Le energie da fonti rinnovabili: le loro caratteristiche e la situazione italiana

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1 Le energie da fonti rinnovabili: le loro caratteristiche e la situazione italiana Costante M. Invernizzi BANCA POPOLARE DI MILANO Milano, 15 Settembre 2011

2 Outline Le energie da fonti rinnovabili Definizioni Caratteristiche Impieghi e Metodi di conversione La situazione italiana Esempi di applicazioni

3 Le fonti rinnovabili di energia Definizione Sono considerate fonti rinnovabili di energia le fonti eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas. In particolare, per biomasse si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonchè la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. (D.Lgs. 29/12/2003 n. 387, recependo la definizione dell art. 2 della Direttiva comunitaria del Parlamento Europeo e del Consiglio 2001/77/CE)

4 Le fonti rinnovabili di energia L energia primaria e Le forme secondarie di energia Il sole, sia pure indirettamente, è responsabile della maggior parte delle varie forme di energia disponibili sulla terra e può a ragione essere classificato come sorgente primaria di energia. L energia liberata dal sole e dalle altre stelle giovani è il risultato di particolari reazioni di fusione nucleare. Nelle stelle l idrogeno viene convertito in elio che a sua volta, man mano che la stella invecchia, viene convertito in nuclidi sempre più pesanti, sino ad arrivare a numeri di massa di 60 (ferro e nichel), dopo di che le reazioni di fusione cessano di essere esotermiche Le sorgenti secondarie di energia sono quelle che, sulla terra, per lo più assorbono, immagazzinano e poi rilasciano in varie forme l energia solare.

5 Il sole: sorgente primaria di energia Alcune caratteristiche del sole Per un osservatore terrestre il sole appare: come un corpo nero alla temperatura di 6000 gradi con una disponibilità termodinamica di 0.93 Il calore prodotto dalle reazioni nucleari nel sole mantiene la temperatura del core a diversi milioni di gradi e l elevata temperatura fa da catalizzatore per il mantenimento delle reazioni di fusione. L energia prodotta viene poi trasferita alla superficie del sole ed irradiata nello spazio. distanza media terra-sole: km diametro del sole: km diametro della terra: km costante solare: 1367 W per metro quadrato

6 Le forme secondarie di energia Energia eolica. L energia meccanica associata al vento è parzialmente generata dal riscaldamento del sole della irregolare crosta terrestre. Il riscaldamento provoca differenze di pressione e di temperatura che generano spostamenti d aria L energia solare immagazzinata dall aria viene rilasciata nel giro di ore o di giorni: accumulo a breve termine. L energia eolica è stata utilizzata fin dall antichità per la navigazione a vela e per il funzionamento dei mulini.

7 Le forme secondarie di energia Energia idraulica. E una forma di accumulo della energia solare a più lungo termine (settimane e mesi). L acqua evaporata dal mare precipita poi come pioggia. L energia potenziale dell acqua è convertita in lavoro utile facendola fluire verso quote geodetiche inferiori nelle centrali idroelettriche, che rappresentano il modo di conversione più efficiente. Potenza dall acqua può essere ricavata anche sfruttando il moto ondoso e le maree. Il moto ondoso è parzialmente causato dall azione del vento e le maree si generano per azione combinata dell attrazione gravitazionale di sole e luna.

8 Le forme secondarie di energia Piante e vegetali. Sono combustibili risultanti da un accumulo a lungo termine dell energia solare. Fonte energetica sia per l uomo che per gli animali che, a loro volta, rendono disponibile la loro energia meccanica. Le piante rilasciano l energia solare accumulata mediante combustione ed il calore reso può servire per il funzionamento di motori termici. I combustibili vegetali sono prodotti dal processo di fotosintesi: anidride carbonica e acqua + energia dal sole carboidrati. La combustione (ed il metabolismo animale) ritrasforma i carboidrati in anidride carbonica ed acqua, liberando energia. In tal modo il ciclo può ripetersi.

