IL PORTALE PER L'ARCHITETTURA SOSTENIBILE, IL RISPARMIO ENERGETICO, LE FONTI RINNOVABILI IN EDILIZIA
Percorso di navigazione Infobuild energia > Approfondimenti > Energia e rame: un connubio indissolubile

Energia e rame: un connubio indissolubile

Il rame, tra i migliori conduttori sia di energia elettrica che di calore, è un materiale particolarmente raccomandato per il risparmio energetico

La disponibilità di energia, ovviamente a costi accettabili, è un problema che da sempre assilla l’umanità, ma che negli ultimi 30 anni ha assunto un’importanza strategica.

La ricerca di nuove fonti energetiche e di nuove tecnologie per la produzione dell’energia stessa non è più sufficiente a trovare una soluzione a questo problema che, oltre ad ingigantirsi anno per anno, ha finito per coinvolgere anche altri aspetti, come quelli dell’ambiente e delle variazioni climatiche in particolare.

E’ ormai da tempo assodato che la soluzione risiede nell’adozione, in un mix ottimale, di tecnologie per lo sfruttamento delle energie rinnovabili, l’uso razionale dell’energia e soprattutto per il risparmio energetico, che a buon diritto può essere considerato la prima forma di energia alternativa.

 

Se nel campo dei veicoli a motore è dalla prima crisi energetica (1973) che i consumi sono oggetto di un’attenzione elevata, ottenendo un discreto ancorché migliorabile successo, nell’edilizia è almeno dal 1976, con la legge 373, che l’Italia ha cercato di affrontare il problema della riduzione dei consumi energetici, con esiti purtroppo non molto felici.

 

Il rame, per le sue caratteristiche tecnologiche e proprietà intrinseche, è un materiale indispensabile per la generazione e l’utilizzo dell’energia. Se ripartiamo l’utilizzo di metallo in relazione alle sue proprietà scopriamo che la conduttività elettrica e la conducibilità termica sono le più importanti. Il rame, infatti, è il miglior conduttore sia di energia elettrica che di calore, dopo l’argento (vedi tab. 1 e 2), ma con una disponibilità in natura enormemente maggiore e conseguentemente con un prezzo adeguato all’utilizzo su grande scala.

 

Tabella 1 - Conduttività elettrica

 

Tabella 2 – Conduttività termica

 

A queste proprietà va associato il basso contenuto energetico del metallo, ottenuto grazie all’elevatissima percentuale di riciclo.

Occorre infatti considerare che l’impiego di rottami al posto del metallo primario, ossia di estrazione mineraria, nella produzione dei semilavorati permette di ottenere un risparmio di energia fino all’85% e che i paesi tecnologicamente evoluti hanno un tasso di riciclo superiore al 40% (in Italia siamo ormai prossimi al 45%, limite imposto dalla disponibilità attuale di rottami e non da vincoli tecnici). Inoltre la totale riciclabilità ha una importanza determinante e crescente ai fini di una minor pressione sulle risorse mondiali di materie prime.

 

Tuttavia, non è esclusivamente per questi dati, peraltro inconfutabili, che si possa definire il rame come un materiale particolarmente raccomandato per il risparmio energetico: si potrebbe addirittura affermare che il rame è un antesignano in questo settore.

Infatti, grazie alle caratteristiche del tubo di rame negli anni ’60, è stato possibile  rivoluzionare gli impianti di riscaldamento.

Fino ad allora, come noto, gli impianti, in modo specifico negli edifici multipiano, venivano realizzati installando numerose colonne montanti, disposte perimetralmente all’edificio, per alimentare, al massimo, una coppia di radiatori per ogni piano. Si trattava, cioè, di  impianti con una enorme dispersione verso l’esterno (alta temperatura del fluido circolante, pareti rivolte all’esterno, quindi elevato salto termico, grandi diametri con scarso isolamento, disomogeneità della distribuzione di calore ai singoli piani) e, pertanto, con un rendimento complessivo molto basso ed una pessima percezione da parte degli utenti, motivi, per inciso,  che hanno poi decretato il grande successo del riscaldamento autonomo in Italia.

