Energia e Sviluppo Sostenibile

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1 Energia Solare A. Servida - servida@unige.it

2 L ENERGIA SOLARE Potenza solare intercettata dalla terra = 1, kw termici. L assorbimento da parte dell atmosfera riduce sensibilmente la quantità di energia ricevuta dalla superficie terrestre. Distribuzione di tale energia sulla superficie terrestre varia molto con: latitudine, altitudine sul livello del mare, stagione, ora del giorno, condizioni meteorologiche locali.

3 Radiazione solare Il Sole si comporta come un corpo nero che emette energia nello spazio ad una temperatura di 5780K Il valore medio del irraggiamento solare vale circa 1367 W/m 2 e prende il nome di costante solare In una giornata soleggiata con cielo terso, sommando tutte le componenti della radiazione, si può arrivare ad un massimo di 1000 W/m 2

4 La produzione di acqua calda sanitaria in impianti a circolazione naturale sfrutta l energia solare sia per riscaldare sia per attirare la circolazione all interno dell impianto. Si hanno pannelli solari, boiler ad intercapedine e pompa di circolazione. Il fluido termovettore riscalda l acqua e nei periodi estivi può raggiungere lo stato di vapore. Con l evaporazione si ha aumento di volume e pressione all interno del circuito solare. Negli impianti a circolazione forrzata, la circolazione del fluido termovettore è generata da una pompa gestita mediante una centralina che interviene quando c è disponibilità di energia solare. Si possono avere accumuli di grandi dimensioni (5000 L). Non si hanno sprechi di acqua calda.

5 Mercato Europeo DIFFUSIONE Fonte Estif

6 Si nota chiaramente dal diagramma come la Germania rappresenti una potenza europea in questo settore, rappresentando circa la metà del mercato e dello sviluppo di questa tecnologia in Europa, seguita da Spagna, Italia, Francia e via via, in percentuale minore, dagli altri paesi europei. Fonte Estif

7 Mercato Italiano Fonte Assolterm

8 Fattori determinanti per lo sviluppo: esigenza di ridurre i consumi delle fonti energetiche fossili convenzionali (carbone, petrolio, gas naturale); necessità di ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera; disponibilità di tecnologie efficienti ed affidabili; vantaggi fiscali per il consumatore finale (come la detrazione del 55% delle spese sostenute per l installazione dell impianto dalla dichiarazione dei redditi)

9 TECNOLOGIA SOLARE Sia per gli impianti di produzione di acqua calda sanitaria, che per gli impianti di climatizzazione dell aria, la componente fondamentale di un sistema solare è il collettore (o pannello) solare; egli è in grado di catturare l energia solare e renderla all utente come energia termica del fluido vettore che si trova all interno dell impianto. Bilancio energetico:

10 Tipologie di impianti Circolazione naturale Circolazione forzata

11 Collettori solari Collettori solari piani o vetrati

12 Collettori solari ad aria Usati per la climatizzazione di ambienti, questi collettori si differenziano dai precedenti esclusivamente per il fluido vettore che circola all interno; trovano spazio nel campo dell industria alimentare in processi di essiccamento.

13 Collettori scoperti I pannelli solari scoperti sono adatti per il riscaldamento di piscine scoperte, acqua calda per le docce negli stabilimenti balneari, nei campeggi, negli alberghi stagionali, ecc. Sono privi di vetro e l'acqua passa direttamente all'interno dei tubi del pannello, dove viene riscaldata dai raggi solari ed è pronta per essere usata.

14 Collettori sottovuoto Tecnologia a flusso diretto Tecnologia heat pipe

15 Serbatoi di accumulo Il serbatoio di accumulo ha il compito di fungere come volano termico: cerca di accumulare la maggior quantità di energia termica nei periodi di basso consumo per poi cederla all utenza quando questa non è disponibile (ad esempio di sera); i periodi di accumulo possono variare da poche ore a giorni o mesi. I requisiti di una buona unità di accumulo sono: buona stratificazione termica nel serbatoio; buona efficienza termica (ridotto rapporto superficie/volume) elevato ciclo di vita associato ad una bassa manutenzione costo competitivo.

