La riduzione dei consumi energetici è oggi un tema di grande attualità anche per l'industria elettronica, un settore basato su tecnologie che certamente contribuiscono ad aumentare la sete di chilowattora, ma che possono essere altresì utilizzate per migliorare l'efficienza di macchine e impianti in una grande varietà di applicazioni. In questo articolo esamineremo brevemente le varie facce del rapporto tra elettronica e risparmio energetico, fornendo poi alcuni esempi concreti tratti da settori applicativi molto diversi tra loro.
Il rapporto tra elettronica e risparmio energetico
La complessità del rapporto esistente tra elettronica e risparmio energetico riflette la particolare natura di una tecnologia che ha due anime diverse e inseparabili: l'energia e l'informazione. Ogni sistema elettronico consuma energia, ma d'altro lato le tecnologie di elaborazione dell'informazione basate sull'elettronica possono essere utilizzate per ridurre il fabbisogno energetico in una vasta gamma di applicazioni. Per l'industria elettronica, quindi, la spinta verso il contenimento dei consumi costituisce al tempo stesso un nuovo vincolo e una nuova opportunità.
È possibile distinguere almeno quattro diversi aspetti del rapporto tra l'elettronica e il risparmio energetico.
- Aumento dell'efficienza dei sistemi o impianti finalizzati alla trasformazione e conversione dell'energia - Possono essere inclusi in questa categoria i veicoli (che trasformano l'energia in movimento), i sistemi di illuminazione (che trasformano l'energia in luce), i sistemi fotovoltaici, (che effettuano la trasformazione inversa), gli alimentatori ecc. In tutte queste applicazioni le tecnologie elettroniche possono essere utilizzate per migliorare l'efficienza tramite la realizzazione di meccanismi di controllo: ad esempio dispositivi per la gestione dei motori, per il pilotaggio delle lampade, per la correzione del fattore di potenza negli alimentatori ecc.
- Riduzione dei consumi energetici necessari per l'elaborazione dell'informazione - Nei sistemi elettronici finalizzati all'elaborazione dell'informazione in senso lato (non solo computer ma anche televisori, strumenti medicali ecc.), il consumo energetico è un insopprimibile “effetto collaterale” dell'attività di elaborazione. In queste applicazioni la riduzione dei consumi può essere un obiettivo di per se stessa (poiché consente di tagliare i costi di gestione e l'impatto ambientale), oppure un mezzo per raggiungere altri scopi (generalmente la possibilità di realizzare sistemi portatili sempre più efficienti). Soltanto il primo dei due aspetti è pertinente ai fini di questo articolo. Attualmente, però, l'industria microelettronica appare molto concentrata sul secondo aspetto: oggi l'espressione “low power” è di grandissima attualità in tutte le fiere e conferenze, ma con riferimento pressoché esclusivo alle esigenze dei sistemi portatili.
- Sfruttamento dell'energia “sprecata” - Le tecnologie di “energy harvesting” consentono di alimentare piccoli sistemi elettronici tramite lo sfruttamento di varie forme marginali di energia che sono sempre presenti in ogni ambiente: non solo la luce solare ma anche le differenze di temperatura, il movimento del corpo umano ecc. Attualmente il principale obiettivo di queste tecnologie non è il risparmio energetico bensì i vantaggi pratici derivanti dall'assenza di batterie e di collegamenti con la rete elettrica. Anche in prospettiva è difficile pensare che l'energy harvesting possa consentire risparmi energetici significativi, poiché ovviamente questa tecnologia è applicabile solo a sistemi che consumano pochissimo. Nello spirito della direttiva EuP (si veda il riquadro), però, la soluzione potrebbe divenire interessante considerando il suo impatto complessivo: ad esempio, la minore necessità di produrre e distribuire batterie e cavi in rame.
- Aumento della produttività tramite l'uso dell'Ict - Ogni attività umana ha un proprio corrispettivo in termini di energia consumata e ogni aumento di produttività si traduce quindi - almeno potenzialmente - in un risparmio energetico. Da vari decenni a questa parte, in tutti i settori il principale strumento per l'aumento della produttività è costituito dalla Ict (Information and Communication Technology), cioè da un'applicazione dell'elettronica. Basti pensare, ad esempio, allo scambio di documenti: poter scaricare in pochi secondi un file da Internet richiede certamente meno energia rispetto a quella necessaria per il funzionamento della “filiera dei documenti cartacei”: fabbricazione della carta, spedizione postale tramite camion, smaltimento dei rifiuti ecc.
