Agenda. Introduzione. Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico. Energia da biomasse. Geotermico. Conclusioni

Transcript

1 EFFICACCIA ENERGETICA DEGLI IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI Prof. Ing. Cesare Saccani Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Università di Bologna Facoltà di Ingegneria - DIEM 1

2 Agenda Introduzione Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico Energia da biomasse Geotermico Conclusioni 2

3 Introduzione Come si definisce una fonte rinnovabile? Definiamo fonti rinnovabili le fonti energetiche rinnovabili non fossili : Art. 2 Comma 1-a DLgs 387/03 (direttiva 2001/77/CE) -Eolico -Solare -Geotermico -Energia del moto ondoso -Energia maremotrice -Energia idraulica -Gas di discarica, gas residuati dai processi, di depurazione e biogas 3 -Biomasse

4 Introduzione Come si definisce una biomassa? Definiamo la biomassa come la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonche' la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. Art. 2 Comma 1-a DLgs 387/03 (direttiva 2001/77/CE) 4

5 Introduzione Come si misura l efficacia di una fonte rinnovabile? L efficacia è data dalla capacità di raggiungere o meno l obiettivo prefissato. Nel caso delle fonti rinnovabili, l obiettivo è rappresentato dalla produzione di energia senza emissioni di CO2 e con minori emissioni di inquinanti rispetto alle forme di produzione di energia tradizionali (combustibile fossile, nucleare). A parità di efficacia, è necessaria una valutazione sulla 5 efficienza del processo.

6 Agenda Introduzione Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico Energia da biomasse Geotermico Conclusioni 6

7 Energia dal Sole Le tecnologie che sfruttano il Sole come fonte primaria per la produzione di energia sono: -Fotovoltaico tradizionale -Fotovoltaico a film sottile -Solare termico tradizionale -Fotovoltaico organico -Fotovoltaico a concentrazione -Solare termico a concentrazione Alcune di queste tecnologie sono già mature, altre sono in fase di sperimentazione. 7

8 Energia dal Sole Fotovoltaico tradizionale Pannelli al silicio mono e poli cristallino: Sul mercato, i prodotti derivati da entrambe le tecnologie presentano efficienze (di picco) di conversione attorno al 12-16%. Sono in fase di sperimentazione celle (policristallino) che in laboratorio hanno raggiunto efficienze prossime al 25%. 8

9 Energia dal Sole Fotovoltaico a film sottile Pannelli al silicio amorfo e al tellururo di cadmio: Sul mercato, i prodotti a base di silicio amorfo presentano efficienze del 5-8%, mentre i pannelli in TeCd garantiscono efficienze del 9-12%. 9

10 Energia dal Sole Solare termico tradizionale 10

11 Energia dal Sole Fotovoltaico organico Esistono alcuni prototipi in commercio, ma per il momento il fotovoltaico rimane confinato in laboratorio, dove i rendimenti massimi raggiunti arrivano al 5-10%. 11

12 Energia dal Sole Fotovoltaico a concentrazione Concentratore di Fresnel 2,5 m x 2,5 m 800 W Efficienza 15,6% Concentratore a paraboloide 6,3 m W el, W th Efficienza 18,6% (80,5%) 12

13 Energia dal Sole Solare termico a concentrazione 13

14 Energia dal Sole Durante il funzionamento, le tecnologie fotovoltaiche non hanno consumi energetici e non producono emissioni. Apparentemente, l impatto ambientale è nullo. Questo approccio è superficiale, perché non tiene conto dei consumi energetici e delle emissioni generate durante le fasi di produzione, di trasporto, di installazione e di smaltimento dell impianto. E necessaria una analisi Life Cycle Assessment (LCA) che tenga conto dei flussi di massa e di energia nelle suddette fasi 14

15 Energia dal Sole Ad ognuna delle fasi viene assegnato un consumo di materia M e di energia Q, così come sono individuate le emissioni (aria, acqua, solide) E. 15

16 Energia dal Sole Esempio Modulo policristallino: 0,65 m 2 Efficienza: 16% Vita: 28 anni Considerando una radiazione di 1000 W/m 2 ed un funzionamento medio giornaliero di 4 ore, il pannello produce nell arco della sua vita circa MJ (550 MJ circa all anno). 16

17 Energia dal Sole Gross Energy Requirement (GER): MJ/pannello Energy Payback Time (EPT): 2,7 anni (da Energy, 2008) 17

18 Energia dal Sole Global Warming Potential (GWP): 80 kgco 2 /pannello (da Energy, 2008) 18

19 Energia dal Sole In letteratura esistono diverse pubblicazioni che analizzano il problema dei consumi energetici e di materia prima e delle emissioni delle tecnologie che sfruttano l energia primaria del Sole. Manca la possibilità di confronto diretta tra i diversi studi: questo perché si utilizzano mix energetici di riferimento differenti (Europa, USA, Asia) o si definiscono condizioni al contorno diverse. 19