9 Le forme secondarie di energia 1. Il carbone è sostanzialmente materia vegetale decompostasi in presenza di acqua. 2. Il petrolio è il risultato dei depositi organici marini. Il tempo perché questi combustibili si formino è così lungo che essi sono considerati, I combustibili fossili. Carbone, di fatto, sorgenti di energia petrolio e gas naturale sono il risultato del lento processo di deca- NOAA map of the non rinnovabili. dimento e trasformazione di materiale organico proveniente da pian- platforms extant in 3,858 oil and gas te ed animali al di sotto della crosta terrestre in presenza di elevate in the Gulf of Mexico platform pressioni e temperature.

10 Le forme secondarie di energia L energia geotermica. A differenza di tutte le precedenti forme secondarie di energia quella geotermica non è di origine solare. Essa è calore naturale proveniente dall interno della terra. La crosta terrestre, mediamente, ha uno spessore di circa 30 kilometri e sotto di essa una massa di materiale fuso, il magma, sta tuttora raffreddandosi.

11 L Energia, la Potenza ed i Rendimenti di conversione L Energia in effetti L energia è responsabile di tutto quello che accade nel mondo... (J.W von Goethe, ) ogni processo che come conseguenza ha un cambiamento di stato mette in gioco una forma di energia Esempi: una variazione di posizione una variazione di velocità una variazione di composizione una variazione di temperatura il funzionamento del corpo umano richiede un consumo di energia: BMR (Basal Metabolic Rate) di ( ) W/kg

12 L Energia, la Potenza ed i Rendimenti di conversione La conversione della energia ed il rendimento L efficienza (il rendimento) di conversione è il rapporto fra l effetto utile desiderato ed il corrispondente consumo di energia. Le varie forme e conversioni di energia, [1]. l energia elettromagnetica può convertirsi in (1) energia chimica (processo di fotosintesi) o in (2) energia termica (mediante assorbimento). Può produrre direttamente (3) energia elettrica (con celle solari). Eolipila (Sfera di Eolo), detta anche Motore di Erone. Antenato del motore a getto e della macchina a vapore. (I II secolo AC?)

13 L Energia, la Potenza ed i Rendimenti di conversione I rendimenti di conversione Alcuni valori di rendimento conversione di energia elettrica in calore η 100% conversione di energia termica (calore) disponibile a diverse temperature in energia meccanica Temperatura Rendimento massimo (limite) (gradi centigradi) (valori in percentuale) Temperatura dell ambiente: 25 C. rendimento limite per celle solari al silicio η max 29% massimo rendimento del processo di fotosintesi: η max 4% rendimento di conversione della energia chimica di una candela in energia luminosa: η 0.01%

14 L Energia, la Potenza ed i Rendimenti di conversione L energia e la potenza: unità di misura, I Energia l unità di misura della energia è il joule (J). Di solito si impiegano multipli del joule: kj (kilo-joule), MJ (mega-joule). L energia (elettrica) spesso si esprime in kilowattora: kwh. energia contenuta in un kilogrammo di legno di abete umidità peso potere calorifico potere calorifico (%) (kg/m 3 ) (kwh/kg) (MJ/kg) kwh = 3600 J; potere calorifero inferiore antracite (99% carbone): MJ/kg gasolio: MJ/kg (potere calorifico inferiore)

15 L Energia, la Potenza ed i Rendimenti di conversione L energia e la potenza: unità di misura, II Potenza l unità di misura della potenza è il watt (W). Di solito si impiegano multipli e sottomultipli del watt: kw (kilo-watt), MW (mega-watt), mw (milli-watt). La potenza rappresenta la quantità di energia consumata o resa disponibile nell unità di tempo (il secondo). potenza di un tradizionale modulo fotovoltaico (dimensioni 1.7 m 2 ): 200 Wp (potenza elettrica di picco) motore Diesel VW Touran 2.0 td: 100 kw motore Diesel navale: 80 MW (potenza massima ora disponibile), a 100 rpm, consumo specifico di g/kwh (η 50%) centrale termoelettrica a gas (in ciclo combinato): 800 MW elettrici (η 60%) impianto idroelettrico delle Tre Gole (2010), in Cina sul fiume Yangtze: MW, con un invaso da 39.3 milioni di metri cubi di acqua.