Nei paragrafi seguenti forniremo una panoramica di esempi riguardanti gli aspetti sopra elencati, con riferimento a settori applicativi molto diversi tra loro.
Il ruolo della domotica
Uno dei tanti possibili esempi dell'impiego di tecnologie elettroniche per aumentare l'efficienza dei sistemi di trasformazione dell'energia riguarda la domotica. Spesso la promozione delle tecnologie domotiche è affidata a messaggi che enfatizzano l'aspetto del maggiore comfort per l'utilizzatore: illuminazione ideale, temperatura ideale, automatismi che compiono operazioni programmate ecc. In realtà l'aggiunta di “intelligenza” all'impianto elettrico può servire anche per ridurre gli sprechi di energia e quindi per ottenere risparmi economici significativi.
Il ruolo della domotica nel risparmio energetico è stato oggetto anche di uno studio condotto recentemente dall'Agenzia per l'Energia e lo Sviluppo Sostenibile di Modena. L'indagine ha preso in considerazione il caso degli edifici scolastici, dove gli sprechi abbondano: in molte scuole le luci rimangono sempre accese, anche in pieno giorno, semplicemente perché nessuno si prende il disturbo di spegnerle. Lo studio ha individuato tre possibili soluzioni per risolvere il problema:
- - un unico programmatore orario per le lampade di tutte le aule, affiancato a dispositivi di spegnimento automatico per i corridoi e i bagni;
- - controllo delle lampade per ogni singola aula, con misura della luce naturale e spegnimento ad aula vuota. In caso di necessità è possibile gestire manualmente le lampade tramite un interruttore a chiave;
- - controllo di ogni singola aula per le lampade e per il riscaldamento, tramite la rete domotica, al fine di programmare diverse temperature nel corso della giornata tenendo conto degli orari delle lezioni.
I risparmi energetici così ottenuti consentono di ammortizzare il costo dei dispositivi di controllo in pochi anni. Una significativa riduzione dei consumi può essere ottenuta anche applicando tecnologie elettroniche di controllo agli impianti di illuminazione stradale. Stando ai dati diffusi recentemente da un'azienda del settore, in Italia esistono nove milioni di lampioni pubblici, che rappresentano il 2% del consumo elettrico totale. Spesso gli impianti di illuminazione pubblica sono vecchi, realizzati male e gestiti male. Ad esempio il cattivo rifasamento è responsabile del 3% del loro costo annuo, stimato in 77 euro per punto luce. Una delle soluzioni utilizzabili per risolvere il problema (proposta dalla società Umpi di Cattolica, RN) si basa sull'uso delle onde convogliate, che sfruttano i cavi dell'alimentazione elettrica. La rete di controllo così realizzata permette di comandare individualmente ogni singolo punto luce, non solo in termini di accensione e spegnimento ma anche di regolazione dell'intensità luminosa. Le installazioni realizzate hanno consentito di ottenere un risparmio totale certificato del 33,2%. Parte di questa riduzione (8,5%) si deve all'uso di un orologio astronomico - al posto del tradizionale “crepuscolare” - per comandare accensione e spegnimento.
La correzione del fattore di potenza
Ancora in tema di miglioramento dell'efficienza nei sistemi di conversione dell'energia, un altro possibile esempio del ruolo dell'elettronica è la correzione del fattore di potenza degli alimentatori. Oggi questa funzione viene svolta da appositi circuiti integrati basati su modulatori Pwm che consentono di modificare la forma d'onda della corrente assorbita, in modo da rendere l'insieme del sistema “alimentatore-carico” il più possibile simile a un carico resistivo. Sebbene il valore numerico del fattore di potenza faccia tuttora riferimento al suo antico significato trigonometrico (il coseno dell'angolo di sfasamento), oggi con i moderni alimentatori a commutazione gli scostamenti tra tensione e corrente non consistono più solo nelle differenze di fase dovute ai carichi induttivi (che un tempo venivano corrette tramite i condensatori di rifasamento); la situazione è molto più complessa e comprende le alterazioni della forma d'onda, cioè la presenza di armoniche. Altri esempi dell'uso di “intelligenza elettronica” per il miglioramento dell'efficienza di conversione riguardano gli inverter utilizzati negli impianti fotovoltaici, il pilotaggio delle lampade a Led, la gestione delle batterie nelle auto elettriche ecc. In tutte queste applicazioni il buon funzionamento dei sistemi richiede l'esecuzione di algoritmi complessi, oggi anche tramite l'impiego di potenti microcontrollori a 32 bit.
