Fonti rinnovabili di energia: realtà concreta o solo utopia? Parma 29/01/2011

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1 1 Fonti rinnovabili di energia: realtà concreta o solo utopia? Parma 29/01/2011 Francesco Giusiano

2 2 Su scala globale Energia solare disponibile in un anno: J Consumo energetico nell anno 2008 : J Frazione da combustibili fossili > 80 % Emissioni di CO 2 non compensate 30 Gton Alterazione del bilancio energetico della terra! Uso di fonti rinnovabili: è necessario per ridurre l impatto sul bilancio del pianeta,è possibile dal punto di vista scientifico. Insieme serve la razionalizzazione energetica.

3 3 Su scala locale E possibile fare qualcosa di significativo qui (a Parma città e in provincia) e adesso? Sono disponibili ( a prezzi sopportabili ) fonti energetiche rinnovabili e tecnologie per utilizzarle, che consentano di soddisfare le richieste energetiche tipiche della nostra vita di tutti i giorni? Caso di studio: unità abitativa da 100 m 2, abitata da quattro persone, a Parma.

4 4 Richiesta annuale di energia Energia elettrica: 3000kWh Energia termica: 200kWh/m 2 ( 720 MJ/m 2 ) in base a dati del PER Emilia- Romagna 2003 In totale 72 GJ, di cui 6 GJ per ACS Però se l edificio fosse secondo lo standard Casa clima B 18 GJ

5 Possibile copertura da fonti rinnovabili del riscaldamento? 5 A Parma la risorsa disponibile in abbondanza è solo la radiazione solare: su superficie orizzontale l irradiazione annua vale in media 5GJ/m 2 ( quindi su 100m 2 500GJ). Non è disponibile risorsa geotermica termale. Nel territorio provinciale: disponibili localmente anche biomassa legnosa, biogas,energia eolica e idraulica.

6 6 Disponibilità di energia solare Energia solare totale (GJ) su 40 m2 orizzontali 30,000 25,000 20,000 15,000 Energia totale (GJ) 10,000 5,000 0,000 G F M A M G L A S O N D G F M A M G L A S O N D Mesi da Gennaio 1996 a Dicembre 1997

7 Richiesta di energia termica 7 Richiesta termica 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 Disponibilità solare Richiesta termica "statistica" Richiesta termica "casa clima B" 10,000 5,000 0,000 G L A S O N D G F M A M G L A Mesi (da Giugno 1996 a Agosto 1997)

8 8 Prima ipotesi: impianto solare termico Per valutare il rendimento dell impianto solare termico e quindi la quantità di energia termica ottenibile nel corso dell anno bisogna considerare: La temperatura richiesta per l acqua calda in uscita, che dipende dal tipo d impianto di riscaldamento. Le curve di rendimento che caratterizzano il comportamento dei collettori solari.

9 9 Temperatura richiesta per l acqua dell impianto: Radiatori convenzionali C Ventilconvettori 50 C Pannelli radianti 30 C Ovviamente la temperatura dell acqua in uscita dai pannelli solari deve essere un po maggiore per consentire l accumulo (giornaliero).

10 Efficienza dei collettori solari termici (piani o tubolari sotto vuoto) 10 Immagine tratta dal sito

11 11 Uso ottimale dei collettori solari termici Funzionano con la massima efficienza nei mesi estivi se si richiedono temperature dell acqua relativamente basse; l efficienza minima si ha nei mesi invernali se si vuole acqua a temperatura relativamente alta. L ideale sarebbe accumulare calore a bassa temperatura (impianto a pannelli radianti) durante l estate per usarlo durante l inverno. Un numero a sboccio per l efficienza media annua è 50%.

12 12 Possibilità di accumulo stagionale Calore sensibile:acqua a 50 C, T=10 C 18 GJ 420*10 3 kg. Calore latente: 180 kj/kg a varie temperature (prodotti commerciali,tipicamente paraffine) 18 GJ 100*10 3 kg. Calore latente :2185 kj/kg a 50 C (Goswami,D.Y.and Jotshi,C.K.-1995) 18 GJ 9*10 3 kg. Di questo prodotto non ho più trovato traccia!

13 13 Accumulo stagionale su piccola scala non è ragionevolmente fattibile Non è pensabile di ottenere l autonomia completa senza integrazione con altre fonti (rinnovabili o no) Si possono prendere in considerazione contributi parziali ottenuti con i pannelli solari termici Ovviamente questi contributi sono più o meno importanti secondo la taglia (e quindi il costo) dell impianto

14 14 Impianto termico per ACS ~4 m 2 di collettori piani o tubolari sotto vuoto;accumulo da ~300 litri. Copertura annuale 60-70%. Copertura marzo-settembre >90%. Costo /m 2 (impianto completo). Contributo sotto forma di sgravio fiscale.

