I parte 23 gennaio 2014

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1 Progetto Affamati di Energia Istituto IIS I.I.S. Biagio Pascal Seminario Energia dal sole I parte 23 gennaio 2014 Riccardo Olivani

2 Il Sole passaporto Età: 4,57 mld di anni Volume: 1, m 3 Distanza dalla dll Terra: ca. 150 mln Km (circa (i 8 minuti/luce!) Temperatura mediasuperficiale: ca K REAZIONE DI FUSIONE 1 2 ( ) 4 1 H 2 2 H + 2 e ν e (4,0 MeV + 1,0 MeV) 2 1 H H 2 3 He + 2 γ (5,5 MeV) 2 3 He 4 He H (12,9 MeV)

3 Potenza/Energia dal Sole Quanta? Sotto che forma??rdi Radiazioni i ielettromagnetiche ltt tih di varia lunghezza d onda (e di conseguenza varie frequenza) E=hν Dove ν è la frequenza dell onda (hertz cioè 1/s) e h è la costante di Planck che vale 6, x J x s La costante solare considera tutte le frequenze dello spettro della radiazione solare (comprese quelle invisibili). Il suo valore è: 1367 W/m² Misurata dove? Con rilevazioni satellitari prima dell ingresso in atmosfera Quanta potenza? W!!!

4 Energia dal sole Tanta! Considerando la potenza/m 2 della costante solare, avremmo (solo in teoria*): (*) in teoria: valore riferito prima dell ingresso della radiazione in atmosfera e ipotizzando un rendimento di conversione luce/energia elettrica pari a 1 NON tutta l energia solare che arriva all atmosfera giunge integralmente sulla superficie terrestre, ma subisce fenomeni di attenuazione, riflessione nel percorso verso il suolo Circa il 40% della radiazione viene assorbita o riflessa dalle nubi ed il 15% viene assorbita dall'atmosfera atmosfera stessa Al suolo arriva, quindi, mediamente circa il 45% della radiazione entrante (ossia la costante solare)

5 Energia dal sole Tanta! In pratica sulla Terra arrivano sotto forma di energia elettromagnetica circa 78 PW (10 15 W) Passando da potenza a energia (che è importante!) Inun ora il sole irradia sulla Terra 78PWh ossia volte più energia dell intero fabbisogno mondiale giornaliero. In pratica in meno di un ora dal sole giunge sulla Terra tanta energia quanta la popolazione del pianeta ne consuma in un anno

6 Energia dal sole Vantaggi e svantaggi Alternanza giorno/notte Stagionalità Condizioni meteorologiche Ridotta densità energetica MA è Pulita (no emissioni inquinanti e no CO 2 in fase d uso) Inesauribile Gratuita Sicura Affidabile Silenziosa Non diffonde calore nell ambiente

7 Energia dal sole Mappa solare Energia media annua che arriva al suolo (kwh/m 2 x anno) Tutta sfruttabile? NO dicerto: Con cosa la converto? In cosa la converto? Rendimento?

8 Energia dal sole Fotovoltaico Calcolo produzione annua impianto FV esposto a Sud 3 kw a Novara (annua 3700 kwh)

9 Energia dal sole Fotovoltaico 500 Produzione mensile (kwh) di impianto FV 3 kw (annua 3700 kwh) Su base annua può soddisfare i consumi elettrici di una famiglia tipicai di 4 persone Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

10 Energia dal sole Fotovoltaico Schedatecnica di modulo Scheda tecnica di modulo FV (dimensioni 1,7m x 1 m e 240W<potenza<255W)

11 Energia dal sole Fotovoltaico Abbiamo visto che la potenzanominale nominale diunmodulo è calcolata in laboratorio a 25 C con un irraggiamento di 1000W/m 2 Le condizioni operative sono diverse! Il test a condizioni NOCT (nominal cell operating temperature) è unvalore più attendibile. La potenza di unmodulo decresce di circa 0,5% al crescere di 1 C

12 Energia dal sole Solare termico Rendimento tipico di pannello per solare termico

13 Quanta energia per cucinare? Calcolo (semplice): far bollire 1 litro (1 kg) di acqua E=mcΔT dove: m=1000 g c acqua =1cal/(g x C) ΔT = 85 C ottengo: E= cal cioè 85 kcal (Cal*) cioè 0,1 kwh (*) la caloria con la C maiuscola è chiamata anche grande caloria e corrisponde a 1000 cal. E l unità di misura usata normalmente per esprimere il valore energetico dei cibi

14 Quanta energia per cucinare? elettrico Esperimento (semplice): far bollire 1 litro (1 kg) di acqua con un bollitore elettrico Il bollitore elettrico ha (trascurando le perdite di calore attraverso le pareti del bollitore) un rendimento pari a 1 ossia converte tutta l energia elettrica in ingresso in energia termica mediante una resistenza Quanto tempoimpiega p un bollitore da 2 kw a far bollire un litro d acqua? 3 minuti quindi 2kWh/60min*3min=0,1 kwh I CONTI TORNANO!