La flessibilità del tubo di rame, la disponibilità del prodotto in rotoli anche da 50 m, con una drastica riduzione del numero di giunzioni da effettuare, la resistenza al calore (punto di fusione 1083°) ed  il ridotto ingombro, hanno reso possibile la realizzazione dei moderni e molto più efficienti impianti a collettore o ad anello: caldaia centralizzata, colonne montanti pressoché baricentriche, un solo collegamento per ogni unità immobiliare, migliore termoregolazione, contabilizzazione energetica.

 

L’industria italiana ha inoltre supportato iniziative volte al risparmio energetico. Nel momento in cui, con la  citata legge 373, venne introdotto l’obbligo d’isolamento delle tubature adibite al trasporto di fluidi caldi, è stata avviata la produzione e commercializzazione del tubo di rame prerivestito, ovvero un tubo già corredato di una guaina isolante che rispetta i requisiti di legge, facilitando così l’opera dell’installatore ma anche del progettista che ora poteva fare affidamento su di un prodotto dall’idoneità certificata.

 

A parte queste considerazioni,  le applicazioni più attinenti, che interessano diffusamente tutte le tecnologie oggi conosciute ed applicate in questo campo, si possono distinguere  in due tipologie, ma con effetti sinergici:

  • sfruttamento delle energie alternative
  • risparmio energetico

Vanno anzitutto considerate, nel primo caso, le applicazioni del rame in numerosi sistemi differenti, a loro volta  distinguibili  in base al tipo di energia:


Energia termica

  • collettori solari termici,                                              
  • pompe di calore,                                                        
  • captatori per energia geotermica,                           
  • scambiatori di calore.

Energia elettrica

  • generatori eolici e piccoli impianti idroelettrici,
  • trasformatori,
  • convertitori statici e dinamici.

Per quanto concerne il campo del risparmio energetico le tecnologie già comunemente utilizzate sono:

  • sistemi di riscaldamento e raffrescamento radianti,
  • scambiatori di calore a tubo di calore,
  • motori elettrici ad alto rendimento.

Riportiamo nel seguito alcune considerazioni generali che descrivono il ruolo del rame nelle singole applicazioni.


Collettori solari

I collettori solari, indipendentemente dalla tipologia impiegata, utilizzano l’energia solare radiante per aumentare l’entalpia del fluido termovettore.

Sostanzialmente ciò avviene trasferendo al fluido, che circola nel tubo, l’energia captata dalla piastra. Pertanto, se la quantità di energia raccolta dipende dal colore della superficie captante, è la conduttività termica del metallo costituente la piastra e le tubazioni che svolge, a parità degli altri fattori coinvolti, un ruolo determinante.

 

Il rame, come già osservato, è il materiale dotato della migliore conduttività termica, associata ad altre caratteristiche di fondamentale importanza nella fabbricazione del collettore:

-        disponibilità di laminati sottili, quindi ridotta massa da posizionare sul tetto,

-        elevata lavorabilità per una semplice realizzazione della forma geometrica ottimale,

-        disponibilità di trattamenti chimici (non verniciature) di annerimento superficiale perfettamente aderenti, duraturi e molto selettivi,

-        disponibilità di tubi di rame, anch’essi altrettanto facilmente conformabili e giuntabili, di elevata resistenza sia meccanica che alle alte temperature,

-        possibilità di accoppiamento tra piastra e tubazione per mezzo di una semplice brasatura che  rende possibile un contatto praticamente perfetto.

 

In sintesi il rame è il materiale che permette di ottenere rendimenti più elevati ad un costo più competitivo e di conseguenza è il materiale maggiormente utilizzato, sia nei collettori a piastra che in quelli a tubo sottovuoto.

