LA PROGETTAZIONE DI IMPIANTI ALIMENTATI DA FONTI RINNOVABILI

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1 LA PROGETTAZIONE DI IMPIANTI ALIMENTATI DA FONTI RINNOVABILI Dalmine, 23 gennaio 2014 G. Franchini Dipartimento di Ingegneria Università degli Studi di Bergamo

2 Fonti energetiche rinnovabili: - radiazione solare -vento -acqua -biomasse -geotermia Fonti energetiche - idroelettrico da acqua fluente - maree - moto ondoso - correnti marine Tutte le fonti rinnovabili (ad eccezione della geotermia e delle maree) sono correlate alla radiazione solare. Tutte le fonti rinnovabili (ad eccezione delle maree) hanno un origine nucleare.

3 Fonti energetiche L energia primaria impiegata dall uomo in un anno (XXI secolo) corrisponde a una potenza media di 12 TW. Le previsioni per il XXII secolo sono di circa 40 TW. L energia radiante solare incidente sul suolo terrestre in un anno corrisponde a una potenza media di TW (~ 230 W/m 2 ) uranio gas consumo annuo petrolio carbone radiazione solare annua

4 Primary energy consumption per capita 2012 Tonnes oil equivalent BP Statistical Review of World Energy 2013 BP 2013

5 Primary energy world consumption Million tonnes oil equivalent BP Statistical Review of World Energy 2013 BP 2013

6 Fossil fuel reserves-to-production (R/P) ratios Years BP Statistical Review of World Energy 2013 BP 2013

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8 Scenari futuri (?)

9 Principi di conversione dell energia Energia PRIMARIA Energia FINALE (UTILE) E P E U SISTEMA ENERGETICO Rendimento di conversione: Energia dissipata: conv =

10 Principi di conversione dell energia Energia primaria chimica radiante Energia convertita elettrica meccanica termica nucleare Reattori nucleari chimica Fuel cells, batterie Caldaie, Combustori radiante Fotosintesi Celle fotovoltaiche Collettori solari elettrica Elettrolisi Lampade Motori elettrici Pompe di calore meccanica Alternatori Turbine termica Motori termodinamici Scambiatori di calore

11 Fonte energetica: RADIAZIONE SOLARE Tecnologia: COLLETTORI SOLARI

12 Diagramma solare

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14 Collettori piani vetrati 14

15 Collettori non vetrati (unglazed) Collettori sottovuoto (evacuated tube collectors, ETC) 15

16 impianti a circolazione naturale 16

17 impianti a circolazione forzata 17

18 Fonte energetica: RADIAZIONE SOLARE Tecnologia: MODULI FOTOVOLTAICI

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21 Si monocristallino Si policristallino Si amorfo CIS 21

22 carichi DC batterie = ~ carichi AC impianti PV stand alone 22

23 carichi AC = ~ impianti PV grid-connected 23

24 Fonte energetica: RADIAZIONE SOLARE Tecnologia: CONCENTRATORI SOLARI

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32 Fonte energetica: VENTO Tecnologia: TURBINE EOLICHE

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42 Esempio dati turbina reale: diam.rotore 47 m, altezza torre 45 m cut-in 4.5 m/s, rated 15 m/s, cut-out 25 m/s, PR = 660 kw (Vestas V kw).

43 Fonte energetica: ACQUA Tecnologia: CENTRALI IDROELETTRICHE

44 Schema introduttivo impianto idroelettrico

45 2 1 3 Energia Elettrica Opere di presa dell acqua 4 il flusso del corso d acqua, o di una parte di esso, viene deviato verso le opere di convogliamento. 2- Opere di convogliamento: tramite canali a pelo libero, gallerie o tubazioni pressoché orizzontali, l acqua viene convogliata fino al punto idoneo per realizzare il salto idraulico da sfruttare. 3 - Opere alla vasca di carico se il convogliamento è fatto con canale a pelo libero (comprendono: sfioratori, scarichi di fondo, dissabbiatori, griglie, paratoie di sbarramento). Opere all imbocco della condotta se il convogliamento è fatto mediante tubazioni in pressione (comprendono: pozzo piezometrico, valvola a farfalla, altre valvole). 4 - Camera di carico per piccoli salti; condotta in pressione per salti maggiori 5 - Turbina idraulica: l energia idraulica viene trasformata in energia meccanica disponibile al suo asse. 6 - Macchina elettrogeneratrice: l energia meccanica viene trasformata in energia elettrica disponibile ai propri morsetti d uscita. 7 - Apparecchiature elettriche per l uscita dell energia elettrica (comprendono il trasformatore per adattare, se necessario, la tensione del generatore a quella di rete, e altri strumenti di misura, protezione, emergenza, etc.) 8 - Canale di scarico il cui compito è quello di allontanare l acqua che ha ceduto la sua energia alla turbina. Energia Meccanica 5 8

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55 Fonte energetica: BIOMASSE Tecnologia: CENTRALI A BIOMASSE

56 Con il termine biomassa viene indicata la materia organica, prevalentemente vegetale, sia spontanea che coltivata dall uomo, terrestre e marina, prodotta per effetto del processo di fotosintesi clorofilliana con l apporto dell energia della radiazione solare, di acqua e di sostanze nutritive.

57 Definizione Sono quindi biomasse: tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione i residui delle lavorazioni agricole e scarti dell industria alimentare le alghe tutti i prodotti organici derivanti dall attività biologica animale la frazione organica dei rifiuti solidi urbani

58 Principali tipologie di biomassa FORESTALI-LEGNOSE AGRICOLE COLTURE DEDICATE (ENERGY CROPS)

59 Vantaggi dell impiego di biomasse come risorsa energetica: - risorsa abbondante e diffusa in quasi tutto il globo - risorsa rinnovabile - facilmente immagazzinabile - convertibile in combustibili solidi, gassosi o liquidi - sfruttamento di zone inutilizzate dall agricoltura (ricadute occupazionali) - CO 2 -neutrale (nel processo di combustione emette la stessa quantità di anidride carbonica asportata in vita)

60 Criticità dell impiego di biomasse come risorsa energetica: - bassa densità energetica (necessarie grandi aree; produttività intorno a 20 t/ha) - necessità di fertilizzanti e irrigazione - logistica complessa per assicurare fornitura costante della risorsa - problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione (a causa della bassa densità) - produzione soggetta a variabilità delle condizioni ambientali/meteo - produzione non costante durante l anno

61 La risorsa biomassa Radiazione Solare Nutrienti BIOMASSA Zuccheri, Olii, Amidi, Farine, Proteine 6 CO H 2 O 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 6 CO H 2 O + ENERGIA + CENERE Bioss.di Carbonio Clorofilla Acqua Ossigeno Glucosio Combustione Calore - Elettricità - Energia mecc.

62 Combustione per produzione elettrica Schema esemplificativo di un impianto termoelettrico a biomasse (turbina a vapore)

63 Le filiere energetiche delle biomasse

64 Fonte energetica: CALORE ENDOGENO Tecnologia: CENTRALI GEOTERMICHE

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66 Applicazioni: Impianti di potenza Uso diretto del calore Pompe di calore

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69 Fonte energetica: CALORE ENDOGENO Tecnologia: POMPE DI CALORE GEOTERMICHE

70 aria terreno sottosuolo

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73 scambiatori orizzontali

74 scambiatori orizzontali

75 campo di sonde geotermiche perforazione