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Fonti Rinnovabili: stato dell’arte e prospettive tecnologiche 25 gennaio 2007 - Villa Griffone (Pontecchio Marconi) Ing. Claudio Zini - ENEA

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Fonti Rinnovabili: stato dell’arte e prospettive tecnologiche

25 gennaio 2007 - Villa Griffone (Pontecchio Marconi)

Ing. Claudio Zini - ENEA

LE FONTI RINNOVABILI

Fonti Alternative: sono fonti alternative agli idrocarburi ( petrolio e derivati,carbone, gas naturale)

Fonti Rinnovabili: si rinnovano in tempi brevi (paragonabili con la velocità di utilizzo), sono inesauribili, sono distribuite su tutto il pianeta terra, hanno un impatto ambientale ridotto

Energia dal Sole

La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio)

La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP

Il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP ogni anno

A parte la geotermia e l’energia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla radiazione solare.

L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dall’uomo.

Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della sua aleatorietà.

Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno.

In un giorno di cielo sereno, a 30° di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia durante l'anno da 0.6 a 1 kW/m2.

Effetto di filtraggio dell’atmosfera (lo spettro della radiazione solare viene modificato sia quantitativamente, che qualitativamente)

La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m2 (costante solare).

Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione dell’energia solare.

� Latitudine della zona considerataLa radiazione solare è massima all’equatore e diminuisce verso i poli

� Orientamento della superficie captanteNell’emisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud

� Inclinazione della superficie captanteInclinazione rispetto al piano orizzontale:- circa (L – 5°) per ottimizzare l’energia captata globalmente in un anno;- circa (L –12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo estivo;- circa (L+12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo invernale.

La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di :

Mappa della distribuzione dell’irraggiamento mediogiornaliero solare

Esempio di valori di Insolazione annua media(dati rilevati nel periodo 1994-1999)

- Bologna: 1427 kWh/m2

- Roma: 1516 kWh/m2

- Palermo: 1658 kWh/m2

La radiazione solare catturata èutilizzata per produrre acqua calda ad una temperatura che può raggiungere i60 – 70 °C.

SOLARE TERMICO A BASSA TEMPERATURA

Permette la conversione diretta dell’energia solare in energia termica

� la produzione di acqua calda sanitaria (ACS);

� il riscaldamento degli ambienti;

� il condizionamento estivo degli ambienti;

� il riscaldamento delle piscine.

Gli usi finali della tecnologia solare termica nel settore edilizio riguardano:

L’adozione di pannelli per la produzione di ACS può risultare una soluzione economicamente competitiva rispetto all’utilizzo di fonti tradizionali ed ha avuto larga diffusione in Europa negli ultimi anni.

� il collettore (o pannello) solare

� il serbatoio di accumulo (o boiler) dell’acqua calda

� l’eventuale centralina di regolazione

Elementi principali di un impianto solare termico

La radiazione solare incidente sulla superficie captante del pannello viene assorbita da una piastra assorbente nera all’interno di esso, che, a sua volta, cede l’energia termica ad un fluido termovettore che scorre in tubi saldati alla piastra stessa.

Il dispositivo principale di un impianto solare termico è il collettore, ossia il sistema di captazione dell’energia della radiazione solare.

Le principali tipologie di collettori solari termici

� il collettore piano vetrato

� il collettore scoperto� il collettore sottovuoto

� il collettore ad accumulo integrato

Presenta una elevata efficienza in climi rigidi, grazie alla dispersione di calore limitata

Utilizzato per il riscaldamento dell'acqua di piscine scoperte o per la fornitura di ACS in residenze estive

Il collettore assolve anche alla funzione di serbatoio

È la tipologia più diffusa, grazie al buon rapporto costo/efficienza

Impianti a circolazione naturale

� Semplicità dell’impianto

� Compattezza

� Semplicità di manutenzione

� Bassi costi

� Il serbatoio di accumulo deve essere posizionato obbligatoriamente al di sopra del pannello

