Un progetto per l'Energia Nuova:

INDICE

Capitolo 1 : Impianto Fotovoltaico

1.a - Cos’è un impianto fotovoltaico

1.b - Dove può essere installato

1.c – Quanta elettricità produce

1.d – Quanti anni può funzionare

1.e – Autorizzazioni per l’installazione

1.f – Costi di un impianto fotovoltaico

1.g – Incentivi per l’installazione

1.h – Il Net Metering

1.i - Informazioni sui componenti dell’impianto

1.j – Funzionamento impianto fotovoltaico

Capitolo 2 : La Geotermia: Concetti Generali

2.a – Pompa di calore geotermica per condizionamento

2.b – Il ciclo di riscaldamento

2.c – Dimensionamento

2.d – Sistema a circuito chiuso

2.e – Considerazioni sull’installazione

2.f – Principio di funzionamento di una pompa di calore

2.g – Efficienza

Capitolo 3: Applicazione degli impianti descritti: Progetto I.I.S.N.Machiavelli, sede di Via Rivoltana

3.a – Planimetria edificio e giardini

3.b – Impianto fotovoltaico

3.c – Dati inerenti l’impianto

3.d – Impianto geotermico

Conclusioni

CAPITOLO 1

IMPIANTO FOTOVOLTAICO

1.a.  Cos’è un impianto fotovoltaico

E’ un impianto per la produzione dell’energia elettrica.

La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente l’energia solare incidente sulla superficie terrestre in energia elettrica, sfruttando le proprietà del silicio, un elemento semiconduttore molto usato in tutti i dispositivi elettronici.

Principali vantaggi degli impianti fotovoltaici:

Assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante;

Risparmio dei combustibili fossili;

Estrema affidabilità poiché non esistono parti in movimento (vita utile > 25 anni);

Costi di manutenzione ridotti al minimo;

Modularità del sistema (per aumentare la taglia basta aumentare il numero dei moduli).

Principali Svantaggi dei sistemi fotovoltaici :

Variabilità e aleatorietà della fonte energetica (irraggiamento solare);

Elevata superficie occupata rispetto alla potenza installata;

Elevato costo iniziale degli impianti.

Principali Applicazioni dei sistemi fotovoltaici:

Impianti per utenze collegate alla rete in bassa tensione;

Centrali fotovoltaiche, generalmente collegate alla rete in media tensione;

Impianti per utenze isolate dalla rete che prevedono l’utilizzo di batterie (rifugi, pozzi, sistemi di segnalazione stradale navale, etc..);

Piccole reti isolate per l’alimentazione di villaggi di limitate estensione non raggiunti dalla rete elettrica.

Le due tipologie di impianti fotovoltaici collegati alla rete possono essere distinte in base alla loro potenza; fino a 20 KWp (KiloWatt di picco) si parla di piccoli impianti, oltre si parla di centrali fotovoltaiche.

Il presente documento ha lo scopo di fornire una panoramica di queste due applicazioni.

Impianti fotovoltaici con potenza non superiore a 20 KWp.

Tali impianti sono particolarmente indicati per installazioni su immobili di privati cittadini, di attività commerciali e di piccole Aziende.

L’energia prodotta è generalmente destinata a ridurre i prelievi dalla rete ed i conseguenti costi sostenuti per la fornitura di energia elettrica. L’esercizio richiede una limitata manutenzione e minimi oneri di gestione.

Impianti fotovoltaici con potenza superiore a 20 KWp.

Tali impianti vengono realizzati principalmente da imprese interessate alla produzione di energia elettrica sia per l’autoconsumo che per la vendita.

I costi di gestione connessi all’esercizio dell’impianto crescono,

arrivando a comprendere alcuni oneri fiscali e la gestione del contratto di vendita dell’energia, mentre la manutenzione rimane comunque limitata.

A volte l’installazione di questa tipologia di impianto richiede dei costi aggiuntivi per la realizzazione di una linea elettrica idonea al trasporto dell’energia prodotta.

1.b.  Dove può essere installato

I moduli fotovoltaici possono essere collocati su tetto (sia piano che a falda) su facciata o a terra.

La decisione in merito alla fattibilità tecnica si basa sull’esistenza nel sito di installazione dei seguenti requisiti, che dovranno essere verificati dal progettista/installatore in sede di sopralluogo:

Disponibilità dello spazio necessario per installare i moduli (per ogni KWp di potenza installata occorrono circa 8 mq di moduli);

Corretta esposizione ed inclinazione della suddetta superficie. Le condizioni ottimali per l’Italia sono:

Esposizione sud (accettata anche sud/est, sud/ovest, con limitata perdita di produzione)

Inclinazione 30-35°

Assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento

I componenti di un impianto fotovoltaico

Moduli fotovoltaici:

Sono i pannelli che ospitano le celle fotovoltaiche di silicio, che può essere mono cristallino, policristallino o amorfo. Ogni modulo converte l’energia solare incidente in energia elettrica in corrente continua, normalmente ha una potenza compresa tra i 125-200 W, occupauna superficie inferiore a 1,5 mq e pesa circa 18 Kg.

