RISERVE FOSSILI LIMITATE E CRISI ENERGETICA

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1 RISERVE FOSSILI LIMITATE E CRISI ENERGETICA Circa l'80% dell'energia primaria utilizzata nel mondo proviene dai combustibili fossili 35% dal petrolio 21,2% dal gas 23,3% dal carbone Negli ultimi 150 anni si sono consumate circa la metà delle risorse disponibili.

2 SVILUPPO SOSTENIBILE E USO DELLE ENERGIE RINNOVABILI Lo Sviluppo Sostenibile è quello sviluppo che consente alla generazione presente di soddisfare i propri bisogni senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare i propri bisogni (Rapporto Brundtland 1987) Oggi il nostro sistema energetico è molto lontano dall'essere sostenibile. Gran parte dell'energia primaria proviene dalla combustione di risorse energetiche fossili (petrolio, gas naturale e carbone). Queste risorse presentano tre gravi inconvenienti: 1) Le riserve mondiali di combustibili fossili sono limitate; 2) Tali riserve sono distribuite in modo diseguale nel mondo; 3) La combustione delle risorse fossili genera il surriscaldamento dell'atmosfera

3 EFFETTO SERRA L'anidride carbonica (CO 2 ) ha la capacità di assorbire la radiazione infrarossa. Ciò vuol dire che l'anidride carbonica presente nell'atmosfera contribuisce a trattenere il calore che la Terra irradia verso lo spazio interplanetario. L'anidride carbonica che oggi viene emessa a seguito della combustione va ad accumularsi nell'atmosfera e a sommarsi a quella che vi si trova naturalmente

4 CAMBIAMENTI CLIMATICI La combustione delle fonti energetiche fossili comporta l'emissione di grandi quantità di anidride carbonica (CO2) che provoca un effetto serra aggiuntivo a quello naturale e un aumento della temperatura media. Questo riscaldamento globale della bassa atmosfera e della superficie terrestre ha come conseguenza un cambiamento del clima, dalla cui entità e velocità dipendono gli effetti sugli ecosistemi terrestri ed acquatici, sulla salute umana e sui sistemi socioeconomici.

5 CAMBIAMENTI CLIMATICI Le previsioni dell'ipcc* per il XXI secolo sono: - Accelerazione del ciclo dell'acqua nell'atmosfera e nel suolo, con aumento globale delle precipitazioni atmosferiche e loro distribuzione non uniforme sulla superficie terrestre - Aumento della frequenza di eventi meteorologici estremi (siccità, alluvioni ) - Aumento del livello del mare per l espansione termica degli oceani e scioglimento dei ghiacciai (alcune zone verrebbero sommerse e le inondazioni diventerebbero più frequenti) - Aumento del rischio di desertificazione. Il cambiamento delle fasce climatiche si verificherebbe ad una velocità superiore alla capacità di adattamento della vegetazione, con la conseguente destabilizzazione su larga scala di molti ecosistemi naturali. * L'IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), è una Commissione di scienziati di tutto il mondo creata dall'onu nel 1988 per studiare i cambiamenti climatici.

6 IL PROTOCOLLO DI KYOTO Nel dicembre 1997 è stato sottoscritto il Protocollo di Kyoto che impegna i paesi industrializzati, responsabili di oltre il 70% delle emissioni mondiali di gas serra, a ridurre entro il 2012 le emissioni del 5,2% rispetto ai valori del Il Protocollo di Kyoto entrò in vigore nel 2005, con sei anni di ritardo. L'Italia aveva però già adottato le linee guida previste dal protocollo fin dal 1998, redigendo il "Libro Bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili. Nonostante ciò il nostro paese non ha modificato il "trend" di crescita delle emissioni e dovrebbe oggi ridurle di circa il 12% per rispettare gli impegni di Kyoto

7 CONSUMI ENERGETICI PER FAMIGLIA In Italia una famiglia di 3/4 persone consuma annualmente circa: kwh elettrici kwh termici per il riscaldamento degli ambienti kwh termici per il riscaldamento dell'acqua calda che comportano l'emissione in atmosfera di circa 4 tonnellate di CO 2 l'anno. Affinché tale quantità di gas possa essere assorbita annualmente dalla vegetazione, sarebbero necessari per ogni famiglia circa 500 alberi, ovvero una superficie di bosco pari a 1-2 campi di calcio

8 CONSUMI ENERGETICI PER FAMIGLIA Con l'istallazione di 2 kw fotovoltaici per la produzione di energia elettrica 2 mq di collettori solari per la produzione di acqua calda la stessa famiglia potrebbe ridurre dell'80% i sui consumi elettrici e del 60% quelli per il riscaldamento dell'acqua sanitaria, evitando di emettere circa 1,7 tonnellate di anidride carbonica.

