La generazione distribuita di energia elettrica

Sin dalla metà degli anni '90 una delle strade da percorrere per ridurre le emissioni di CO2 ed inquinanti in atmosfera,  garantendo al contempo all'umanità la sempre crescente richiesta di energia,  è stata individuata in quella che si è soliti definire "generazione distribuita" di energia elettrica, che prende tale nome in contrapposizione alla classica schematizzazione del sistema di produzione di energia elettrica, che prevede poche grandissime centrali ed una fitta rete di trasporto. 

I vantaggi principali di prevedere la dislocazione sul territorio di tante piccole centrali di produzione dell'energia rispetto a quella classica sono diversi: 

• l'eliminazione delle perdite legate al trasporto dell'energia attraverso la rete elettrica ed alla necessità di portare l'elettricità prima ad altissima tensione e poi, gradualmente a bassa tensione;
• la possibilità di recuperare il calore dai gas di scarico degli impianti, che altrimenti andrebbe semplicemente disperso in atmosfera, realizzando impianti di cogenerazione, laddove possibile, con il conseguente enorme incremento degli indici energetici legati al primo principio della termodinamica;
• la possibilità di sfruttare fonti rinnovabili o biomasse direttamente laddove siano disponibili ( fattorie eoliche in prossimità di luoghi particolarmente favorevoli dal punto di vista meteo, centrali a biomasse in prossimità di centri industriali i cui scarti di produzione sono costituiti da materiali legnosi).

A far da contraltare alla possibilità di produrre energia elettrica in loco, utilizzando combustibili tradizionali od alternativi, gli aspetti positivi principali sono

• la difficoltà, sopratutto per quanto riguarda la realtà italiana, nel poter costruire impianti di generazione distribuita per centri abitati di nuova costruzione, con rete di teleriscaldamento, limitando di fatto tali interventi ai complessi industriali;
• la poca comprensione da parte della politica locale e della popolazione riguardante il fatto che tante piccole fonti di inquinamento distribuite contribuiscono di fatto a ridurre le emissioni inquinanti nel "sistema Italia" rispetto alle poche, gigantesche, centrali localizzate. 

 Va scritto che, con l'avanzamento tecnologico di turbine a gas e motori alternativi a combustione interna di piccola taglia, negli ultimi anni, grazie sopratutto alla possibilità di accedere, a seconda degli anni, a finanziamenti a fondo perduto, vantaggi fiscali o benefici economici, sono stati realizzati diversi impianti di piccola e media taglia sul territorio nazionale, la maggior parte dei quali destinata a fornire energia elettrica e termica, grazie alla cogenerazione, a quelle aziende il cui processo industriale garantiva, per i consumi di calore ed elettricità, un ritorno dell'investimento economico in pochi, pochissimi anni ( buona parte dei pastifici, ad esempio, è al giorno d'oggi dotata di impianti di cogenerazione).
Di fatto l'installazione di pannelli solari per la produzione di energia elettrica costituisce uno degli esempi di micro-generazione distribuita.  In un futuro prossimo si auspica che l'energia elettrica utilizzata giunga solo in piccola parte dalle grandi centrali termoelettriche e che buona parte possa provenire da impianti localizzati che possano sfruttare le fonti rinnovabili (eolico e  solare), quelle ad emissioni di CO2 durante il ciclo di vita nulle (biomasse ottenute da colture energetiche o da scarti di produzione industriale/agricola) o i combustibili fossili tradizionali (metano, gpl ma anche benzine e diesel) in maniera ottimale, grazie a impianti di produzione di energia elettrica, di cogenerazione o trigenerazione, che possano adottare micro e mini turbine a gas o motori alternativi a combustione interna ad alto rendimento e basse emissioni o  sistemi ibridi che possano accoppiare motori a combustione interna con stack di celle a combustibile.
In tale prospettiva si avrà una notevole riduzione delle emissioni inquinanti su tutto il territorio nazionale ed una razionalizzazione dell'energia elettrica, con una notevole riduzione delle perdite legate alla rete di trasporto ed alla difficoltà, oggettiva, di poter regolare i grossi impianti termoelettrici.
Appare ovvio che, in questo contesto, sia antidiluviano, oltre che antieconomico, discutere nel 2010 di costruzione di centrali nucleari, in quanto tali impianti, ancorchè ultra sicuri, hanno un costo legato all'intera vita della struttura enorme, in quanto ai notevoli costi di progettazione e realizzazione vanno aggiunti i costi legati alla sicurezza e quelli, da distribuire nell'arco di centinaia di anni, di dismissione della centrale una volta divenuta antiquata e dello stoccaggio delle scorie nucleari.
 Un futuro sostenibile non può prescindere dal passaggio dall'attuale sistema di produzione centralizzata dell'energia elettrica ad uno distribuito, i cui impianti possano utilizzare esclusivamente fonti rinnovabili. Il doveroso ed ovvio passaggio intermedio nel breve periodo è quello di spingere per una generazione distribuita attraverso impianti a basse emissioni, anche se ancora legati ai combustibili fossili.

