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Idee progettuali

Processo

La geotermia.  Il futuro a basso costo
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di luca Mazzari

Il termine geotermia è utilizzato per descrivere le manifestazioni dell’esistenza del calore latente terrestre, rappresentato da sorgenti calde e fumarole, strettamente collegate all’attività vulcanica e come questa oggetto, fin dai tempi antichi, di timori, leggende, studi.

Il fenomeno dell’affioramento di fluidi ad alta temperatura non è solo un caso italiano, né tanto meno solo italiano è stato l’utilizzo del calore geotermico. Le condizioni di temperatura e pressione del fluido geotermico, vapore o acqua calda, dipendono dalla profondità e dalla temperatura e porosità della roccia. I sistemi idrotermali con acqua in fase liquida sono detti ‘ad acqua dominante’, per distinguerli dagli altri, detti ‘a vapore dominate’. Spesso al fluido si associano gas naturali (CO2 e H2S), probabile effetto della lunga decomposizione di materiale organico preistorico e, in alcuni casi, di sali e minerali disciolti. Nella prima metà XIX secolo si è utilizzato il vapore che scaturiva naturalmente dal terreno per riscaldare le vasche di evaporazione. Per incrementare la produzione si è sperimentata la perforazione di pozzi per raccogliere vapore di caratteristiche tali da poter essere utilizzato come fonte diretta di calore. Già dai primi del Novecento, il geotermico diventa la principale fonte di alimentazione delle ferrovie e uno dei maggiori nodi energetici del paese, fino a raggiungere, durante la seconda guerra mondiale, la potenza complessiva di 128 MW, con una produzione annua di 900 milioni di kWh.

Quando un possibile campo geotermico viene identificato, si procede effettuando delle prospezioni superficiali per la realizzazioni di pozzi esplorativi atti a verificare l’effettiva presenza del serbatoio geotermico e valutarne le caratteristiche: temperatura, pressione, permeabilità, composizione chimica del fluido, potenzialità del sistema. L’attività di esplorazione per un campo adiacente a giacimenti noti può richiedere 15 milioni di euro di investimenti, coinvolgere 8-10 scienziati e 4 anni di ricerche, il costo delle sole perforazioni esplorative rappresenta il 90% del totale. Confermata l’esistenza, le caratteristiche e la potenzialità del sistema geotermico, viene predisposto un progetto di sviluppo e viene acquisita la concessione di coltivazione; inizia quindi la vera e propria attività mineraria. Vengono allestite piazzole di perforazione – aree industriali ampie almeno 4.000 mq – che ospitano la torre di perforazione, le vasche dei fanghi, gli impianti accessori e le strutture prefabbricate per il personale. L’attività di un cantiere di questo tipo può durare anche un anno prima che il pozzo, divenuto produttivo, sia liberato dalle strutture provvisionali per l’esplorazione. Una stima recente identifica la potenzialità del suolo italiano, per la produzione da serbatoi geotermici noti, in 80.000 MW, ovvero dieci volte l’attuale livello di sfruttamento. Soltanto nei geyser si stima vi sia una potenzialità di 25.000 MW, mentre in passato si attribuiva al sistema Toscana e Lazio settentrionale una capacità di 2.000 MW, oggi ridotta a circa 1.000 MW per tener conto delle interazioni della necessaria integrazione con le attività commerciali e turistiche già esistenti nell’area. A differenza di altre tecnologie rinnovabili, che non richiedono particolari infrastrutture o competenze locali, la geotermia comporta lo sviluppo di tecnologie raffinate, dalla geologia alla chimica, per il trattamento dei fluidi, dalla termodinamica alla meccanica pesante. I costi associati alla produzione energetica geotermica devono perciò includere le infrastrutture tecnologiche necessarie all’esercizio efficace, che, pur variando ampiamente a seconda della tipologia del bacino e delle condizioni impiantistiche, sono valutabili in 2-4 centesimi di euro per kWh prodotto. Gli investimenti geotermici sono complessi, e richiedono tempi di attuazione lunghi, con l’assunzione di rischi non indifferenti: è necessaria una fase di prospezione e sviluppo del campo, dagli esiti spesso incerti, che può rappresentare fino a due terzi del costo complessivo.