La virtualizzazione dei server
Nel campo dei sistemi elettronici per l'elaborazione dell'informazione, un esempio delle tecniche finalizzate a ridurre i consumi riguarda i grandi “data center” aziendali e consiste nella virtualizzazione dei server. La virtualizzazione può essere definita come la creazione di vari computer virtuali che sfruttano le risorse di un singolo computer “in carne e ossa”. Tramite un dispositivo denominato “hypervisor”, un unico server “fisico” può infatti essere trasformato in più server virtuali, ciascuno dotato di un diverso sistema operativo. I server virtuali si comportano a tutti gli effetti come veri computer e possono essere utilizzati come tali dai client e da tutti gli altri elementi dell'infrastruttura. La virtualizzazione mira a un migliore sfruttamento della potenza di calcolo del microprocessore, che nelle applicazioni convenzionali è utilizzata solo in piccola parte (dal 5 al 15%, secondo alcune stime). La stessa tecnica può essere applicata anche alla struttura di storage (gli archivi) e perfino ai client; in quest'ultimo caso i client fisici sono costituiti da semplici terminali senza disco. Questa filosofia si sposa in modo ottimale con l'architettura dei “blade server”, dove i computer fisici sono costituiti da singole schede elettroniche inserite in un rack. La virtualizzazione permette di semplificare drasticamente l'infrastruttura hardware aziendale: l'intero sistema informativo può essere contenuto in un piccolo rack di blade server, ad esempio, con conseguenti vantaggi sul piano dei costi, degli ingombri e anche dei consumi energetici. La minore dissipazione di calore consente anche di risparmiare sulla climatizzazione dei locali.
L'agricoltura di precisione
Tra i tanti possibili esempi di aumenti di produttività ottenuti grazie alla Ict, può essere interessante citare la cosiddetta “agricoltura di precisione” (precision farming), un insieme di tecniche nate per le grandi estensioni agricole statunitensi e australiane ma ora utilizzate anche in Italia. Uno degli aspetti principali riguarda l'aumento della precisione di guida delle macchine agricole, ottenuto tramite sistemi elettronici di conduzione automatica o di ausilio alla conduzione manuale. Il risparmio in questo caso deriva principalmente dalla riduzione delle sovrapposizioni tra due “passate” adiacenti. Nel caso delle mietitrebbie, ad esempio, generalmente la guida manuale porta a un margine di sovrapposizione di almeno quaranta centimetri. Evitando alle macchine di passare due volte su una stessa zona del campo, diviene possibile completare il lavoro percorrendo una distanza inferiore e quindi risparmiando tempo e gasolio (tre litri per ettaro, secondo i calcoli della società John Deere che produce macchine agricole). L'aumento della precisione di guida si basa sul calcolo della posizione in cui si trova la macchina, istante per istante. Ciò può essere ottenuto anche tramite sistemi laser che prendono a riferimento il margine dei cereali non ancora tagliati, ma per ottenere una precisioni più elevata (dieci-trenta centimetri) si utilizzano segnali generati da satelliti, analogamente a quanto avviene nei navigatori delle automobili. Generalmente in agricoltura si usano però satelliti diversi da quelli utilizzati per la normale navigazione automobilistica, al fine di ottenere migliori prestazioni. Per raggiungere una precisione ancora più elevata (uno o due centimetri) si utilizzano antenne collocate sugli edifici dell'azienda agricola.
I sistemi di posizionamento basati su satelliti possono consentire la riduzione dei consumi anche nel campo della logistica. Stando ai dati diffusi recentemente da Hand Held Products (società ora facente parte di Honeywell, produttrice di terminali per raccolta dati dotati di Gps integrato), il risparmio annuo che può essere ottenuto per una flotta di mille veicoli ammonta a 1,5 milioni di euro. La cifra è stata calcolata ipotizzando, su base settimanale, una riduzione di mezz'ora nei tempi di consegna e un risparmio di carburante pari a sette litri per ogni veicolo.
L'energy harvesting
Per avere un'idea di alcune delle tecnologie che rientrano nella definizione di “energy harvesting” può essere utile esaminare brevemente le soluzioni proposte da EnOcean, una delle società più note in questo campo. Fondata nel 2001 a Monaco di Baviera, l'azienda impiega tecnologie sviluppate inizialmente da Siemens.
