Esercizi: L'energia e il suo consumo

Spiega la differenza tra una fonte di energia rinnovabile e una non rinnovabile (se si esaurisce o no su scala umana) e scrivi tre esempi per ciascun tipo, indicando da dove si ottiene ciascuna.

La figura classifica alcune fonti di energia in due famiglie, ma manca una fonte non rinnovabile.

La fonte mancante non brucia nulla, ma usa uranio e genera scorie radioattive molto durature. Nominala e aggiungila alla classificazione, spiega il criterio che separa le due famiglie e classifica queste quattro fonti: la biomassa, l'energia delle maree, il carbone e il calore dell'interno della Terra.

Spiega che cos'è una trasformazione di energia con due esempi della tua vita:

1. a) Una lampada accesa.

1. b) Pedalare in bici.

In ogni caso, indica quale energia entra e quale energia esce.

La figura mostra la catena di trasformazioni di una diga idroelettrica, con una macchina coperta.

Tra la turbina e la rete c'è una macchina che converte la rotazione in elettricità. Nominala, spiega quale trasformazione di energia avviene in ogni anello della catena e ragiona sul perché l'elettricità non è una fonte di energia, ma un modo di trasportarla.

Spiega con parole tue che cosa misura il kilowattora (kWh) e perché è l'unità della bolletta della luce: unisce la potenza di un apparecchio al tempo in cui rimane in funzione. Fai un esempio con un apparecchio da $1\ \text{kW}$ acceso per un'ora.

Spiega quali informazioni dà l'etichetta energetica di un elettrodomestico: la lettera di efficienza (dalla A alla G) e il consumo stimato all'anno. Quale lettera sceglieresti tra due modelli simili e perché non basta guardare solo il prezzo?

Spiega che cos'è l'efficienza energetica con l'esempio delle lampadine LED: danno la stessa luce consumando molta meno elettricità perché disperdono pochissima energia sotto forma di calore. Dove si «perde» l'energia in una lampadina vecchio tipo?

Cita tre misure di risparmio energetico in casa (spegnere luci e apparecchi in standby, abbassare di un grado il riscaldamento, usare programmi brevi in lavatrice) e spiega che cosa cambia con ciascuna: meno potenza, meno tempo di utilizzo o meno perdite.

Descrivi la catena di trasformazioni di una centrale termoelettrica a gas: energia chimica del combustibile → termica con la combustione → cinetica del vapore e della turbina → elettrica nell'alternatore. Spiega che cosa succede in ogni anello e dove si perde più energia sotto forma di calore.

Il Sole e il vento non sono sempre disponibili. Spiega che cos'è l'intermittenza delle rinnovabili, quali tre soluzioni la compensano (bacini che accumulano acqua, batterie, combinazione di più fonti nella rete) e perché non possiamo dipendere da una sola fonte.

La figura mostra un'etichetta energetica semplificata e i dati di un frigorifero con il suo consumo annuo coperto.

Il frigorifero consuma in media $100\ \text{W}$ ed è collegato per $24$ ore. Calcola il suo consumo in un giorno e in un anno in kWh, stima il costo annuo a $0{,}15\ \text{€}$ al kWh e spiega quali due dati dell'etichetta confronteresti prima di comprarne uno nuovo.

Un piano a induzione da $1.200\ \text{W}$ si usa per $1$ ora al giorno. Calcola il suo consumo in un mese di $30$ giorni in kWh e il suo costo a $0{,}15\ \text{€}$ al kWh, mostrando i passaggi (potenza in kW, energia del mese, costo), e confronta il risultato con quanto consuma caricare il cellulare ogni giorno, sapendo che ogni ricarica completa consuma circa $12\ \text{Wh}$.

Due frigoriferi simili: uno di classe A che consuma $150\ \text{kWh}$ all'anno e costa $650\ \text{€}$, e un altro di classe D che consuma $350\ \text{kWh}$ all'anno e costa $500\ \text{€}$. Calcola la spesa annua in elettricità di ciascuno a $0{,}15\ \text{€}$ al kWh, il risparmio annuo del modello A e in quanti anni si recupera la differenza di prezzo. Quale compreresti?

Un televisore in standby consuma $3\ \text{W}$ per $20$ ore al giorno. Calcola il suo consumo annuo in kWh e il suo costo a $0{,}15\ \text{€}$ al kWh, spiega che cos'è il «consumo fantasma» e proponi una soluzione semplice per tutta la casa (una presa multipla con interruttore).

Un kWh non «inquina» sempre allo stesso modo: dipende da quali fonti sono state usate per produrlo in quel momento (il «mix» elettrico). Spiega perché consumare quando soffia il vento o splende il sole comporta meno emissioni che nelle ore di punta senza rinnovabili, e quale abitudine puoi cambiare in casa per approfittarne.

