GUIDA DI APPROFONDIMENTO GESTIONE DELL ENERGIA GLI IMPIANTI A FONTE RINNOVABILE A CURA DEL BIC SARDEGNA SPA

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1 GUIDA DI APPROFONDIMENTO GESTIONE DELL ENERGIA A CURA DEL BIC SARDEGNA SPA 1

2 SOMMARIO 1 PREMESSA LE RINNOVABILI ELETTRICHE Impianti connessi alla rete Impianti isolati dalla rete Differenza tra potenza elettrica ed energia elettrica prodotta dall impianto Energia elettrica dal sole: gli impianti solari fotovoltaici Caratteristiche principali Caratteristiche d installazione Vantaggi e svantaggi I costi Energia elettrica dal vento: gli impianti eolici Caratteristiche Caratteristiche d'installazione Vantaggi e svantaggi I costi Energia elettrica dall acqua: il micro ed il mini-idroelettrico Caratteristiche Requisiti per l'installazione Vantaggi e svantaggi I costi Un mix: gli impianti ibridi LE RINNOVABILI TERMICHE Gli impianti solari termici Caratteristiche Vantaggi e svantaggi I costi ed il risparmio Calore dall aria, dall acqua e dal suolo: le pompe di calore Caratteristiche Vantaggi e svantaggi La biomassa per la produzione di calore e di energia elettrica

3 3.3.1 Caratteristiche Requisiti per l'installazione Vantaggi e svantaggi LE AUTORIZZAZIONI CENNI SUGLI INCENTIVI E ALCUNI CASI PRATICI Esempio 1*: impianto fotovoltaico in Conto Energia Esempio 2: impianto eolico con tariffa onnicomprensiva Esempio 3: impianto solare termico con Conto Energia Termico L ITER E GLI ENTI COINVOLTI

4 1 PREMESSA Nella presente guida troverai informazioni finalizzate a meglio comprendere le tecnologie di sfruttamento delle fonti rinnovabili. Questa non vuole essere, ovviamente, una trattazione esaustiva dell argomento, ma una panoramica sugli aspetti principali da tenere in considerazione nel caso valutassi l opportunità di realizzare un impianto per coprire o integrare il fabbisogno energetico della tua azienda. Abbiamo suddiviso le fonti rinnovabili, e le relative tecnologie di sfruttamento, in elettriche e termiche al fine di evitare fin da subito confusioni piuttosto comuni. Non è raro infatti che si confonda ad esempio un impianto solare termico con un impianto solare fotovoltaico, nonostante abbiano una funzione ben diversa: il primo produce calore (energia termica) e il secondo produce elettricità. Vi sono casi in cui la stessa fonte rinnovabile può servire a produrre energia elettrica e calore mediante lo stesso impianto, cioè in cogenerazione. Tale opportunità sarà evidenziata volta per volta. Una precisazione: la locuzione produrre energia che troveremo spesso in questa guida è tecnicamente inesatta. L energia infatti non si produce ma si trasforma da una forma in un altra. Invece che usare la definizione di impianto di produzione dell energia dovremmo usare quella di impianto di conversione dell energia. Ma nell uso corrente per produzione di energia si intende il ciclo produttivo che serve a rendere utilizzabile l energia alla stregua di un qualsiasi altro bene o servizio. 2 LE RINNOVABILI ELETTRICHE Per rinnovabili elettriche si intendono le fonti rinnovabili, con relative tecnologie di sfruttamento, che vengono utilizzate per produrre energia elettrica. A seconda della modalità di collegamento all utenza possiamo distinguerle in due categorie principali: impianti connessi alla rete (possono usufruire degli incentivi dedicati alle fonti rinnovabili e sfruttano la rete come se fosse un enorme sistema di accumulo dell energia, alla stregua di una batteria); impianti in isola (impianti con potenza di pochi kw, al servizio esclusivo di utenze prive di collegamento con la rete elettrica e con sistemi locali di accumulo dell'energia). 2.1 Impianti connessi alla rete Sono gli impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione pubblica (ad esempio ENEL Distribuzione spa). In tal caso, la situazione ideale (e più redditizia) è quella in cui i consumi della tua azienda sono sincronizzati con la produzione dell'impianto. Ovvero che l azienda consumi l energia esattamente mentre l impianto la sta producendo. Ciò non accade sempre: se hai ad esempio un impianto fotovoltaico, durante la notte e nelle giornate nuvolose sarai costretto a 4