 

Pompe di calore

E’ ben noto che l’efficienza di una pompa di calore (C.O.P.) di tipo elettrico debba essere superiore a 3 - 3,5 onde compensare il rendimento di generazione dell’energia elettrica e, quindi, dar luogo un reale risparmio energetico. Ciò è ottenibile operando su più fattori, tra i quali, com’è ovvio, la conduttività termica del metallo da utilizzare per le batterie di scambio termico.

 

Anche in questo caso, tuttavia, la conduttività termica non è l’unico parametro a favore del tubo di rame. Esistono anche fattori tecnologici molto importanti:

-        l’elevato grado di lavorabilità che permette la realizzazione di serpentine con un rapporto, superficie di scambio/volume, molto elevato,

-        la duttilità che consente di produrre tubi a bassissimo spessore di parete (0,28 mm) che, mantenendo adeguate caratteristiche di resistenza meccanica, rendono possibile la produzione di  macchine compatte e di peso contenuto,

-        la resistenza alla corrosione che favorisce la durevolezza anche in ambienti aggressivi, come l’atmosfera delle nostre città ricca di umidità e inquinanti e cloruri in vicinanza del mare.

 

Pompe di calore con tecnologia Dex sofath - Gamma Caliane

 

 

Captatori per l’energia geotermica

Le pompe di calore sono utilizzabili in svariate tipologie di impianto, tra cui quelle per lo sfruttamento dell’energia geotermica.

In realtà con questo termine si dovrebbe indicare esclusivamente l’utilizzo diretto di acqua calda o addirittura vapore che fuoriesce dal terreno mentre oggi ci si riferisce  anche a quegli impianti di climatizzazione, sia estiva che invernale, che sfruttano la quasi costanza della temperatura del terreno ad una determinata profondità.

Le grandi serpentine di tubo, disposte orizzontalmente a circa 2 metri di profondità nel terreno o verticalmente in pozzi di 50-100 m, costituiscono il circuito primario della pompa di calore. In pratica tali tubi non sono altro che dei grandi scambiatori di calore immersi nella sorgente  calda, in inverno e fredda, in estate.

 

I parametri determinanti della scelta del rame per la realizzazione del circuito sono:

-        resistenza alla corrosione, che può essere migliorata con l’estrusione, in continuo, di un rivestimento plastico molto sottile onde non ridurre troppo la conduttività;

-        ridotta perdita di carico dovuta alla bassissima rugosità;

-        facilità di posa in opera grazie alla disponibilità di tubi in rotoli da 50-100 m e alla semplicità e sicurezza delle giunzioni ottenibili per mezzo di procedimenti di brasatura.

 

Pompe di calore con tecnologia Dex sofath - Gamma Caliane

 

 

Scambiatori di calore 

Si tratta dell’apparecchiatura basilare nella termotecnica. La quasi totalità delle macchine  per la produzione e l’utilizzo dell’energia per la climatizzazione degli edifici funziona, infatti, grazie al principio dello scambiatore di calore: caldaie, termoconvettori, condizionatori, pompe di calore, collettori solari, radiatori ecc.

 

Il rame e, talvolta, alcune leghe di rame sono i materiali più utilizzati per i fasci tubieri, le serpentine ad immersione con tubo ad alettatura integrale, le batterie di scambio a pacco alettato, le batterie ad espansione diretta ed altri componenti. In tutti questi casi la più elevata conduttività termica permette di ottenere la potenza di progetto della macchina con una più contenuta superficie di scambio, ciò, ovviamente, si traduce in un minor ingombro delle apparecchiature e, quindi, in un vantaggio soprattutto nelle applicazioni in edilizia.

 

Generatori elettrici

Senza addentrarci molto nell’argomento, è necessario ricordare che tutta l’energia elettrica è prodotta, indipendentemente dall’energia primaria impiegata e dalle dimensioni, per mezzo di un generatore (alternatore) costituito principalmente da grandi masse di avvolgimenti di fili di rame.

A questa regola universale non si sottraggono nemmeno i sistemi di generazione eolici ed i piccoli impianti idroelettrici (miniydro).