Tra i prodotti EnOcean sono compresi i “radiointerruttori senza batteria”, dispositivi che consentono di comandare via radio l'accensione di una lampada o di un elettrodomestico e che non richiedono alcun tipo di alimentazione elettrica. L'energia necessaria per la trasmissione del segnale radio è ricavata dalla pressione che l'utilizzatore esercita per azionare il tasto. Essendo privi di fili e di batterie, gli interruttori EnOcean possono essere installati ovunque e non richiedono alcuna manutenzione. Il loro funzionamento richiede ovviamente un apposito ricevitore, anch'esso prodotto da EnOcean. La società realizza anche un trasmettitore destinato alla realizzazione di sensori wireless rivolti principalmente alle applicazioni domotiche. Grazie al proprio consumo estremamente basso, il modulo può essere alimentato tramite una piccola cella solare o, in alternativa, tramite un altro dispositivo EnOcean, che trasforma in energia elettrica il calore normalmente presente in ogni ambiente. In entrambi i casi, la soluzione consente di realizzare sensori wireless privi di batterie e quindi senza manutenzione.
Il trasmettitore - operante sulla frequenza di 868 MHz, con una portata di 300 metri all'aperto e 30 metri al chiuso - “si sveglia” periodicamente soltanto per trasmettere i dati tramite brevissimi “telegrammi”. La trasmissione impiega un protocollo proprietario, pertanto è necessario utilizzare un ricevitore EnOcean. Grazie a un supercondensatore che accumula l'energia fornita dalla cella solare, il sistema può funzionare per alcuni giorni anche in completa oscurità.
L'alternativa basata sull'energia termica impiega una cella di Peltier, dispositivo capace di generare una tensione elettrica se collocato tra due superfici caratterizzate da temperature diverse. E' sufficiente anche una differenza di pochi gradi, ottenuta ponendo una faccia della cella a contatto con una superficie normalmente calda e applicando sull'altra faccia un dissipatore termico. A valle della cella di Peltier è collocato un particolare convertitore DC/DC che si attiva a tensioni di soli 20 mV.
Il trasmettitore di EnOcean, con alimentazione solare oppure termica, può essere utilizzato per realizzare sensori senza fili e senza batterie per il rilevamento di parametri quali temperatura, pressione, illuminazione, posizione ecc.
Il quadro normativo per la riduzione dei cosnumi
Si può affermare che per ogni settore dell'industria e dei servizi esistano oggi norme - cogenti o volontarie - volte alla riduzione dei consumi energetici. Tutte sono potenzialmente rilevanti per l'industria elettronica, poiché in tutti i settori il risparmio energetico può essere ottenuto anche tramite tecniche di controllo che ovviamente si basano sull'elettronica. Un provvedimento legislativo di carattere generale è la direttiva europea sulla eco-progettazione dei prodotti che impiegano energia, nota come direttiva EuP (Energy Using Products) e contraddistinta dalla sigla 2005/32/EC. La direttiva EuP - che si applica a una vasta gamma di prodotti tra cui apparati elettrici ed elettronici e apparati per il riscaldamento e la refrigerazione - ha l'obiettivo di ridurre l'impatto ambientale complessivo di questi oggetti: non solo l'assorbimento di energia elettrica (elettrica o fossile) necessario per il loro funzionamento, ma anche l'energia utilizzata nel processo produttivo,
l'impiego di acqua, la quantità di rifiuti generati, l'impiego di sostanze pericolose ecc. L'approccio dell' eco-design prende in considerazione l'intero ciclo di vita del prodotto, al fine di valutare i pro e i contro di ogni scelta: ad esempio, l'eliminazione del mercurio dalle lampade potrebbe portare a un aumento dei consumi di energia elettrica per l'illuminazione. L'applicazione pratica della direttiva EuP si tradurrà in una serie di valori limite per i diversi parametri legati all'impatto ambientale dei prodotti. La EuP dovrebbe agire in sinergia con la preesistente direttiva sull'etichettatura energetica (la classe di consumo degli elettrodomestici e delle lampadine), oltre che con le direttive Weee (Waste from Electrical and Electronic Equipment) e RoHS (Restriction of Hazardous Substances).