9 SOLUZIONI TECNOLOGICHE ED ENERGETICHE ECOCOMPATIBILI L analisi delle esigenze permette di determinare i requisiti ambientali che ciascuna unità spaziale deve soddisfare. In particolare, i sistemi energetici e le soluzioni tecnologiche ecocompatibili ottimizzano le condizioni di benessere, favorendo: captazione della radiazione solare mantenimento delle condizioni di comfort ambientale acustico e visivo mantenimento delle condizioni di comfort termico, (riscaldamento e raffrescamento) riduzione delle dispersioni di energia termica

10 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia Eolica Mediante aerogeneratori converte direttamente l'energia del vento in meccanica. L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia. In passato l'energia del vento veniva utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e pre-industriali. Lo sfruttamento dell energia eolica per la produzione di energia elettrica è relativamente semplice e poco costoso; si attua tramite macchine eoliche di due tipi, distinguibili in funzione del tipo di generatore eolico adoperato: 1. Generatori eolici ad asse orizzontale 2. Generatori eolici ad asse verticale

11 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia Eolica 1. Generatori eolici ad asse orizzontale

12 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia Eolica 2. Generatori eolici ad asse verticale

13 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia da Biomasse E' energia prodotta da materiali biologici (residui agricoli e forestali, rifiuti urbani, ecc.) grazie a processi di conversione quali combustione, gassificazione, fermentazione.

14 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia Geotermica E una forma di energia rinnovabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre. Penetrando in profondità a partire dalla superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando di circa 30 C per km. L energia geotermica può essere usata direttamente o convertita in elettricità. Nelle centrali geotermiche di Larderello, in Toscana, i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua calda del sottosuolo sono convogliati verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica potendo anche riutilizzare il vapore residuo per altri usi. Il flusso di vapore produce la forza per far muovere una turbina, l'energia meccanica della turbina viene trasformata in elettricità tramite un alternatore. Schema di funzionamento di un impianto geotermico con pompa di calore per riscaldamento a bassa temperatura

15 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia Geotermica La caldaia che produce vapore è un serbatoio naturale geotermico, situato al di sotto della crosta terrestre. Il vapore portato in superficie per mezzo di trivellazioni più o meno profonde, viene convogliato in tubazioni, chiamate vapordotti, e inviato alla turbina dove viene convertito dapprima in energia meccanica e quindi in energia elettrica per mezzo di un alternatore collegato alla turbina. Il vapore viene recuperato e riconvertito in una condensatore e riportato alla stato liquido per essere smaltito nel terreno, mentre i gas di scarico vengono raffreddati e dispersi nell atmosfera mediante una torre di refrigerazione. L Italia è stato il primo paese al mondo a sfruttare l energia geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato nel 1913 a Larderello. Attualmente sono attive centrali geotermiche a Larderello, Travale e Monte Amiata (in Toscana) e forniscono attualmente circa l 1,5% della produzione totale dell energia elettrica nazionale.

16 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Impianti minidroelettrici Per energia idroelettrica si intende l energia cinetica delle masse d acqua in movimento convertita in energia elettrica in appositi impianti Mediante apposite turbine si sfrutta l'energia dei fiumi e dei bacini artificiali Un impianto di minidroelettrico consta di: sistema di raccolta dell'acqua conduttura forzata di convogliamento e adduzione dell'acqua sistema di controllo e regolazione della portata d'acqua turbina generatore

17 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia del Mare Sfruttamento dell'energia di correnti, onde, maree, e del gradiente termico esistente tra superficie e profondità Hidroflot è un sistema che consente di produrre energia elettrica sfruttando le onde del mare. Il sistema è composto da una piattaforma che ospita boe captatrici ciascuna in grado di generare circa 400kW. Ogni piattaforma fa capo ad una struttura di taccolta dell energia elettrica. Un parco composto da 10 piattaforme di 48 boe ciascuna, sarebbe in grado di produrre ben 192 MW di picco, occupando 2 miglia quadrate di superficie d acqua.

