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Pannelli, pannelli e pannelli

12 Mar

Qualche post fa, parlando del futuro delle energie rinnovabili, abbiamo visto alcuni dei grandi progetti pensati da qui a qualche anno. In particolare, il progetto DESERTEC, che pero’ sta avendo qualche problema gestionale iniziale, e soprattutto i grandi impianti dei paesi arabi che molto stanno investendo in questi settori:

Energia solare nel deserto

Ora, come sottolineato in questo articolo, molto spesso i non addetti ai lavori tendono a mescolare le diverse tecnologie solari, parlando semplicemente di “pannelli”. In realta’, e’ necessario fare delle distinzioni ben precise, distinguendo le diverse soluzioni in base al principio fisico che ne e’ alla base. Proprio per questo motivo, ho deciso di scrivere questo post, appunto per illustrare le diverse tecnologie per lo sfruttamento dell’energia solare, sempre mantenendo un profilo divulgativo e senza entrare troppo in dettagli che potrebbero risultare noiosi. Ovviamente, chi poi vorra’ avere informazioni aggiuntive, potra’ contattarmi oppure cercare in rete la vastissima bibliografia che molto facilmente potete reperire su questi argomenti.

A questo punto, prima di tutto, vogliamo distinguere tre grandi categorie di pannelli, parlando di fotovoltaico, solare termico e solare termodinamico. Come vedremo, anche se possono sembrare simili, le tre soluzioni sono radicalmente differenti dal punto di vista tecnico-scientifico. Anche l’utilizzo e la diffusione di queste soluzioni risulta molto diversificata ed, in particolare, come vedremo, ad esempio il solare termodinamico e di piu’ recente introduzione e ancora in fase di importante sviluppo.

Pannello fotovoltaico

Elemento base di questo pannello e’ la cella fotovoltaica. La cella si presenta come una superficie nera o bluastra, ricoperta da un materiale semiconduttore, tra i quali il piu’ diffuso e’ certamente il silicio. Le celle standard prodotte a livello industriale hanno forme quadrate con lati da 4 o 6 pollici, anche se esitono esemplari piu’ piccoli utilizzati per alimentare calcolatrici e orologi.

Pannelli fotovoltaici in cui si vedono chiaramente le singole celle

Pannelli fotovoltaici in cui si vedono chiaramente le singole celle

Il principio di funzionamento della celle e’ appunto noto come “Effetto fotovoltaico”. Quando la luce incide sulla superficie della cella, questa si comporta come un generatore di corrente continua, sfruttando proprio le proprieta’ intrinseche del semiconduttore. Per ottenere una tensione maggiore, un certo numero di celle vengono connesse in serie per formare poi il pannello solare che tutti conosciamo.

Nel pannello fotovoltaico dunque, la radiazione solare viene convertita, attraverso il semiconduttore, direttamente in una corrente elettrica.

Purtroppo la connessione in serie implica una serie di problemi, come ad esempio la diminuzione di potenza del modulo se una o piu’ celle si trovano in ombra rispetto alle altre. In questo caso, e’ necessario assicurare una illuminazione uniforme di tutte le celle o in alternativa utilizzare moduli per l’inseguimento solare. Quest’ultima soluzione e’ utilizzata anche per migliorare l’esposizione in generale del pannello, consentendo a questo di ruotare offrendo sempre la propria area attiva in direzione del Sole. Come potete capire bene, l’utilizzo di motori per la rotazione implica ovviamente anche un consumo di energia, per cui e’ sempre necessario trovare un buon compromesso in queste soluzioni.

Poiche’, come detto, le celle si comportano come generatori di corrente, i pannelli devono poi essere collegati ad un inverter il cui compito e’ appunto quello di trasformare la tensione in alternata e quindi, poter immetere la produzione nella rete elettrica o anche per l’utilizzo nelle nostre abitazioni.