Strutture di sostegno dei moduli.

Sono le strutture che sorreggono i moduli e, in caso di installazione su superficie piana, li orientano dando loro un’inclinazione rispetto al piano orizzontale normalmente, in Italia, di circa 30°. Possono essere in acciaio zincato a caldo o in alluminio, e vengono vincolate sulla superficie di installazione mediante degli ancoraggi o delle zavorre.

Inverter

E’ un dispositivo elettronico che consente di adeguare l’energia elettrica prodotta dai moduli alle esigenze delle apparecchiature elettriche e della rete, operando la conversione da corrente continua a corrente alternata con una frequenza di 50 Hz. Normalmente gli inverter incorporano dei dispositivi di protezione ed interfaccia che determinano lo spegnimento dell’impianto in caso di Black-Out o di disturbi della rete.

Misuratori di Energia

Sono degli apparati che vengono installati sulle linee elettriche e misurano l’energia che li attraversa, ad esempio vengono utilizzati per conteggiare l’energia prodotta dall’impianto e quella immessa in rete.

Quadri elettrici e quadri di collegamento

Quadri, cavi, interruttori ed eventuali ulteriori dispositivi di protezione sono i componenti elettrici che completano l’impianto.

1.c.   Quanta Elettricità produce

La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico può essere sistemata attraverso un calcolo che tiene conto:

Della radiazione solare annuale del luogo;

Di un fattore correttivo calcolato sulla base dell’orientamento, dell’angolo di inclinazione dell’impianto e di eventuali ombre temporanee;

Delle prestazioni tecniche dei moduli fotovoltaici, dell’inverter e degli altri componenti dell’impianto;

Delle condizioni operative dei moduli (con l’aumento della temperatura di funzionamento diminuisce l’energia prodotta);

La potenza di picco di un impianto fotovoltaico si esprime in KWp, cioè la potenza teorica massima che l’impianto può produrre nelle condizioni standard di insolazione e temperatura dei moduli (1000 W/mq e 25°).

Facendo riferimento alle tabelle Phébus ed in relazione al posizionamento geografico nazionale visualizzato nella mappa Phébus si conclude che in Italia centrale un impianto da 1 KWp può contribuire a coprire circa il 40% dei consumi elettrici medi di una famiglia (3000 KWh/anno).

1.d.  Quanti anni può funzionare

Nelle analisi tecniche ed economiche si usa accreditare l’impianto di una vita complessiva di 25 anni.

Se si considerano separatamente i componenti economicamente più rilevanti, si ha:

I moduli monocristallini e policristallini, che attualmente sono la tipologia più venduta al mondo, hanno una durata di vita da 25 a 30 anni, con una diminuzione delle prestazioni energetiche inferiore al 20%. Generalmente la garanzia, fornita dai produttori sul mantenimento di tali prestazioni, arriva a coprire 25 anni. I moduli in silicio amorfo, che sono meno costosi, hanno una perdita di rendimento del 30% nei primi mesi, per poi stabilizzarsi gradualmente. La tecnologia più recente, quella dei “film sottili”, dovrebbe a breve unire i vantaggi di entrambe le altre tecnologie: Il prezzo basso del silicio amorfo e l’alta efficienza ed affidabilità dei prodotti cristallini.

Gli inverter, apparecchi ad elevata tecnologia, hanno una durata nel tempo abbastanza lunga, ma generalmente inferiore a quella dei moduli; Il loro costo è relativamente contenuto.

Un impianto fotovoltaico è un sistema completamente modulare, e la sostituzione di un qualsiasi componente è generalmente facile e veloce, a condizione che questa sostituzione sia prevista nella fase di progetto.

1.e.   Autorizzazioni per l’installazione

Nei casi in cui l’immobile non sia in una zona sottoposta a vincoli (di tipo ambientale; storico; artistico; paesaggistico……), l’impianto fotovoltaico può essere installato senza alcuna autorizzazione; E’ sufficiente una semplice dichiarazione di inizio attività, come richiesto per qualsiasi tipo di lavoro di manutenzione straordinaria.

Se si tratta di un edificio in costruzione è preferibile integrare l’impianto fotovoltaico nella licenza stessa dell’edificio in costruzione.

