Conversione dell energia Michele Pinelli

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1 Conversione dell energia Michele Pinelli Dipartimento di Ingegneria Università degli Studi di Ferrara

2 Energia L energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro. La sua unità di misura nel sistema internazionale è il joule (J), che corrisponde al lavoro fatto per spostare un punto di un metro vincendo una forza di un newton. Sostanzialmente un joule corrisponde all energia necessaria per alzare di un metro una massa di un ettogrammo. Per l energia elettrica si usa in genere il chilowattora (kwh) che corrisponde a kj cioè J Un altra unità molto usata è la chilocaloria (kcal).

3 Potenza La potenza è definita come il lavoro compiuto nell unità di tempo. Si misura in chilowatt (kw) nel sistema internazionale, mentre è molto usato anche il cavallo vapore (CV). Il cavallo vapore è definito come la potenza necessaria per alzare di un metro in un secondo un peso di 75 kgp (la corporatura media di un uomo). Non bisogna confondere il kwh (energia) con il kw (potenza)

4 Potenza ed energia Non bisogna confondere il kwh (energia) con il kw (potenza) 75 kg 1 kw 1 s 1.36 m 1 s 1 s 1 s 0.17 kw 1 s 1 s 1 s 75 kg

5 Altre definizioni Il rendimento di una macchina è il rapporto tra l energia messa a disposizione dalla macchina (energia utile) e l energia messa a disposizione della macchina (energia lorda) I produzione utile consumo combustibile Il potere calorifico di un combustibile è l energia sviluppata dalla combustione di un unità (massa o volume) di combustibile es: gas naturale (Russo) 8100 kcal/m 3 gas naturale (Algeria) 8300 kcal/m 3 carbone 6000 kcal/kg stocco di mais 4060 kcal/kg

6 Qualità della vita ed energia

7 Qualità della vita Nel 1861 in Italia il 66% della popolazione lavorava i campi, nessuna automobile e pochissimi treni attraversavano le nostre campagne, nessuna centrale elettrica operava in Italia e la parola inquinamento forse non era mai stata ancora pronunciata. Nel 1861 gli italiani erano circa 15 milioni. Oggi siamo in 60 milioni. Chi nasceva allora aveva un aspettativa di vita di 35 anni. Oggi, in un momento di allarme sociale per quanto riguarda l'inquinamento l'aspettativa di vita di un italiano è di 80 anni.

8 Qualità della vita e potenza Tutto questo grazie all'energia da fonti fossili che ha più che decuplicato la nostra potenza rispetto a quella che allora era quella del sole, l'unica che ci dava sostentamento.

9 Qualità della vita ed energia Per sostenere la qualità della vita serve energia: uno scolaro necessita di 400 kwh/anno [1] un universitario di kwh/anno [1] un letto d ospedale di kwh/anno [2] un carcerato di kwh/anno [3] La correlazione non è lineare. Oltre un certo limite di consumo non c è un effettivo miglioramento della qualità della vita. Noi italiani possiamo facilmente ridurre i nostri consumi senza intaccare la qualità della nostra vita. [1] AA.VV., 2003, The UK Potential for Community Heating with Combined Heat and Power, Building Research Establishment Ltd. [2] Piacentino, A., 2004, Applicazioni della cogenerazione e della trigenerazione in edifici residenziali e del terziario civile: analisi energetica, exergetica ed economica delle diverse soluzioni impiantistiche utilizzabili, Università degli Studi di Palermo. [3] AA.VV., 2004, Energy Consumption Guide ECG084 Energy Use in Prisons, Action Energy.