16 Potenzialità del solare termico L Italia offre condizioni climatiche favorevoli per questo tipo di tecnologia; percorrendo lo stivale, si può notare che il valore di insolazione all anno tra nord e sud è compreso tra e kw th /m 2.

17 Energia pro-capite necessaria Q = G * c s (T u - T a ) = 50 l * 1 kcal / C l * 30 C = 1500 kcal = 1700Wh termici Dove G: la portata dell acqua da scaldare, espressa in litri c s : il calore specifico dell acqua, espresso in kcal/l C T u : la temperatura finale di utilizzo, espressa in C T a : la temperatura iniziale dell acquedotto, espressa in C.

18 Consumo energetico con i sistemi convenzionali Produzione ACS con scaldabagno elettrico Produzione ACS con caldaia a gas 1.7 kwh termici = 1.94 kwh elettrici a persona Sapendo che per ogni kwh elettrico vengono consumati circa 2.54 kwh primari (petrolio, carbone,..) kwh primari * 1.94 kwh elettrici =4.93kWh primari a persona Per produrre il fabbisogno pro-capite di energia, 1500 kcal, una caldaia a gas, con un rendimento del 80-85%, consuma circa 1875 kcal, ovvero 2.18 kwh termici Una famiglia di 4 persone consuma circa kwh primari /giorno che equivalgono a kcal/giorno Una famiglia di 4 persone consuma quindi 7500 kcal/giorno, che equivalgono a 8.72 kwh termici

19 Confronto tra impianti convenzionali e impianti integrati con sistemi solari Fonte Isesitalia

20 Vantaggi ambientali Fonte Isesitalia

21 Vantaggi economici Nel caso della produzione di ACS, una famiglia di 4 persone che consuma in media50-60 litri al giorno per persona, per un totale di mila litri annui, spende circa 930 per scaldare l acqua con energia elettrica e 290 con caldaia a metano. Se l impianto solare integra una caldaia per circa il 60-70%, il risparmio annuo oscilla tra 550 e 650 e in 5 anni si può ammortizzare una cifra compresa tra 2750 e 3250 ; a queste considerazioni, bisogna aggiungere che si possono detrarre dalla dichiarazioni dei redditi il 55% delle spese sostenute nell acquisto ed installazione dell impianto.

22 L'1 maggio 2012 si è aperta la compilazione delle schede valutazione della didattica. La modalità di accesso è invariata: 1) gli studenti devono collegarsi alla pagina 2) per Chimica e Chim. Ind., la password è: chimica11 La valutazione terminerà il giorno 15 giugno 2012.

23 Mappa Radiazione Solare Italia Anno di riferimento: 2011 (

24 Produzione di Calore ad Alta Temperatura L'obiettivo è quello di "generare" calore ad alta temperatura, cioè a livelli di temperatura paragonabili a quelli raggiungibili con le fonti fossili ( o C). Per questa ragione è necessario concentrare l'energia solare recuperata per irraggiamento (CPS: Concentrating Solar Power). La disponibilità di calore ad alta temperatura consente di: produrre energia elettrica; produrre idrogeno.

25 CPS: Configurazione Tipo (1) Un impianto CPS per la produzione di energia e' costituito da 4 componenti base: collettore, ricevitore, sistema di trasporto del fluido vettore, sistema di generazione dell'energia elettrica.

26 CPS: Configurazione Tipo (2) Il collettore cattura la radiazione solare che concentra sul ricevitore. Il ricevitore assorbe l'energia e la trasferisce al fluido termovettore. Il sistema di trasporto e di accumulo del calore invia il fluido caldo al sistema di generazione dell'energia elettrica.

27 Ma dove utilizzare questa risorsa? Questa mappa planetaria rappresenta la fascia solare dove l esposizione è maggiore e diretta. Come sappiamo questo fattore di irradiamento è determinante per l efficienza del sistema, soprattutto per un discorso di continuità di funzionamento. Come ordine di grandezza, in queste aree ogni metro quadro di collettore solare può produrre in un anno un energia termica equivalente a circa un barile di petrolio [2].