5 prelevare l'energia elettrica dalla rete invece che direttamente dall'impianto, perché questo non la produce. Al contrario, nei momenti in cui l'azienda non necessita di energia, l energia elettrica prodotta in eccesso dal tuo impianto dovrai cederla alla rete per non buttarla via. La rete elettrica di distribuzione si comporta come un enorme batteria dalla quale preleverai energia quando la tua azienda ne avrà bisogno ma che riceverà l energia prodotta dal tuo impianto quando ne produrrà in eccesso rispetto alle esigenze. Facciamo un esempio: supponiamo che la tua azienda abbia bisogno, in un determinato istante, di 10 kw di potenza elettrica e che l impianto fotovoltaico installato sul tetto del capannone, a causa della presenza di nubi, possa fornire una potenza di soli 5 kw nonostante la sua potenza massima sia di 10 kw. In tal caso la rete fornirà gli ulteriori 5 kw di cui vi è bisogno. Supponiamo, al contrario, che la tua azienda abbia bisogno, in un determinato istante, di soli 5 kw e che l impianto solare durante una giornata di sole splendente possa fornire una potenza di ben 10 kw. In tal caso con i 5 kw in eccesso produrrai energia elettrica da immettere nella rete e questa ti sarà remunerata secondo una precisa normativa di settore. Questo meccanismo è valido per tutti gli impianti a fonti rinnovabili che soddisfino determinati requisiti tecnici imposti dalla normativa. Infatti, secondo quanto previsto dal Decreto ministeriale 6 luglio 2012 per gli impianti a fonti rinnovabili non fotovoltaiche si ha diritto a beneficiare dei meccanismi incentivanti della Tariffa onnicomprensiva o, in alternativa, del servizio di Scambio sul posto. Quest'ultimo è previsto solo per gli impianti fino a una potenza massima di 200 kw. Per gli impianti fotovoltaici, a causa del raggiungimento del tetto massimo previsto per gli incentivi secondo il meccanismo della Tariffa onnicomprensiva, attualmente è possibile accedere alle condizioni di Scambio sul posto o del Ritiro dedicato. La Tariffa onnicomprensiva La Tariffa onnicomprensiva consiste nel riconoscimento di una tariffa incentivante per ogni chilowattora (kwh) di elettricità netta prodotto ed immesso nella rete elettrica pubblica da impianti a fonte rinnovabile (ad esclusione degli impianti fotovoltaici per i quali, al momento, è stato raggiunto il tetto massimo previsto per questo tipo di incentivo). L'incentivo è corrisposto per un periodo più o meno lungo a seconda della tipologia dell impianto (ad esempio anni). Lo Scambio sul posto Gli impianti fino a 200 kw di potenza possono richiedere, in alternativa alla Tariffa onnicomprensiva, il servizio di Scambio sul posto. Il servizio di Scambio sul posto, secondo la definizione dell AEEG (Autorità per l'energia elettrica e il gas) consiste nel realizzare una particolare forma di autoconsumo in sito, consentendo che l'energia elettrica prodotta e immessa in rete possa essere prelevata e consumata in un momento differente da quello nel quale avviene la produzione [...]". Da precisare che il bilancio non avviene in termini di quantità numerica di kwh ma del suo valore economico. Prelevare o immettere energia nelle ore di punta non equivale a prelevare o immettere energia nelle ore di scarso consumo. Il Ritiro dedicato Il ritiro dedicato, secondo la definizione dell AEEG è una modalità semplificata a disposizione dei produttori per la vendita dell energia elettrica immessa in rete, in alternativa ai contratti bilaterali o alla vendita diretta in borsa. Consiste nella cessione dell energia elettrica immessa in rete al 5

6 Gestore dei Servizi Energetici (GSE), che provvede a remunerarla, corrispondendo al produttore un prezzo per ogni kwh ritirato". Il prezzo di ritiro è un prezzo minimo garantito. 2.2 Impianti isolati dalla rete Pur essendo piuttosto rare, esistono delle situazioni in cui è conveniente l installazione di microcentrali alimentate da fonti rinnovabili senza collegamento alla rete di distribuzione, perché magari questa non è neppure presente nell area dell utenza. Nella maggior parte dei casi si tratta di utenze in località remote o poco servite dalle infrastrutture elettriche. Ad esempio rifugi montani, fattorie, agriturismi, isole minori. La maggior parte dei piccoli impianti che alimentano utenze isolate dalla rete è caratterizzata da potenze elettriche molto basse. Spesso si tratta di impianti di potenza anche inferiore ai 6 kw. In questa trattazione considereremo principalmente gli impianti connessi alla rete perché è la tipologia più ricorrente e più adatta alle esigenze di una comune impresa. 2.3 Differenza tra potenza elettrica ed energia elettrica prodotta dall impianto Spesso si confonde la potenza massima di un impianto espressa in kw (chilowatt) con la produzione dell impianto stesso espressa in kwh (chilowattora). È importante comprendere la differenza tra le due grandezze in quanto, ai fini del guadagno economico, è preferibile accrescere la produzione rispetto alla potenza. Facciamo un esempio pratico: supponiamo di avere due impianti fotovoltaici, uno da 100 kw di potenza massima ed uno da 80 kw. Se l impianto da 100 kw è progettato in modo che questa potenza massima sia disponibile per poche ore al giorno (per la presenza, ad esempio, di elementi che ombreggiano i pannelli fotovoltaici per gran parte della giornata) è molto probabile che l impianto da 80 kw produca molto di più se progettato perché questa potenza massima sia disponibile un maggior numero di ore. Allo stesso modo non bisogna scegliere un impianto in base alla potenza disponibile contrattualmente, con ragionamenti del tipo ho 100 kw di allaccio quindi installo un impianto a fonte rinnovabile da 100 kw, ma è meglio un ragionamento di questo tipo in un anno consumo di kwh e quindi installo un impianto a fonte rinnovabile che produca in un anno di kwh. 2.4 Energia elettrica dal sole: gli impianti solari fotovoltaici Gli impianti solari fotovoltaici sono impianti che convertono la luce del sole in energia elettrica. La diffusione degli impianti fotovoltaici in Italia è stata tale da farla diventare uno dei Paesi al mondo con maggior potenza installata, sia nel settore residenziale che in quello produttivo. Ad oggi, vi sono in tutta Italia circa impianti - e loro numero è in continuo aumento - per una potenza complessiva di circa 17 milioni di kw. Tali impianti ricevono incentivi per un importo annuo di oltre 6 miliardi di euro Caratteristiche principali La luce del sole è convertita in corrente elettrica continua grazie alle proprietà del silicio, un semiconduttore presente nei moduli fotovoltaici. Senza addentrarci nel principio fisico del fenomeno, affinché un impianto possa fornire energia elettrica utile all azienda esso dovrà avere i seguenti componenti fondamentali: 6