16 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, I Potenzialmente le risorse di energia solare sono illimitate, tuttavia la radiazione solare è molto diluita, intermittente e non uniformemente distribuita a livello del suolo il valore della energia raccolta varia molto con l inclinazione e l orientazione della superficie captante e con la stagione inoltre i dispositivi di captazione dell energia solare hanno un rendimento solitamente variabile con la temperatura alla quale lavorano 1. la bassa concentrazione 2. la irregolarità e la non facile accumubilità rappresentano un forte limite ai fini di un uso industriale delle energie rinnovabili.

17 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, II 1. nel giorno tipico di DICEMBRE passando da una inclinazione di β = 0 (superficie orizzontale) a β = 90 (superficie verticale): l energia raccolta aumenta del 100.5% (γ = 0 ). 2. nel giorno tipico di LUGLIO da β = 0 a β = 90 : l energia raccolta diminuisce del 50.5% (γ = 0 ).

18 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, III 1. la superficie verticale raccoglie più energia della superficie orizzontale nei mesi invernali. 2. la superficie orizzontale rende disponibile la massima quantità di energia nei mesi estivi 3. la superficie inclinata di β = 40 rappresenta un buon compromesso di funzionamento per tutto l anno Insolazione totale mensile. Confronto fra valori della energia raccolta al suolo per unità di superficie (piana) con diversi angoli β di inclinazione. La superficie è orientata verso Sud (γ = 0 ).

19 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, IV (A) con β = 0 e γ = 0 : 1370kWh/m 2 per anno (B) con β = 40 e γ = 0 : 1588kWh/m 2 : +15% (A) (C) con θ = 0.0 (superficie mobile su due assi): 2181kWh/m 2 : +59% (A), +37% (B)

20 Il solare fotovoltaico La tecnologia, I nel 2009 le celle di tecnologia tradizionale al silicio monoe poli- cristallino costituivano l 86% della potenza totale installata, [2]. Andamento del rendimento alla massima potenza per un tipico modulo a silicio mono-cristallino. (Dal calcolo, secondo il metodo in [3]). Andamenti tipici della potenza di moduli fotovoltaici mono-cristallini. (Dal calcolo, secondo il metodo in [3]). il rendimento del modulo varia durante l anno e, tipicamente, diminuisce quando aumenta la sua temperatura operativa.

21 Il solare fotovoltaico La tecnologia, II nel 2010 le celle di tecnologia tradizionale al silicio monoe poli- cristallino costituivano ancora l 82% della potenza totale installata nel mondo, [2]. le tecnologie di seconda generazione a film sottile celle al Tellururo di Cadmio (CdTe) al silicio amorfo (asi) tecnologie CIS/CIGS (Diselinuro di Indio e Rame, Diselinuro di Indio, Gallio e Rame) si sono diffuse in misura inferiore alle attese (sino ad ora). celle ibride: ad etero-giunzione csi/asi. Elevati rendimenti modesto consumo di materia prima (bassi costi di produzione). le celle al Tellururo di Cadmio costituiscono oggi circa il 45% del totale installato di celle di seconda generazione; circa 9% del totale. costi dei moduli, [2] con celle in silicio mono- e poli-cristallino: 1.58 euro/w silico amorfo: 1.03 euro/w al Tellururo di Cadmio: 1.4 euro/w