Qualora l’impianto venga installato in un’area protetta, bisognerà richiedere all’autorità competente sul territorio (l’ento locale, l’ente parco, la sovrintendenza ai beni culturali…) un “nulla osta”.

E’sempre consigliato d’informarsi presso gli uffici comunali per verificare che non ci siano ulteriori problemi.

1.f.   Costi di un impianto fotovoltaico

Il costo “chiavi in mano” per un installazione standard di un sistema da 1KWp è pari a circa 6500-7000 € (iva 10% esclusa).

La maggior parte del costo è dovuta all’investimento in materiale, di cui i moduli rappresentano la percentuale più alta.

Una corretta preventivazione può essere fatta solamente a  valle di un sopralluogo che valuti accuratamente le caratteristiche del sito di installazione.

Questo perché il costo può variare a seconda che l’installazione avvenga a terra, su fabbricati nuovi o già esistenti, che la posa sia in sovrapposizione o integrazione della copertura, che si debbano sostenere spese per i permessi di costruzione, allacciamento alla rete, cavi che coprono grandi distanze (pannelli-inverter e inverter-quadro utente),

utilizzo di attrezzature durante il montaggio (gru, impalcature).

Il costo annuo di manutenzione è in generale basso, normalmente nelle analisi economiche si stima nell’intorno dell’1% del costo dell’impianto, da conteggiare sull’intera vita. In tale stima sono compresi anche gli eventuali costi di manutenzione straordinaria, dovuti alla riparazione o sostituzione di qualche componente dell’impianto.

Il costo di esercizio dipende dalla taglia dell’impianto. Per impianti con potenza fino a 20KWp è limitato al canone annuo da pagare alla società elettrica per l’installazione e la gestione dei sistemi di misura dell’energia prodotta ed immessa in rete.

1.g.  Incentivi per l’installazione

In Italia, da settembre 2005, è attivo un meccanismo di incentivazione, spesso definito “conto energia” per la produzione di energia elettrica mediante impianti fotovoltaici.

Questo sistema di incentivazione prevede la remunerazione dell’energia prodotta dall’impianto con una tariffa incentivante. Quest’ultima può essere concessa a tutti gli impianti fotovoltaici di potenza compresa da 1 a 1000 KWp, e l’ente predisposto ad erogare questo incentivo è il GRTN (gestore della rete di trasmissione nazionale).

La seguente tabella mostra il valore dell’incentivo nel 2006 a seconda dell’appartenenza dell’impianto ad una fascia di potenza, e alla modalità di utilizzo dell’energia

Sono disponibili, dal 2006 al 2015, incentivi per tutte le richieste ammesse fino ad una potenza cumulata pari a 500 MW.

Nel 2006 gli incentivi saranno concessi fino al raggiungimento di una potenza accumulata annua di 85 MW di cui 60 MW sono dedicati agli impianti con potenza da 1 a 50 KW e 25 MW agli impianti con potenza superiore ai 50 KW.

Altri incentivi per l’installazione di impianti fotovoltaici possono essere erogati dalle regioni o dalle province. Qualora questi siano in conto capitale possono essere cumulati agli incentivi in conto energia solo se la quota di incentivo in conto capitale non supera il 20% del costo dell’impianto.

Altro tipo di incentivi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili sono i “CERTIFICATI VERDI” titoli riconosciuti dal GRTN che possono essere venduti ed acquistati ad un prezzo fissato. Qualora vengono riconosciuti certificati verdi per la produzione di energia elettrica non si possono richiedere incentivi in conto energia.

Esistono inoltre dei titoli di efficienza energetica, chiamati “CERTIFICATI BIANCHI” che possono essere percepiti in funzione dell’energia prodotta da fonti rinnovabili. Anche questi titoli hanno un mercati ed è quindi possibile ottenere degli introiti mediante la loro vendita. Qualora vengano riconosciuti certificati bianchi per la produzione di energia elettrica non si possono richiedere incentivi in conto energia.

1.h.  Il Net Metering

Il “net metering” o “scambio di energia alla pari” è un meccanismo che regola l’immissione ed il prelievo dell’energia elettrica dalla rete (Delibera AEEG 224/2000 e 28/2006).

Possono giovare di questo sistema tutti gli impianti allacciati alla rete che producono energia elettrica mediante l’utilizzo di fonti rinnovabili e che hanno una potenza compresa tra 1 e 20 kW (fotovoltaico, mini-eolico, mini-idro…), per tutta la durata di vita utile dell’impianto.

Il funzionamento è il seguente: l’energia (kWh) prodotta dall’impianto e non assorbita dalle utenze elettriche ( lampade, elettrodomestici, macchinari…) viene immessa in rete e misurata da un apposito contatore. Alla fine dell’anno la società elettrica effettua un conguaglio tra energia assorbita ed energia immessa; al cliente viene rimborsata una quota dell’energia assorbita pari a quella immessa in rete durante l’arco dell’anno.

