LEZIONE 4: INTRODUZIONE ALLE RINNOVABILI. Mantova, 2007/10/26 rev003 del 2007/11/09

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1 LEZIONE 4: INTRODUZIONE ALLE RINNOVABILI Mantova, 2007/10/26 rev003 del 2007/11/09

2 INDICE INTRODUZIONE ALLE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE LE FONTI RINNOVABILI ED IL LORO RUOLO TIPOLOGIE DI IMPIANTO 2

3 TIPOLOGIE DI IMPIANTO TIPOLOGIE RINNOVABILI CENTRALI IDROELETTRICHE MICRO MINI GRANDI IMPIANTI CENTRALI GEOTERMICHE CENTRALI EOLICHE ON-SHORE OFF-SHORE PRODUZIONE DA SOLARE FOTOVOLTAICO TERMICO PRODUZIONE DA BIOMASSE CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE 3

4 BILANCIO ENERGIA ELETTRICA ITALIA

5 DATI STATISTICI SULL ENERGIA ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI h medie ,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 Log10(Plorda) MOTORI PRIM I GENERATORI POTENZA EFFICIENTE LORDA PRODUCIBILITA' LORDA da apporti naturali da apporti di pompaggio di gronda volontario totale capacità in energia elettrica dei serbatoi stagionali N.IMPIANTI kw kva kw GWh GWh GWh GWh GWh h medie impianti** Situazione al 31/12/ ,90 180, , , Impianti entrati in statistica nel ,1 87,0 696,0 Impianti modificati o dismessi nel ,20-31,10 48, Situazione al 31/12/ ,00 180, , ,

6 DATI STATISTICI SULL ENERGIA ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI ,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 - MW 57,80 35,60 Solo impianti ad acqua fluente 19, ,00 10,00 10,20 5,00 4,60 2,90 2,40 2, ,20 0, ,10 Solo impianti entrati in servizio nel 2005 h ,23 GWh/a 14,26 25,73 39, ,59 Pmedia Lorda vs h medie Elaborazioni sul totale , , ,00-100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 P media Lorda MW 6

7 1,50 2,00 2,50 H medie vs log10 Pm,L ,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Log10(P) MW ,50-1,00-0,50 0,00 0,50 1,00 Log10(Plorda) MW H h medie

8 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA NEGLI IMPIANTI DI GENERAZIONE ELETTRICA (TERMOELETTRICHE, CICLI COMBINATI) AVVIENE LA CONVERSIONE DELL ENERGIA CONTENUTA NEI COMBUSTIBILI IN ENERGIA ELETTRICA. ELETTRICITÀ FORMA DI ENERGIA PREGIATA, NON IMMAGAZZINABILE MA ISTANTANEAMENTE DISPONIBILE, TRASPORTABILE, UTILIZZABILE VALGONO LE SEGUENTI DEFINIZIONI : POTENZA NOMINALE (kw O kva) >> MASSIMA POTENZA FORNITA IN REGIME CONTINUO, IN DETERMINATE CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO, DA UNA MACCHINA POTENZA NOMINALE DI UNA CENTRALE >> Σ DELLE POTENZE NOMINALI DELLE MACCHINE DELLO STESSO TIPO INSTALLATE IN CENTRALE (TURBINE kw; GENERATORI kva) 8

9 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA POTENZA EFFICIENTE DI UNA CENTRALE (kw) è LA MASSIMA POTENZA EROGABILE IN FUNZIONAMENTO CONTINUO (> 15 ORE), PER LA PRODUZIONE ESCLUSIVA DI POTENZA ATTIVA. SI PARLA DI LORDO O NETTO A SECONDA CHE VENGA ESCLUSA O INCLUSA NEL CONTEGGIO L ALIMENTAZIONE DEI SERVIZI AUSILIARI FATTORE DI UTILIZZAZIONE DELLA MASSIMA POTENZA ELETTRICA : RAPPORTO TRA L ENERGIA PRODOTTA IN UN DATO INTERVALLO DI TEMPO E L ENERGIA PRODUCIBILE ALLA MASSIMA POTENZA NELLO STESSO INTERVALLO 9