22 Cadmia: lapis philosophorum? Il cadmio non riveste alcun ruolo biologico nel corpo umano. Sia esso che i suoi composti sono tossici perfino a basse concentrazioni e tendono ad accumularsi negli organismi e negli ecosistemi. il tellururo di cadmio utilizzato nella tecnologia fotovoltaica è un composto stabile dal punto di vista ambientale, non soggetto a sversamento in condizioni operative normali o in caso di incidenti prevedibili; pertanto, può essere ritenuta la modalità di utilizzo del cadmio più sicura per l ambiente. Ministero dell Ambiente della Repubblica Federale Tedesca, [4] Il Parlamento europeo ha deciso il 24 novembre (2010), di escludere i moduli fotovoltaici dalla legislazione sui materiali dannosi da mettere fuori legge... aggiornamento della direttiva sulla restrizione nell uso di sostanze pericolose (RoHS, Restriction of Hazardous Substances) che recepisce nuove regole per... la sicurezza di... gadget elettronici ed elettrodomestici... mettendo al bando una lista di sostanze ritenute nocive.

23 I rischi (probabili) ed i danni (certi) conseguenti alla produzione di energia Ad ogni attività della catena di trasformazione e di produzione della energia sono associati rischi e pericoli, con conseguenze sia sull ambiente che sull uomo. Giusto qualche esempio: aprile 2010, esplosione sulla piattaforma Deepwater Horizon, Louisiana (undici morti immediati e metri cubi di olio riversati nell ambiente); marzo 1989, Alaska, collisione della petroliera Exxon Valdez ( metri cubi di olio in mare); una stima da quattro a quindici morti per anno per GW anno di energia prodotta da centrali termoelettriche (in Italia, dunque, da 80 a 300 morti all anno); aprile 1986, Chernobyl, Ucraina, esplosioni multiple con esposizione del nocciolo e demolizione dell edificio del reattore nucleare; isola di Fehmarn (Germania), 2000, un paracadutista finisce il volo su una turbina eolica.

24 Il solare fotovoltaico in Italia Gli incentivi Quarto Conto Energia Il Decreto Ministeriale del 5 Maggio 2011, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 12 Maggio 2011, stabilisce i criteri per incentivare la produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici e lo sviluppo di tecnologie innovative per la conversione fotovoltaica. Possono usufruire degli incentivi definiti nel provvedimento tutti gli impianti, di potenza non inferiore a 1 kw, che entrano in esercizio dopo il 31/05/2011 e fino al 31/12/2016 appartenenti alle seguenti categorie specifiche: 1. Fotovoltaico (FTV) 2. FTV integrato innovativo 3. FTV a concentrazione 4. FTV con innovazione tecnologica (prossima pubblicazione)

25 Il solare termico I possibili usi e la tecnologia Gli usi: il riscaldamento dell acqua e dell aria il riscaldamento degli edifici il raffrescamento la generazione di calore per processi industriali la dissalazione, la sterilizzazione dell acqua... I collettori piani Quote di mercato: piani vetrati: 90% sottovuoto: 8% non vetrati: 2% Il solar cooling Esempio di uso dei primi collettori solari termici commerciali con accumulo termico separato e caldaia (1910) [5]. Sfruttando il calore, attraverso un ciclo termodinamico si possono raffrescare gli ambienti producendo: acqua refrigerata aria condizionata.

26 Il solare termico Il solar cooling Il costo al kw degli impianti di solar cooling (ad assorbimento) raffrontato a sistemi di condizionamento tradizionali, [2]. costo, euro/kw Taglia di impianto solar cooling tradizionali < 20 kw kw > 100 kw I raffronti riguardano solo il costo dell impianto e non tengono conto dei risparmi di energia elettrica.si stima che sia conveniente ad oggi, in assenza di incentivi, installare impianti di solar cooling a partire da taglie nell ordine di 70 kw, ossia corrispondenti al raffrescamento di edifici di circa 600 m 2. Per un impianto da 100 kw sono necessari: da 100 a 350 m 2 di collettori + accumulo di calore tra i 3000 e litri, [2].