10 Speranza di vita [anni] Qualità della vita ed energia Macao Libia Cina Media India Russia Giappone Italia U.S.A. Canada Emirati Arabi Uniti Norvegia Islanda 60 Cambogia Lesotho Swaziland Fonte: CIA World Factbook Consumo pro capite [kwh el /anno]

11 Morti nel primo anno [n/1000 nati vivi] Qualità della vita ed energia La mortalità infantile è passata dal 25 % del 1861 (ogni mille nati vivi 250 morivano entro il primo anno di età) all'odierno 0.6 % Fonte: CIA World Factbook Lesotho Cambogia Swaziland India Media Italia 20 0 Cina Libia Russia Giappone U.S.A. Emirati Arabi Uniti Canada Norvegia Islanda Consumo pro capite [kwh el /anno]

12 e le tecnologie

13 Le fonti energetiche primarie Combustibili fossili Materiale radioattivo e/o nucleare Radiazione solare Altre Petrolio Gas Carbone Solare fotovoltaico Solare termodinamico Idroelettrico Eolico Biomasse Rifiuti Maree

14 Le tecnologie: combustione esterna Separa l impianto di combustione dal motore primo Consente la combustione di combustibili di varia origine Impianti termoelettrici a vapore (1 600 MW) Motore primo Combustione esterna Ciclo termodinamico Energia utile meccanica/elettrica Energia utile termica Motori Stirling (1 200 kw)

15 Le tecnologie: combustione interna Il combustibile è iniettato direttamente all interno del motore primo Necessità di avere combustibili puliti Maggiore rendimento Turbine a gas (30 kw 250 MW) aria combustibile Motore primo Ciclo termodinamico Energia utile meccanica/elettrica Energia utile termica Motori alternativi (1 kw 30 MW)

16 Le tecnologie: conversione chimica Trasformazione dell energia chimica di un combustibile in energia elettrica avviene direttamente mediante reazioni elettrochimiche Può essere estremamente efficiente in quanto non deve sottostare alle limitazioni di rendimento imposte dal rendimento di Carnot aria/ossigeno combustibile (idrogeno) Motore primo Reazione elettrochimica Energia utile termica Energia utile meccanica/elettrica Celle a combustibile (1 kw 10 MW) Anodo Catalizzatore Pt H e H Cella dello Stack e - C e - e - H + H + H H P.E.M. Proton Exchange Membrane O O H Catodo Catalizzatore Pt Aria Anodo: H Catodo: 2 Aria Acqua Calore

17 Il ciclo combinato Costituito da un motore primo e da un utilizzatore dell energia termica, entrambi per produzione di energia elettrica Rendimento massimo nei sistema combustione Motore primo Motore primo aria Motore primo Ciclo termodinamico Energia utile meccanica/elettrica Ciclo Ciclo termodinamico termodinamico Energia utile termica Energia utile Energia utile meccanica/elettrica meccanica/elettrica combustibile one Energia utile termica aria combustibile Energia utile Energia termica termica utile termica per il recupero Combustione esterna Combustione Caldaia a recupero esterna Motore primo Ciclo termodinamico Energia utile meccanica/elettrica Energia utile termica

18 Le tecnologie a combustione Rendimento elettrico % Motori alternativi a combustione interna Turbine a gas Cicli a vapore Cicli combinati Celle a combustibile Motori Stirling Micro-cicli Rankine (a vapore d acqua e ORC) Sistemi termofotovoltaici (TPV) Sistemi termoelettrici Motori Stirling Celle a combustibile Cicli ibridi con FC + turbina a gas MTG 10 TPV MCI Taglia impianto [kw] TV TG HD TG AD Cicli combinati USC e IGCC

19 Le tecnologie: conversione diretta Assenza di combustione: svincolo dal ciclo di Carnot Possibilità di ottenere elevati rendimenti Rinnovabili: limiti alla potenza installabile Rinnovabili: forti limiti all energia producibile (no programmabilità) Celle fotovoltaiche, Turbine Eoliche, Turbine Idrauliche sorgente di energia Sistema di conversione Energia utile meccanica/elettrica

20 Politica energetica

21 I 4 pilastri della sostenibilità Ambientale Sociale Economica Tecnologica La definizione di un piano energetico consiste nella scelta del mix di fonti energetiche e delle tecnologie per il loro sfruttamento. Di ogni fonte, va valutata la sostenibilità La conversione di energia con qualsiasi tecnologia ha effetti diretti ed indiretti sull ambiente, sulla salute, sulla società, sull economia e sulla tecnologia nella quale si innesta.