Non è prevista alcuna remunerazione dell’eventuale saldo positivo dell’energia immessa in rete, risultante dal conguaglio annuale, ma questa quantità di energia elettrica può essere portata a credito per gli anni successivi, fino ad un massimo di tre anni. Se l’impianto è sovradimensionato rispetto ai consumi ed il credito è sistematico esso viene di fatto perduto.

Il Net Metering può essere cumulato con il beneficio proveniente dal meccanismo di incentivo in conto energia.

1.i.    Informazioni sui componenti dell’impianto.

Strutture di sostegno dei moduli

Sono le strutture necessarie per sorreggere i moduli e, in caso di struttura piana si rendono necessari per dare l’inclinazione adeguata, in Italia l’orientamento va dai 26 ai 30 gradi. Possono essere in acciaio zincato a caldo, acciaio inox, alluminio, o blocchi di cemento, e vengono vincolati sulla superficie del tetto mediante degli ancoraggi o zavorre.

Moduli fotovoltaici

Sono i pannelli che hanno installato le celle fotovoltaiche di silicio (monocristallino, policristallino, amorfo). Ogni pannello converte l’energia solare in energia elettrica in corrente continua, normalmente i pannelli hanno potenze da 120W 160W e 210W, ha una superficie inferiore a 1,5 mq ed ha un peso di circa 18-20 Kg senza struttura di sostegno.

Inverter

E’ il dispositivo elettronico che permette di adeguare l’energia elettrica prodotta dai moduli e alle esigenze delle apparecchiature elettriche e della rete, operando a conversione della corrente continua a corrente alternata con una frequenza di 50 Hz.

Le taglie dell’inverter possono essere: 1,1 KWp – 2,2 KWp -  3 KWp – 4KWp – 5KWp – 12,5 KWp – 15 KWp – 20 KWp – 25KWp – 37,5 KWp – 2x25 KWp – 2x37,5 KWp – 125 KWp – 200 KWp – 250 KWp – 400 KWp – 500 KWp.

Mq utili necessari per produrre un KW

Con pannelli da 120 KWp 8,33 mq

Con pannelli da 160 KWp 6,25 mq

Con pannelli da 210 KWp 4,76 mq

Costo al KW dei pannelli

Circa 7.000 € / KWp escluso la quota assicurazione e manutenzione, se si includono queste due voci il costo sale a circa 8.000 € / KWp.

Fattori di riempimento della superficie

Dipende dalla tipologia di esposizione e comunque varia dal 90% al 50% dello spazio a disposizione.

1.j.   Funzionamento impianto fotovoltaico.

Effetto fotoelettrico

L'effetto fotoelettrico rappresenta l'emissione di cariche elettriche negative da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica.

Tale effetto, oggetto di studi da parte di molti fisici, è stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce.

L'esperimento di Lenard

Apparato sperimentale di Lenard

L'effetto fotoelettrico fu rivelato da Hertz nel 1887 nell'esperimento che egli fece per generare e rivelare onde elettromagnetiche; in quell'esperimento, Hertz usò uno spinterometro in un circuito accordato per generare onde e un altro circuito simile per rivelarle. Nel 1900 Lenard studiò tale effetto, trovando che la luce incidente su una superficie metallica ne fa uscire elettroni, la cui energia non dipende dall'intensità della luce. I suoi risultati furono pubblicati sul vol. 8 di Annalen der Physik.

Quando la luce colpisce una superficie metallica pulita (il catodo C) vengono emessi elettroni. Se alcuni di questi colpiscono l'anodo A, si misura della corrente nel circuito esterno. Il numero di elettroni emessi che raggiungono l'anodo può essere aumentato o diminuito rendendo l'anodo positivo o negativo rispetto al catodo.

Detta V la differenza di potenziale tra A e C, si può vedere che solo da un certo potenziale in poi (detto potenziale d'arresto) la corrente inizia a circolare, aumentando fino a raggiungere un valore massimo, che rimane costante. Questo massimo valore è, come scoprì Lenard, direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente. Il potenziale d'arresto è legato all'energia cinetica massima degli elettroni emessi dalla relazione

dove m_e è la massa dell'elettrone, v la sua velocità, e la sua carica.

Ora, la relazione che lega le due grandezze è proprio quella indicata perché se V è negativo, gli elettroni vengono respinti dall'anodo, tranne se l'energia cinetica consente loro, comunque, di arrivare su quest'ultimo. D'altra parte si notò che il potenziale d'arresto non dipendeva dall'intensità della luce incidente, sorprendendo lo sperimentatore, che si aspettava il contrario. Infatti, classicamente, il campo elettrico portato dalla radiazione avrebbe dovuto mettere in vibrazione gli elettroni dello strato superficiale fino a strapparli al metallo. Usciti, la loro energia cinetica sarebbe dovuta essere proporzionale all'intensità della luce incidente e non alla sua frequenza, come sembrava sperimentalmente.