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Si devono poi realizzare i vapordotti e le centrali, sui territori in cui devono essere acquisite concessioni minerarie e servitù. La complessità dei progetti fa sì che raramente si intraprendano iniziative per piccole capacità, a meno di piccole aggiunte ad impianti esistenti. Nel settore ciascuna nuova iniziativa supera facilmente i 50 milioni di euro di valore e richiede 4-5 anni per essere portata a compimento. Gli operatori che possono permettersi questo tipo di investimento sono pochi (Enel Green Power, le americane Calpine, Calenergy ed Unocal, l’ente statale messicano CFE, la Shell).

Le prospettive di crescita sono legate all’andamento del prezzo del petrolio, alla stabilità politica di alcuni dei paesi dove è presente la risorsa geotermica, per esempio in America centrale, ed alla crescita locale dei consumi; tipico il caso dell’Indonesia, che ha potenza geotermica inutilizzabile perché eccedente l’attuale domanda elettrica.

Eco-designer

Forme e materiali innovativi di fotovoltaico

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di Marco Cuomo

Convertire la luce solare in elettricità potrebbe non comportare grandi pannelli di celle fotovoltaiche su superfici piane quali tetti o chiusure verticali degli organismi edilizi nel prossimo futuro. Infatti un altro scenario che apre aspettative per ottimizzare la captazione dell’energia solare è rappresentato dall’invenzione di una cella solare tridimensionale basata su fibra ottica, che i ricercatori del Georgia Istitute of Technology (Yaguang Wei, Zhong Lin Wang e Benjamin Weintraub) hanno sviluppato utilizzando nanostrutture di ossido di zinco cresciute su fibre ottiche mediante reazione fotochimica. I ricercatori del Georgia Tech School of Materials Science and Engineering hanno così introdotto un nuovo tipo tridimensionale di impianto fotovoltaico. Questa nuova tecnologia potrebbe consentire ai sistemi fotovoltaici di essere fortemente integrabili e ubicabili anche lontano dalle convenzionali posizioni dei manti di copertura. Questa tecnologia consentirebbe di produrre generatori fotovoltaici pieghevoli, nascosti e mobili e, come ha detto Zhong Lin Wang (responsabile della ricerca), la flessibilità della fibra ottica consentirebbe di portare la luce solare attraverso le pareti di un edificio in modo che le nanostrutture trasformino l’energia solare in elettricità; questa soluzione tecnologica fornirebbe agli architetti e designer nuove scelte progettuali per integrare il FV negli edifici.

Il prof. Wang e il suo team di ricerca hanno raggiunto un rendimento a oggi del 3,3 % per cento e sperano di raggiungere il 7-8 %, apportando alcune modifiche alla superficie di captazione della nanofibra. Pur essendo in percentuale inferiore il valore del rendimento ottenuto rispetto alle celle solari al silicio, questo dato potrà essere incrementato, mantenendo un costo inferiore, attraverso l’ampliamento della zona più ampia per la raccolta della luce; la tecnica potrebbe massimizzare la quantità di energia prodotta dalla fonte di luce solare e generare soddisfacenti livelli di potenza anche con luce debole.

La quantità di luce che entra nella fibra ottica può essere aumentata utilizzando lenti per la focalizzazione della luce in arrivo, in quanto la cella solare a base di fibre ha un intensità di saturazione molto alta. Sottolinea il prof. Wang: “(…) potremo eliminare i problemi estetici delle batterie di pannelli fotovoltaici sugli edifici, e potremo anche immaginare applicazioni di impianti fotovoltaici per fornire energia ai veicoli in sosta (…)”, in questo modo aprendo nuovi scenari progettuali, più flessibili e di maggiore integrazione.