7 Moduli fotovoltaici. Sono pannelli contenenti silicio, di forma generalmente rettangolare e di pochi centimetri di spessore, che captano la luce del sole per convertirla in corrente elettrica. I moduli sono collegati in serie a formare delle stringhe (come le batterie in una torcia elettrica) e le serie, a loro volta, sono collegate tra di loro secondo un collegamento in parallelo. La corrente elettrica che questa composizione serie-parallelo (campo fotovoltaico) produce per effetto fotovoltaico è continua (CC), non ancora adatta ad essere immediatamente impiegata dalle utenze in corrente alternata (CA). Inverter. Sono dispositivi simili ad armadietti servono a convertire la corrente da continua (CC) ad alternata (CA), adatta ad essere impiegata nelle utenze aziendali. Hanno anche la funzione di ottimizzare il processo di conversione. Strutture di supporto. In genere in alluminio o acciaio zincato, servono a fissare i moduli ed evitare che cadano o vengano fatti volare via dal vento. Dispositivi di protezione da guasti e dispositivi di manovra. Scaricatori di sovratensioni, sezionatori ed interruttori automatici utili a proteggere l impianto e l uomo o a sezionare l impianto in caso di manutenzione e/o pulizia dei moduli. Questi sono alloggiati in comuni quadri elettrici. Contatori. Generalmente in numero pari a due servono a contabilizzare la quantità di energia elettrica prodotta (contatore di produzione) e la quantità di energia immessa in rete e prelevata dalla rete (bidirezionale). Possono esservi componenti opzionali, quali dispositivi di misura e controllo in remoto che servono principalmente a monitorare l impianto a distanza. Questa composizione base riguarda gli impianti cosiddetti fissi. Esistono impianti poco comuni denominati ad inseguimento solare in cui le strutture di supporto sono dotate di meccanismi (inseguitori solari) atti ad orientare i pannelli in direzione del sole. Tra quelli elencati, gli elementi principali sono l inverter (il dispositivo elettronico più delicato ma fondamentale per gestire in maniera intelligente la conversione da corrente continua a corrente alternata) e i moduli fotovoltaici di cui esistono diversi tipi e la cui scelta è fondamentale per determinare le prestazioni e le caratteristiche di installazione. Quelli comunemente disponibili in commercio sono: i moduli di silicio monocristallino; i moduli di silicio policristallino; i moduli a film sottile. I moduli di silicio monocristallino e policristallino, detti anche di prima generazione, sono quelli a più alta efficienza. Questo significa che riescono a fornire maggior potenza con minor superficie di moduli. Hanno però il difetto che risentono delle temperature elevate tipiche dell estate e che per funzionare hanno bisogno della luce diretta del sole. Non sono adatti in installazioni in cui sono presenti ombreggiamenti persistenti. I moduli monocristallini sono attualmente leggermente più costosi di quelli policristallini ma sono anche leggermente più sensibili all'effetto temperatura. La superficie occupata da 1 kwp (il chilowatt di picco è la potenza massima in condizioni ideali dei pannelli fotovoltaici) di questi moduli è pari a circa 6-7 mq. Sono garantiti per non perdere 7

8 prestazioni nel tempo in maniera rilevante, generalmente non più del 25%, entro i 25 anni di utilizzo. I pannelli fotovoltaici in film sottile (realizzati con silicio amorfo), detti anche di seconda generazione sono moduli dello spessore di pochi millimetri esteticamente abbastanza simili a quelli mono e policristallini. Si trovano in commercio anche colorati e sono particolarmente indicati per applicazioni architettoniche. I pannelli fotovoltaici in film sottile sono più economici (del 25-40% circa), hanno una minor resa ed un più rapido degrado nel tempo. Esistono anche elementi di materiale fotovoltaico flessibile, caratteristica che li rende ideali per tetti curvi dei capannoni. In caso di ombre rendono in misura maggiore rispetto ai pannelli mono e policristallini e il degrado delle prestazioni, nonostante sia più rilevante rispetto a quello dei moduli di prima generazione, arriva comunque a non superare il 20% in 20 anni. La superficie occupata dai pannelli in film sottile è di circa 15 mq/kwp. Ultimamente si parla di pannelli fotovoltaici di terza generazione, costruiti con materiali organici e quindi meno costosi, ma non ancora disponibili sul mercato. Esistono anche gli impianti fotovoltaici a concentrazione solare. Questi sono dotati di specchi concentratori o di speciali lenti che servono a concentrare i raggi solari su una superficie più ridotta di modulo fotovoltaico. Qualunque sia il tipo di pannello, per salvaguardarne l efficienza è indispensabile la loro periodica pulizia Caratteristiche d installazione L aspetto più critico è il posizionamento dei moduli fotovoltaici. Questi possono essere installati: a terra con strutture metalliche a triangolo; su coperture piane con strutture metalliche a triangolo; su tetti a falde con profilati metallici fissati al tetto rispettando la stessa inclinazione della falda in modo più o meno integrato col tetto; su pergole, tettoie e frangisole in cui i moduli fotovoltaici svolgono anche la funzione principale prevista per tali elementi e ne fanno quindi parte integrale; su serre solari, in cui gli elementi trasparenti sono sostituiti dai moduli fotovoltaici. In ogni caso una corretta installazione dovrà tener conto di: esposizione (angolo di azimut). Suddividendo virtualmente il cerchio dell orizzonte in semicerchio nord e semicerchio sud, è consentito l orientamento dei moduli verso tutto il semicerchio sud. La faccia captante del modulo fotovoltaico dovrà essere orientato più a sud possibile. E sconsigliata l installazione verso nord perché la resa sarebbe significativamente inferiore. inclinazione (angolo di tilt). Alle nostre latitudini l angolo di inclinazione ideale del modulo fotovoltaico è di 30 rispetto al piano orizzontale. Anche angoli inferiori sono idonei ma non meno di 10 poiché al di sotto di tale angolo non si ha l effetto autopulente dell acqua che cola su un piano inclinato e sarà necessaria una pulizia più frequente. 8