28 I tipi di impianto In linea generale questo tipo di sistema è formato da degli specchi, i quali vanno a direzionare i raggi del sole su un serbatoio contenente generalmente Sali, questi fondono e vanno a contatto con uno scambiatore di calore contenente acqua generando così vapore pronto per essere trasformato in energia elettrica, da turbine. Esistono differenti tecnologie: Impianti con collettori parabolici lineari Impianti a torre centrale Impianti con collettore a disco parabolico

29 Impianti con collettori parabolici lineari Questo impianto è composto da specchi di forma parabolica - che ruotano su un solo asse - riflettono e concentrano i raggi del sole su un tubo (tubo ricevitore) al cui interno scorre un opportuno fluido termovettore ; il fluido termovettore "assorbe" il calore e lo trasferisce a un generatore di vapore per la successiva produzione di elettricità tramite un turboalternatore. Adatti per produzione di energia elettrica su larga scala

30 Impianti con collettori parabolici lineari

31 Impianti a torre centrale Negli impianti a torre centrale vi è un sistema di specchi indipendenti (eliostati) che inseguono il sole e concentrano i suoi raggi su un ricevitore fisso posto alla sommità di una struttura a torre. Il ricevitore "cede" il calore al fluido termovettore. Il fluido termovettore trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari. Conversioni superiori e investimenti iniziali inferiori

32 Impianti a torre centrale

33 Impianti a torre centrale

34 Impianti con collettore a disco parabolico Sono costituiti da un pannello riflettente di forma paraboloica che insegue il sole, con un movimento di rotazione attorno a due assi ortogonali, e concentra la radiazione solare su un ricevitore montato nel suo punto focale. Il calore ad alta temperatura viene normalmente trasferito ad un fluido ed utilizzato in un motore, posizionato al di sopra del ricevitore, dove viene prodotta direttamente energia meccanica o elettrica.

35 Impiego di Sali fusi in collettori parabolici L utilizzo di sali fusi come fluido termovettore, permette principalmente due vantaggi: di realizzare un accumulo termico a basso costo, in quanto i sali sono economici, non tossici e a limitato impatto ambientale di aumentare la temperatura all uscita del campo solare fino a 550 C, con aumento delle prestazioni del ciclo termodinamico di produzione elettrica; nel caso degli oli sintetici la massima temperatura è invece limitata a circa 400 C.

36 I PROBLEMI: La temperatura e la continuità di esercizio Per quanto riguarda la temperatura, il problema è che con l uso di oli si arriva a temperature intorno ai 400 C e quindi, bassi rendimenti. La continuità è invece relativa al fatto che la fonte non è costante, ed infatti si posso trovare impianti ibridi (CPS-bruciatori), oppure accumulatori che normalizzano la continuità.

37 Tecnologia Solare ad Alta Temperatura: Vantaggi (1) Tenendo conto che i sistemi collettore-ricevitore sono in grado di "catturare" l'energia solare con un efficienza di raccolta che arriva al 65%, un impianto a concentrazione realizza un'efficienza di conversione energia solare (diretta) ===> energia elettrica di circa il 28%. Per esempio, in una zona molto soleggiata, quale il deserto del Sahara che esibisce un irraggiamento diretto medio (sull'anno) pari a 2900 kwh/m 2 (10.4 GJ/m 2 ) 1 km 2 di collettori potrebbe produrre 800 GWh di energia elettrica. Ovvero 1 km 2 di collettori produrrebbe l'energia elettrica di una centrale (combustibile fossile) da 100 MW e.