18 SISTEMI ENERGETICI ALTERNATIVI Energia del Mare

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20 SISTEMI SOLARI

21 SISTEMI SOLARI ATTIVI I sistemi solari attivi si possono suddividere in due grandi categorie: impianti solari termici impianti solari fotovoltaici I sistemi solari termici si basano sulla capacità di convertire l energia solare in energia termica mediante lo sfruttamento dell effetto serra, per produrre acqua calda solitamente ad uso sanitario. Il solare fotovoltaico permette la conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica. Si basa sulla proprietà che hanno alcuni materiali "semiconduttori" che, opportunamente trattati, generano energia elettrica quando sono esposti alla radiazione solare

22 SOLARE TERMICO Consiste in dispositivi contenenti un fluido termovettore che esposto alla radiazione solare si riscalda rendendo disponibile acqua calda per usi sanitari o per la climatizzazione degli ambienti. La funzione di accumulo e trasporto del calore è assicurata dal fluido termovettore che circola tra i pannelli e il serbatoio d accumulo dell acqua calda. Il dispositivo base, "il collettore solare", è costituito da un corpo nero assorbente entro il quale scorre un fluido (con la funzione di captare l'energia irradiata dal sole e trasferirla sotto forma di energia termica al fluido) e una copertura trasparente sulla parte esposta al sole, tutto racchiuso in un contenitore isolato termicamente.

23 SOLARE TERMICO L orientamento dei pannelli più favorevole per massimizzare la captazione della radiazione solare è il Sud, con una tolleranza di ± 30, l inclinazione ottimale dipende dalla latitudine. I sistemi solari termici producono acqua calda ad un massimo 50, per tale motivo sono adatti ad alimentare sistemi di riscaldamento a bassa temperatura (pannelli radianti). Un impianto solare con 4m 2 di pannelli e un serbatoio da 200 litri, può fornire l'80% del fabbisogno energetico per l'acqua sanitaria di una famiglia di 4 persone.

24 SOLARE TERMICO Inclinazione dei pannelli Si definisce inclinazione di un pannello solare l angolo minore che esso forma con il piano orizzontale. Sono diversi gli aspetti da tenere in considerazione nella determinazione della inclinazione ottimale. Ogni pannello ha un rendimento maggiore quando i raggi solari lo colpiscono in modo perpendicolare poiché l energia della radiazione è proporzionale all angolo incidente. Quando un pannello ò posto in posizione orizzontale: ha un rendimento maggiore se il sole è alto nel cielo (estate) ha un rendimento molto basso in inverno Questa posizione presenta qualche svantaggio per i pannelli solari termici, in quando la notte, siccome vede una più ampia sezione fredda della volta celeste, esso verrà raffreddato più velocemente. Quando un pannello solare è posto in verticale: è più sensibile alle radiazioni orizzontali, ha un maggiore rendimento in inverno, col sole è più basso sull orizzonte durante la stagione estiva ha un rendimento minore, nonostante l apporto di energia da parte del sole sia maggiore

25 SOLARE TERMICO I sistemi solari termici possono essere a circolazione naturale o forzata. Nei sistemi a circolazione naturale il movimento del fluido termovettore verso l accumulo avviene per il moto convettivo indotto dal riscaldamento del fluido all interno di collettori solari. La necessità di collocare sulla copertura del fabbricato il serbatoio di accumulo superiormente ai pannelli solari, pone il problema dell integrazione del sistema nell edificio e favorisce la dispersione del calore.

26 SOLARE TERMICO Nei sistemi a circolazione forzata il movimento del fluido termovettore è assicurato da una pompa controllata da una centralina elettronica, che la attiva quando la temperatura dell acqua nel serbatoio è inferiore a quella del fluido nei pannelli. Il vantaggio sta nella possibilità di svincolare il posizionamento dell accumulo da quello dei pannelli. Inoltre la maggior velocità di circolazione del fluido consente una maggiore efficienza del sistema in termini di trasporto del calore.

27 SOLARE TERMICO Componenti principali di un impianto solare termico: collettori solari circuito distributivo centralina di controllo serbatoio di accumulo

28 SOLARE TERMICO I pannelli solari possono essere di diversi tipo: vetrati non selettivi (tipologia tradizionale) vetrati selettivi (più efficienti, riducono le perdite per riflessione) sottovuoto (molto efficienti, costo elevato) I collettori sottovuoto Sono composti da tubi di vetro sottovuoto ricoperti da uno strato selettivo che trasforma la luce solare in calore (le estremità di un tubo di vetro interno e di uno esterno vengono fuse tra loro e l'aria è estratta dall'intercapedine) L assorbitore di calore è di forma circolare ed è alloggiato all'interno della cavità sottovuoto dei tubi stessi. Per la loro maggiore resa, richiedono minore superficie esposta rispetto alle altre tipologie di pannelli e sono capaci di trattenere il calore accumulato anche in condizioni atmosferiche molto rigide. Hanno un rendimento migliore in tutte le stagioni (circa un 15-20% di aumento di produzione energetica), grazie al sostanziale annullamento delle perdite per convezione. Il costo maggiore ne consiglia l'adozione solo in casi particolari (per temperature dell'acqua più elevate e/o clima rigido).