10 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE CON IL TERMINE IDROELETTRICO, SI DEFINISCE L ENERGIA ELETTRICA RICAVABILE DALLA CONVERSIONE DELL ENERGIA POTENZIALE POSSEDUTA DA UNA MASSA D ACQUA PRIMA IN ENERGIA MECCANICA, MEDIATE UNA TURBINA IDRAULICA, E POI IN ENERGIA ELETTRICA, ATTRAVERSO UN GENERATORE ELETTRICO. LA POTENZA IDRAULICA DI UN IMPIANTO IDROELETTRICO DIPENDE: DAL SALTO GEODETICO H m; DISLIVELLO ESISTENTE FRA LA QUOTA A CUI È DISPONIBILE LA RISORSA IDRICA ED IL LIVELLO A CUI VIENE RESTITUITA DOPO IL PASSAGGIO ATTRAVERSO IL MOTORE PRIMO. DALLA PORTATA D ACQUA Q m 3 /s; VOLUME D ACQUA CHE FLUISCE ATTRAVERSO LA TURBINA NELL UNITÀ DI TEMPO. 10

11 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE Teorema di Bernoulli, PER UN LIQUIDO PERFETTO IN REGIME PERMANENTE È COSTANTE LA SOMMA DELL ENERGIA POTENZIALE, DELL ENERGIA DI PRESSIONE E DELL ENERGIA CINETICA IN OGNI PUNTO DI UN MEDESIMO FILETTO FLUIDO. L EQUAZIONE CI DICE CHE RISULTA COSTANTE L ENERGIA PER UNITÀ DI PESO DI UN FLUIDO IN MODO, CHE SI TROVA NEL PUNTO DI QUOTA h, CHE È DOTATO DI VELOCITÀ v ED È SOTTOPOSTO ALLA PRESSIONE p. Linea dei carichi totali traiettoria Linea piezometrica 11

12 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE v dσ ρ.g = γ Potenza della corrente Poiché la portata Q di una corrente permanente è costante, dal teorema di Bernoulli si può concludere che la potenza presenta lo stesso valore per tutte le sezioni trasversali della corrente (senza considerare la viscosità) 12

13 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE LA POTENZA ELETTRICA DISPONIBILE AI MORSETTI DEL GENERATORE P e =P.Πη UN IMPIANTO IDROELETTRICO È UN INSIEME DI OPERE CHE PERMETTONO DI MODIFICARE IL DEFLUSSO NATURALE DELLE ACQUE, DEVIANDOLO VERSO UN PERCORSO AL FINE DEL QUALE SI È SFRUTTATO UN DISLIVELLO; IMPIEGANO IL SALTO PER AZIONARE UNA TURBINA + GENERATORE; SCARICANO L ACQUA A VALLE DEL PUNTO DI PRESA NELL ALVEO DEL FIUME STESSO O DI UN ALTRO FIUME. 13

14 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE trasformatore Rete elettrica Insieme di macchinari, di apparecchiature varie e di opere di ingegneria, atte alla conversione dell energia idraulica di un corso d acqua naturale o artificiale in energia elettrica. Sono presenti: opere di presa, filtraggio e convogliamento dell acqua; sala macchine con turbina, generatore e i servizi ausiliari; opera di scarico dell acqua; trasformatore e linea elettrica per il trasporto e la distribuzione dell energia elettrica. 14

15 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE ALCUNE DEFINIZIONI UTILI POTENZA LEGALE (o di concessione) di una utilizzazione: è la potenza idraulica media, espressa in kw, teoricamente disponibile nell anno in relazione alla portata e al salto di concessione dell impianto idroelettrico considerato: dove Q e H sono rispettivamente le portate e i salti medi utilizzabili nei singoli giorni o mesi dell anno e n è il numero dei giorni o dei mesi a cui è estesa la sommatoria. CONCETTO DI PORTATA MINIMA E DMV DEFINITI ALL ATTO DI RICHIESTA DELLA CONCESSIONE 15