Ovviamente, come tutti sapete, il pannello fotovoltaico e’ quello maggiormente utilizzato ed e’ quello che viene utilizzato anche per la costruzione dei campi fotovoltaici, visibili in diverse zone, e che vengono costruiti appunto per la produzione e vendita dell’energia elettrica.

Solare Termico

Questo tipo di impianti viene utilizzato per catturare l’energia solare, immagazzinarla ed utilizzarla per scopi diversi. Tra questi, quelli maggiormente diffusi sono quelli per la produzione di acqua calda sanitaria, cioe’ per la produzione di acqua calda da utilizzare in casa. Come potete facimemte capire, in questo caso, questi impianti lavorano in sostituzione o di concerto con la caldaia che invece utilizza gas naturale.

Impianto solare termico domestico per acqua calda sanitaria

Impianto solare termico domestico per acqua calda sanitaria

I pannelli termici possono essere di vari tipi, anche se i piu’ diffusi sono costituiti da una lastra di rame, percorsa da una serpentina, e verniciata di nero. L’intero pannello e’ poi coperto da una lastra di vetro.

In questo caso, molto spesso si possono vedere sui tetti delle abitazioni dei pannelli in cui nella parte alta sono facilmente distinguibili serbatoi d’acqua. In questa soluzione, l’energia solare catturata viene utilizzata immediatamente per riscaldare appunto il fluido ed utilizzarlo nell’abitazione. Solo per completezza, ci sono diverse tipologie di impianti che vengono distinte in base alle temperature di esercizio e che possono variare tra 120 gradi (bassa temperatura) fino anche a 1000 gradi (alta temperatura) quando utilizzati in impianti industriali.

Solare Termodinamico

In questo caso, il principio di funzionamento e’ del tutto simile a quello termico, ma con l’aggiunta di un ciclo termodinamico detto ciclo Rankine. I pannelli solari termodinamici hanno forme paraboliche per poter concentrare la radiazione solare e proprio per questo sono anche detti impianti a concentrazione.

A differenza degli impianti termici domestici, nel solare termodinamico l’energia termica accumulata viene utilizzata attraverso una turbina a vapore o anche un alternatore per produrre energia elettrica. Inoltre, l’energia termica puo’ essere accumulata in modo da essere sfruttata anche durante la notte o in condizioni di cielo nuvoloso garantendo in questo modo una produzione costante e non intermittente come avviene nelle soluzioni precedentemente viste.

Impianto solare termodinamico con pannelli a concentrazione

Impianto solare termodinamico con pannelli a concentrazione

L’immagazzinamento dell’energia termica avviene mediante un fluido termovettore adatto appunto ad immagazzinare e trasportare il calore nel punto di conversione in energia elettrica. Nella prima generazione di impianti termodinamici, veniva utilizzato come fluido un olio diatermico, questo e’ stato poi sostituito con una miscela di sali fusi, molto piu’ efficienti ed in gradi di trattenere per tempi piu’ lunghi il calore. Proprio il fluido termovettore e’ quello che garantisce la produzione di energia durante la notte. Il calore accumulato dal fluido durante l’esposizione al sole, rimane immagazzinato per diverse ore, in alcuni casi anche giorni, garantendo in questo modo una produzione costante.

Come visto nell’articolo precedente, proprio questo genere di pannelli, grazie al principio fisico che sfruttano, possono anche essere utilizzati in condizioni estreme, come ad esempio il deserto del Sahara. Ad oggi pero’, il costo dell’energia prodotta con questi sistemi e’ ancora 5-6 volte maggiore rispetto a quello di altre soluzioni percorribili. Il motivo di questo e’ da ricercarsi nella relativa giovane eta’ di questa tecnologia e soprattutto nella mancanza ancora di una produzione industriale massiccia di questi pannelli. In questo senso, la ricerca, soprattutto nella migliore concentrazione solare e nel piu’ vantaggioso fluido da utilizzare, sta andando avanti molto velocemente. Questo ci spinge a pensare che nel giro di pochi anni questa diverra’ una tecnologia sfruttabile a pieno e da cui si potranno avere buone produzioni energetiche anche in diverse parti del mondo.