38 Tecnologia Enea a Sali Fusi: Vantaggi (1) La miscela di sali utilizzati, nitrati di K (40%) e di Na (60%), costituisce una fluido termovettore "sicuro" (non tossico e non volatile). I sali fusi consentono di realizzare un accumulo termico a basso costo e migliore rispetto a quello realizzabile con oli diatermici. Con i sali si ottengono accumuli di circa 0.2 kwh/m 3 (doppi di quelli relativi agli oli sintetici). I costi di accumulo (intorno ai Euro/kW e ) sono nettamente inferiori a quelli realizzabili con il pompaggio idraulico (circa 100 Euro/kW e ) o con le batterie (circa Euro/kW e ). I rendimenti dei cicli di carica-scarica sono molto elevati (circa il 99%). Con i sistemi tradizionali i rendimenti non superano il 75%.

39 Tecnologia Enea a Sali Fusi: Vantaggi (2) Il salto termico che tipicamente viene realizzato è di 290 o C e questo consente di ottenere accumuli di 1kWh per 5 litri di sale fuso!!!

40 Tecnologia Enea: Progetto Archimede (1) Integrazione della centrale Enel di Priolo (ciclo combinato a gas) con un impianto solare a concentrazione (campo solare) di 318 collettori da 100 m per produrre vapore a 530 o C. L'impianto solare consente una produzione aggiuntiva di energia elettrica di 28 MW e.

41 Tecnologia Enea: Progetto Archimede (2) Campo solare.

42 Tecnologia Enea: Progetto Archimede (3) Dati tecnici.

43 Tecnologia Enea: Impianto Solare Dati tecnici per un impianto "desertico". Dati riferiti al km 2 di territorio.

44 Tecnologia Solare ad Alta Temperatura: Costi

45 Tecnologia Solare ad Alta Temperatura: Costi

46 Energia Elettrica da Fotovoltaico (1) Si sfrutta l'effetto fotoelettrico che esibiscono i materiali semiconduttori (tipo Si, policristallino o cristallino). Le prime celle fotovoltaiche furono sviluppate negli anni '60- '70 per le applicazioni aereospaziali (i costi si attestavano intorno ai 250 kusd/kw e!!) A partire dagli anni '70 si incominciarono a fabbricare celle di piccola scala per applicazioni dell'elettronica di consumo (orologi, calcolatori, sistemi di comunicazione in remoto ) (1-100 kw). In quegli anni incominciarono ad essere disponibili sistemi per piccole produzioni di energia elettrica (1-100kW). Nel 2003 il costo si era ridotto ad "appena" 2.5 kusd/kw e.

47 Energia Elettrica da Fotovoltaico (2) Quando un fotone (di energia adeguata) interagisce con un materiale semiconduttore è possibile "generare" elettroni se l'energia assorbita è superiore al band gap (una sorta di barriera energetica). Esistono due tipologie di semiconduttori: tipo n (materiali negativi); tipo p (materiali positivi). I primi sono materiali nei quali gli elettroni di conduzione hanno una certa libertà (Si dopato con piccole quantità di fosforo). I secondi sono materiali gli elettroni sono molto meno mobili. per esempio se il Si è dopato con boro, parte degli elettroni associati al Si vengono "congelati (immobilizzati)" dalla presenza del boro. Questo fenomeno crea delle "lacune" ("vuoti") all'interno della struttura cristallina del Si, che quindi risulta caricato positivamente.

48 Energia Elettrica da Fotovoltaico (3) Mettendo in contatto un materiale tipo p con uno tipo n si crea una giunzione p-n. Si stabilisce un equilibrio "elettrico" con una differenza di potenziale (anche di 0.5 V) ma senza passaggio netto di corrente.

49 Energia Elettrica da Fotovoltaico (4) Quando la cella è investita dalla luce, per effetto fotoelettrico si creano "elettroni liberi" e "lacune". Collegando i due materiali con un circuito esterno si rende possibile un flusso di elettroni dal materiale tipo n a quello tipo p.

50 Energia Elettrica da Fotovoltaico: Efficienze Efficienze moduli: limiti teorici e valori sperimentali

51 Energia Elettrica da Fotovoltaico: Efficienze Efficienze moduli: trend storico

52 Energia Elettrica da Fotovoltaico: Costi Quando la cella è investita dalla luce, per effetto fotoelettrico si

53 Cosa si intende per grid parity Energia Elettrica da Fotovoltaico: Grid Parity