9 area disponibile. Per avere una discreta potenza complessiva sono necessarie ampie aree. Quindi si deve calcolare lo spazio a disposizione escludendo quelle aree ombreggiate da comignoli, antenne, alberi e ostacoli la cui ombra varia nel corso dell intero anno. Questi elementi, se ombreggiano anche una piccola porzione dei moduli, provocano delle perdite di produzione anche notevoli sull intera stringa di pannelli. Il tecnico incaricato del progetto sarà in grado di stimare la perdita di produzione e valutare l opportunità o meno di installare i moduli. Se si installano i moduli sulla falda del tetto si avrà bisogno di circa 6-7 mq per ogni kwp. Se si installano a terra o su copertura piana lo spazio dovrà essere doppio perché bisognerà tener conto dell ombra che la fila che precede proietta su quella immediatamente successiva. Anche questa è variabile durante l anno e la situazione peggiore si presenterà a fine dicembre, quando il sole è al punto più basso sull orizzonte. Lo spazio a disposizione determinerà la scelta della tipologia di modulo. vincoli paesaggistici. Le procedure autorizzative sono semplificate per una vasta tipologia di impianti a fonti rinnovabili. Potrebbero però esservi nell area alcuni vincoli di natura paesaggistica, storici e culturali che potrebbero determinare il diniego o un autorizzazione subordinata ad una modalità di installazione compatibile con la struttura edilizia (integrazione architettonica) e quindi esteticamente gradevole. La tabella seguente mostra, a titolo di esempio, le potenze disponibili e relative misure disponibili per comuni moduli fotovoltaici policristallini. Potenza modulo 180 Wp 185 Wp 190 Wp 195 Wp Misure LxWxh 1347x998x x998x x998x x998x35 Potenza modulo 220 Wp 225 Wp 230 Wp 235 Wp 240 Wp 245 Wp Misure LxWxh 1663x998x x998x x998x x998x x998x x998x35 Potenza modulo 270 Wp 275 Wp 280 Wp 285 Wp 290 Wp Misure LxWxh 1979x998x x998x x998x x998x x998x35 Come si può notare, per avere 19,80 kwp usando moduli tutti uguali della potenza di 220 Wp ciascuno, dovremo usarne 90. L area occupata su un tetto a falda sarebbe di circa 150 mq. Su una copertura piana o a terra occorrerebbe circa il doppio dello spazio Vantaggi e svantaggi Riassumiamo brevemente i punti di forza e gli aspetti critici di questi impianti. Vantaggi disponibilità della fonte (il sole) gratuita; manutenzione ridotta al minimo per assenza di parti in movimento; possibilità di ampliamento futuro abbastanza semplice; studio di fattibilità semplice; completamente autonomo. 9

10 Svantaggi fonte non sempre disponibile di giorno e completamente assente la notte; richiesta disponibilità di ampie aree a terra o sui tetti; pulizia dei moduli fotovoltaici necessaria I costi GUIDA GESTIONE DELL ENERGIA Abbiamo assistito negli ultimi anni ad un costante calo dei prezzi. Nel 2005 un impianto fotovoltaico poteva costare, senza IVA, anche euro per ogni kw installato mentre oggi siamo sull ordine dei euro. Ovviamente, il costo finale dipenderà dal contesto in cui si va ad installare l impianto e dalla qualità e dalla tipologia dei materiali scelti. 2.5 Energia elettrica dal vento: gli impianti eolici L idea di sfruttare la forza del vento, risorsa disponibile ovunque nel pianeta e i cui effetti sono talvolta devastanti, è molto antica. Ne sono testimonianza i mulini a vento utilizzati per la macina del grano e per il sollevamento dell acqua nei pozzi. Un tempo venivano impiegati per ottenere solo energia meccanica, oggi soprattutto per produrre energia elettrica. Oggi non si utilizza più il termine di mulini a vento ma quello di aerogeneratori. Ve ne sono di imponenti, spesso contestati a causa dell impatto visivo a molti non gradito. Quelli di piccola taglia hanno un impatto limitato ed a questi è volto il nostro interesse Caratteristiche Il principio di funzionamento degli aerogeneratori è del tutto assimilabile a quello che consente agli aerei di sollevarsi in volo. Nelle pale dell aerogeneratore si genera infatti, a causa dell aria che le colpisce, una spinta che consente di ruotare al rotore sul quale le pale sono montate. Il rotore è quindi accoppiato a un generatore elettrico tramite un sistema di ingranaggi e di assi che trasmettono il moto. Negli anni sono state affinate diverse soluzioni tecniche, talvolta stravaganti, con l intento di migliorare sia l affidabilità meccanica che la resa a seconda dei particolari regimi ventosi. Per le piccole macchine, in particolari contesti urbani, è stata curato anche il design. Nella mega-centrali, frutto di ingenti investimenti, sono presenti macchine imponenti, anche di 60 metri d altezza. A seconda della potenza della macchina si parla di: micro-eolico (fino a 20 kw di potenza); mini-eolico (potenza compresa tra 20 kw e 200 kw); eolico (oltre i 200 kw di potenza). Per quanto riguarda le tipologie meccaniche, le più comuni sono: ad asse orizzontale (le più comuni hanno l aspetto di un elica montata su un pilone di sostegno); ad asse verticale Savonius (aerogeneratori che hanno due o più coppe che, spinte dal vento, fanno ruotare l albero verticale sulle quali sono calettate); ad asse verticale Darreius (aerogeneratori in cui due o più profili alari sono montati lungo il pilone di sostegno). 10