Concludendo, come abbiamo visto, non possiamo parlare semplicemente di pannelli confondendo soluzioni radicalmente diverse tra loro. I principi tecnico-scientifici alla base di ciascuna soluzione sono radicalmente diversi, anche dal punto di vista dell’utilizzo. A livello di ricerca, il solare termodinamico sta portando importanti risultati e molto probabilmente, nel giro di pochi anni, questa soluzione potra’ avere costi piu’ contenuti e dunque una maggiore diffusione su scala mondiale.

 

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

La migliore arma contro i terremoti?

4 Feb

Su questo blog, diverse volte ci siamo trovati a parlare di terremoti, sia dal punto di vista scientifico, sia anche per analizzare la situazione in diverse parti d’Italia:

– Analisi statistica dei terremoti

– Riassunto sui terremoti

– Dati falsi sui terremoti

– Terremoti, basta chiacchiere. Parliamo di numeri

– La sequenza del Pollino

Garfagnana: cosa succede, cosa succedera’?

Come ormai abbiamo capito a fondo, ad oggi non esiste un metodo scientifico e universalmente riconosciuto per prevedere un terremoto. Questa e’ l’informazione principale che dobbiamo tenere a mente.

Dunque? Come possiamo combattere un nemico che non sappiamo quando attacchera’, dove e con che potenza?

In diversi post abbiamo fatto la considerazione secondo la quale la miglior prevenzione contro i terremoti e’ solo quella di prevenire i danni ed i morti del terremoto. Questo significa che dovremmo investire nella sicurezza dei nostri edifici e delle nostre abitazioni. Come sapete, molto spesso, le vittime di un terremoto sono quelle che restano sotto le macerie. Impedire che gli edifici ci crollino sulla testa e’ sicuramente un’ottima prevenzione contro i terremoti.

Dobbiamo convivere con questi punti fermi. Non siamo in grado, al momento, di prevedere un terremoto, e non saremo mai in grado di fermare o di impedire un terremoto. Dunque, la cosa migliore e’ ridurre al minimo, o al limite azzerare, i morti e i danni di un sisma.

Ora pero’, come giustamente mi hanno fatto notare in alcuni commenti, cosa significa mettere in sicurezza un edificio? E’ possibile ristrutturare la propria abitazione per renderla piu’ sicura? Che spesa comporterebbero questi lavori?

Per poter rispondere a queste domande, e’ necessario fare delle considerazioni per cercare di circoscrivere il problema.

Il territorio italiano e’ tra quelli in Europa che presenta il maggior rischio sismico. Nell’ultimo millennio, abbiamo avuto circa 30000 terremoti, di cui 220 completamente distruttivi. Solo nell’ultimo secolo, le vittime dei terremoti sono state 120000, di cui 80000 solo nel terremoto del 1908 che ha colpito Reggio Calabria e Messina. Se ci limitiamo agli ultimi 40 anni, il costo della ricostruzione post sisma e’ stato di ben 100 miliardi di euro.

Teniamo a mente questi numeri, saranno molto utili nella discussione successiva.

Ora, non penso di dare una nuova informazione dicendo che molti dei nostri edifici sono antichi e dunque non costruiti secondo norme antisismiche. Quello che forse non tutti sanno e’ che solo negli anni ’80 sono state introdotte vere e proprie norme antisismiche per le nuove costruzioni. Questo significa che la quasi totalita’ degli edifici con piu’ di 3o anni non sono assolutamente concepiti per resistere ad un terremoto.

Oltre a questo dato, gia’ di per se allarmante, ha contribuito alla non sicurezza anche il ritardo con cui sono state pubblicate e aggiornate le carte della pericolosita’ sismica. Come forse ricorderete, a seguito del terremoto in Emilia del 2012, si torno’ a discutere di queste mappe del rischio, proprio in virtu’ del fatto che le mappe non erano aggiornate e non prevedevano un rischio sismico elevato per le regioni della pianura padana.