20 Energia dal Sole Un risultato comune è quello che vede consumi ed emissioni inferiori per quel che riguarda la tecnologia a film sottile rispetto a quella, maggiormente consolidata, del silicio cristallino. Kato, 1998 EPT GWP Policristallino 2,4 20 gco 2 /kwh Silicio amorfo Fthenakis, 2006 η Policristallino 13,2% Tellururo di cadmio 9,0% 2,1 17 gco 2 /kwh GER EPT GWP MJ/m 2 5,7 38 gco 2 /kwh MJ/m 2 2,5 16 gco 2 /kwh Global Warming Potential, Gross Energy Requirement, Energy Payback Time 20

21 Agenda Introduzione Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico Energia da biomasse Geotermico Conclusioni 21

22 Energia da biomasse Le tipologie di biomasse 22

23 Energia da biomasse La filiera energetica (Short Rotation Forest) 23

24 Energia da biomasse Caldaie a legna: caratteristiche generali Caldaie a fiamma inversa Ventilatore aspirazione aria / espulsione fumi Aria primaria e secondaria Turbolatori in camera di comb. e canali fumi Disegno della camera di combustione Sonda lambda Scambiatore di emergenza Obbligo del vaso aperto per potenze > 35 kw 24

25 Energia da biomasse Campagna sperimentale su caldaia MAIS SEMI DI GIRASOLE SEMI DI SOIA CARDO U: 10,3 % U: 7,3 % U: 8,5 % U: 17,4 % r: 1316 kg/m 3 r: 577 kg/m 3 r: 1179 kg/m 3 r: 285 kg/m 3 LHV umido : kj/kg LHV umido : kj/kg LHV umido : kj/kg LHV umido : kj/kg 25

26 Energia da biomasse Campagna sperimentale su caldaia LHVUmido ηconversione max e MAIS kj/kg 0,8 36 % SEMI DI GIRASOLE kj/kg 0,7 22 % SEMI DI SOIA kj/kg 0,6 22% CARDO kj/kg 0,7 12% 26

27 Energia da biomasse Campagna sperimentale su caldaia - emissioni Valori espressi in mg/nm 3 Granella di mais Semi di girasole Semi di soia Valore limite SO NO CO 97 >500 > Valori limite enunciati nel Decreto Legislativo del 3/4/

28 Energia da biomasse Campagna sperimentale su caldaia residui solidi Ceneri pesanti [%] in peso Ceneri da camera fumi [%] in peso Capacità di formazione clinker Tempo necessario per pulizia caldaia Mais 2,5 0,08 Elevata 40 min Semi di girasole 4,6 0,25 Nulla 60 min Semi di soia 8,7 0,15 Nulla 50 min Cardo 2,6 0,09 Nulla 40 min 28

29 Energia da biomasse Valori espressi al mg/mjcomb CO COV* Particolato NO x CO 2 A legna. con acc.. 24 kw Caldaie a legna di vecchia generazione A legna. cariche legna grandi A legna. cariche legna piccole Aria sof. fiamma inv. con acc Caldaie a legna moderne Idem con legna umida 26% Caldaie a pellet Caldaia a gasolio Idem con legna umida 38% Caldaia pellet. pot. nom. Caldaia pellet. funz. int Caldaia multi-combustibile gasolio, legna, pellet *COV Composti Organici Volatili 29

30 Energia da biomasse Sistemi di filtrazione dei gas di combustione POLVERI cicloni e filtri a maniche. OSSIDI DI AZOTO iniezione di urea. GAS ACIDI torre di lavaggio e filtro a maniche. METALLI PESANTI carboni attivi, filtro a maniche MICROINQUINANTI ORG. filtro a maniche MONOSSIDO DI CARBONIO controllo della combustione 30

31 Energia da biomasse Sistema di filtrazione sperimentale Filtro a particolato zero : i fumi in uscita hanno un contenuto di particolato pari a quello dell aria. 31

32 Energia da biomasse La gassificazione UP-DRAFT LETTO FLUIDO FISSO CROSS-DRAFT GASSIFICATORI DOWN-DRAFT DRAFT BOLLENTE (BFB) LETTO FLUIDO CIRCOLANTE (CFB) 32

33 Energia da biomasse La gassificazione Letto Fisso utilizzati per combustibili disponibili in pezzatura abbastanza grossolana, come potature di alberi, pellets o stocchi di mais. updraft o a tiraggio superiore (cc) downdraf o a tiraggio inferiore (ec) crossdraft (ci) 33

34 Energia da biomasse La gassificazione letto fisso 34

35 Energia da biomasse La gassificazione Letto Fisso utilizzati per combustibili disponibili in pezzatura abbastanza grossolana, come potature di alberi, pellets o stocchi di mais. updraft o a tiraggio superiore (cc) downdraf o a tiraggio inferiore (ec) crossdraft (ci) Letto Bollente utilizzano particelle di combustibile di pezzatura molto fine per una gassificazione estremamente rapida. 35

36 Energia da biomasse La gassificazione letto bollente Flame Screw 36

37 Energia da biomasse La gassificazione Letto Fisso utilizzati per combustibili disponibili in pezzatura abbastanza grossolana, come potature di alberi, pellets o stocchi di mais. updraft o a tiraggio superiore (cc) downdraf o a tiraggio inferiore (ec) crossdraft (ci) Letto Bollente utilizzano particelle di combustibile di pezzatura molto fine per una gassificazione estremamente rapida. Letto Circolante possono utilizzare combustibili dalle dimensioni fortemente variabili trascinati da una corrente fluida in risalita dal riser e ricircolanti all esterno 37