11 La differenza sostanziale tra le macchine ad asse orizzontale e quelle ad asse verticale è che nel primo caso il rotore deve essere orientato in direzione perpendicolare a quella del vento mentre nel secondo il funzionamento della macchina è indifferente alla direzione del vento. Qualunque sia la tipologia meccanica, un generatore eolico è principalmente costituito da: Rotore con una o più pale. L elemento che ruota grazie alla spinta esercitata dal vento. Esistono diversi tipi di rotore a seconda della conformazione e della modalità di montaggio delle pale. Generatore elettrico. L elemento che consente di produrre energia elettrica dal movimento rotatorio del rotore. Un tempo era un componente che vincolava fortemente la meccanica dell aerogeneratore per le sue caratteristiche di funzionamento. Oggi, con l avvento dell elettronica, nei generatori elettrici esiste una libertà pressoché totale. Albero e ingranaggi per la trasmissione del moto. Determinano la trasmissione del moto dal rotore al generatore in maniera diretta o indiretta, con un fattore di moltiplicazione che dipende dal tipo di generatore. Sistema di controllo. L insieme di componenti che assicurano il funzionamento ottimale dell aerogeneratore e assicurano che in situazioni pericolose (come il vento eccessivo) sia attivata la corretta azione di messa in sicurezza. Sistema di frenatura. Consente, in caso di venti molto forti, di mettere in sicurezza le pale dell aerogeneratore. Gli aerogeneratori per ragioni di sicurezza, possono funzionare solo in un determinato intervallo di velocità del vento. Sistemi di orientamento. Consentono di orientare il rotore in direzione del vento in modo da ottenere la maggior potenza possibile. Esaminiamo ora perché si installano aerogeneratori sempre più imponenti ed in numero ridotto invece che tanti di piccola taglia. La risposta sta in una semplice formula: Pinc = ½ x A x d x v 3 Dove Pinc è la potenza incidente sulle pale di un rotore, A è l area del cerchio di rotazione delle pale, d la densità dell aria e v la velocità del vento. Ricordando la formula dell area A = π x r 2, dove r è il raggio del cerchio di rotazione, è evidente che, se raddoppiamo il raggio del rotore, la potenza Pinc è più che raddoppiata perché nella formula il raggio è al quadrato! Quindi conviene costruire grandi macchine in modo da avere molta più potenza per singola macchina. Ma le grandi macchine non piacciono a tutti e per rendere convenienti anche le macchine più piccole, meno impattanti visivamente, sono stati istituiti appositi incentivi per l energia prodotta e ceduta alla rete Caratteristiche d'installazione Non consideriamo gli aerogeneratori di piccolissima taglia (qualche kw) perché producono davvero molto poco e sono più adatti ad un utenza domestica. Possono essere installati anche sui tetti ma non sono in grado di fornire potenze utili ad un azienda. Consideriamo aerogeneratori che partono da qualche decina di kw fino a 60 kw e a 200 kw. I comuni imprenditori possono installare singoli aerogeneratori fino a 60 kw di potenza senza dover 11

12 intraprendere un iter autorizzativo complesso e costoso chiamato Autorizzazione Unica. Oltre i 60 kw esiste una deroga solo per gli imprenditori agricoli, i quali possono installare un singolo aerogeneratore fino alla potenza di 200 kw senza dover ricorrere all Autorizzazione Unica. Gli aspetti più critici riguardano il posizionamento degli aerogeneratori. È necessario studiare l area in cui si vuole installare l aerogeneratore. Si parte, in genere da un atlante eolico (disponibile anche su internet) che raccoglie le caratteristiche di ventosità di molte località italiane. L atlante è utile per capire se la zona di nostro interesse ha caratteristiche di ventosità interessanti nell arco dell anno. Questo però non è sufficiente perché la ventosità dipende fortemente anche dalle caratteristiche orografiche locali (ad esempio: presenza di barriere e di canalizzazioni d aria). Occorre quindi effettuare un indagine locale definita micrositing. Esistono a tale scopo anche indicatori naturali come gli alberi piegati che rivelano la presenza di un vento forte e dominante come, ad esempio, il maestrale in Sardegna. È comunque imprescindibile un piccolo studio delle caratteristiche di ventosità con l apposito anemometro. Per le grosse macchine si attuano campagne di misurazione che durano anche più anni e che risultano molto dispendiose. Per le macchine della taglia di nostro interesse i capitali in gioco sono di gran lunga inferiori ed è ammesso un periodo di rilevazione di durata inferiore, anche di qualche mese. Regola importante: mai fidarsi di chi suggerisce l installazione di aerogeneratori senza uno studio preliminare. Nella formula vista prima (Pinc = ½ x A x d x v 3 ) la velocità del vento è indicate con la lettera v ed è al cubo: ciò significa che se la velocità del vento raddoppia, la potenza disponibile aumenta con fattore otto. Inversamente, se si installa l aerogeneratore con un ostacolo di qualsiasi natura che impedisca al vento di arrivare indisturbato alle pale, si ha una notevole minor produzione di energia con perdita del tornaconto! Sebbene le macchine di ultima generazione siano molto silenziose bisogna ricordare che gli aerogeneratori non sono dei dispositivi immobili come i pannelli solari. Prima di installarle nei siti dove, per motivi vari, è richiesto silenzio è indispensabile tenere presente il livello di rumorosità riportato nella scheda tecnica della macchina. L aerogeneratore dovrà essere posizionato in un punto ventoso e spesso i siti più favorevoli sono sulle cime dei colli o sui crinali. Se il punto è distante dall utenza potrebbe essere necessario effettuare opere di collegamento molto onerose che, verosimilmente, vanificherebbero l investimento. In tali casi è scontato che si debba procedere a un calcolo di convenienza. Se nell area interessata esistono vincoli di natura paesaggistica, storica e culturale si potrebbe avere il diniego dalle autorità preposte o un iter autorizzativo più complesso Vantaggi e svantaggi Vantaggi disponibilità della fonte (il vento) gratuita anche la notte; automazione spinta (non è necessario il controllo dell impianto). 12