22 Politica energetica Ambientale Sociale Economica Tecnologica L Unione Europea ha emanato il 23 aprile 2009 una nuova direttiva (2009/28/CE) che costituisce la cornice entro la quale gli Stati membri devono legiferare in termini di politica energetica (l Italia ha emanato in questi giorni il decreto di recepimento). La nuova politica energetica europea si basa su tre obiettivi che devono essere raggiunti entri il % dell efficienza energetica - 20 % emissioni di gas climalteranti + 20 % del consumo finale lordo coperto da fonti rinnovabili

23 La rosa delle opportunità Costruire un Piano Energetico, significa sfogliare la rosa delle opportunità per trovare una soluzione sostenibile alle esigenze (fabbisogno). Eolico Fabbisogno Fotovoltaico Geotermico Nucleare, Idroelettrico, Carbone, Gas Naturale, Petrolio (Italia, 90%) Mini-hydro Biomasse

24 La rosa delle opportunità Con la consapevolezza che una riduzione del fabbisogno porterebbe ad una soluzione più sostenibile. Fabbisogno Eolico Fotovoltaico Nucleare, Idroelettrico, Carbone, Gas Naturale, Petrolio Mini-hydro Biomasse (Italia, 90%) Geotermico

25 La cogenerazione

26 La cogenerazione Produzione combinata, in un unico processo, di energia elettrica/meccanica e termica combustibile autoconsumo SISTEMA COGENERATIVO energia elettrica energia meccanica vendita calore di scarto energia termica per usi civili/terziari (riscaldamento, condizionamento, acqua sanitaria, raffrescamento) per usi industriali (sia calore che freddo per il processo produttivo)

27 La cogenerazione energia da combustibile con riferimento al PCI Ec CICLO MOTORE calore scaricato Ee, energia elettrica rendimento elettrico e t E E rendimento termico e c E E t c RECUPERO Et, energia termica coefficiente utilizzo del combustibile calore di scarto u E E E e c t e t

28 La cogenerazione energia da combustibile con riferimento al PCI Ec CICLO MOTORE calore scaricato RECUPERO Ee, energia elettrica Et, energia termica ENERGIA UTILE HA DIVERSA QUALITA TERMODINAMICA calore di scarto

29 La cogenerazione COGENERAZIONE E c PRODUZIONE SEPARATA E cs =E cse +E cst E cse E cst SISTEMA COGENERATIVO E e CENTRALE ELETTRICA es CALDAIA ts E t E e es E E e cse E t ts E E t cst IRE E E cs c 1 1 E cs e es t ts IRE 0,1 0 per la piccola cogenerazione

30 La microcogenerazione per il settore civile e residenziale

31 La microcogenerazione Di tutta l energia consumata in un edificio residenziale, circa l 80%-85% è utilizzata per la produzione di acqua sanitaria e per il riscaldamento degli ambienti

32 La microcogenerazione RETE GAS NAZIONALE RETE ELETTRICA NAZIONALE COMBUSTIBILE ELETTRICITA UTENZE ELETTRICHE CALDAIA CALORE UTENZE TERMICHE

33 La microcogenerazione PANNELLI FOTOVOLTAICI RETE GAS NAZIONALE ELETTRICITA RETE ELETTRICA NAZIONALE COMBUSTIBILE COMBUSTIBILE ELETTRICITA COGENERATORE ELETTRICITA UTENZE ELETTRICHE SOLARE TERMICO POMPA DI CALORE CALORE CALDAIA CALORE ACCUMULO UTENZE TERMICHE TERMICO UTENZE TERMICHE CALORE FRIGORIFERO COMPRESSIONE FREDDO FRIGORIFERO ASSORBIMENTO FREDDO UTENZE FRIGORIFERE

34 La microcogenerazione Serre Piscine Ospedali