Per quanto concerne i primi, a titolo di esempio, possiamo ricordare che un generatore di media potenza impiega fino a 4 t di rame.

I secondi sono invece molto interessanti anche dal punto di vista paesaggistico potendo essere proficuamente installati lungo i canali di irrigazione esistenti come dimostrato da molte realizzazioni tra cui quella sul Naviglio Pavese in occasione del restauro della chiusa denominata Conca Fallata a ridosso di un popoloso quartiere periferico di Milano.

 

Trasformatori e convertitori

I trasformatori sono anch’essi costituiti da grandi avvolgimenti di fili di rame su un nucleo ferritico e costituiscono un elemento essenziale nella distribuzione dell’energia elettrica. Per minimizzare le perdite occorre trasportare l’energia ad alto voltaggio (migliaia di V) e quindi bisogna dapprima innalzare la tensione nelle centrali di produzione e successivamente riportarla al valore normale prima dell’utilizzo nelle nostre case. Tuttavia essi stessi sono fonte di perdite. In Italia ciò si traduce in una efficienza della rete che disperde circa l’8% di tutta l’energia prodotta.

L’utilizzo di moderni e più efficienti trasformatori, cioè con un contenuto di rame maggiore, permetterebbe di ridurre questa perdita al punto che, come dimostrato dallo studio “Termie” condotto qualche anno fa dall’Unione Europea, si può definire la seguente equivalenza:

+ 7.000 tonnellate di rame = -7.000.000 di tonnellate di CO2 emessa.

 

Non va poi trascurata l’importanza che i convertitori assumono nell’utilizzo di energia elettrica prodotta dai sistemi fotovoltaici. L’uso diretto della corrente continua ottenibile con tali sistemi è conveniente solo per alcune semplici apparecchiature (come ad esempio apparecchi per illuminazione) mentre per quelle più complesse (elettrodomestici ecc..) i costi risultano maggiori e difficilmente sostenibili. E’ allora preferibile convertire la corrente continua e a basso voltaggio in corrente alternata alla tensione di rete ma, in tal caso, è necessario tenere nella dovuta considerazione anche il rendimento degli apparati di trasformazione e conversione.

 

Sistemi di climatizzazione radiante

Il tubo di rame può essere utilizzato in tutti gli impianti (acqua calda e fredda, gas, riscaldamento) con la massima sicurezza e nella piena conformità alla legislazione vigente ed alla buona regola dell’arte, esemplificata dalle norme tecniche.

In particolare il tubo può essere impiegato anche per la realizzazione dei sistemi di riscaldamento e raffrescamento di tipo radiante che, come evidenziato dagli esperti del settore, sono tra i migliori, dal punto di vista dei consumi energetici, a parità di comfort assicurato.

 

Pavimento radiante in moduli Modul® Radiant di Cuterm 

 

La resistenza meccanica, l’inattaccabilità da parte dei leganti idraulici (cemento, calce), la resistenza alle alte temperature (il rame fonde a 1083°), la semplicità di posa in opera, la durata e la totale riciclabilità, rendono assolutamente competitivo un materiale nobile come il rame. A tutto ciò vanno sommati i vantaggi derivanti dal miglior rendimento, ottenibile con una corretta  progettazione come dimostrato dalla tabella 3.

 

Tabella 3 – Influenza del materiale del tubo sul rendimento del pannello radiante (in W/m2)

 

Note:

Si considera la soletta classica, con  3 cm di isolante

T ambiente: 20°C

T media acqua: 40°C

Piastrelle

 

L’elevata conduttività termica, evidenziata anche dalla norma EN 1264 (tab. 4), permette di realizzare serpentine più “corte”, lasciando quindi spazi sufficientemente ampi per il passaggio degli altri impianti. Inoltre il minor diametro dei tubi di rame  permette di ridurre lo spessore del massetto di annegamento ed aumentare, a parità di spessore totale, l’isolamento; quest’ultimo può infine essere realizzato con pannelli piani, ossia senza le caratteristiche protuberanze che sono indispensabili per trattenere i tubi di materia plastica ma che riducono notevolmente il contatto tra tubazione e massetto peggiorando, ancor più, il rendimento del pannello radiante.