Effetto fotovoltaico

L'effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.

Aspetti teorici

L'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Becquerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche. La teoria fisica che spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico ne rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il premio Nobel. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone viene chiamata in questo caso lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale.

L'utilizzo nelle celle fotovoltaiche

Questo fenomeno viene usualmente utilizzato nella produzione elettrica nelle celle fotovoltaiche. Il meccanismo di funzionamento si basa sull'utilizzo di materiali semiconduttori. Infatti, nel caso di materiali isolanti, il band gap risulta troppo elevato per poter essere eguagliato dall'energia del fotone incidente, mentre per i materiali conduttori l'energia del band gap è piccolissima, quindi a temperatura ambiente c'è una continua creazione e distruzione di coppie elettrone-lacuna e l'energia necessaria alla creazione viene fornita direttamente dalle fluttuazioni termiche. Quando un flusso luminoso investe invece il reticolo cristallino di un semiconduttore, si verifica la transizione in banda di conduzione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde un egual numero di lacune che passa in banda di valenza.

Si rendono pertanto disponibili portatori di carica, che possono essere sfruttati per generare una corrente. Per realizzare ciò è necessario creare un campo elettrico interno alla cella, stabilendo un eccesso di atomi caricati negativamente (anioni) in una parte del semiconduttore ed un eccesso di atomi caricati positivamente (cationi) nell’altro. Questo meccanismo si ottiene mediante drogaggio del semiconduttore che generalmente viene realizzato inserendo atomi del terzo gruppo come ad esempio il boro e del quinto gruppo (fosforo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni).

Lo strato drogato con elementi del quinto gruppo, che hanno cinque elettroni esterni (o di valenza) contro i tre di quelli del terzo gruppo, presenta una carica negativa debolmente legata, costituita da un elettrone in eccesso per ogni atomo drogante. Nello stesso modo, nello strato drogato con elementi del terzo gruppo, che hanno invece tre elettroni esterni, si ottiene un eccesso di carica positiva, data dalle lacune degli atomi droganti. Il primo strato, a carica negativa, viene generalmente chiamato strato n, l'altro, a carica positiva, strato p, la zona di separazione è detta giunzione p-n.

È evidente quindi che il materiale risulta essere globalmente neutro, però, mettendo a contatto i due materiali così ottenuti, si viene a verificare un flusso di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in direzione opposta, fino al raggiungimento dell'equilibrio elettrostatico, che determina un eccesso di carica positiva nella zona n, un eccesso di elettroni nella zona p e una regione intermedia detta regione di svuotamento (in inglese depletion region). Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo (detto campo elettrico di built-in) che si estende a cavallo della regione di svuotamento, generalmente spessa pochi micrometri.

A questo punto, se viene illuminata con fotoni la giunzione dalla parte n, vengono a crearsi delle coppie elettrone-lacuna sia nella zona n che nella zona p. Il campo elettrico di built-in permette di dividere gli elettroni in eccesso (ottenuti dall’assorbimento dei fotoni da parte del materiale) dalle lacune, e li spinge in direzioni opposte gli uni rispetto agli altri. Gli elettroni, una volta oltrepassata la zona di svuotamento non possono quindi più tornare indietro, perché il campo impedisce loro di invertire la marcia. Connettendo la giunzione con un conduttore esterno, si otterrà un circuito chiuso nel quale il flusso di elettroni parte dallo strato n, a potenziale maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore sin tanto che la cella resta esposta alla luce.

CAPITOLO 2

LA GEOTERMIA: Concetti generali

2.a. Pompa di calore geotermica per condizionamento

La pompa di calore geotermica utilizza il terreno o l'acqua che si trova nel terreno come fonte o come dispersore di calore. Il trasporto dell'energia termica è effettuato mediante la stessa acqua o mediante un liquido antigelo, eccetto nelle pompe di calore a espansione diretta, in cui si usa un fluido refrigerante che circola nello scambiatore posto nel terreno.

A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall'edificio pompando nel sistema l'acqua fredda o il liquido antigelo, senza l'azione della pompa di calore vera e propria.

Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso. Nel sistema aperto si estrae l'acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d'acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente costruito (e che permetta la rifiltrazione verso il terreno). Nel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante (per le pompe a espansione diretta) o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato.

Nelle pompe di calore a espansione diretta il fluido refrigerante raccoglie il calore dal sottosuolo e quindi entra direttamente nel compressore. Nelle pompe di calore che usano l'acqua o un liquido antigelo si ha una cessione di calore intermedia (dai liquidi detti prima al fluido refrigerante) in un primo scambiatore di calore. In seguito il ciclo prosegue come nelle pompe di calore ad aria.

Come per le pompe di calore ad aria, non è conveniente dimensionare la pompa geotermica per soddisfare tutte le richieste di energia termica di un edificio; conviene dimensionarla per il 60-70% del massimo carico (somma dell'energia termica per riscaldare l'intero edificio e l'acqua calda richiesta dalle utenze), lasciando a un sistema supplementare le richieste occasionali. Così facendo, la pompa viene a fornire il 95% della totale energia termica utilizzata.

La necessità di acqua dal terreno per una pompa di 10 kW è tra 0,45 l/s e 0,75 l/s.

Quando gli spazi sono ristretti, la tubazione è posta verticalmente, in fori di 150 mm (più stretti invece per il sistema a espansione diretta), a una profondità tra i 18 e i 60 m. Di solito sono necessari tra gli 80 e i 110 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
Quando gli spazi sono maggiori, la tubazione è posta orizzontalmente a una profondità tra i 1 e i 1,8 m. Di solito sono necessari tra i 120 e i 180 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.

La tubazione, a parte nel caso dell'espansione diretta in cui è di rame, conviene sia di polietilene o polibutilene serie 100, con i giunti saldati termicamente, così che la durata possa essere tra i 25 e i 75 anni; sempre che il contatto col terreno sia accurato, questi materiali assicurano una buona conduzione termica.

Il costo di installazione può essere fino a 2 volte maggiore di quello di una caldaia tradizionale e dovrebbe essere recuperato, grazie ai risparmi energetici, in un tempo attorno ai 5 anni per essere economicamente attraente. Si tenga presente che le pompe geotermiche permettono mediamente un risparmio del 40% di energia rispetto a quelle ad aria ed hanno un'aspettativa di vita di circa 20-25 anni (maggiore rispetto a quelle ad aria in quanto il compressore è sottoposto a minori sollecitazioni meccaniche ed è protetto dall'ambiente).

2.f. Pompa di calore: funzionamento fisico

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando energia elettrica.

Esempi comuni di macchine di questo tipo sono:

• refrigeratori;
• condizionatori d'aria;
• pompa di calore a compressione di gas;
• pompa di calore termoelettrica a effetto Peltier;
• pompa di calore a scambio geotermico;

Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).

Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi: esso pompa il fluido refrigerante attraverso l'evaporatore, dove appunto evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all'interno del condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito.
Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due radiatori: nell'evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido.

2.g.Efficienza

Quando si confrontano le prestazioni di una pompa di calore, è meglio evitare il termine 'efficienza', in quanto esso ha differenti significati. La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione 'COP', dato dal rapporto tra energia resa (alla sorgente di interesse) ed energia consumata (di solito elettrica). Un valore del COP pari a tre vuol dire, ad esempio, che per ogni KWh d'energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 KWh di calore.

Quando usata per scaldare con un clima mite, una tipica pompa di calore ha un COP da 3 a 4 (mediamente a 10°C raggiunge 3,3, mentre a -8,3°C si ferma a 2,3), mentre una classica stufetta elettrica ha un COP massimo teorico pari a 1. In altre parole 1 joule di energia elettrica permette alla stufetta di dare 1 J di calore, mentre, in condizioni ideali, permette a una pompa di calore di muovere più di 1 J di energia termica da un luogo più freddo a uno più caldo. A volte questo concetto è espresso dai venditori di pompe di calore con la dichiarazione di un'efficienza maggiore del 100%, ma ciò non è accurato, in quanto quel lavoro non produce calore, ma lo muove. Utilizzando come 'stufetta' una Macchina di Carnot in senso inverso (le si fornisce lavoro e si ottiene calore), tra sorgenti a 0 e 20 gradi centigradi, si ottiene un rendimento teorico 'COP' pari a 15, ovvero un rapporto 1:15 tra il lavoro delle resistenze elettriche e il calore ottenuto. Macchine simili sono molto efficienti ma il loro costo d'impianto è particolarmente elevato.
Il processo della pompa di calore non viola la prima legge della termodinamica, perché ci vuole meno energia per muovere il calore che per produrlo, e nemmeno la seconda legge della termodinamica, perché il lavoro richiesto per muovere il calore da bassa ad alta temperatura è maggiore del lavoro che si può ricavare muovendo la stessa energia termica, in senso opposto, attraverso un motore ideale (e questo è il principio che limita il COP). Si fa notare che, quando c'è una notevole differenza di temperatura, per esempio quando si vuole riscaldare una casa in una rigida giornata invernale, è necessario più lavoro per muovere il calore all'interno. Se la pompa di calore è all'esterno e l'evaporatore non è riparato, è possibile che il COP scenda sotto 1 e che l'umidità dell'aria tenda a ghiacciarsi sulle alette del dispositivo (con conseguente obbligo di discioglierla periodicamente). In altre parole, quando fuori fa molto freddo, conviene creare calore all'interno con una stufetta elettrica piuttosto che cercare di portarlo dentro dall'esterno.

In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall'EER (energy efficiency ratio) o dall'SEER (seasonal energy efficiency ratio), migliori quanto più elevati. Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l'EER (o l'SEER). In alcuni stati è richiesto un minimo valore del SEER: per esempio in Canada esso è 13; con l'uso di scambiatori e fluidi refrigeranti più efficienti, uniti a compressori a velocità variabile, si possono raggiungere valori pari a 17.

La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina spreca sempre una parte di energia in calore e questa può essere recuperata come calore di riscaldamento. Questo è il motivo per cui lasciare aperta la porta del frigorifero in una calda giornata estiva porta a scaldare la cucina e non a raffreddarla: infatti il calore assorbito dallo scomparto freddo è riversato nel condensatore posto posteriormente ed aumentato della quota di energia elettrica sprecata in calore. Un frigorifero aperto è essenzialmente un riscaldatore elettrico molto complicato. Per questa ragione si usa una formula diversa per il calcolo del COP in riscaldamento o in raffreddamento. In quest'ultimo non interessa quanto calore è disperso dal condensatore, ma solo quanto calore è estratto dalla zona fredda.

Di seguito si riportano le formule per il calcolo del COP in applicazioni per il riscaldamento e per il raffreddamento.

dove Q_freddo è la quantità di calore estratta da una riserva fredda alla temperatura T_fredda e Q_caldo è la quantità di calore distribuita ad una riserva calda alla temperatura T_calda.

Le pompe di calore commerciali sono attualmente in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi 5 anni da 3 a 4 e, in alcuni casi, perfino a 5. Di conseguenza esse stanno diventando una valida scelta per il riscaldamento domestico, dove sono utilizzate comunemente quelle ad aria e quelle geotermiche, anche in congiunzione con caldaie termiche; a questo proposito si tenga presente che l'aria a -18°C contiene ancora l'85% del calore dell'aria a 21°C. Per le pompe di calore che sfruttano l'aria il COP è limitato quando operano in climi molto freddi, dove c'è meno calore all'esterno da trasferire all'interno di un edificio. Tipicamente il COP scade quando fuori la temperatura scende attorno a -5°C o -10°C. Quando si compra una pompa di calore è importante prestare attenzione al COP, a quale intervallo di temperatura tale COP si riferisce, al costo di installazione della pompa, a quanto calore può trasferire, al rumore generato. Considerata, invece, una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l'acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l'anno sotto a una profondità di 2,5 m, il suo COP è maggiore rispetto alla pompa che sfrutta l'aria ed è costante durante l'anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e più cara.

CAPITOLO 3

APPLICAZIONE DEGLI IMPIANTI DESCRITTI: PROGETTO I.I.S. N. MACHIAVELLI, SEDE DI VIA RIVOLTANA

3.a. Planimetria Edificio e Giardini

3.b. Impianto Fotovoltaico:

In allegato (allegato 1 in fondo al capitolo) il fax inviatomi dall’ufficio utenze della provincia di Milano settore patrimonio - servizio amministrazione stabili contenente i dati dei consumi degli anni dal 2005 al 2007.

3.c. Dati inerenti l’impianto:

• Impianto da 20kwp, massima potenza applicabile per appartenere alla fascia degli incentivi;
• Costo: 176.000 euro compresa IVA;
• Vita utile dell’impianto: 25 anni;
• Localizzazione: nord Italia ( produzione media di 20.000 kwh/annui);
• Ricavi da incentivo: 0,445 euro per kwh prodotto (fino al 20°anno);
• Risparmio sulla bolletta elettrica: 0,18 euro per kwh prodotto;

Utilizzando questi dati ricaviamo che:

• Utile annuo ( ricavi da incentivo + risparmio in bolletta): circa 12.500 euro
• Tempo di ritorno (non attualizzato) dell’investimento: 14 anni circa
• Nei rimanenti 6 anni di incentivi si guadagnano: 75.000 euro

3.d. Impianto geotermico

Utilizzo del riscaldamento ad oggi  è di media di 14 ore al giorno nella stagione che va dal 15 ottobre al 15 aprile dell’’anno.