27 Il solare termico La normativa, [2] l installazione di impianti termici solari è incentivata mediante detrazione fiscale dell imposta lorda (pari al 55%) delle spese di riqualificazione energetica dal 2011 la detrazione fiscale verrà rimborsata in 10 anni la detrazione fiscale vale attualmente per gli interventi effettuati entro il 31 Dicembre 2011 Marzo 2011 Decreto Rinnovabili: riconosce pari dignità all energia termica ed all energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. (1) stabilisce l introduzione di incentivi specifici per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili e per gli interventi di miglioramento della efficienza energetica; (2) sono previsti incentivi per gli impianti che verranno realizzati dopo il 31Dicembre 2011 (3) l entità esatta dell incentivo sarà definita da opportuni Decreti (4) introduce obblighi per l integrazione delle fonti rinnovabili negli edifici di nuova costruzione.

28 Il solare termodinamico Le tecnologie, I La conversione termodinamica della energia solare - grande scala 1. impianti a concentrazione a torre 2. impianti a concentrazione con collettori parabolici lineari Potenze elettriche: decine di MW

29 Il solare termodinamico Le tecnologie, II La conversione termodinamica della energia solare - piccola scala 1. impianti a concentrazione con collettori parabolici lineari 2. impianti con parabole (concentrazione puntuale) 3. impianti con collettori piani Potenze elettriche: decine di kw

30 L energia eolica Ogni cosa sulla Terra appartiene ai principi, tranne il vento. (Victor Hugo ( ), La Rose de l Infante) La Rose de l Infante (Effie Stillman) 1876 Ford Madox Brown Fogg Art Museum at Harvard University Massachusetts USA 18.1/14.1 in (46/35.9 cm). (a) L energia eolica è molto irregolare (b) la potenza (meccanica) disponibile dipende dal cubo della velocità del vento (c) la velocità del vento varia nel tempo ed esiste una distribuzione della velocità del vento (d) variabile anche da luogo a luogo (1) la potenza calcolata con riferimento alla velocità media risulta inferiore alla potenza ottenuta sommando i contributi delle diverse velocità (2) turbine in luoghi con la stessa velocità media ma con diversa distribuzione (diversi regimi di vento) forniscono potenze (energie sull anno) anche molto diverse.

31 L energia eolica La potenza generata da una turbina eolica: Poi 1. varia con il cubo della velocità del vento. Se la velocità raddoppia la potenza disponibile aumenta di otto volte 2. dipende dalle condizioni dell aria (temperatura e pressione). La potenza varia sensibilmente con la densità dell aria 3. è proporzionale all area della turbina che intercetta il vento. Se l area raddoppia anche la potenza raddoppia 4. la massima potenza estraibile non può superare i 16/27 (59.3%) di quella disponibile (1/2ρSV 3 ) 5. la macchina (la turbina) ha un rendimento reale che dipende dalla taglia di potenza e dalle condizioni operative Esempio - (a) velocità media 8 m/s; (b) al livello del mare (P = 760 mm Hg, T = 15 C, ρ = kg/m 3 ): densità di potenza = 600 W/m 2, densità di energia sull anno = 5247 kwh/m 2. Se il rendimento di conversione è il 20% 1050 kwh/m 2.

32 La biomassa Biomassa tutta la materia organica risultante da organismi viventi La generazione di energia da: biomasse agroforestali olio vegetale biogas (e biometano) termovalorizzazione di Rifiuti Solidi Urbani L utilizzazione energetica prevede: la generazione di calore la produzione di energia elettrica la trasformazione della biomassa in combustibile: solido, (carbone vegetale), gassoso (syngas), liquido. I processi di conversione: termochimici: combustione, gassificazione, pirolisi biologici: digestione anaerobica, fermentazione chimici: trasformazione in combustibili. La normativa: fino al 2015 (a) Certificati Verdi o (b) tariffa omnicomprensiva; Decreto Ministeriale del 3 Marzo 2011: Decreto Rinnovabili.