Schema di sezione della fibra ottica

Schema di sezione della fibra ottica

Dunque le fibre ottiche sono fasci di luce capaci di convogliare l’energia solare. I fasci di fibre si ottengono unendo svariate fibre ottiche e, tipicamente, a una delle estremità le fibre sono assemblate mentre l’altra è formata da terminazioni a singola fibra. Poiché la terminazione assemblata dovrebbe avere una forma esagonale, il numero delle fibre costituenti il fascio viene definito dalla geometria richiesta. Fasci esagonali di fibre con crescente numero di fibre si ottengono aggiungendo successivi anelli con geometria esagonale intorno alla fibra centrale. Ogni anello successivo è esterno al precedente e contiene sei fibre in più (escluso il secondo): il primo anello a una fibra, il secondo a sei, il terzo a dodici, il quarto a diciotto fibre e così via. Quando il numero di fibre nel fascio cresce, esse possono essere sistemate per ottenere una forma circolare nella terminazione assemblata e il numero di fibre può avere valori al di fuori del calcolo rigoroso relativo alla geometria esagonale.

Le fibre ottiche consentono alte prestazioni nella trasmissione di luce, e ciò sia nella qualità che nella diffusione rispetto allo spettro di luce. I materiali tipici per la produzione delle fibre ottiche sono quarzo, vetro e plastica. Le fibre in quarzo realizzano una ottima trasmissione di luce ma sono costose, specialmente per la produzione di fasci; inoltre le fibre di quarzo risultano molto fragili e rigide. Le fibre in vetro presentano un’attenuazione maggiore della luce rispetto alle fibre in silice (quarzo), ma sono considerevolmente più economiche, e il loro vantaggio è che sono molto più flessibili. In generale la plastica è il materiale preferito per la realizzazione di fasci di fibre, in quanto è pressoché indistruttibile ed estremamente flessibile. D’altra parte le fibre in vetro sono leggermente più rigide di quelle in plastica, ma hanno il vantaggio di consentire minori perdite per trasmissione.

Ogni collettore può essere accoppiato o a una cella fotovoltaica oppure a una fibra ottica (singola fibra o fascio di fibre). Quando il collettore concentra la luce del sole sopra la superficie della cella fotovoltaica, la luce solare viene convertita in energia elettrica che può quindi essere accumulata per impieghi successivi. In caso di accoppiamento in fibra, la luce viene focalizzata dal collettore nella fibra, la quale la trasporta verso il modulo di utilizzazione dove può essere sfruttata come illuminazione per riscaldare l’acqua o convertita, tramite celle FV, in elettricità. In generale le fibre di silice, come precedentemente detto, realizzano una trasmissione migliore di quelle in vetro e queste ultime hanno minori perdite rispetto alle fibre in plastica. Il grande vantaggio delle fibre in plastica e vetro è il loro prezzo contenuto e la altissima flessibilità (raggio di piegatura di pochi cm per fibre di 1.5 mm, mentre una fibra di silice dello stesso diametro ha un raggio di piegatura di 90 cm); inoltre la luce trasmessa dalle fibre in plastica risulta essere più omogenea rispetto all’illuminazione fornita dal fascio di fibre in vetro.

Tecnologia

La biomassa.  L'energia pulita del territorio
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di Luca Mazzari

Con il termine biomasse si intendono i materiali di origine biologica non fossile. Si ricavano dai residui agro-silvo-pastrorali, dalle colture energetiche specializzate, dagli scarti dell’industria agro-alimentare e del legno, dai residui e reflui degli allevamenti zootecnici, nonché dalla parte organica secca dei rifiuti urbani. Possono essere utilizzati come combustibili alternativi, poiché possiedono un potere calorifico che varia da un quarto a un terzo di quello del petrolio, a seconda della tipologia e del grado di umidità relativa.

Il biogas è, invece, una miscela di metano ed anidride carbonica prodotta dalla decomposizione in assenza di ossigeno di materiale organico umido. Si forma spontaneamente nei depositi di materiale organico coperti da fango o acqua, all’interno di discariche di rifiuti urbani o dove si decompongono i fanghi biologici provenienti dai depuratori delle acque reflue. Ha un potere calorifico pari a circa la metà del gas naturale e può essere utilizzato sia per il suo contenuto chimico sia per quello energetico, attraverso la combustione.