29 PANNELLI RADIANTI I pannelli radianti sono sistemi di riscaldamento (a pavimento, a parete, a battiscopa) che scambiano calore con l ambiente per irraggiamento, garantendo un riscaldamento uniforme. Vantaggi: riduzione dei movimenti d aria e di polveri (i moti convettivi indotti dai tradizionali termosifoni) minore spreco d energia (l acqua degli impianti tradizionali si trova, a 70-80, mentre nei pannelli radianti scorre a ) evita l aria eccessivamente secca evita le asimmetrie di temperatura I pannelli radianti possono essere utilizzati come impianto di refrigerazione, facendo circolare al loro interno acqua a circa 10 C.

30 I SISTEMI FOTOVOLTAICI Il dispositivo base dell impianto FV è la cella fotovoltaica La cella è costituita da una lastra di materiale semiconduttore (silicio monocristallino o policristallino) che opportunamente trattata, genera una differenza di potenziale tra la superficie superiore (-) e inferiore (+). La radiazione solare incidente sulla cella mette in movimento gli elettroni, che si spostano dalla faccia negativa a quella positiva, generando una corrente continua La cella ha generalménte forma quadrata con una superficie compresa tra 100 e 225 cm 2 (10x10 / 15x15 cm) e uno spessore di 0,25 0,35 mm Schema di funzionamento di una cella FV

31 I SISTEMI FOTOVOLTAICI Le celle vengono connesse tra loro e incapsulate in maniera da formare superfici più grandi: moduli, più moduli connessi in parallelo costituiscono una stringa. L insieme di più stringhe interconesse costituisce un generatore.

32 I SISTEMI FOTOVOLTAICI: TIPOLOGIE Si suddividono in due grandi categorie e seconda che vi sia o meno un rapporto di interscambio con la rete distributiva 1) Impianti FV isolati. In zone dove non è presente la rete elettrica l'accumulo si effettua tramite l'utilizzo di Batterie: impianti FV ad isola LEGENDA A = Modulo FV B = Regol. di carica C = Accumulatore D = Utilizzatori 2) Impianti FV in rete (grid connected). La corrente continua prodotta viene convertita in corrente alternata (tramite un inverter) e viene immessa nella rete elettrica, per poi venire prelevata nel momento del bisogno

33 I SISTEMI FOTOVOLTAICI ISOLATI I sistemi fotovoltaici isolati sono dimensionati e configurati per poter soddisfare in modo completamente autonomo la domanda di energia degli utenti in qualsiasi condizione del giorno e dell anno. Questa tipologia di sistema non è economicamente conveniente ed è utilizzata solo nel caso in cui la rete elettrica non sia accessibile. Il fabbisogno di una famiglia, con i consumi medi di oggi, può essere coperto da mq di pannelli.

34 I SISTEMI FOTOVOLTAICI ISOLATI Impianto stand alone costituito da: Generatore fotovoltaico Per la trasformazione di energia solare in energia elettrica Regolatore di carica Per regolare la ricarica degli accumulatori, interrompe la ricarica ad accumulatore pieno Inverter Per trasformare la corrente continua proveniente dai moduli in corrente alternata a 220 V Accumulatori Per fornire l energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irraggiamento solare.

35 I SISTEMI FOTOVOLTAICI CONNESSI IN RETE I sistemi fotovoltaici connessi in rete (grid connected) producono energia elettrica sufficiente per l utenza e cedono quella in eccesso alla rete elettrica; quando, di notte o in condizioni meteo sfavorevoli, il generatore fotovoltaico è inattivo, si sfrutta l allacciamento alla rete per l alimentazione tradizionale. I principali componenti di un sistema connesso in rete sono: Superficie fotovoltaica: composto dall insieme di moduli fotovoltaici (generatore FV); Componentistica (balance of system): insieme dei componenti che costituisce il sistema (cavi, inverter )

36 I SISTEMI FOTOVOLTAICI CONNESSI IN RETE Impianto grid connected costituito da: Generatore fotovoltaico per la trasformazione di energia solare in energia elettrica Inverter Per trasformare la corrente continua proveniente dai moduli in corrente alternata a 220 V Quadro elettrico per la distribuzione dell energia Contatori di rete In entrata e uscita per l allacciamento alla rete pubblica dell azienda elettrica

37 SISTEMI FOTOVOLTAICI: ESEMPI DI APPLICAZIONE

38 SISTEMI FOTOVOLTAICI: ESEMPI DI APPLICAZIONE

39 SISTEMI FOTOVOLTAICI: ESEMPI DI APPLICAZIONE Tsinghua University in Beijing - Mario Cucinella Architects