15 Quanta energia per cucinare? elettrico Davvero 0,1kWh? Ho usato energia elettrica che non esiste innatura natura DUNQUE Semplificando e considerando il mix elettrico nazionale (rendimento medio delle centrali elettriche pari a circa 05)posso 0,5) valutare che servano 2 unità di energia primaria per 1 unità di energia elettrica. 1 litro acqua a ebollizione con bollitore elettrico = 0,2 kwh di energia primaria

16 Quanta energia per cucinare? fornello Quanta energia (metano) serve per far bollire un litro d acqua? RISPOSTA (ovvia e teorica): E=mcΔT (come prima, è chiaro!) RISPOSTA PRATICA?! Dipende dal rendimento del fornello, o meglio ancora: dal rendimento del sistema fornello/pentola. Con che efficienza l energia liberata dalla combustione del metano (energia primaria) sitrasferisce alla pentola e di conseguenza al suo contenuto (cibo) Questo è un sistema fornello/pentola efficiente? Come faccio a stimare il rendimento del fornello domestico? Idee? Come posso quantificare l energia (calore) sprigionata dalla fiamma? Il produttore del fornello dichiara la potenza max (KW) di ogni singolo fuoco. Se ho questo dato e regolo la manopola alla massima apertura ho la massima potenza. Conto i minuti e moltiplico potenza x tempo = energia MA SE NON HO QUESTO DATO DEL PRODUTTORE?

17 Quanta energia per cucinare? fornello RISPOSTA PRATICA Il contatore non misura direttamente l energia ma misura i m 3 di metano (con ben 3 cifre decimali!) È sufficiente contare i m 3 di metano e moltiplicare per il potere calorifico del metano (ossia quanta energia si libera dalla combustione del metano: circa 10 kwh/m 3 )

18 Quanta energia per cucinare? fornello Risultato sperimentale 1 litro d acqua: m=1000 g c acqua =1cal/(g x C) ΔT = 85 C Energia necessaria: 0,1 kwh Potere calorifico metano: 10 kwh/m 3 Tempo: 5 minuti Consumo: 0,028 m 3 di metano Energia effettiva: 028kWh 0,28 Considerazioni sull esperimento Il rendimento del fornello è stato basso (circa 35%) Si disperde nell ambiente una grande quantità di calore Il bollitore elettrico (capienza max 2 litri) ha consumato 0,2 kwh (energia primaria stimata) è stato più efficiente. La pentola (capienza max 6 litri) è quasi completamente vuota, usando una pentola più piccola il risultato sarebbe stato migliore Con una pentola più piccola e un fuoco più piccolo sarebbe stato un pareggio

19 Quanta energia per cucinare? LA PASTA 300 GRAMMI DI PASTA.e un termometro 3 LITRI DI ACQUA A 15 C ΔT = 85 C Risultato sperimentale Tempo: 13 minuti (ebollizione) + 11 minuti (cottura) Consumo: 0,071 m 3 (ebollizione) + 0,051 m 3 (cottura) Totale: 0,122 m 3 Energia totale effettiva: 1,22 kwh 1 CONTATORE 3 PIATTI DI FUSILLI AL PESTO (FATTO IN CASA): BUON APPETITO

20 Quanta energia per cucinare? LA PASTA CURIOSITA /CASUALITA 3 etti di pasta hanno un contenuto t energetico (carboidrati) pari a circa 1050 kcal CIOE Circa 1,22 kwh! Quindi: per cuocere la 3 etti di pasta in 3 litri di acqua serve la stessa quantità di energia contenuta nella pasta! E per produrre 3 etti di pasta? Energia solare per far crescere il grano + energia per produzione fertilizzanti e pesticidi + energia per lavorazioni agricole + energia per traformazione grano pasta + energia per trasporto

21 Energia quotidiana un anno dopo Correre 1 ora ( km) 2 km in automobile Stirare ½ ora 122kWh 1,22 (energia primaria) Guardare la TV 8 15 ore (non consecutive, si spera) 12 mele Compito a casa: Fare una doccia di quanti minuti? Verificate!