13 Svantaggi fonte non sempre disponibile; richiesta manutenzione per presenza di parti in movimento; impatto visivo non sempre gradito; rumorosità (seppur limitata nelle macchine moderne) I costi Sono tanti i fattori che concorrono alla formulazione del costo di un impianto eolico e della sua producibilità. Essi vanno dalla tipologia della macchina, del generatore, dell altezza del mozzo (albero sul quale è calettato il rotore), del diametro del rotore, dell accessibilità del sito, delle fondazioni necessarie, delle caratteristiche del regime ventoso che non si basano solo sulla velocità media annua del vento. Qui di seguito riportiamo uno specchietto puramente esemplificativo per classiche macchine ad asse orizzontale e per una velocità media annua del vento piuttosto elevata per la Sardegna. Potenza turbina (kw) Velocità media annua vento (m/s) Produzione (kwh) Costo (Euro) 30 5, , , Come si può notare il costo e la producibilità non crescono in maniera proporzionale. Nel caso dei costi vi è un economia di scala: più è grande l aerogeneratore meno costa in proporzione. Nel caso della produzione si ha un aumento di producibilità di tipo esponenziale che, come già detto, rende immediatamente intuibile il perché delle grosse macchine. 2.6 Energia elettrica dall acqua: il micro ed il mini-idroelettrico Quando si parla di energia idroelettrica vengono in mente le grandi dighe costruite per contenere enormi volumi d acqua da impiegare per produrre energia elettrica nelle turbine idrauliche. Si costruiscono sempre meno dighe perché l impatto floro-faunistico è importante e spesso hanno determinato degli sconvolgimenti ambientali con alterazione del microclima. Il micro ed il mini-idroelettrico, invece, sono caratterizzati da un limitato impatto ambientale, dal momento che l'impianto non comporta normalmente modifiche all'utilizzo prevalente del corso d'acqua Caratteristiche Gli impianti idroelettrici sfruttano l energia cinetica dell acqua per produrre energia elettrica grazie ad una turbina idraulica collegata ad un generatore. Il principio di funzionamento è simile a quello degli aerogeneratori. In questo caso il fluido è acqua invece che aria. Esistono due tipologie di impianti: ad acqua fluente (in fiumi, torrenti, canali); in acquedotti o altri tipi di sistemi idraulici. Gli impianti idroelettrici di nostro interesse si possono suddividere in: micro-idroelettrico, di potenza elettrica non superiore ai 100 kw mini-idroelettrico, di potenza elettrica tra 100 kw ed 1MW. 13

14 Gli impianti di taglia inferiore ai 5 kw rientrano nei micro-idroelettrici ma vengono definiti picoidroelettrici e sono troppo piccoli per una normale azienda. In generale, rispetto agli impianti fotovoltaici ed eolici, gli impianti microidroelettrici sono più adatti al funzionamento in isola, perché se il corso d acqua non risente di periodi di secca conseguenti ad una forte stagionalità hanno un funzionamento continuo e non necessitano di batterie d accumulo Requisiti per l'installazione Per gli impianti micro e mini-idroelettrici sono necessari: un dislivello tra il punto più alto e quello più basso del corso d acqua (anche di pochi metri) una quantità d'acqua fluente pressoché costante (non condizionata troppo dalle differenze di stagione) e un po più abbondante nel caso di mini-idroelettrico. Il salto e la quantità d acqua fluente sono le grandezze che determineranno la scelta del tipo e della potenza della turbina idraulica tra le tante tipologie esistenti Vantaggi e svantaggi Vantaggi Possiamo riassumere i più importanti vantaggi e svantaggi degli impianti micro e mini-idraulici nei seguenti punti: disponibilità della fonte (l'acqua) gratuita anche la notte; adatti al funzionamento in isola ove ve ne sia la necessità. Svantaggi richiesta manutenzione per presenza di parti in movimento; richieste, in genere, opere civili; fonte non disponibile ovunque; modifiche, seppur limitate, dell ambiente I costi È molto difficile indicare un costo di investimento medio per kw installato, perché ogni impianto è fortemente caratterizzato dal sito in cui si installa. Alcune grandezze che determinano il costo finale sono: le opere civili (canali di presa, opere di sbarramento, ecc.) che spesso incidono per il 50%; natura e conformazione del terreno e del corso d'acqua. Come per l eolico, anche per il micro idroelettrico valgono le economie di scala, cioè i costi per kw installato diminuiscono all'aumentare della taglia. Indicativamente il costo per il micro-idroelettrico è di /kw installato. 2.7 Un mix: gli impianti ibridi Quando in un sito vi è abbondanza di più di una fonte rinnovabile potrebbe essere molto interessante avvalersi di più tipologie di impianto. Più impianti a fonti rinnovabili collegati allo stesso punto di connessione costituiscono un impianto ibrido. I vantaggi sono intuitivi in quanto ciascun impianto compensa gli svantaggi dell altro, soprattutto in termini di disponibilità della fonte 14

15 rinnovabile. Potrebbe verificarsi, ad esempio, una giornata nuvolosa ma ventosa e quindi avere l impianto fotovoltaico non in produzione mentre lo sarebbe quello eolico. Se lo scopo è la massima autonomia energetica, gli impianti ibridi costituiscono un ottima soluzione. Sono particolarmente indicati per il funzionamento in isola in quanto garantiscono più affidabilità nella ricarica delle batterie. 3 LE RINNOVABILI TERMICHE Per rinnovabili termiche si intendono le fonti rinnovabili, con relative tecnologie di sfruttamento, che vengono utilizzate per produrre calore utile nei più disparati impieghi dell uomo. Mentre quella elettrica è una forma pregiata di energia ed anche costosa (produrla è più costoso), il calore è considerato la forma più degradata di energia. Questo significa che è sempre meglio evitare di produrre calore utilizzando energia elettrica,come accade ad esempio con gli scaldabagni elettrici, ma quanto più possibile recuperandolo da altri processi (recupero di calore), utilizzando combustibili con caldaie ad alta efficienza e fonti rinnovabili come il sole o il calore già esistente nell aria, nel suolo e nell acqua. 3.1 Gli impianti solari termici Gli impianti solari termici consentono di trasformare l'energia irradiata dal sole in energia termica che, sotto forma di calore servirà quando è necessario scaldare acqua o aria. Ad esempio: produzione di acqua calda sanitaria; riscaldamento degli ambienti; riscaldamento delle piscine; nei processi industriali. Esistono anche rare applicazioni in cui si utilizza il calore del sole in circuiti di raffrescamento (solar cooling). Gli impianti solari termici si diffusero già negli anni settanta e ottanta, ma spesso ebbero durata breve a causa dell impiego di materiali non idonei e del loro errato accoppiamento. Si creavano infatti correnti galvaniche responsabili di processi di ossidazione. Oggi la tecnologia è matura e affidabile e gli impianti di buona qualità e ben progettati hanno una vita media di oltre 20 anni e tempi di ritorno dell'investimento tra i più brevi in assoluto Caratteristiche In linea di principio un circuito solare termico è costituito da: Pannelli solari termici. Di forma generalmente rettangolare servono ad intrappolare i raggi del sole. All interno del pannello circola un fluido (fluido tecnico) che funziona da vettore energetico. Questo serve per prelevare il calore dal pannello e trasportarlo in un altro punto dell impianto come, ad esempio, un serbatoio di accumulo dell acqua da scaldare. All interno di tale serbatoio il fluido cede, tramite una serpentina di scambio termico, il proprio calore all acqua. Per comprenderne il funzionamento si può immaginare quello che succede, in una giornata di sole, all interno di una serra. Acqua o aria che entrano a temperatura ambiente ne usciranno a temperatura più elevata perché hanno acquisito calore all interno della serra. 15