15 15 Impianto solare Combi m 2 per avere un contributo apprezzabile al riscaldamento invernale fatto con caldaia convenzionale o a biomassa. Eventualmente pannelli tubolari sotto vuoto per avere maggior efficienza invernale. Svantaggio: grande surplus estivo, a meno che non ci sia uso specifico ( p.e. raffrescamento con impianto ad assorbimento : in questo caso si parla di impianto Combi plus).

16 16 Seconda ipotesi: impianto solare fotovoltaico In questo caso si ottiene dal sole energia elettrica con cui si aziona una pompa di calore : il calore utilizzato nell impianto di riscaldamento non è più direttamente calore solare, ma calore prelevato gratuitamente dall ambiente con la pompa di calore. Con l impianto FV collegato alla rete elettrica diventa irrilevante il problema della opposizione di fase fra richiesta di riscaldamento e disponibilità di radiazione solare.

17 17 Riscaldamento con pompa di calore e sonda geotermica Sonda geotermica vera : si preleva calore a C (temperatura praticamente costante durante tutto l anno) dal terreno a profondità >20 m, e con una pompa di calore lo si trasferisce ai corpi scaldanti ( pannelli radianti a 30 C). La PC lavora con ΔT piccolo e costante, il che rappresenta una condizione impiantistica molto favorevole.

18 18 Riscaldamento con pompa di calore e sonda geotermica Sonda geotermica impropria :se si preleva il calore dal terreno a profondità <10m, in pratica si preleva calore solare accumulato spontaneamente. Si potrebbe accumulare calore solare nel terreno d estate con collettori solari termici e prelevarlo d inverno. Oppure usare una pompa di calore reversibile e usare d estate il terreno come accumulo per il calore sottratto all edificio con il raffrescamento.

19 19 Altre configurazioni per la pompa di calore Le due configurazioni precedenti sono pompe di calore terreno-acqua.sono possibili anche : Pompe di calore acqua-acqua :il calore trasferito all impianto di riscaldamento viene prelevato da acqua a temperatura non troppo bassa (falda sotterranea, laghetto, fiume, scarico di impianto industriale,.) Pompe di calore aria-acqua :il calore viene prelevato dall aria ambiente.

20 20 Richiami sulla pompa di calore ideale Usando L, preleva Q 1 da T 1 e restituisce Q 2 a T 2 (>T 1 ) COP i =Q 2 /L=T 2 /(T 2 -T 1 ) P.e.:T 1 =285K(12 C) e T 2 =305 K(32 C) Allora COP i =15, cioè con 1 J di energia meccanica ottengo 15 J di energia termica

21 21 Pompa di calore elettrica reale COP r «COP i ; con le T della slide precedente è ragionevole COP r 4-5:da 1 kwh elettrico ne ottengo 4-5 termici. Usando una PC reversibile si può fare anche il raffrescamento estivo. Però il sistema è conveniente solo se l edificio è ben isolato e T è piccolo.

22 22 Impianto fotovoltaico Per avere 1 kw p servono 6-8 m 2 di moduli in C-Si o p-si, circa 16 m 2 di moduli in a-si, valori intermedi per moduli in altri film sottili (CdTe, CIS). Per ogni kw p si producono nella nostra zona 1100kWh di energia elettrica. Per impianti collegati alla rete non c è problema di accumulo. Il costo attuale è tipicamente /kw p. Con l incentivazione in conto energia il rientro si ha in 8-10 anni e l impianto dura anni.

23 23 Qualche calcolo veloce Con Impianto FV da 5 kw p (30-40m 2 ) si producono circa 5500 kwh e. 18 GJ equivalgono a 5000 kwh th, che si possono ottenere con una PC a COP 4 usando 1300 kwh e. Rimangono 4200 kwh e :la casa può essere autosufficiente, compreso raffrescamento estivo. Ovviamente servono apparecchi elettrici ed elettronici ad alta efficienza, ed anche una gestione attenta dei consumi.

24 24 Integrazione architettonica dell impianto solare E Indispensabile la collaborazione fra progettisti, installatori e architetti. Per le nuove costruzioni è utilissima la pianificazione urbanistica mirata all ottimizzazione della disponibilità di radiazione solare. Scopi in possibile contrasto: produrre più energia possibile -integrare l impianto in modo esteticamente valido.

25 25 Altre fonti rinnovabili oltre alla radiazione solare Nel territorio provinciale in pianura sono disponibili localmente risorse da biomasse legnose e da biogas. In collina e in montagna sono disponibili anche risorse da energia idraulica ed eolica. L uso di tutte le risorse disponibili con impianti a piccola scala è tecnologicamente possibile, e può creare molte occasioni di lavoro per progettazione, installazione e manutenzione. E necessario però un cambiamento di approccio e di mentalità.

26 Grazie per l attenzione! 26

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