38 Energia da biomasse La gassificazione letto circolante 38

39 Energia da biomasse Gassificazione T f : 1000 C Separazione polveri T f : 350 C Raffreddamento T f : 400 C 1- Gassificatore 2- Raffreddamento gas 3- Ciclone 4- Filtro 5- Raffreddamento gas Raffreddamento T f : 250 C 6- Filtro 7- Scrubber per la rimozione del tar 8- Scrubber per la rimozione dell NH 3 9- Booster 10- Bruciatore 39

40 Energia da biomasse Filtrazione del syngas PARTICOLATI SOLIDI filtraggio a secco e/o a umido scrubbing). METALLI ALCALINI tramite raffreddamento, condensazione, o adsorbimento. COMPOSTI A BASE DI AZOTO scrubbing o riduzione catalitica selettiva (SCR) TAR la sua rimozione può essere termica (cracking) o fisica. ACIDI DI ZOLFO E CLORO mediante calce o dolomite in processi ad umido (scrubbing), adsorbimento 40 o combinazione chimica.

41 Energia da biomasse La tracciabilità della biomassa Composizione e quantità degli agenti inquinanti dipendono in gran parte dalla qualità della biomassa impiegata. Risulta perciò fondamentale l introduzione del concetto di tracciabilità del combustibile impiegato. La tracciabilità risulta un elemento fondamentale nel caso degli impianti a biomassa anche a causa della taglia usualmente medio-piccola, che tende a favorire comportamenti poco virtuosi. 41

42 Agenda Introduzione Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico Energia da biomasse Geotermico Conclusioni 42

43 Geotermico La geotermia rivolta alla produzione di energia elettrica può essere suddivisa in tre tipologie. - idrotermale: sfrutta fluidi o vapori bollenti che affiorano naturalmente in superficie Rarità di giacimenti naturali Trascinamento di gas e fluidi odorosi 43

44 Geotermico La geotermia rivolta alla produzione di energia elettrica può essere suddivisa in tre tipologie. - Idrotermale - Hot Dry Rock (HDR): sfrutta il calore contenuto nelle masse di granito sotterranee calde in assenza di acqua. Si praticano due perforazioni verticali nel terreno, distanti qualche centinaia di metri, si frantuma il granito con sistemi idraulici e si fa passare acqua fredda, che vaporizza in uscita, da uno dei due tubi. 44

45 Geotermico La geotermia rivolta alla produzione di energia elettrica può essere suddivisa in tre tipologie. - Idrotermale - Hot Dry Rock - Enhanced Geothermal Systems: si creano sistemi artificiali di accumulo nel sottosuolo in cui vengono iniettati i fluidi tecnici. Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo. 45

46 Geotermico Progetto sperimentale: geotermia integrata con la termovalorizzazione RETE TELERISCALD. 60 C RETE TELERISCALD. 78 C ENERGIA TERMICA DI RECUPERO 8740 kwt RETE TELERISCALD. 90 C POMPA DI CALORE COP = kwt 664 mc/h ENERGIA ELETTRICA 4428 kw ENERGIA ELETTRICA 5993 kw RIFIUTI 9310 kwt 1000 mc/h Termovalorizzatore ACQUA IN USCITA DA DEPURATORE 13 C ACQUA IN USCITA DA DEPURATORE 5 C 46

47 Geotermico Progetto sperimentale: geotermia integrata con la termovalorizzazione COP da 3.08 a circa 4 determinando un incremento dell efficienza di oltre il 30% RETE TELERISCALD. 60 C POMPA DI CALORE COP = kwt 664 mc/h RETE TELERISCALD. 78 C ENERGIA ELETTRICA 4428 kw ENERGIA TERMICA DI RECUPERO 8740 kwt ENERGIA ELETTRICA 5993 kw RETE TELERISCALD. 90 C RIFIUTI 9310 kwt 1000 mc/h Termovalorizzatore ACQUA IN USCITA DA DEPURATORE 13 C ACQUA IN USCITA DA DEPURATORE 5 C Preriscaldo acqua del depuratore da 13 C a 30 C tramite il calore di condensazione del vapore 47

48 Agenda Introduzione Energia dal Sole: il fotovoltaico e il solare termico Energia da biomasse Geotermico Conclusioni 48

49 Conclusioni Un analisi comparativa in termini di efficacia tra le varie fonti rinnovabili è indispensabile. Tale analisi, infatti, evidenzia le criticità di alcune tecnologie. Inoltre, l analisi è un utile strumento per favorire una scelta tra le opzioni disponibili, in relazione alle caratteristiche ambientali, geografiche e climatiche del sito in cui si deve andare ad installare l eventuale impianto. 49

50 EFFICACCIA ENERGETICA DEGLI IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI Prof. Ing. Cesare Saccani Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Università di Bologna Facoltà di Ingegneria - DIEM 50