Fai un mini-audit della tua scuola: individua quattro sprechi di energia (luci accese senza nessuno, schermi in standby, riscaldamento con le finestre aperte, apparecchi vecchi) e proponi una misura per ciascuno, ordinandoli in base all'impatto che pensi avrebbero.

Un comune costiero con una catena montuosa vicina consuma $8\ \text{MW}$ di potenza di base costante, ma registra picchi di $18\ \text{MW}$ nelle notti invernali (per il riscaldamento) e di $22\ \text{MW}$ a mezzogiorno in estate (per turismo e climatizzazione). Dispone di un parco eolico in montagna, un impianto solare fotovoltaico e una centrale a ciclo combinato a gas naturale. Progetta e giustifica la ripartizione della produzione assegnando a ogni tecnologia una funzione chiara (carico di base, inseguimento dei picchi o riserva di sicurezza) per evitare blackout con il minor impatto ambientale possibile. Spiega in dettaglio come deve rispondere il sistema durante tre giorni consecutivi d'inverno con una perturbazione senza vento.

Un utente scrive sui social: «Una centrale termoelettrica a gas che sfrutta il $38\ \%$ dell'energia del combustibile è un pasticcio dell'ingegneria; a casa mia, un radiatore elettrico ha un rendimento del $100\ \%$ perché converte tutta l'elettricità in calore».

1. a) Confuta tecnicamente questa affermazione: descrivi la catena di trasformazioni energetiche nella centrale termoelettrica e giustifica in quali punti si producono le perdite termiche inevitabili secondo le leggi della termodinamica.
2. b) Se sostituiamo la centrale a gas con un parco eolico che sfrutta il $40\ \%$ dell'energia del vento, spiega perché quel rendimento del $40\ \%$ non comporta lo stesso costo economico né ambientale del $38\ \%$ della centrale termoelettrica.

Un paese con un'alta penetrazione di rinnovabili deve decidere se prolungare di $10$ anni la vita dei suoi reattori nucleari o se spegnerli subito e usare centrali a gas come riserva mentre installa più batterie e parchi eolici.

1. a) Analizza il dilemma tecnico e ambientale valutando due criteri contrapposti: la riduzione immediata dei gas serra rispetto al problema dei rifiuti ad alta attività a lungo termine.
2. b) Dal punto di vista della stabilità della rete elettrica, quale inconveniente operativo presenterebbe il dipendere esclusivamente da solare ed eolico senza il supporto continuo di una fonte sincrona stabile come il nucleare o il gas? Formula e giustifica la tua raccomandazione tecnica.

Una famiglia spende ogni anno $2.400\ \text{€}$ in elettricità in un'abitazione mal isolata ($70\ \%$ per il riscaldamento, $15\ \%$ per l'acqua calda e $15\ \%$ per elettrodomestici e illuminazione). Dispone di un budget di $3.000\ \text{€}$ per migliorare l'abitazione ed è indecisa tra due opzioni:

• Opzione A: sostituire gli elettrodomestici vecchi con apparecchi di classe A e l'illuminazione con LED (costo: $2.500\ \text{€}$; risparmio stimato: $30\ \%$ del consumo in elettrodomestici e illuminazione).

• Opzione B: installare un isolamento termico nei soffitti e sigillare le fughe d'aria nelle finestre (costo: $2.800\ \text{€}$; risparmio stimato: $25\ \%$ del consumo per il riscaldamento).

1. a) Calcola il risparmio economico annuo di ciascuna opzione e in quanti anni la famiglia ammortizzerà ciascun investimento.
2. b) Giustifica tecnicamente perché migliorare l'involucro dell'edificio è di solito una misura molto più prioritaria che sostituire gli apparecchi consumatori.

Un'abitazione consuma $3.500\ \text{kWh}$ all'anno. La famiglia installa pannelli solari per $4.200\ \text{€}$ che producono $3.000\ \text{kWh}$ all'anno. L'elettricità che acquistano dalla rete costa $0{,}20\ \text{€/kWh}$ e la compagnia compensa le eccedenze immesse in rete a soli $0{,}06\ \text{€/kWh}$.

1. a) Se la famiglia è fuori casa nelle ore di sole e autoconsuma direttamente solo il $30\ \%$ dell'energia solare prodotta (immettendo in rete il restante $70\ \%$), calcola il risparmio annuo ottenuto e gli anni necessari per ammortizzare l'impianto.
2. b) Se programmano lo scaldabagno, la lavatrice e la lavastoviglie per aumentare l'autoconsumo diretto al $70\ \%$ (immettendo in rete solo l'$30\ \%$), ricalcola il risparmio e il nuovo tempo di ammortamento. Spiega a che cosa è dovuta la differenza economica se la produzione solare totale è stata identica.