� Necessità di una struttura di copertura dell’edificio che possa resistere ai carichi trasmessi dal serbatoio di accumulo, o di un sottotetto in cui alloggiarlo

Vantaggi

Svantaggi

Impianti a circolazione naturale

Impianti a circolazione forzata

� indipendenza della posizione del serbatoio rispetto a quella dei collettori e possibilità di alloggiare il boiler in vani tecnici all'interno dell'edificio

� possibilità di gestire impianti di grosse dimensioni

� possibilità di utilizzo di serbatoi di dimensioni maggiori

� nessuno spreco di acqua calda; infatti, l’aumento di volume dovuto all’eventuale evaporazione del fluido nel periodo estivo, viene compensato dal vaso di espansione

� costi di installazione e di gestione maggiori

� richiesta di energia elettrica, a causa della presenza della pompa

� maggiore complessità e vulnerabilità dell’impianto

Vantaggi

Svantaggi

Impianti a circolazione forzata

Riscaldamento degli ambienti

Alla tecnologia del riscaldamento solare va accoppiato un sistema di distribuzione del calore a bassa temperatura: pannelli radianti

Possibilità di integrazione di circa il 30 - 35% del fabbisogno energetico annuale

Costi

Mediamente, in Italia, un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria per una famiglia di cinque persone ha una superficie di circa 4 m2 di collettori, un serbatoio di accumulo di 300 litri e un costo complessivo di circa 3000 €.

Se si considera anche un’integrazione del sistema di riscaldamento tradizionale, con copertura del 20-30% del fabbisogno termico dell’edificio, il costo aumenta fino a circa 6000 - 8000 €, poiché si necessita di un impianto di dimensioni maggiori.

Il tempo di ritorno economico per un simile investimento per un’utenza domestica è di circa 10 anni nel caso di integrazione di sistemi con caldaia a metano e circa 6 anni nel caso di sostituzione di scaldabagno elettrico.

La durata di vita dei collettori solari si attesta intorno a valori di almeno 20–25 anni.

[fonte: Min. Amb.]

Confronto fra i consumi energetici relativi a diverse soluzioni per la produzione di ACS

[fonte: Min. Amb.]

Confronto fra le emissioni di CO2 causate da diverse soluzioni per la produzione di ACS

ENERGIA FOTOVOLTAICA

I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare in elettrica

� sistema di generazione: le celle fotovoltaiche

� sistema di controllo e condizionamento della potenza

� eventuale sistema di accumulo dell’energia (batteria)

� struttura di sostegno

Elementi principali di un impianto fotovoltaico

La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica.

È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere realizzata in diversi materiali.

Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico

Tipo di modulo disponibili in commercio

Silicio monocristallino

Silicio policristallino

Silicio amorfo

Efficienza dei moduli

14 - 17 %

11 - 14 %

5 - 7 %

Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e della temperatura esterna.

Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard:

� Intensità della radiazione = 1000 W/m2

� Temperatura della cella = 25 °C

� Massa d’aria: AM 1.5

La massa d’aria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosferaattraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizionedel sole nel cielo.

Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp), ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.

- generatore FV

- Inverter, per convertire la corrente generata dai moduli da continua in alternata

Per utenze collegate alla rete elettrica

Elementi principali:

Impianti connessi in rete

- moduli fotovoltaici

- regolatore di carica

- sistema di batterie di accumulo dell’energia

- eventuale inverter (nel caso in cui sia necessario alimentare l’utenza in corrente alternata).