note a margine:
La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e termica, quest'ultima ottenuta direttamente , gratis, dal recupero del calore contenuto nei gas di scarico e nei circuiti di raffreddamento e lubrificazione, che normalmente va disperso in atmosfera.
La trigenerazione è una particolare forma di cogenerazione in cui è previsto l'utilizzo del calore recuperato sia per alimentare utenze "calde" che "fredde", attraverso  assorbitori.
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Formula 1: le novità del 2010: regolamento e scuderie al via

Il campionato di Formula 1 è alle porte e non è facile immaginare, alla luce dell'eseguità dei test "invernali" e del fatto che ad oggi alcune scuderie non hanno ancora provato le proprie vetture su strada od addirittura non hanno ancora presentato alla stampa i propri team, cosa accadrà da marzo in poi. Modificare continuamente le regole in maniera radicale non offre possibilità allo spettatore di comprendere quali siano le reali forze in gara, nè di cogliere il significato dei tempi e delle dichiarazioni fatte da piloti e team manager in questi giorni.
Per quanto riguarda il regolamento, le due modifiche che maggiormente hanno inciso sulla progettazione delle vetture sono ovviamente l'eliminazione della possibilità di effettuare rifornimenti di carburante e l'aumento - di conseguenza - del peso minimo delle autovetture, portato a 620 kg. Spazio quindi a vetture più lunghe che possano montare serbatoi tali da garantire ai piloti di giungere senza rischi al traguardo. Anche se ancora previsto dal regolamento, grazie ad un accordo fra le scuderie aderenti alla FOTA (tutte) si è deciso di accantonare l'utilizzo del KERS per quest'anno, mentre da regolamento alcune modifiche introdotte per ridurre i costi di progettazione riguardano la tipologia di test da effettuare in galleria del vento. Restano pochi i test su strada possibili a norma di regolamento, mentre ancora in questi giorni si discute di possibili cavilli ulteriori riguardanti i treni di gomme.
L'arrivo di Todt al comando della FIA ha portato una novità non da poco per quanto riguarda l'attribuzione dei punti a fine gara, in quanto per questo 2010 l'assegnazione dei punteggi sarà la seguente: 25-18-15-12-10-8-6-4-2-1 per i primi dieci classificati.
Per quanto riguarda le aspirazioni di inizio stagione, appare evidente che ci sono quattro scuderie che, senza dati alla mano e senza alcun riferimento cronometrico che possa garantire reali confronti, sono "candidate" alla vittoria finale: 