Un comune può finanziare solo un impianto solare fotovoltaico senza batterie e deve scegliere tra il tetto di una scuola secondaria (orario di attività dalle $8{:}00$ alle $15{:}00$, dal lunedì al venerdì) o quello di un centro sportivo comunale (orario dalle $16{:}00$ alle $23{:}00$ tutti i giorni).

1. a) Disegna in modo approssimativo o descrivi la sovrapposizione della curva di produzione solare oraria con la curva di consumo di ciascun edificio. Giustifica in quale dei due edifici l'autoconsumo diretto sarà molto più conveniente ed efficiente.
2. b) La scuola ha un grave inconveniente: non ha attività nei fine settimana né a luglio e agosto, quando la produzione solare è massima. Proponi due soluzioni tecniche o di gestione per sfruttare queste eccedenze stagionali a beneficio della comunità senza installare costosi accumulatori chimici.

Nella bolletta mensile dell'elettricità di un'abitazione compaiono queste voci prima delle imposte:

• Termine di potenza: $5{,}75\ \text{kW}$ contrattuali a $0{,}11\ \text{€/(kW}\cdot\text{giorno)}$ per $30$ giorni $\rightarrow 18{,}98\ \text{€}$.

• Termine di energia: $180\ \text{kWh}$ consumati a $0{,}18\ \text{€/kWh} \rightarrow 32{,}40\ \text{€}$.

L'interruttore di controllo della potenza non è mai scattato e i due apparecchi di maggiore potenza in casa sono il forno ($2{,}0\ \text{kW}$) e la lavatrice ($1{,}8\ \text{kW}$).

1. a) Se riducono la potenza contrattuale a $4{,}0\ \text{kW}$ e riducono il loro consumo di $30\ \text{kWh}$ al mese spegnendo i dispositivi in standby, calcola il risparmio economico mensile prima delle imposte.
2. b) Spiega la differenza tecnica tra le due voci addebitate: perché il termine di potenza si paga anche se la casa resta vuota per un mese e quale abitudine devono adottare con gli elettrodomestici per non superare i $4{,}0\ \text{kW}$.

Un comune dispone di uno stanziamento di $120.000\ \text{€}$ per l'azione climatica e deve scegliere tra due progetti con lo stesso risparmio energetico netto annuo stimato:

• Progetto 1 (Produzione): realizzare un impianto solare comunale che produrrà $100.000\ \text{kWh}$ all'anno da immettere in rete.

• Progetto 2 (Efficienza e risparmio): sostituire l'illuminazione pubblica con tecnologia LED con telegestione e isolare termicamente il tetto della palestra comunale, il che ridurrà il consumo elettrico di $100.000\ \text{kWh}$ all'anno.

Giustifica tecnicamente perché i piani di transizione energetica applicano il principio «prima di tutto, l'efficienza energetica», dimostrando quali vantaggi ambientali e operativi ha evitare il consumo rispetto a produrre energia pulita per alimentare un sistema inefficiente.

Sfida del tema. Come incide il consumo elettrico della tua casa sul sistema energetico nazionale? Diventa un auditor energetico e progetta un piano di ottimizzazione con dati reali.

1. Raccolta dati: scegli tre elettrodomestici comuni di casa tua (per esempio forno, lavatrice e microonde). Annota la loro potenza nominale in watt ($W$) consultando l'etichetta tecnica e stima le loro ore giornaliere di utilizzo ($h$).

2. Analisi e confronto: entra nel sito di Terna e osserva la curva di domanda nazionale in tempo reale. In LibreOffice Calc, crea una tabella per calcolare l'energia consumata in un giorno ($E = P \cdot t$, in $kWh$) e il suo costo economico stimato applicando una tariffa media di $0,15$ €/$kWh$. Genera un diagramma a barre con il consumo relativo di ciascun apparecchio.

3. Piano di ottimizzazione: scrivi una proposta di miglioramento (una pagina) con tre indicazioni realistiche per ridurre il consumo domestico e spostare le abitudini al di fuori delle ore di punta individuate su Terna.

Verranno valutati:

• Precisione nel calcolo dell'energia ($kWh$) e dei costi mediante un uso adeguato delle formule in LibreOffice Calc.

• Relazione critica stabilita tra i picchi di domanda ufficiali di Terna e l'uso degli elettrodomestici.

• Fattibilità e rigore tecnico delle indicazioni di efficienza energetica proposte.