Elementi principali:

Impianti isolati

Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica

Sistemi isolati (“stand alone”)

• rifugi di montagna• piccole isole• rilevazioni climatiche• ripetitori radio• boe di segnalazione• illuminazione stradale e da giardino• carica batterie• Paesi in via di sviluppo(refrigerazione, pompaggio, aree rurali)

LE APPLICAZIONI

Sistemi connessi in rete

• centrali di potenza• sistemi integrati negli edifici

85

85

85

Efficienza BOS(%)

12,5%

12,5%

12,5%

Efficienza moduli

(%)

208.61963.7TRAPANI

184.61737.4ROMA

145.81372.4 MILANO

Elettricità prodotta

mediamente in un anno

(kWhe/m² anno)

Insolazione media annua

(kWh/m² anno)

Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli

8

8

8

Superficie occupata da 1 kWp di moduli

(m2)

12,5%

12,5%

12,5%

Efficienza moduli

(%)

1963.71963.7TRAPANI

1737.4 1737.4ROMA

1372.4 1372.4 MILANO

Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente

continua(kWhe/kWp anno)

Insolazione media annua(kWh/m² anno)

Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli

Energia da biomassePer biomassa si intende: “Qualsiasi sostanza di natura organica, di origine vegetale o animale non fossile, da cui sia possibile ricavare energia attraverso processi di tipo termochimico o biochimico”

• Legno

• Scarti di lavorazioni agroforestali

• Residui industriali di processi produttivi di tipo zootecnico e/o agroalimentare

• Fanghi di depurazione

• Colture energetiche

Esempi:

I sistemi energetici da biomassa sfruttano l’energia solare che le sostanze vegetali recuperano sotto forma di energia chimica (potere calorifico) mediante il processo di fotosintesi

5-2884-3075-15Eucalipto

11-21178-23110-13Robinia

11-25178-27610-15Salice

10-35160-3869-20Pioppo

7-31155-25210-15Cardo

11-75240-60015-35Arundo

12-66260-53015-30Miscanto

8-54174-43510-25Panico

5-20128-2705-15Canapa

6-25155-32610-20Kenaf

10-32250-42215-25Sorgo (z.)

13-39334-50720-30Sorgo (f.)

Bilancio energia (O/I)Energia(GJ ha-1)

Sost. secca (t ha-1)Specie

Le trasformazioni avvengono mediante i seguenti processi:

Mediante opportuni processi l’energia contenuta nelle piante è poi trasformata in vari prodotti energetici:

• Energia elettrica

• Vettori energetici (idrogeno, gas, bio-oli)

• Biocarburanti(bioetanolo, biodiesel)

• Processi termochimici (combustione, gassificazione/pirolisi)

• Processi biologici (digestione anaerobica, fermentazione alcolica)

• Estrazione di oli

Vantaggi nell’utilizzo dell’energia da biomassa

• Sistemi a basso impatto ambientale, utilizzo di fonti rinnovabili

• Bilancio netto CO2 pressoché nullo: rispetto delle limitazioni del protocollo di Kyoto

• Differenziazione delle fonti di approvvigionamento, ridotta dipendenza dai combustibili fossili e dalle importazioni

• Possibilità di utilizzare scarti di produzione come prodotti energetici

• Miglioramento dell’efficienza e dell’affidabilità delle reti di distribuzione dell’energia (minori rischi di black out)

• Valorizzazione di aree rurali in disuso, migliore gestione del territorio boschivo

• Nuove opportunità di lavoro nel mondo delle agroenergie

• Incentivi economici: certificati verdi

Svantaggi e punti critici:

• Bassa densità energetica e massica della materia prima solida. Maggiori oneri per il trasporto

• Compatibilità tra il naturale ciclo di crescita della biomassa e la disponibilità continua di materia prima per i processi di trasformazione

• Problemi di biodegradabilità e perdita di sostanza secca in fase di raccolta, trasporto e stoccaggio

• Processi di trasformazione, in alcuni casi, non ancora sufficientemente testati, collaudati e diffusi

• costi per la produzione e la trasformazione di alcune tipologie di biomassa ancora troppo elevati

• Richiesta di grandi aree di territorio da destinare alle agroenergie e da sottrarre alle colture agroalimentari

• Necessità di creare delle filiere corte di produzione

•Mercato dei biocarburanti non ancora competitivo economicamente

PICCOLO-IDROELETTRICO

Trasformano l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica.