16 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE POTENZA EFFETTIVA corrispondente ad una portata Q e a un salto H: è la potenza effettivamente sviluppabile dai generatori per quella portata e quel salto. dove η c η t η g sono i rendimenti delle condotte forzate, dei motori idraulici e dei generatori elettrici in corrispondenza di quella portata. CLASSIFICAZIONE SECONDO POTENZA NOMINALE Delibera AEEG 62/02 CLASSIFICAZIONE SECONDO TIPOLOGIA DI APPROVVIGIONAMENTO

17 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE SCELTA DEI MOTORI PRIMI: PELTON AMPI SALTI BASSO NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO 17

18 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE SCELTA DEI MOTORI PRIMI: TURBINE FRANCIS SALTO MEDIO NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO INTERMEDIO 18

19 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE SCELTA DEI MOTORI PRIMI: TURBINE KAPLAN BASSI SALTI ALTO NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO 19

20 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE SCELTA DEI MOTORI PRIMI: CROSSFLOW 20

21 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE CLASSIFICAZIONE DEI MOTORI PRIMI 21

22 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE SCELTA DEI MOTORI PRIMI PELTON FRANCIS KAPLAN 22

23 RINNOVABILI: LE CENTRALI IDROELETTRICHE ITER AUTORIZZATIVO PER L INSTALLAZIONE DI UNA MINI CENTRALE DIPENDE DALLA REALTÀ LOCALE E DAL TIPO DI TAGLIA. IN GENERE PER IMPIANTI OLTRE I 200 kw, si devono completare le seguenti pratiche: - CONCESSIONE PER DERIVAZIONE ACQUE A SCOPI IDROELETTRICI, RELATIVO DISCIPLINARE, ALLA REGIONE ATTRAVERSO L UFFICIO DEL GENIO CIVILE, CORREDATA DA PROGETTO IMPIANTO - PRESENTAZIONE COPIA PROGETTO ALLA SOVRAINTENDENZA DEI BENI AMBIENTALI, SE ZONA SOGGETTA A VINCOLI AMBIENTALI - COMUNICAZIONE DI INTENTI AL MSE - COMUNICAZIONE AL DISTRIBUTORE ELETTRICO LOCALE; - COMUNICAZIONE DI INTENTI ALL UTF - SE LAVORI IN AREE INTERFERENTI ZONE DI COMPETENZA DEL CORPO FORESTALE DELLO STATO, DOMANDA IN CASO DI STERRI; - DOMANDA RILASCIO PERMESSO DI COSTRUIRE DA PARTE DEL COMUNE COMPETENTE. AD ULTIMAZIONE AVVENUTA: ISTRUIRE PRATICA DI DENUNCIA APERTURA OFFICINA ELETTRICA COLLAUDO OPERA E CERTIFICATO 23

24 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE LE CENTALI EOLICHE SFRUTTANO IL MOVIMENTO DI MASSE D ARIA PER PRODURRE ENERGIA ELETTRICA. TALE MOVIMENTO COMPORTA UN TRASPORTO DI ENERGIA CINETICA CHE È DOVUTO PRINCIPALMENTE ALLA DIFFERENZA DI TEMPERATURA FRA UNA ZONA E L'ALTRA E ALLA ROTAZIONE DELLA TERRA. SI PARLA DI GENERATORI DI PICCOLA TAGLIA, QUANDO LA POTENZA NOMINALE (Pn) ARRIVA FINO A 100 kw, CON UN DIAMETRO DEL ROTORE FINO A 25 METRI ED CON UN ALTEZZA DEL SOSTEGNO FINO A 25 METRI; DI MEDIA TAGLIA, SE LA Pn È COMPRESA TRA I 100 E GLI 800 kw, IL DIAMETRO DEL ROTORE TRA 25 E 50 METRI E L ALTEZZA DEL SOSTEGNO SIA TRA I 25 E I 50 METRI; DI GROSSA TAGLIA, SE Pn È COMPRESA TRA 800 ED I kw, IL DIAMETRO DEL ROTORE TRA I 25 E 70 METRI E L ALTEZZA DEL SOSTEGNO TRA I 50 E GLI 80 METRI. 24