Vi mostro due cartine del rischio sismico, una relativa al 1984 ed una del 2003:

Mappe del rischio sismico nel 1984 e nel 2003

Mappe del rischio sismico nel 1984 e nel 2003

Come vedete, nel 1984, diverse zone del nostro paese non erano nemmeno classificate. La situazione miglioro’ poi nel 2003, ma anche questa carta e’ completamente diversa ed il rischio sottostimato rispetto alla situazione attuale in cui e’ stato adottato un sistema di classificazione molto piu’ preciso e con dettaglio molto migliore:

Attuale mappa del rischio sismico preparata dall'INGV

Attuale mappa del rischio sismico preparata dall’INGV

Ad oggi dunque, circa il 45% del territorio nazionale presenta un rischio sismico molto elevato. A causa dei ritardi nella compilazione di queste mappe, piu’ e’ alto il rischio sismico, piu’ stringenti sono le norme per le nuove costruzioni, e del ritardo legislativo nell’applicazione delle norme di rischio, si stima che solo il 14% degli edifici italiani sono in realta’ concepiti per resistere ad un sisma.

Questi numeri sono davvero preoccupanti!

Oggi come oggi, la situazione e’ ovviamente diversa. Tutte le nuove costruzioni devono sottostare a norme severe direttamente recepite dalla legislazione europea. Torniamo pero’ alle domande che ci siamo posto all’inizio. Se solo il 14% dei nostri edifici sono antisismici, cosa possiamo fare per quelli gia’ esistenti?

A differenza di quanto si potrebbe pensare, rendere antisismico un edificio non e’ un lavoro impossibile. Certamente le tecniche ed i rimedi da utilizzare variano da caso a caso, ed anche il costo di questi lavori non e’ univocamente determinato. Nonostante questo, cerchiamo di capire meglio come si potrebbe agire, ma soprattutto proviamo a dare una stima del costo.

Per prima cosa, dobbiamo cercare di capire meglio cosa significa antisismico. A differenza di quanto si potrebbe pensare, affinche’ una casa resista alle intense spinte longitudinali date da un terremoto, non si deve assolutamente appesantire la struttura. Al contrario, sono necessarie opere di consolidamento e di alleggerimento in grado di rendere elastica la nostra abitazione.

In caso di terremoto, una struttura leggera ed elastica riesce a resistere meglio alle sollecitazioni riuscendo ad assorbire le forti spinte in gioco. Al contrario, una struttura pesante e rigida rischia di “spaccarsi” immediatamente sotto l’azione di queste forze.

Altra idea sbagliata comunemente diffusa e’ quella che una struttura antisismica sia indistruttibile. Come e’ facilmente intuibile, una casa non puo’ essere concepita per resistere a terremoti di magnitudo elevata a piacere. Secondo la legislazione vigente, una casa antisismica deve poter resistere senza danni strutturali fino ad un terremoto M6.5. Per intensita’ maggiori la struttura non deve crollare immediatamente. Cosa significa questo? Semplicemente che in caso di terremoto di elevata magnitudo, la nostra abitazione deve darci il tempo di poter scappare fuori. Questa e’ la vera definizione di casa antisismica. In presenza di un terremoto, dobbiamo evitare che la casa ci crolli in testa causando vittime. Se abbiamo il tempo utile per uscire fuori e metterci in salvo, abbiamo praticamente annullato il rischio vitale.

Detto questo, i lavori da fare per rendere antisismica una abitazione ovviamente dipendono dal tipo stesso di casa. La prima grande divisione e’ tra abitazioni in muratura ed in cemento armato. In generale pero’, in tutti e due i casi, i primi lavori importanti prevedono l’alleggerimento del tetto, l’inserimento di strutture in grado di assorbire le spinte dinamiche del terreno e l’aggiunta di rinforzi collegati alle pareti dell’abitazione.

E’ possibile inoltre inserire catene e altri sistemi di raccordo per unire saldamente le pareti opposte degli edifici. Come sappiamo bene, molte delle case distrutte da un sisma presentano un crollo delle pareti che necessariamente indeboliscono la strutture e possono causare crolli dei piani superiori.

Importanti opere di consolidamento possono essere fatte per migliorare la distribuzione dei pesi e per rinforzare i pilastri dell’edificio. In questo modo, il conseguente alleggerimento delle travi, puo’ ritardare, in caso di terremoto di elevata intensita’, il crollo dell’edificio anche di diverse ore.

Capite bene che opere di questo tipo possono risultare molto diverse parlando di case o di appartamenti. In quest’ultimo caso, i lavori di ristrutturazione devono necessariamente essere inseriti in un opera complessiva. Intervenire su un singolo appartamento all’interno di un edificio con molte unita’ abitative puo’ risultare del tutto inutile.

Detto questo passiamo quindi ai costi. Premesso quanto detto in precedenza sui fattori di variabilita’ di questa stima, opere di questo tipo prevedono una spesa che si aggira intorno ai 500-600 euro per metro quadro, con picchi che possono arrivare a 1000 euro/m^2 nei casi piu’ difficili. Capite dunque che non si tratta di opere a costo zero, ma da cui potrebbe dipendere la nostra vita.

Quando diciamo che i nostri governanti dovrebbero pensare ad investire sulla prevenzione e sulla messa in sicurezza degli edifici, intendiamo certamente una spesa statale da devolvere per ospedali, scuole, luoghi istituzionali, uffici ecc, ma, a mio personale avviso, si dovrebbero prevedere anche dei piani di sgravio fiscale per chi decide di ristrutturare la propria casa e renderla resistente ai terremoti. In questo senso, si potrebbe pensare all’annullamento dell’IVA, ad un contributo statale, a meccanismi di ritorno dell’investimento, insomma si dovrebbero prevedere agevolazioni per la messa in sicurezza degli edifici. Questo sarebbe sicuramente un investimento per la sicurezza dei cittadini.

A riprova di queste considerazioni, vi voglio mostrare qualche numero importante. Se ci limitiamo alle aree dell’Italia che presentano il maggio rischio sismico, la spesa stimata per la messa in sicurezza degli edifici e’ di circa 200 miliardi di euro. Cifra che a prima vista potrebbe sembrare enorme. Ripensate pero’ a quanto detto in precedenza: solo negli ultimi 40 anni, la spesa statale per la ricostruzione dopo i terremoti e’ stata di ben 100 miliardi di euro. A fronte di questa cifra, la spesa per la messa in sicurezza non appare cosi’ impossibile e sicuramente l’inserimento di meccanismi di facilitazione fiscale sicuramente sarebbero ampiamente ripagati.

Prove di laboratorio sugli isolatori sismici

Prove di laboratorio sugli isolatori sismici

Solo per concludere, le nuove norme antisismiche prevedono la realizzazione di costruzioni non piu’ solo alleggerite per seguire l’onda del terremoto. In questo caso infatti si possono verificare fenomeni di risonanza tra l’oscillazione dell’edificio e quella del terreno che portano al crollo della struttura. Per evitare questo, si sta puntando sempre di piu’ sull’inserimento degli isolatori sismici, cioe’ sistemi in grado di isolare l’abitazione dal terreno e renderla quindi non oscillante. Opere di questo tipo possono essere realizzate solo su nuove costruzioni dal momento che anche gli impianti devono essere progettati in modo specifico. In caso contrario l’oscillazione del terreno rispetto alla casa che resta ferma potrebbe danneggiare i tubi degli impianti che fungono da collegamento tra la casa ed il terreno. Oltre a questi metodi passivi, negli ultimi anni la ricerca ingegneristica si sta anche orientando verso sistemi attivi, cioe’ in grado di modificare l’intervento in base alla sollecitazione, ed in questo senso si sta lavorando a soluzioni simili a quelle utilizzate in meccanica per la tenuta della stabilita’ o per il controllo antisbandata nelle automobili.

 

 

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