Per quanto riguarda invece l'aumento dell'efficienza nella trasformazione o conversione dell'energia, tra le tante norme specifiche dei vari settori applicativi ricordiamo la EN15232 e la IEC555. La norma EN15232 riguarda i miglioramenti dell'efficienza energetica degli edifici ottenuti tramite l'applicazione di sistemi integrati di building automation. Essa prevede quattro classi di sistemi, corrispondenti ad altrettanti livelli di automazione in relazione al consumo energetico: ad esempio, al livello zero corrisponde un impianto di illuminazione dotato di normali interruttori manuali, al livello cinque si colloca invece un impianto con spegnimento automatico. La norma fornisce una procedura semplificata per il calcolo del risparmio energetico ottenibile grazie all'installazione di un determinato sistema domotico. La possibilità di calcolare il risparmio energetico in modo “normato” rappresenta un'opportunità anche per progettisti e installatori, poiché consente di proporre ai clienti gli impianti domotici offrendo un vantaggio documentabile: ad esempio una migliore classificazione energetica dell'edificio. A parità di risultati in termini di “classe energetica”, spesso l'installazione di un impianto domotico è economicamente conveniente rispetto ad altri interventi sull'edificio, come ad esempio la sostituzione della caldaia o degli infissi.
La norma IEC555, invece, prescrive l'impiego di dispositivi finalizzati alla correzione del fattore di potenza nei sistemi di potenza superiore a 75 watt.
Per quanto riguarda, infine, l'efficienza energetica dei sistemi per l'elaborazione dell'informazione, è opportuno ricordare la norma volontaria Energy Star, un sistema internazionale di etichettatura introdotto dall' Agenzia statunitense per la protezione dell'ambiente (EPA) nel 1992. Attraverso un accordo con il governo degli Stati Uniti, la Comunità europea partecipa al sistema Energy Star per quanto riguarda le apparecchiature per ufficio, quindi in primo luogo i personal computer. I Pc conformi alla norma sono dotati di diverse modalità di funzionamento (standby, sleep, deep sleep) che consentono di ridurre i consumi dopo un certo periodo di inattività. Com'è noto, le diverse modalità si differenziano anche per il tempo necessario a riprendere il funzionamento normale.
Riscaldamento globale, una teoria controversa
Sebbene esistano molti ottimi motivi economici e strategici per risparmiare energia, indubbiamente oggi la spinta più forte in questa direzione deriva dalla volontà di contrastare il “riscaldamento globale”. Secondo la teoria del riscaldamento globale, la temperatura del pianeta è in aumento a causa delle attività umane legate al consumo di combustibili fossili, responsabili dell'aumento di anidride carbonica nell'atmosfera e quindi dell'effetto serra. Attualmente i mezzi di informazione e i governi considerano la teoria del riscaldamento globale come una verità scientifica accertata; su di essa si basano infatti gli obblighi di legge volti alla riduzione delle emissioni. La comunità scientifica, tuttavia, non è unanime a questo proposito. Uno degli studiosi più noti nel fronte dei climatologi “dissidenti” è John Christy, docente dell'università dell'Alabama, che contesta la teoria del “riscaldamento globale” ritenendola priva di basi scientifiche. Nei suoi lavori, Christy ha presentato una serie di dati scientifici ufficiali che sembrano confutare alcuni dei presupposti della teoria. Tra gli aspetti contestati dallo studioso sono compresi l'uso della temperatura media della superficie terrestre come misura dell'effetto serra (in realtà la temperatura varia moltissimo anche in funzione dell'irrigazione) e l'affidabilità dei modelli matematici utilizzati per prevedere il riscaldamento della troposfera tropicale e delle temperature di superficie (modelli che sono stati smentiti dalle misurazioni). Christy non nega la riduzione dei ghiacci artici ma mostra dati che evidenziano una ciclicità storica del fenomeno e sottolinea che, al contrario, i ghiacci antartici sono in aumento. Ciclica appare essere anche la riduzione dei ghiacciai: quello del Kilimangiaro era in calo già nel 1880. Come corollario di queste tesi, il climatologo afferma che gli orsi polari non sono affatto a rischio di estinzione: erano seimila negli anni sessanta, mentre oggi sono ventiquattromila. Tanto che le autorità locali consentono regolarmente l'uccisione di ottocento esemplari l'anno per mantenere in salute la popolazione. Smentita dai dati scientifici anche l'affermazione che vuole in crescita il livello degli oceani (negli ultimi trentadue anni la superficie del Bangladesh è aumentata), così come non è vero che siano in aumento i tornado e gli uragani. Christy sostiene inoltre che le leggi adottate per ridurre le emissioni di anidride carbonica producono effetti irrilevanti: secondo i risultati delle simulazioni, anche se tutto il mondo adottasse le severe norme californiane la temperatura globale diminuirebbe solo di 0,03 gradi centigradi (tre centesimi di grado).