33 La biomassa Caratteristiche Un primo fondamentale parametro è l umidità Di solito un contenuto d acqua del 50% corrisponde al limite di utilizzabilità per combustione. E possibile oltrepassare il limite mediante particolari accorgimenti. Per esempio: biomassa: PCI ssv 20 MJ/kg carbone: PCI 30 MJ/kg ssv = sostanza secca volatile essicazione Il contenuto energetico della biomassa dipende anche dalla specie del legno utilizzato

34 La biomassa Esempio: Impianto CHP (di cogenerazione) a Lienz - Austria - L impianto è operativo dal MWh/a di energia termica dalla combustione di biomassa 250 MWh/a di energia termica dalla energia solare 7200 MWh/a di energia elettrica dalla biomassa una caldaia a biomassa da 7000 kw (acqua calda) una caldaia a biomassa da 6000 kw (olio diatermico) per ciclo termodinamico ORC da 1000 kw elettrici

35 La produzione di energia elettrica da rinnovabili

36 La situazione italiana - La produzione di energia elettrica IMPIANTI, POTENZA EFFICIENTE LORDA( ) E PRODUZIONE LORDA (al 31 dicembre 2010) Tipologia Impianti Potenza Produzione ore/anno (MW) (GWh) ore equivalenti(*) idrico (0.33) eolico (0.18) fotovoltaico (0.063) geotermico (0.79) da bioenergie (0.46) termoelettrico (0.34) ( ) La potenza efficiente è la massima potenza elettrica possibile per una durata di funzionamento sufficientemente lunga. La potenza efficiente è lorda se misurata ai morsetti dei generatori elettrici dell impianto. (*) rapporto fra l energia lorda prodotta e la potenza lorda. ore in un anno: 8760.

37 La produzione di energia da fonti rinnovabili La sostituzione dei combustibili fossili La transizione totale dai combustibili fossili verso altre risorse non-fossili (da fonti di energia rinnovabile) è difficoltosa. Per: le elevate quantità di energia in gioco la bassa densità energetica associata alle rinnovabili l intermittenza tipica delle energie rinnovabili la distribuzione comunque non uniforme tipica anche delle rinnovabili Inoltre, al momento non sembra esserci una urgente necessità di sostituzione dei combustibili fossili le risorse sembrano sufficienti anche per le future generazioni

38 La produzione di energia elettrica da rinnovabili Il rapporto WWF-Ecofys 2011 << >> The Energy Report - 100% renewable energy by /Teaching Material MyCourse 1.html The world can technically meet its energy needs from renewable sources by But it throws up some difficult challenges - and not just technical ones. (i) we need to reduce demand by improving energy efficiency and reducing wasteful use of energy; and (ii) because electricity and heat are the forms of energy most easily generated by renewables, we need to maximize the use of electricity and direct heat, with improvements to elecricity grids to support this. A sustainable energy future must be an equitable one. Its impact on people and nature will greatly depend on the way we use our land, seas and water resources. Changes in lifestyle also have a critical role to play. (Page 43)

39 La produzione di energia elettrica da rinnovabili Il rapporto WWF-Ecofys 2011 << >> The Energy Report - 100% renewable energy by /Teaching Material MyCourse 1.html The world can technically meet its energy needs from renewable sources by But it throws up some difficult challenges - and not just technical ones. Moving to a renewable future will mean rethinking our current finance system. It will also require innovation. Local, national and regional governance will need to be greatly strengthened to secure an equitable energy future. We need international cooperation and collaboration on an unprecedented level to bridge the gap between the energy-rich and energy-poor, both within and between countries. (Page 43)

40 Vaclav Smil Energy A Beginner s Guide Oneworld Publications, Oxford, England, 2009 AAVV Solar Energy Report Il sistema industriale italiano nel businnes dell energia solare School of Management, Politecnico di Milano, Aprile 2011 De Soto et al Energy A Beginner s Guide Oneworld Publications, Oxford, England, 2009 Anonimo Sistemi fotovoltaici al tellururo di cadmio First Solar, 2009 John Perlin. History of Solar Energy. Encyclopedia of Energy. Cutler J. Cleveland Editor in Chief, Elsevier Academic Press, 2004, Volume 5, pag. 607.

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