimentazione in questa direzione e’ gia’ in corso negli USA appunto per verificare costi e benefici di una soluzione del genere.

C’e’ poi un’ultima soluzione che vorrei presentarvi, anche se leggermente diversa dalle precedenti. Il problema principale di molte strade e’, come sappiamo bene tutti, il traffico. Per sfruttare questo, una compagnia privata giapponese, ha studiato uno speciale dosso in grado di trasformare il passaggio di un mezzo in energia elettrica. Il meccanismo e’ semplicissimo. Quando un veicolo passa su questo speciale dosso, manda in pressione dei pistoni idraulici che a loro volta possono essere sfruttati per far muovere delle turbine e produrre corrente elettrica. Un primo prototipo di dosso e’ stato costruito ed e’ lungo circa 1 metro, con un’altezza dell’ordine dei 6 mm. Questa soluzione andrebbe implemantata nei punti piu’ nevralgici per il traffico dove si hanno molti mezzi pesanti che circolano a velocita’ ridotta. Soluzioni ottimali potrebbero essere all’interno delle citta’, in prossimita’ dei porti o anche vicino ad aree di parcheggio. Il costo di questo sistema non e’ molto basso e si aggira intorno ai 300000 dollari a dosso, comprensivi ovviamente anche del sistema di produzione dell’energia. Secondo quanto riportato dalla ditta, in un punto di traffico sostenuto in cui transitano circa 20000 veicoli al giorno, il prezzo verrebbe ripagato nel giro di 3-4 anni e sarebbe in grado di fornire corrente per almeno 100 case. Ovviamente, si tratta di numeri molto provvisori, detti poi dalla ditta produttrice del sistema.

Concludendo, esistono diversi metodi per poter sfruttare le nostre strade nella produzione di energia. Come avete visto, non stiamo parlando di soluzioni innovative di tecnologie non utilizzate prima, bensi’ di applicazioni, a mio avviso anche molto intelligenti, di sistemi conosciuti in ambiti nuovi. Questo rientra a pieno titolo nello sfruttamento piu’ intelligente dei sistemi che gia’ conosciamo. Ora, come detto, si tratta di soluzioni sulle quali sono in corso studi ancora molto preliminari, ma chissa’ che un giorno queste non diventeranno soluzioni standard nella costruzione delle nostre, assolutamente non eliminabili, strade.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Il futuro dell’eolico?

In questo articolo, vorrei tornare nuovamente a parlare di energie rinnovabili. Come sappiamo bene, il continuo aumento della richiesta di energia unita ovviamente al mantenimento e alla conservazione del nostro pianeta, impongono l’utilizzo anche di sorgenti rinnovabili. Quello che pero’ non dobbiamo mai dimenticare e’ che il nostro attuale stato dell’arte non rappresenta assolutamente un punto di arrivo. Le soluzioni disponibili oggi per lo sfruttamento delle sorgenti verdi, non sono ancora sufficienti e non consentono l’autosostentamento che sarebbe richiesto.

Di energie rinnovabili abbiamo parlato, ad esempio, in questi post:

– Elezioni, promesse verdi e protocollo di Kyoto

– Il futuro verde comincia da Masdar

– Energia solare nel deserto

– Pannelli, pannelli e pannelli

Mentre negli articoli precedenti ci siamo occupati principalmente di energia solare, in questo post vorrei parlare della seconda fonte per disponibilita’ che siamo in grado di sfruttare, l’energia eolica.

Come tutti sanno, lo sfruttamento dell’energia eolica avviene mediante delle enormi pale che vengono messe in moto dal vento e questa energia meccanica viene poi convertita in energia elettrica. Anche in Italia, abbiamo diverse installazioni di pale eoliche, soprattutto in quelle regioni dove la forza del vento e’ maggiore.

Quali sono i problemi principali delle pale eoliche?

Prima di tutto, come detto, si tratta di turbine molto grandi e che vengono installate su piloni molto alti. Come sostenuto anche da molti esperti, l’impatto ambientale di queste soluzioni e’ molto elevato. Detto in altri termini, le pale eoliche, secondo molti, “sono brutte”. Se ci pensate bene, molto spesso, infatti, queste pale rovinano il paesaggio, soprattutto perche’ vengono installate in vallate o comunque in zone isolate dove la natura e’ ancora dominante. Sapete perche’ vengono installate in questi punti e non all’interno dei centri abitati? Perche’ le pale, durante il normale funzionamento, hanno dei livelli di rumorosita’ molto elevati. Qualsiasi mezzo meccanico messo in movimento, produce necessariamente un rumore di fondo che, nel caso delle pale, e’ anche molto elevato. Proprio questo problema, rende inutilizzabili le pale all’interno dei centri abitati.

Dunque? Esiste una soluzione alternativa?