16 Circolatore (impianti a fluido) o ventola (impianti ad aria). Il circolatore è una pompa che consente al fluido tecnico di circolare all interno del circuito solare. Nel caso di impianto per il riscaldamento dell'aria il circolatore è una semplice ventola. Esistono impianti cosiddetti a circolazione naturale in cui il circolatore non è presente ma vengono sfruttati i cosiddetti movimenti convettivi. Questi sono impiegati principalmente negli impianti domestici di piccola taglia e presentano l inconveniente di avere un serbatoio collocato in cima al pannello. Oltre ad essere antiestetici nei contesti urbani, nel periodo invernale hanno lo svantaggio, per quanto ben coibentati, di disperdere maggior quantità di calore verso l ambiente esterno. Strutture di supporto. In genere in alluminio o acciaio zincato, servono a fissare i collettori ed evitare che cadano o vengano fatti volare via dal vento. Serbatoio di accumulo dell'acqua. In genere è un serbatoio dentro il quale è immersa una serpentina tramite la quale il fluido tecnico proveniente dai collettori solari cede il proprio calore all'acqua da riscaldare. Centralina. È il dispositivo che regola le temperature e comanda l'accensione del circolatore nel caso in cui vi sia sufficiente irraggiamento solare e la temperatura richiesta all'interno del serbatoio non sia stata ancora raggiunta, oppure lo spegnimento nel caso in cui la temperatura all interno del serbatoio sia troppo alta. In definitiva: nel caso di impianti per il riscaldamento dell'acqua, un fluido tecnico, generalmente acqua glicolata, si riscalderà dentro il/i collettore/i e cederà il proprio calore all acqua di utilizzo quando giungerà nell accumulatore. Il dispositivo che fa circolare il fluido è una pompa o un circolatore. nel caso di impianti per il riscaldamento dell'aria, il fluido tecnico è l aria stessa che viene riscaldata all interno del collettore e poi usata direttamente nell ambiente da riscaldare. Il circolatore è, in questo caso, una semplice ventola. Pur mantenendo il principio base di funzionamento, esistono numerose configurazioni impiantistiche, ognuna adatta a situazione o uso differente. Anche i collettori si sono differenziati per adattarsi ai diversi impieghi. Ne esistono diversi tipi e possono essere raggruppati nelle seguenti tipologie a seconda del loro campo di impiego: collettori in materiale plastico per applicazioni in cui è richiesta acqua calda a temperatura inferiore ai 35 C in applicazioni stagionali tipo piscine all aperto; collettori piani per applicazioni in cui è richiesta acqua calda a temperatura compresa tra i 40 ed i 60 C (ad esempio acqua sanitaria); collettori a tubi sotto vuoto per temperature tra i 60 C e gli 80 C (ad esempio acqua di processo); collettori ad aria per riscaldamento ambienti, essiccamento di prodotti animali o vegetali. Sono di particolare interesse, in questa trattazione, le applicazioni nel settore produttivo (industriale e agricolo). 16

17 Nel settore industriale: riscaldamento dell acqua a bassa temperatura per processi generici; produzione di birra e malto; produzione lattiero-casearia; conservazione di prodotti agro-alimentari; lavaggio bottiglie a 60 C; pastorizzazione di prodotti alimentari a 70 C; maturazione yogurt a 40 C; lavaggio attrezzature a 80 C; lavorazione tessuti e concia del cuoio; lavorazione del tabacco e del sughero; produzione di carta; essiccamento del legname. GUIDA GESTIONE DELL ENERGIA Nel settore agricolo: essiccatori solari per particolari prodotti agricoli; riscaldamento solare di serre. L uso dell energia solare è molto indicato soprattutto per essiccatori a bassa temperatura, che utilizzano aria leggermente riscaldata come sorgente di energia. L uso di aria preriscaldata aumenta considerevolmente il tasso di essiccazione Vantaggi e svantaggi Vantaggi disponibilità della fonte (il sole) gratuita; quasi totale assenza di parti in movimento (a parte i circolatori e le valvole automatiche); modularità (possibilità di ampliamento); automazione spinta. Svantaggi fonte non sempre disponibile, assente nelle ore buie e giornate nuvolose; richiesta manutenzione ordinaria e straordinaria (ad esempio: circolatori, valvolame); necessità di ampie superfici a terra o sui tetti; necessità di accorgimenti contro il pericolo del batterio della legionella I costi ed il risparmio Riportiamo di seguito il metodo semplificato di risparmio annuo di energia in fonte primaria ottenibile con l installazione di pannelli solari proposto dall'enea. La presente procedura semplificata è derivata dalla metodologia adottata dall'aeeg per l'applicazione dei decreti ministeriali per l'efficienza energetica del 20 luglio