 

Tabella 4 – Conduttività termica delle tubazioni secondo EN 1264

 

Il maggior rendimento ottenibile è decisamente interessante anche nel caso di pannelli radianti a parete; infatti è possibile riscaldare le differenti stanze dell’unità immobiliare installando la serpentina in una sola parete di ciascun locale mentre tutte le altre potranno essere liberamente utilizzate, senza porre eccessive limitazioni all’arredamento.

 

Un ulteriore contributo al risparmio energetico in questo tipo d’impianti, piccolo ma non trascurabile, è dato dalle minori perdite di carico, sia per le serpentine più corte sia per il minor fattore d’attrito, che comportano una riduzione di lavoro da parte delle pompe di circolazione.

 

Scambiatori a tubo di calore

La ventilazione meccanica è oggi quasi esclusivamente realizzata nei grandi edifici ad uso commerciale ed industriale o nei complessi per uffici, ma inizia ad avere significative applicazioni anche nell’edilizia civile.

L’espulsione dell’aria prelevata dall’interno degli edifici comporta, come noto, una notevole perdita di energia nel caso non venga opportunamente recuperata. Tra le  tecnologie oggi disponibili troviamo i recuperatori di calore, sostanzialmente degli scambiatori aria – aria, in cui l’aria in uscita scambia energia con l’aria in entrata, recuperando parzialmente “calorie” nel ciclo invernale o “frigorie” nel ciclo estivo.

In questo campo troviamo  i recuperatori a tubo di calore, costituiti da un fascio di tubi di rame contenenti un fluido che evapora nella zona lambita dal flusso di aria calda e condensa nella zona di passaggio dell’aria fredda, opportunamente separata dalla prima tramite un setto. Sono da considerarsi tra le apparecchiature migliori sottotutti i punti di vista: elevato rendimento, non soggette ad usura, ingombro ridotto, utilizzabili sia in estate che in inverno senza modifiche all’impianto e, molto importante, non vi è pericolo di contaminazione perché, come già detto, i due flussi d’aria risultano separati.

 

Motori elettrici ad alto rendimento

Questo è un altro settore che può fornire un contributo molto interessante al risparmio energetico, occorre infatti considerare che nei motori elettrici si utilizza circa il 60 – 80% dell’energia elettrica consumata in Italia per usi industriali la quale, a sua volta corrisponde a circa il 50% del consumo totale della nazione.

E’ pertanto evidente che un piccolo aumento del rendimento dei motori elettrici può produrre un grande risparmio nei consumi di energia elettrica.

Si tratta di motori di moderna concezione che, in base ai criteri fissati in sede Unione Europea, hanno un rendimento maggiore, riducendo le perdite di energia al loro interno. Generalmente sono motori di media o grande potenza, ma soprattutto è importante che siano impiegati in operazioni che richiedano elevati tempi di utilizzo.

Analogamente a quanto detto a proposito dei trasformatori, anche un motore ad elevato rendimento utilizza un quantitativo maggiore di rame ed in questo caso l’energia risparmiata si traduce in una riduzione delle emissioni in atmosfera.

 

 

A conclusione è opportuno un breve cenno ad altre soluzioni tecnologiche che, utilizzate prevalentemente per altri scopi, producono a loro volta un per il risparmio energetico poco evidente ma non trascurabile.

In particolare il riferimento riguarda numerosi prodotti di rame per l’architettura, quali coperture, gronde e pluviali, altri componenti di lattoneria, impiantistica ecc., la cui durevolezza si traduce in un sostanziale contributo anche al risparmio energetico.

 

Consiglia questo approfondimento ai tuoi amici

Commenta questo approfondimento