25 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE PER LA MISURAZIONE DELLA INTENSITÀ E DELLA DIREZIONE DEL VENTO SI UTILIZZANO GLI ANEMOMETRI. NELL'ANEMOMETRO POSSIAMO DISTINGUERE IL SENSORE, CHE È L'ELEMENTO DIRETTAMENTE INFLUENZATO DALLA GRANDEZZA EOLICA DA MISURARE ED IL SISTEMA DI MISURA, CHE TRADUCE IL SEGNALE DEL SENSORE IN DATI NUMERICI. NELLA MAGGIORANZA DEI CASI SI ADOPERA UNA BANDERUOLA COME SENSORE DI DIREZIONE E UN MULINELLO A COPPETTE COME SENSORE DELLA INTENSITÀ. 25

26 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE Anemometri/anemografi: Dal sito meteolab 26

27 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE RACCOLTA DATI PER CARATTERIZZAZIONE SITO: PERIODO DI 4 O 5 ANNI OGNI 5 MINUTI STUDIO DELL EFFETTO DELLE TURBOLENZE E DELLE INTERFERENZE (OSTACOLI) PROFILO DEL VENTO 27

28 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE ELEMENTI DI TEORIA UNIDIMENSIONALE SEMPLICITÀ MODELLO ENERGIA CINETICA ENTRANTE PERDITE = ENERGIA MECCANICA < 60% INPUT FENOMENI ATTRITO E VISCOSITÀ FLUSSO ENERGETICO DI RIFERIMENTO COEFFICIENTE DI POTENZA, DIPENDE DALLA FORMA Pr POTENZA CEDUTA ALLE PALE RAPPORTO DI VELOCITÀ PERIFERICA 28

29 SI CONSIDERI UN TUBO D ARIA DAL DIAMETRO PARI A D A = Π D 2 /4 LUNGHEZZA, L, DELL ARIA CHE SI MUOVEATTARVERSO LA TURBINA IN UN TEMPO T (SECONDI) CON L PARI A v t, DOVE v È LA VELOCITÀ DEL VENTO IL VOLUME DI QUESTO TUBO LUNGO L È PARI A V = A L = A v t LA DENSITÀ DELL ARIA È ρ 1.29 kg/sm 3 LA MASSA RISULTA M = ρ V = ρ A v t L ENERGIA CINETICA EC= ½ Mv 2 SE AL POSTO DELLA MASSA M SI SOSTITUISCE ρ A v t E AL POSTO DELL AREA A = Π D 2 /4, ALLORA Ec = ½ Π/4 ρ D2 v3 t LA POTENZA TEORICA, Pt = ½ Π/4 ρ D 2 v 3 t/t = ρ D 2 v 3, ρ È LA DENSITÀ ARIA, D È IL DIAMETRO SPAZZATO DALLE PALE DEL ROTORE, E v è LA VELOCITÀ PARALLELA ALLA ASSE DEL ROTORE LA LEGGE DI BETZ DIMOSTRA CHE SOLO IL 59.3% DELLA POTENZA PUÒ ESSERE ESTRATTA DAL VENTO Pe = Pt 59.3% ή r ή t ή g, Pe È LA POTENZA ELETTRICA OTTENIBILE, ή r È L EFFICIENZA DEL ROTORE, ή t È L EFFICIENZA DELLA TRASMISSIONE MECCANICA, e ή g È L EFFICIENZA DEL GENERATORE ELETTRICO PER ESEMPIO 59.3% 90% 98% 80% = 42% RENDE MERITO DELLA POTENZA TEORICA OTTENIBILE 29