In questi ultimi tempi, e’ in fase di studio una soluzione alternativa che prevede lo sfruttamento dell’energia eolica senza apparentemente nessuna parte meccanica in movimento. Questa soluzione, chiamata Ewicon, sfrutta infatti una variazione del campo elettrico indotto dal vento per creare energia elettrica. Se volete, invece di convertire energia meccanica in elettrica, il nuovo sistema e’ direttamente basato su una vairazione di energia in forma elettrica per produrre corrente.

Come funziona Ewicon?

Anche se il discorso non e’ semplicissimo, cerchero’ di essere divulgativo mostrando il concetto di base sfruttato in questa soluzione.

Immaginate di avere due conduttori elettrici posti ad una certa distanza e caricati con segno opposto. In altre parole, potete vedere il sistema come le armature di un condensatore. Ora, nella regione di spazio tra i due conduttori si crea un campo elettrico. Se adesso mettete una carica singola all’interno del volume, dove si spostera’ questa? Se la carica e’ positiva, questa ovviamente si muovera’ verso l’elettrodo negativo, spinta dal campo elettrico. Bene, fin qui tutto normale. Se adesso pero’, la forza del vento spinge la carica in verso opposto, cioe’ porta la carica verso l’elettrodo dello stesso segno. L’accumulo di cariche sull’elettrodo provochera’ dunque una variazione della tensione che puo’ essere convertita in energia elettrica.

Questo e’ proprio il principio sfruttato da Ewicon.

Il sistema eolico, prevede due file di elettrodi di segno opposto distanti circa 40 cm tra loro. Nel sistema sono presenti una serie di ugelli che vaporizzano goccioline d’acqua caricate positivamente. Il vento spinge le goccioline di carica positiva verso l’elettrodo dello stesso segno, creando la variazione di campo elettrico. Questa tecnica e’ anche nota come Electrospraying ed in realta’ e’ stata proposta gia’ nel 1975. Ewicon, che sta per Electrostatic Wind Energy Converter, sfrutta proprio questo principio fisico per creare energia dal vento, ma senza mezzi meccanici in movimento.

Per meglio comprendere il principio di base, vi riporto anche un video del sistema:

come vedete, il tutto si basa sulla forza del vento in grado di spingere le gocce d’acqua  in verso opposto a quello determinato dal campo elettrico degli elettrodi.

Il primo prototipo di Ewicon e’ stato realizzato e posto di fronte alla facolta di ingegneria della Delft University:

Prototipo del sistema eolico davanti alla Delft University of Technology

Quali sono i vantaggi di questa soluzione? Prima di tutto, come visto, eliminando le parti in movimento, il sistema non soffre piu’ della rumorosita’ delle pale eoliche. In questo modo, il sistema Ewicon puo’ anche essere installato, come nel caso del prototipo, all’interno dei centri abitati. Inoltre, le diverse forme realizzabili consentono di integrare il sistema anche nelle architetture dei piu’ moderni centri urbani. Ad oggi, gia’ diverse soluzioni di design sono state proposte e pensate per adattarsi a molte capitali europee.

Quali sono gli svantaggi? Come potete capire, si tratta ancora di un sistema in forma di prototipo. Prima di tutto, per elettrizzare le goccioline d’acqua e’ necessaria un’energia di partenza. Al momento, questo problema e’ risolto integrando delle batteria all’interno di Ewicon. Se pero’ vogliamo pensare questi sistemi utilizzabili anche “off shore”, cioe’ in mare aperto, e’ impensabile andare di volta in volta a cambiare le batterie dei generatori.

Inoltre, l’acqua necessaria per il funzionamento, viene prelevata dall’umidita’ dell’aria. Questo rende il sistema non utilizzabile in luoghi dove l’umidita’ e’ troppo bassa. Come visto in uno degli articoli precedentemente riportati, uno degli sviluppi futuri, non solo per il solare ma anche per l’eolico, e’ la costruzione di impianti di grandi dimensioni in zone desertiche. In questo caso, il sistema non sarebbe utilizzabile a meno di collegare Ewicon ad una fonte idrica, cosa ugualmente non realizzabile in zone desertiche.

Altro problema non da poco e’ la miscela utilizzata. Nel prototipo visto, non viene utilizzata soltanto acqua, ma una miscela al 70% di acqua demineralizzata e 30% di etanolo.

Ovviamente, si tratta di problemi normali in un sistema in fase di prototipo. Per poter risolvere questi punti, sara’ ovviamente necessario lavorare ancora molto sul progetto e altresi’ investire capitali in questo genere di studi. Come detto all’inizio, ad oggi gia’ disponiamo di metodi per lo sfruttamento delle sorgenti rinnovabili, e proprio per questo dobbiamo utilizzarli. Questo pero’ non preclude lo studio di soluzioni alternative, come Ewicon o come il solare termodinamico, che in un futuro non troppo lontano potranno migliorare notevolmente l’efficienza di produzione energetica e risolvere anche gli altri problemi che ancora affliggono le attuali soluzioni.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.