Comprende gli impianti inferiori ai 100kW di potenza e fino a pochi kW

L'energia si ottiene sfruttando:

� La caduta d'acqua attraverso un dislivelloLa potenza dell’impianto dipende da portata e salto fra la quota a cui è disponibile

la risorsa idrica e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina

� La velocità di una corrente d'acquaLa potenza di un impianto dipende dalla velocità della corrente e dallasuperficie attiva della turbina

• Girante (organo mobile): trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore.

La turbina idraulica

• Distributore (organo fisso): indirizza la portata in arrivo verso la girante secondo la direzione dovuta; regola la portata mediante organi di parzializzazione; provoca una trasformazione parziale o totale dell'energia di pressione posseduta dalla portata in energia cinetica .

Si compone di:

� Turbine ad azione: quando la conversione da energia potenziale a cinetica avvienecompletamente nel distributore (Pelton)

Classificazione delle turbine:Classificazione delle turbine:

� Turbine a reazione: quando la conversione da energia potenziale a cinetica si ripartisce fra distributore e girante (a flusso radiale, Francis o a flusso assiale, Kaplan)

A differenza degli impianti idroelettrici di grande taglia, che spesso provocano squilibri per il territorio circostanti e situazioni conflittuali alle popolazioni locali, gli impianti di piccolataglia, possono inserirsi in maniera armonica nell'ecosistema della zona interessata.

A differenza degli impianti idroelettrici di grande taglia, il mini - micro idroelettrico presenta ancora un significativo potenziale di sviluppo in Italia

IMPIANTI EOLICI

Le macchine eoliche sono classificabili in diversa maniera, a seconda della taglia di potenza, del numero di pale della posizione dell'asse di rotazione:

• macchine ad asse orizzontale: l'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento • macchine ad asse verticale: l'asse del rotore è perpendicolare al terreno e alla direzione del vento

Sfruttano l’energia cinetica associata alle masse d’aria in movimento, per effetto del loro riscaldamento

Macchine eoliche: trasformano l'energia eolica in energia meccanica di rotazione, che può essere utilizzata per produrre elettricità

La macchina consiste essenzialmente in un rotore (a una o più pale), accoppiato tramite moltiplicatore di giri, o direttamente, a un generatore elettrico tradizionale

Applicazioni

� Mini-eolico: piccole macchine, aerogeneratori o aeromotori installati come sistemi isolati a servizio di una utenza isolata

� Macchine di media e grande taglia:l'applicazione tipica è in cluster (in genere collegati alla rete elettrica)

SISTEMA PER LA PRODUZIONE COMBINATA DI ENERGIA ELETTRICA E CALORE CON CELLE A COMBUSTIBILE

COMBINED HEAT AND POWER (CHP)

IMPIANTO DI PICCOLE DIMENSIONI CHE ACCOPPIA LA PRODUZIONE DI ENERGIA

ELETTRICA, TRAMITE CELLE A COMBUSTIBILE, CON UN SISTEMA DI PRODUZIONE DI

IDROGENO, ATTRAVERSO IL TRATTAMENTO TERMOCHIMICO DI UN IDROCARBURO CHE

PUO’ ESSERE ESTRATTIVO OPPURE RICAVATO DALLA GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE

NEL PROCESSO DI TRATTAMENTO DELL’IDROCARBURO E NELLA REAZIONE CHIMICA

ALL’INTERNO DELLA CELLA SI GENERA UN ELEVATO QUANTITATIVO DI CALORE

RECUPERATO COME ENERGIA TERMICA, UTILIZZABILE PER PRODURRE ACQUA CALDA, SIA

PER USO SANITARIO SIA PER RISCALDAMENTO

Schema di Impianto

•Sistema di pulizia del gas naturale: elimina i composti che risultano nocivi per i catalizzatori presenti nel sottosistema di trattamento combustibile e nello stack di celle: zolfo nel caso di gas estrattivo, impurità organiche nel caso di biogas;