30 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE CARICHI PRINCIPALI SULLA TURBINA AD ASSE O. SCOMPOSIZIONE DELLA FORZA IN T ED S 30

31 RINNOVABILI: LE CENTRALI EOLICHE COSTI su MEDIA POTENZA /kw; su PICCOLA POTENZA /kw 31

32 MICRO AEREOGENERATORE 32

33 IMPIANTI FOTOVOLTAICI IMPIANTI CHE PRODUCONO ENERGIA ELETTRICA A PARTIRE DALL IRRAGGIAMENTO SOLARE. IL CAMPO FOTOVOLTAICO È COSTITUITO DA PARALLELI DI STRINGHE, OGNI STRINGA È COSTITUITA DA MODULI IN SERIE 33

34 IMPIANTI FOTOVOLTAICI: LA CELLA Drogaggio PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Tipo P Tipo N Effetto fotovoltaico 34

35 IMPIANTI FOTOVOLTAICI: IL PANNELLO ESISTONO TRE TIPI DI PANNELLI IN Si Monocristallino Policristallino Film Sottile 35

36 IMPIANTI FOTOVOLTAICI: DALLA CELLA AL PANNELLO CELLA MODULO MODULO PANNELLO 36

37 IMPIANTI FOTOVOLTAICI: DAL PANNELLO ALLA STRINGA PANNELLO STRINGA 37

38 IMPIANTI FOTOVOLTAICI: DALLA STRINGA AL CAMPO CAMPO STRINGA 38

39 IMPIANTI ISOLATI IMPIANTI CONNESSI ALLA RETE 39

40 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA IL SOPRALLUOGO DEVE PERMETTERE DI CAPIRE: LE MODALITÀ TECNICHE DI INSTALLAZIONE DEI MODULI LA POSIZIONE DELL INVERTER E DI OGNI APPARECCHIATURA ELETTRICA IL PERCORSO DEI CAVI DI CABLAGGIO EVENTUALI DIFFICOLTÀ LOGISTICHE IN FASE DI COSTRUZIONE VINCOLI AMBIENTALI, PAESAGGISTICI ( EVENTUALI OMBREGGIAMENTI ) 40

41 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA 41

42 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA 42

43 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA 43

44 ALCUNI NUMERI 8-10 mq area di un impianto da 1 kwp 1 kwp >> 1100 kwh/a (Milano) 1 kwp >> 1300 kwh/a (Roma) 1 kwp >> 1600 kwh/a (Trapani) 20 anni >> durata impianto 1 kwp >> IVA (fino a 5 kwp) 1 kwp >> IVA (da 5 kwp a 20 kwp) kwh/a consumo tipico di una famiglia italiana 44

45 COSTI PER UN IMPIANTO DI PICCOLA TAGLIA 45

46 CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE: CENTRALI MAREMOTRICI SALTER S DUCK 46

47 CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE: solare termico 47

48 CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE: pompe di calore geotermiche 48

49 CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE: solare a concentrazione 49

50 CENNI AD ALTRE TECNOLOGIE: geotermia 50

51 RIASSUMENDO 1/3 PELTON FRANCIS KAPLAN 51

52 RIASSUMENDO 2/ mq area di un impianto da 1 kwp 1 kwp >> 1100 kwh/a (Milano) 1 kwp >> 1300 kwh/a (Roma) 1 kwp >> 1600 kwh/a (Trapani) 20 anni >> durata impianto 1 kwp >> IVA (fino a 5 kwp) 1 kwp >> IVA (da 5 kwp a 20 kwp) kwh/a consumo tipico di una famiglia italiana 52

53 RIASSUMENDO 3/3 53