• la nuova nata Mercedes, che allo staff della Brawn Gp dominatrice del campionato scorso ha aggiunto il proprio know how ed il miglior pilota di tutti i tempi che, ancorchè quarantunenne, resta il  principale interprete di questo sport ed uno dei pochi in grado di rendere disponibili a meccanici ed ingegneri quelle "sensazioni di guida" grazie alle quali è possibile sviluppare correttamente la vettura nel corso del campionato.
• la Red Bull Racing, che l'anno scorso, imbroglio diffusore a parte, aveva presentato la macchina meglio progettata dell'intero parco F1 e che ripresenta come prima guida Sebastian Vettel, a detta di molti novello Schumi.
• La McLaren che ha 'perso' la Mercedes ma che può comunque contare sui  due ultimi campioni del mondo (Hamilton e Button).
• la Ferrari, che si è liberata del  fantasma finlandese del Raikkonen che aveva vinto un titolo al suo primo anno in rosso e che vuole ritornare nelle prime posizioni in classifica. L'arrivo di Alonso ha portato capitali nuovi ( banco di Santader ) e tante speranze per l'enorme numero di tifosi. 

Dietro questo quartetto troviamo diversi possibili outsider che potranno interpretare la stagione in maniera diversa in base a quanto saranno vincenti le soluzioni tecniche , talvolta estreme, adottate e da quanto le prime quattro della classe riusciranno a confermare le attese. In questa lista spiccano la Renault e la rinnovata Sauber, ritornata alla denominazione originale dopo l'addio alla formula uno da parte della Bmw.    La Toro Rosso, dal canto suo, ha confermato per il 2010 la coppia Buemi - Alguersuari.

Chi spera di migliorare rispetto all'anno scorso è lo staff della Williams, mentre in Force India c'è voglia di confermarsi dopo alcuni risultati del tutto inattesi ottenuti a fine 2009.   A meno di un mese dal fatidico "accendete i motori" le scuderie hanno oramai  svelato le proprie autovetture, anche se non tutte hanno già partecipato ai primi test.

Della Virgin, di proprietà dell'eccentrico miliardario, si sa che è stata interamente progettata utilizzando analisi fluidodinamica computazionale (CFD) tridimensionale, senza alcun modello in scala in galleria del vento.

Della USF1 (o USGPE) l'unica certezza al momento è che uno dei piloti sarà argentino, Jose Maria Lopez, che porta in dote come sponsor la nazione Argentina.  Al momento non si sa ancora se sarà sulla griglia di partenza al primo GP o se utilizzerà la possibilità, concessa dai massimi vertici della federazione dell'automobile, di "saltare" fino a tre gran premi durante una stagione.

Per quanto riguarda la Lotus, scuderia di proprietà malese che ha rilevato il marchio storico legato a tanti successi degli anni passati,  i piloti Trulli e Kovalainen avranno nei prossimi test la possibilità di provare la nuova vettura.
Il campionato è alle porte, che vinca il migliore, sperando che lo spettacolo sia all'altezza del numero di piloti vincitori del mondiale in gara e del numero di scuderie partecipanti.

Motore HCCI a carica omogenea ad accensione per compressione

La necessità di individuare tipologie di motori per autotrazione che possano garantire al contempo elevate prestazioni ed emissioni quanto più contenute possibili di inquinanti, in particolar modo ossidi di azoto ( i famigerati NOx) e particolato (indicato in genere con la sigla PM seguita da un numero riguardante le dimensioni dei diametri delle particelle), sta portando le case produttrici e gli enti di ricerca privati e statali a studiare processi di combustione che possano  avvicinarsi agli obiettivi prefissati.  Un motore HCCI ( acronimo anglosassone per homogeneus charge compression ignition - accensione per compressione di una carica omogenea) è una delle alternative tecnologicamente più interessanti a quelli che comunemente chiamiamo motori a benzina (ad accensione comandata) o diesel ( ad accensione per compressione), essendo, di fatto, una via intermedia fra le due tipologie di motore.  Affinchè si possa avere tale processo di combustione, è necessario che combustibile e comburente siano al contempo ben miscelati e compressi in modo tale che la carica, omogenea, possa autoaccendere in tutti i punti della camera di combustione al raggiungimento delle dovute condizioni di pressione e temperatura. 