Stima fabbisogno energetico per funzionamento invernale in riscaldamento

Q [W]	Potenzialità termica massima
n° giorni	Durata stagione di riscaldamento
H	N° ore f.to giorn. Previste
Fabbisogno energetico stagionale riscaldamento [kcal]
HP1 Costi stagionali con produzione tramite generatore di calore a gas metano
Fabbisogno energetico stagionale riscaldamento [kcal]							541.629.309
Gas naturale Potere calorifico inferiore [kcal/mc]							8.222
Rendimento							0,920
Fabbisogno combustibile stagione riscaldamento [mc]							82.345
Costo gas naturale [€/mc]					consumo
					vettoriamento
					imposte
Totale costo annuo periodo riscaldamento (gas)							43.797	€ IVA esclusa
Totale costo annuo periodo riscaldamento (gas)							48.176	€ IVA inclusa (10%)
Totale generale costo annuo periodo riscaldamento (gas+elett.):             51.088 HP2 Costi stagionali con produzione tramite pompa di calore
Fabbisogno energetico stagionale riscaldamento [kcal]							541.629.309
Fabbisogno energetico stagionale riscaldamento [kWh]							629.801
COP (pompa di calore) [kWt/kWe]							4,1
Fabbisogno energia elettrica annua pompa di calore[kWh]							71.101
Fabbisogno di energia elettrica per le pompe							10	kWe
Fabbisogno di energia elettrica per le pompe							25.200	kWh
Fabbisogno di energia elettrica totale [kWh]							96.301
Tot. comprese perdite rete di distribuzione [4%]							100.154
Costo energia elettrica ENEL (costi ENEL in BT) [€/kWh]								IVA inclusa
Totale costo annuo periodo riscaldamento (ELETT)							15.624	IVA inclusa
Riepilogo costi energetici annui per riscaldamento invernale
Hp1: Gen calore a gas metano + pompe centrale							51.088	IVA inclusa
Hp2: Pompa di calore con condensaz. ad aria+pompe centrale							15.624	IVA inclusa
La soluzione HP2 comporta un risparmio energetico rispetto alla soluzione HP1 pari al

CONCLUSIONI

Brano tratto da “Hard Times” di Charles Dickens

“Let us strike the key–note, Cooketown, before pursuing our note. It was a town of red brick, or of brick that would have been red if the smoke and ashes had allowed it; but, as matters stood It was a town of unnatural red and black like the painted face of a savage. It was a town of machinery ad tall chimneys, out of which interminable serpents of smoke trailed themselves forever and ever, and never got uncoiled. It had a black canal in it, and a river that ran purple whit ill-smelling dye, and vast piles of buildings full of windows where there was a rattling and trembling all day long, and where the piston of the steam-engine worked monotously up and down, like the head of an elephant in a state of melancholy madness.”

Estratto dall’articolo E se fosse l’Africa a illuminare l’Europa? dal periodico Newton n.9

“Produrre energia solare negli immensi deserti africani per rifornire di elettricità tutta l’Europa e i paesi del Mediterraneo. E nello stesso tempo dare alle regioni del Sahara un’eccezionale spinta di sviluppo socioeconomico autonomo. Qualche anno fa era il sogno di una manciata di scienziati visionari. Oggi è una possibilità concreta. Anzi di più, è un vero progetto scientifico chiamato Desertec, presentato lo scorso giugno a Roma dai ricercatori del Trans-mediterranea Renewable Energy Cooperation (Trec).

Il progetto ha anche l’appoggio del nobel Carlo Rubbia, che si dedica da qualche anno alla progettazione di impianti capaci di catturare l’energia solare e trasformarla in elettricità.”

Il brano di Dickens fa nascere in noi sentimenti e situazioni negative, ci spinge a sognare e a mirare ad un mondo migliore. Cooketown ci sprona a lavorare per l’ambiente in cui viviamo. Se poi pensiamo a progetti come Desertec, questi ci riempiono di speranza e di voglia di metterci all’opera, perché capiamo che è veramente possibile.

Contrastanti sono quindi le emozioni che ci provocano il conoscere situazioni così diverse come Desertec o Cooketown, perché subito ci caliamo in queste realtà, che non ci lasciano dubbi sulla via da intraprendere.

Per questo, nel mio piccolo e con il mio piccolo progetto per la scuola, ho dimostrato che questo “mondo migliore” è possibile e neanche così lontano.

Con questo mio progetto ho voluto in particolare concretizzare studi fatti e argomenti affrontati durante questi anni di liceo, a partire dalle loro basi matematiche, dalle leggi della fisica, dalle vissute esperienze storiche del passato, ma anche da un insieme di cultura e valori che mi permettono di credere e puntare al futuro, un futuro che posso migliorare anche io nel mio piccolo facendo la mia parte.