•Sistema di trattamento del gas naturale: produce un gas ad alto contenuto di idrogeno con caratteristiche compatibili al corretto funzionamento dello stack di celle utilizzate;

•Sistema cella a combustibile (stack): produce energia elettrica dalla reazione tra idrogeno e ossigeno

•Sistema di umidificazione : garantisce il corretto funzionamento delle membrane polimeriche nello stack;

•Sistema di raffreddamento: garantisce i livelli ottimali di temperatura dello stack e degli altri sottosistemi recuperando il calore da inviare alle utenze;

Sistema di power conditioning: trasforma l’energia in cc prodotta dallo stack in energia in ca ed assicura nel contempo il parallelo con la rete ENEL (modalità grid-connected) nel rispetto delle normative vigenti. Inoltre in caso di mancanza della rete ENEL assicura il funzionamento delle utenze critiche (modalità grid-indipendent);

Sottosistemi di impianto

•Sistema di strumentazione per la misura in continua di:

-portata, temperatura, pressione e composizione del gas prodotto dal sistema di trattamento combustibile;- portata, temperatura e composizione e dei fumi di scarico del sistemi di trattamento combustibile; - portata, temperatura, pressione, umidità e composizione dei gas in uscita dallo stack- portata e temperatura in ingresso ed uscita del circuito di raffreddamento e calcolo della potenza termica recuperata;- tensione e corrente di cella;- prelievi di fluidi per analisi off-line- consumo di gas;- potenza elettrica ed energia generata ;- potenza termica ed energia generata.

•Sistema di supervisione e controllo: garantisce la corretta conduzione dell’impianto

•Sistema di sicurezza: garantisce l’arresto dell’impianto in sicurezza nel caso di malfunzionamento

Sottosistemi di impianto

Sistema trattamento gas/Scambiatore

Acqua caldaMetano

ElettricitàPEFC

Rete distribuzione elettrica

Integrazione sistema di cogenerazione PEFC con impianto di riscaldamento residenziale

CHP

Elettricità

ESEMPIO DI IMPIANTO DI COGENERAZIONE CHP

Possibile scenario

Esempio: isolamento termico dell’edificioBuona parte dell’energia utilizzata per riscaldare un edificio durante la stagione invernale viene dispersa dalle pareti, dal tetto, e dalle finestre. Eseguendo interventi di isolamento termico è possibile ridurre il consumo di combustibile per il riscaldamento delle abitazioni e di conseguenza contribuire alla riduzione delle emissioni di gas inquinanti, oltre ad un risparmio economico

Operazione con la quale si intende conseguire l'obiettivo di realizzare gli stessi prodotti o servizi (in quantità e qualità) con un minor consumo di energia primaria.

EFFICIENZA ENERGETICA

Attualmente in Italia, per soddisfare il fabbisogno energetico, si consumano circa 198,46 Mtep di energia totale, utilizzando diverse fonti primarie, di questi 52,106 Mtep (il 26,25%) si disperdono o consumano prima dell'uso mentre 59,291 Mtep (il 29,87%) diventano energia elettrica

il mercato dell'energia elettrica

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NORMATIVA E INCENTIVI

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I vantaggi ottenuti col ricorso alle fonti rinnovabili

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TEE (Certificati Bianchi)

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Politiche comunitarie e opportunita’ di guadagno

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Il Laboratorio Erg è a Vostra disposizione per approfondimenti

Ing. Nicola Contrisciani – responsabile – ([email protected])Ing. Fabio Frattini ([email protected])

Ing. Corrado Salgò ([email protected])Ing. Paolo Turroni ([email protected])

Ing. Claudio Zini ([email protected])