18 Si individua la fascia solare di appartenenza della propria provincia dalla seguente tabella: Il risparmio specifico lordo RSL (espresso in kwh) può essere desunto dalla seguente tabella a tripla entrata, in funzione della fascia solare, del tipo di collettore installato (se piano o sotto vuoto) e dell impianto di produzione termica sostituito (se boiler elettrico oppure a gas o gasolio): Nota l area S dei pannelli, il risparmio lordo specifico per m 2 di pannello solare fornisce il risparmio lordo totale RL: RL = RSL S [kwh/anno] Tale metodo è basato sull'impiego di pannelli che abbiano un rendimento minimo garantito. In realtà, per gli impianti di una certa rilevanza è necessario l'impiego di adatti software che siano in grado di simulare la reale configurazione dell'impianto, con risultati più precisi anche in base all impiego dell impianto stesso. Supponiamo di voler installare a Cagliari un impianto solare termico con un area complessiva lorda dei collettori (piani) pari a 50 mq ad integrazione di un impianto di un residence con caldaia a gasolio. 18

19 Dalla prima tabella risulta che Cagliari è in fascia solare 3. Entriamo, quindi, nella seconda tabella con tale dato. Risulta che avremo un risparmio specifico pari a 1047 kwh per m 2 di collettori installato. Moltiplicando il risparmio specifico per l area totale dei collettori si ottiene un totale di kwh termici risparmiati, equivalente al consumo di circa 1475 litri di gasolio (circa 2000 euro, considerando il costo del gasolio da riscaldamento). Il costo di un impianto di siffatte dimensioni si aggira intorno ai 400 euro/mq per un totale di circa euro. Come si vedrà più avanti, l investimento è reso appetibile dalle forme di incentivazione esistenti. 3.2 Calore dall aria, dall acqua e dal suolo: le pompe di calore La pompa di calore, tecnologia comunemente nota quando si parla di riscaldamento degli ambienti, è stata ricompresa tra le tecnologie che sfruttano le fonti rinnovabili in quanto sfrutta, a seconda del caso, l energia termica presente nell aria, nell acqua e nel suolo. Più precisamente è una macchina in grado di pompare calore da una sorgente a temperatura più bassa ad una a temperatura più alta e viceversa con l ausilio di un compressore. Nel condizionamento dell aria, ad esempio, si ha: apporto del calore in un locale di un edificio (riscaldamento) prelevandolo dall esterno; estrazione del calore da un locale di un edificio (raffrescamento) riversandolo verso l esterno. Questo trasferimento avviene però utilizzando altre differenti forme di energia tra cui, più comunemente, quella elettrica. Questa è necessaria ad azionare un compressore. Il sistema avviene ad alta efficienza in quanto per più del 70% si impiega il calore già contenuto nella sorgente esterna mentre per meno del 30% si ha consumo di energia elettrica. Le applicazioni più comuni sono: riscaldamento e raffrescamento degli ambienti (con immissione diretta di aria calda o fresca oppure col riscaldamento o raffrescamento dell acqua che circolerà nei terminali di erogazione o sottrazione del calore); riscaldamento e raffrescamento acqua sanitaria; riscaldamento piscine; riscaldamento o raffreddamento acqua nei processi industriali Caratteristiche Tipi comuni di macchine di questo tipo sono: refrigeratori; condizionatori d'aria; pompa di calore a compressione di gas; pompa di calore a scambio geotermico. Riferendoci alle comuni pompe di calore impiegate nel condizionamento dell'aria, i componenti fondamentali sono: 19

20 evaporatore. Il fluido refrigerante sottrae calore all'ambiente esterno quando funziona in modalità pompa di calore o al fluido dell'ambiente interno da climatizzare quando funziona in modalità refrigeratore; compressore. Il fluido refrigerante riceve un apporto di energia sotto forma di pressione e temperatura ed è l elemento che richiede energia elettrica per funzionare; condensatore. Il fluido refrigerante subisce un cambiamento di stato cedendo il suo calore al fluido dell'ambiente esterno quando funziona in modalità refrigeratore o al fluido dell'ambiente da climatizzare quando funziona in modalità pompa di calore; organo di laminazione. Senza addentrarci sul meccanismo di funzionamento vero e proprio ci concentriamo sulle cose più importanti da sapere e che consentono di puntare sulle macchine più efficienti. L elemento fondamentale da conoscere è la prestazione della macchina che viene individuata da due grandezze: COP ed EER. La resa in riscaldamento è espressa dal coefficiente di prestazione, COP, rapporto tra energia resa ed energia elettrica consumata. Un valore del COP pari a 3 indica che per ogni kwh di energia elettrica consumato, la pompa di calore fornisce calore pari a 3 kwh. Per capire meglio l'efficienza delle pompe di calore possiamo fare un raffronto con una stufa elettrica. La classica stufa elettrica ha un COP teorico pari a 1. Ciò significa che 1 kwh di energia elettrica consumato dalla stufa origina 1 kwh di calore. La pompa di calore invece origina almeno tre volte tanto di energia termica semplicemente spostando il calore da un luogo freddo ad uno caldo. La prestazione di una pompa di calore in raffreddamento è quantificata dall'eer (energy efficiency ratio). Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l'eer. Le pompe di calore commerciali sono in rapido sviluppo: il COP è cresciuto negli ultimi 5 anni da 3 a 4 e, in alcuni casi, a 5 e anche a 6. Questo è il motivo della loro grande diffusione. Attenzione però: quando si considera il COP è necessario verificare a quale intervallo di temperatura tale COP si riferisce. Esso è variabile con la temperatura esterna. Per comprendere meglio le prestazioni delle pompe di calore sono quindi necessari altri due indici, il SEER e lo SCOP che considerano la variazione stagionale della temperatura esterna e consentono di valutare in maniera più realistica le prestazioni delle macchine nell arco di tutto l anno. Esistono anche le pompe di calore che sfruttano il calore del suolo anziché quello dell'aria. Queste hanno il vantaggio di lavorare con una sorgente di calore piuttosto costante durante l'anno. Il calore viene pompato dal suolo (a profondità relativamente basse) tramite delle sonde a contatto intimo col terreno o con l'acqua in esso contenuta. L'efficienza è maggiore di quella della pompa di calore che sfrutta l'aria ma, per contro, la sua installazione è più difficoltosa e costosa. Laddove esistano i requisiti di costituzione idonea del suolo, le pompe di calore geotermiche sono particolarmente indicate nel caso di edifici di nuova costruzione. 20

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