Biomasse e biogas sono considerate fonti rinnovabili il cui utilizzo (combustione), pur essendo sempre associato all’emissione di anidride carbonica (che contribuisce all’effetto serra), è “neutro” sull’ambiente in quanto l’origine dei materiali deriva dalla fotosintesi clorofilliana, che utilizza la stessa quantità di anidride carbonica per convertire le radiazioni solari in energia chimica nelle piante. La CO2 emessa dalla combustione di biomasse o biogas altro non è che la restituzione della CO2 originariamente sottratta all’atmosfera. Le biomasse vengono utilizzate in maniera del tutto simile ai combustibili tradizionali. In alcuni casi vengono miscelate a carbone o lignite ed utilizzate nelle grandi centrali termoelettriche, contribuendo alla generazione di energia senza rendere necessari particolari investimenti in nuovi impianti specializzati. Le differenze più evidenti tra le diverse tipologie di combustibile utilizzato, gas, olio, carbone o biomasse, sono dovute ai sistemi di immissione e di combustione nella caldaia. Il principio è simile a quello di un camino domestico e la combustione sviluppa fiamme alte che necessitano di grandi volumi per completare la reazione chimica. Nel caso di combustibili liquidi o gassosi si utilizzano appositi bruciatori progettati per iniettare il fluido in prossimità della fiamma, che è più omogenea e compatta, consentendo di realizzare caldaie più piccole. In questo caso la similitudine è con i fornelli da cucina.

L’approvvigionamento della biomassa ed il suo trasporto rappresentano ancora il principale ostacolo allo sfruttamento da coltivazioni intensive. La frammentazione dell’offerta pone, poi, problemi di affidabilità degli interlocutori nel lungo termine. Per realizzare un investimento che vale decine di milioni di euro e, specialmente, per ottenere finanziamenti dalle banche, è necessario ancorare al progetto accordi vincolanti di lungo periodo (15-20 anni) per la disponibilità e il prezzo del combustibile, nonché per la distribuzione dell’energia elettrica prodotta. Nel sud dell’Europa i progetti commerciali per l’utilizzo delle biomasse stentano a partire poiché non esiste un’industria del legno molto sviluppata, né grandi latifondi in grado di fornire le necessarie garanzie bancarie a copertura degli impegni di lungo periodo.
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Il costo dell’approvvigionamento delle biomasse incide per oltre due terzi del valore del prodotto, rendendo allo stato attuale, queste centrali poco competitive, confrontandole non solo con il valore di mercato dell’energia elettrica alla fonte, ma anche con i valori sovvenzionati dell’energia rinnovabile in Italia, inclusivi di certificati verdi.

La condizione degli impianti che ricevono la biomasse senza oneri di costo, perché localizzati, ad esempio, a bocca di segheria, e che quindi smaltiscono residui di lavorazione, è diversa. La combustione diretta non è l’unica alternativa all’utilizzo della biomasse. Sono state messe a punto anche tecnologie innovative, quali la pirolisi e la gassificazione, e si sono sperimentate macchine diverse per l’utilizzo del gas prodotto, quali motori a combustione interna (derivati da quelli delle auto), turbine a gas, addirittura celle a combustione.

Altro discorso è ciò che avviene per il materiale organico contenuto nelle discariche. Questo fermenta lentamente ad opera di microrganismi anaerobici, che degradano i rifiuti, sprigionando, come sottoprodotto, il biogas, che se non viene estratto in maniera opportuna, migra verso la superficie per poi disperdersi nell’atmosfera. A seconda delle condizioni climatiche e della tipologia dei rifiuti che contiene una discarica essa può produrre biogas in quantità apprezzabili per 20-30 anni dopo che ne è stata ultimata la copertura. Le moderne discariche sono ora dotate di un sistema di pozzi che aspirano il gas in profondità convogliandolo poi in apposite torce o verso dei motori (solitamente di tipo a combustione interna, quelli che si usano nelle automobili e nei camion) che sfruttano il potere calorifico del biogas per azionare un alternatore elettrico. Il recupero energetico da biogas non si limita al gas prodotto nelle discariche di rifiuti urbani. Anche i fanghi provenienti dagli impianti di depurazione delle acque reflue possono essere trattati in appositi digestori anaerobici, che danno luogo a biogas, utilizzabile per produrre energia elettrica di cui gli impianti di trattamento delle acque sono intensi consumatori.