Fonti di energia rinnovabili e tecnologie per il loro utilizzo
L’energia è definita come la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro. Le fonti energetiche presenti in natura raramente consentono il loro sfruttamento diretto (energia primaria1), e richiedono alcune trasformazioni necessarie per agevolarne il trasporto dai luoghi di produzione ai siti di consumo.
Un esempio
Un classico esempio è quello della filiera del petrolio. Quest’ultimo, dopo essere stato raccolto dal pozzo di estrazione, viene inviato a centri di raffinazione dove, mediante processi termochimici, viene convertito in vettori energetici quali benzine, gasoli ed oli combustibili.
Da vettore energetico ad energia finale
In generale un vettore energetico, una volta consegnato al consumatore, viene denominato energia finale. Ed è qui, nei siti di consumo, che avviene l’ultima trasformazione da energia finale a energia utile, ovvero:
- energia meccanica;
- energia termica;
- energia luminosa.
Ad ogni trasformazione energetica è associato un rendimento di conversione. Infatti nonostante il primo principio della termodinamica affermi che l’energia si conserva (oltre a stabilire l’equivalenza metrologica tra calore e lavoro), il secondo principio definisce e conferma la degradazione nel passaggio da una forma all’altra.
È possibile riassumere quanto detto poc’anzi con il diagramma di Figura 1.
Qui sotto sono descritte alcune tecnologie che consentono di trasformare le fonti di energia rinnovabili in energia utile per l’utilizzo quotidiano.
Fotovoltaico
La cella fotovoltaica converte direttamente la radiazione solare in energia elettrica e rappresenta l’elemento base con il quale vengono realizzati gli impianti fotovoltaici.
Il principio fisico sul quale si basa il funzionamento di questi dispositivi è l’effetto fotovoltaico scoperto a metà del 1800 da Becquerel. Le prime celle fotovoltaiche in silicio caratterizzate da un rendimento del 5% circa sono state realizzate agli inizi del 1900.
A partire dagli anni ’60 e ’70 del secolo scorso le celle fotovoltaiche hanno subito un ulteriore sviluppo nelle applicazioni spaziali ed in molti altri settori fino ad approdare nel settore residenziale vero la fine degli anni ’90.
Solare termico
Gli impianti solari termici sono rappresentati dai dispositivi di conversione dell’energia solare in energia termica attraverso il riscaldamento di acqua, aria o altri fluidi di processo.
L’attuale impiego prevalente è senz’altro legato alla produzione di acqua calda sanitaria, ma risultano anche in progressiva diffusione le applicazioni degli impianti solari termici nel settore del riscaldamento degli ambienti e della produzione di energia termica per usi di processo. Nell’ambito degli impianti solari termici si distingue fondamentalmente fra collettori solari ad acqua e collettori solari ad aria.
Pompa di calore
Il trasferimento di calore avviene spontaneamente da un ambiente caldo ad uno freddo, mentre il trasferimento da una sorgente fredda a una calda è un processo non spontaneo, e richiede energia. In quest’ultimo caso viene impiegato un ciclo inverso.
Opportuni cicli inversi possono costituire il riferimento ideale per cosiddette installazioni o macchine generatrici, che rendono disponibile un effetto termico esterno non conseguibile spontaneamente, e cioè:
- asportare con continuità calore da una sorgente (sistema, corpo) a temperatura inferiore di quella dell’ambiente naturale esterno; si parla allora di macchine frigorifere o impianti di refrigerazione;
- rendere disponibile per utilizzazione esterna calore prelevato da una sorgente termica a temperatura inferiore; si parla allora di pompe di calore.
È naturalmente anche possibile realizzare macchine a ciclo termodinamico che agiscono contemporaneamente da refrigeratori e pompe di calore.
Biomassa
Con il termine biomassa si definisce una categoria di composti, di natura anche molto diversa fra loro, caratterizzati da una matrice di tipo organico, prodotti da organismi viventi (vegetali o animali).
In termini del tutto generali, le biomasse traggono origine dal processo di fotosintesi clorofilliana e costituiscono pertanto un’importante fonte di energia rinnovabile direttamente derivata dall’energia solare.
In tal senso, non sono biomasse i combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale), che pure si sono formati nel corso di milioni di anni a partire da sostanze organiche vegetali ed animali, e i loro derivati (come per esempio le plastiche).