In un HCCI si hanno sia un'alta temperatura dei reagenti che un salto di temperatura durante il processo contenuto grazie all'adozione di miscele "lean" (magre) ed alla presenza di diluizione con inerti, tramite sistemi di ricircolo dei gas combusti, meglio noti come EGR.

Un HCCI presenta condizioni comuni sia ai motori "OTTO" (la premiscelazione) che a quelli "DIESEL" ( l'accensione per compressione, ovvero l'assenza di innesco tramite candela).  Lo scopo di chi sperimenta l'utilizzo degli HCCI è del resto quello di ottenere prestazioni simili a quelle di un Diesel in termini di rendimento con le emissioni di un motore "Spark ignition". 

La differenza fondamentale con i motori ad accensione per compressione è che, mentre in questi ultimi la combustione si innesca nella periferia in singole gocce a cavallo del punto morto superiore (PMS), per gli HCCI la stessa condizione di omogeneità della carica fa sì che, in condizioni di pressione e temperatura tali da avere autoaccensione, la combustione inizi in diverse zone contemporaneamente. 

Questo fa sì, insieme alle caratteristiche cui sopra si è accennato, che la combustione in un HCCI proceda in maniera quanto più uniforme possibile, senza sbalzi di temperatura, in condizioni note come "flameless", ovvero "senza fiamma".  In assenza di picchi di temperatura è bassa la velocità di produzione degli ossidi di azoto ed al contempo elevata la probabilità che vengano emessi in atmosfera prodotti intermedi di combustione quali CO ed idrocarburi incombusti, a causa della non competa combustione per assenza di alte temperatura di questi. 

La peculiarità degli HCCI di avere una combustione che si sviluppa in maniera uniforme e che inizia in vari punti della camera di combustione costituisce insieme un pregio ed un difetto, dato che appare evidente quanto sia difficile controllare un fenomeno del genere e quanto, in un utilizzo ciclico, legato al funzionamento di una autovettura, sia difficile al variare del carico e del regime rotazionale del motore, ottenere le condizioni di autoaccensione all'istante voluto per una determinata condizione operativa. 

E' evidente che da un punto di vista strettamente costruttivo, un HCCI può essere progettato affinchè le condizione di autoaccensione si raggiungano come desiderato nel punto di progetto, mentre appena ci si discosta da questo è necessario adottare validi sistemi di controllo di tutti i parametri del motore che influenzano l'inizio del processo di combustione (rapporto di compressione, temperatura e pressione della carica, rapporto Aria/combustibile, portata di egr, etc.). L'utilizzo di sistemi di controllo delle valvole a fasatura variabile quali i VVT e i VVA, accanto ad altri sistemi innovativi, potrà coadivuare nel garantire un corretto funzionamento al variare del carico. 

Va sottolineato che allo stato attuale NON esistono in commercio veicoli che utilizzano tale sistema di combustione, mentre diversi sono i prototipi già su strada. Va inoltre ricordato che nelle sperimentazioni in corso  si è optato per far funzionare il motore in regime HCCI solamente per ristretti campi di utilizzo ed a carichi bassi, in modo tale da essere aiutati dalla presenza di miscela magra, mentre nei prototipi ad un certo punto, all'aumentare del carico, il motore inizia  a funzionare "ad accensione comandata", entrando in funzione una candela.  Stante la necessità di garantire che la miscela diventi omogenea nel minor tempo possibile, l'utilizzo maggiore di questi motori è fatto utilizzando come combustibile benzina piuttosto che gasolio, essendo la prima altamente volatile.

In ultimo, su youtube sono disponibili diverse animazioni relative ad alcuni motori sperimentali che utilizzano questa tecnologia, eccone un esempio di come funzione un HCCI: