25 gennaio Villa Griffone (Pontecchio Marconi) Ing. Claudio Zini - ENEA

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1 Fonti Rinnovabili: stato dell arte e prospettive tecnologiche 25 gennaio Villa Griffone (Pontecchio Marconi) Ing. Claudio Zini - ENEA

2 LE FONTI RINNOVABILI Fonti Alternative: sono fonti alternative agli idrocarburi ( petrolio e derivati, carbone, gas naturale) Fonti Rinnovabili: si rinnovano in tempi brevi (paragonabili con la velocità di utilizzo), sono inesauribili, sono distribuite su tutto il pianeta terra, hanno un impatto ambientale ridotto

3 Energia dal Sole L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dall uomo. A parte la geotermia e l energia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla radiazione solare. La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio) La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP Il sole irradia sulla terra miliardi di TEP ogni anno Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della sua aleatorietà.

4 La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m 2 (costante solare). Effetto di filtraggio dell atmosfera (lo spettro della radiazione solare viene modificato sia quantitativamente, che qualitativamente) Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno. In un giorno di cielo sereno, a 30 di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia durante l'anno da 0.6 a 1 kw/m 2.

5 Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione dell energia solare. La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di : Latitudine della zona considerata La radiazione solare è massima all equatore e diminuisce verso i poli Orientamento della superficie captante Nell emisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud Inclinazione della superficie captante Inclinazione rispetto al piano orizzontale: - circa (L 5 ) per ottimizzare l energia captata globalmente in un anno; - circa (L 12 ) per massimizzare l energia captata nel periodo estivo; - circa (L+12 ) per massimizzare l energia captata nel periodo invernale.

6 Esempio di valori di Insolazione annua media (dati rilevati nel periodo ) - Bologna: 1427 kwh/m 2 - Roma: 1516 kwh/m 2 - Palermo: 1658 kwh/m 2 Mappa della distribuzione dell irraggiamento medio giornaliero solare

7 SOLARE TERMICO A BASSA TEMPERATURA Permette la conversione diretta dell energia solare in energia termica La radiazione solare catturata è utilizzata per produrre acqua calda ad una temperatura che può raggiungere i C. Gli usi finali della tecnologia solare termica nel settore edilizio riguardano: la produzione di acqua calda sanitaria (ACS); il riscaldamento degli ambienti; il condizionamento estivo degli ambienti; il riscaldamento delle piscine. L adozione di pannelli per la produzione di ACS può risultare una soluzione economicamente competitiva rispetto all utilizzo di fonti tradizionali ed ha avuto larga diffusione in Europa negli ultimi anni.

8 Elementi principali di un impianto solare termico il collettore (o pannello) solare il serbatoio di accumulo (o boiler) dell acqua calda l eventuale centralina di regolazione

9 Il dispositivo principale di un impianto solare termico è il collettore, ossia il sistema di captazione dell energia della radiazione solare. La radiazione solare incidente sulla superficie captante del pannello viene assorbita da una piastra assorbente nera all interno di esso, che, a sua volta, cede l energia termica ad un fluido termovettore che scorre in tubi saldati alla piastra stessa.

10 Le principali tipologie di collettori solari termici il collettore piano vetrato il collettore ad accumulo integrato È la tipologia più diffusa, grazie al buon rapporto costo/efficienza il collettore sottovuoto Il collettore assolve anche alla funzione di serbatoio il collettore scoperto Presenta una elevata efficienza in climi rigidi, grazie alla dispersione di calore limitata Utilizzato per il riscaldamento dell'acqua di piscine scoperte o per la fornitura di ACS in residenze estive

11 Impianti a circolazione naturale

12 Impianti a circolazione naturale Vantaggi Semplicità dell impianto Compattezza Semplicità di manutenzione Bassi costi Svantaggi Il serbatoio di accumulo deve essere posizionato obbligatoriamente al di sopra del pannello Necessità di una struttura di copertura dell edificio che possa resistere ai carichi trasmessi dal serbatoio di accumulo, o di un sottotetto in cui alloggiarlo

13 Impianti a circolazione forzata

14 Impianti a circolazione forzata Vantaggi indipendenza della posizione del serbatoio rispetto a quella dei collettori e possibilità di alloggiare il boiler in vani tecnici all'interno dell'edificio possibilità di gestire impianti di grosse dimensioni possibilità di utilizzo di serbatoi di dimensioni maggiori nessuno spreco di acqua calda; infatti, l aumento di volume dovuto all eventuale evaporazione del fluido nel periodo estivo, viene compensato dal vaso di espansione Svantaggi costi di installazione e di gestione maggiori richiesta di energia elettrica, a causa della presenza della pompa maggiore complessità e vulnerabilità dell impianto

15 Riscaldamento degli ambienti Alla tecnologia del riscaldamento solare va accoppiato un sistema di distribuzione del calore a bassa temperatura: pannelli radianti Possibilità di integrazione di circa il 30-35% del fabbisogno energetico annuale

16 Costi Mediamente, in Italia, un impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria per una famiglia di cinque persone ha una superficie di circa 4 m 2 di collettori, un serbatoio di accumulo di 300 litri e un costo complessivo di circa Se si considera anche un integrazione del sistema di riscaldamento tradizionale, con copertura del 20-30% del fabbisogno termico dell edificio, il costo aumenta fino a circa , poiché si necessita di un impianto di dimensioni maggiori. Il tempo di ritorno economico per un simile investimento per un utenza domestica è di circa 10 anni nel caso di integrazione di sistemi con caldaia a metano e circa 6 anni nel caso di sostituzione di scaldabagno elettrico. La durata di vita dei collettori solari si attesta intorno a valori di almeno anni.

17 Confronto fra i consumi energetici relativi a diverse soluzioni per la produzione di ACS [fonte: Min. Amb.]

18 Confronto fra le emissioni di CO2 causate da diverse soluzioni per la produzione di ACS [fonte: Min. Amb.]

19 ENERGIA FOTOVOLTAICA I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare in elettrica Elementi principali di un impianto fotovoltaico sistema di generazione: le celle fotovoltaiche sistema di controllo e condizionamento della potenza eventuale sistema di accumulo dell energia (batteria) struttura di sostegno

20 La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica. È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere realizzata in diversi materiali.

21 Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico Tipo di modulo disponibili in commercio Efficienza dei moduli Silicio monocristallino Silicio policristallino Silicio amorfo % % 5-7 %

22 Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e della temperatura esterna. Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard: Intensità della radiazione = 1000 W/m 2 Temperatura della cella = 25 C Massa d aria: AM 1.5 La massa d aria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosfera attraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizione del sole nel cielo. Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp), ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.

23 Impianti connessi in rete Elementi principali: - generatore FV - Inverter, per convertire la corrente generata dai moduli da continua in alternata Per utenze collegate alla rete elettrica

24 Impianti isolati Elementi principali: - moduli fotovoltaici - regolatore di carica - sistema di batterie di accumulo dell energia - eventuale inverter (nel caso in cui sia necessario alimentare l utenza in corrente alternata). Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica

25 LE APPLICAZIONI Sistemi isolati ( stand alone ) rifugi di montagna piccole isole rilevazioni climatiche ripetitori radio boe di segnalazione illuminazione stradale e da giardino carica batterie Paesi in via di sviluppo (refrigerazione, pompaggio, aree rurali) Sistemi connessi in rete centrali di potenza sistemi integrati negli edifici

26 Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kwp di moduli Insolazione media annua (kwh/m² anno) Efficienza moduli (%) Superficie occupata da 1 kwp di moduli (m 2 ) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua (kwhe/kwp anno) MILANO ,5% ROMA ,5% TRAPANI ,5% Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli Insolazione media annua (kwh/m² anno) Efficienza moduli (%) Efficienza BOS (%) Elettricità prodotta mediamente in un anno (kwhe/m² anno) MILANO ,5% ROMA ,5% TRAPANI ,5%

27 Energia da biomasse Per biomassa si intende: Qualsiasi sostanza di natura organica, di origine vegetale o animale non fossile, da cui sia possibile ricavare energia attraverso processi di tipo termochimico o biochimico Legno Esempi: Scarti di lavorazioni agroforestali Residui industriali di processi produttivi di tipo zootecnico e/o agroalimentare Fanghi di depurazione Colture energetiche

28 I sistemi energetici da biomassa sfruttano l energia solare che le sostanze vegetali recuperano sotto forma di energia chimica (potere calorifico) mediante il processo di fotosintesi Specie Sost. secca (t ha -1 ) Energia (GJ ha -1 ) Bilancio energia (O/I) Sorgo (f.) Sorgo (z.) Kenaf Canapa Panico Miscanto Arundo Cardo Pioppo Salice Robinia Eucalipto

29 Mediante opportuni processi l energia contenuta nelle piante è poi trasformata in vari prodotti energetici: Energia elettrica Vettori energetici (idrogeno, gas, bio-oli) Biocarburanti (bioetanolo, biodiesel) Le trasformazioni avvengono mediante i seguenti processi: Processi termochimici (combustione, gassificazione/pirolisi) Processi biologici (digestione anaerobica, fermentazione alcolica) Estrazione di oli

30 Vantaggi nell utilizzo dell energia da biomassa Sistemi a basso impatto ambientale, utilizzo di fonti rinnovabili Bilancio netto CO 2 pressoché nullo: rispetto delle limitazioni del protocollo di Kyoto Differenziazione delle fonti di approvvigionamento, ridotta dipendenza dai combustibili fossili e dalle importazioni Possibilità di utilizzare scarti di produzione come prodotti energetici Miglioramento dell efficienza e dell affidabilità delle reti di distribuzione dell energia (minori rischi di black out) Valorizzazione di aree rurali in disuso, migliore gestione del territorio boschivo Nuove opportunità di lavoro nel mondo delle agroenergie Incentivi economici: certificati verdi

31 Svantaggi e punti critici: Bassa densità energetica e massica della materia prima solida. Maggiori oneri per il trasporto Compatibilità tra il naturale ciclo di crescita della biomassa e la disponibilità continua di materia prima per i processi di trasformazione Problemi di biodegradabilità e perdita di sostanza secca in fase di raccolta, trasporto e stoccaggio Processi di trasformazione, in alcuni casi, non ancora sufficientemente testati, collaudati e diffusi costi per la produzione e la trasformazione di alcune tipologie di biomassa ancora troppo elevati Richiesta di grandi aree di territorio da destinare alle agroenergie e da sottrarre alle colture agroalimentari Necessità di creare delle filiere corte di produzione Mercato dei biocarburanti non ancora competitivo economicamente

32 PICCOLO-IDROELETTRICO Comprende gli impianti inferiori ai 100kW di potenza e fino a pochi kw Trasformano l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica. L'energia si ottiene sfruttando: La caduta d'acqua attraverso un dislivello La potenza dell impianto dipende da portata e salto fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina La velocità di una corrente d'acqua La potenza di un impianto dipende dalla velocità della corrente e dalla superficie attiva della turbina

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34 Si compone di: La turbina idraulica Girante (organo mobile): trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore. Distributore (organo fisso): indirizza la portata in arrivo verso la girante secondo la direzione dovuta; regola la portata mediante organi di parzializzazione; provoca una trasformazione parziale o totale dell'energia di pressione posseduta dalla portata in energia cinetica. Classificazione delle turbine: Turbine ad azione: quando la conversione da energia potenziale a cinetica avviene completamente nel distributore (Pelton) Turbine a reazione: quando la conversione da energia potenziale a cinetica si ripartisce fra distributore e girante (a flusso radiale, Francis o a flusso assiale, Kaplan)

35 A differenza degli impianti idroelettrici di grande taglia, che spesso provocano squilibri per il territorio circostanti e situazioni conflittuali alle popolazioni locali, gli impianti di piccola taglia, possono inserirsi in maniera armonica nell'ecosistema della zona interessata. A differenza degli impianti idroelettrici di grande taglia, il mini - micro idroelettrico presenta ancora un significativo potenziale di sviluppo in Italia

36 IMPIANTI EOLICI Sfruttano l energia cinetica associata alle masse d aria in movimento, per effetto del loro riscaldamento Macchine eoliche: trasformano l'energia eolica in energia meccanica di rotazione, che può essere utilizzata per produrre elettricità Le macchine eoliche sono classificabili in diversa maniera, a seconda della taglia di potenza, del numero di pale della posizione dell'asse di rotazione: macchine ad asse orizzontale: l'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento macchine ad asse verticale: l'asse del rotore è perpendicolare al terreno e alla direzione del vento

37 La macchina consiste essenzialmente in un rotore (a una o più pale), accoppiato tramite moltiplicatore di giri, o direttamente, a un generatore elettrico tradizionale

38 Applicazioni Mini-eolico: piccole macchine, aerogeneratori o aeromotori installati come sistemi isolati a servizio di una utenza isolata Macchine di media e grande taglia: l'applicazione tipica è in cluster (in genere collegati alla rete elettrica)

39 SISTEMA PER LA PRODUZIONE COMBINATA DI ENERGIA ELETTRICA E CALORE CON CELLE A COMBUSTIBILE COMBINED HEAT AND POWER (CHP) IMPIANTO DI PICCOLE DIMENSIONI CHE ACCOPPIA LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA, TRAMITE CELLE A COMBUSTIBILE, CON UN SISTEMA DI PRODUZIONE DI IDROGENO, ATTRAVERSO IL TRATTAMENTO TERMOCHIMICO DI UN IDROCARBURO CHE PUO ESSERE ESTRATTIVO OPPURE RICAVATO DALLA GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE NEL PROCESSO DI TRATTAMENTO DELL IDROCARBURO E NELLA REAZIONE CHIMICA ALL INTERNO DELLA CELLA SI GENERA UN ELEVATO QUANTITATIVO DI CALORE RECUPERATO COME ENERGIA TERMICA, UTILIZZABILE PER PRODURRE ACQUA CALDA, SIA PER USO SANITARIO SIA PER RISCALDAMENTO

40 Schema di Impianto

41 Sottosistemi di impianto Sistema di pulizia del gas naturale: elimina i composti che risultano nocivi per i catalizzatori presenti nel sottosistema di trattamento combustibile e nello stack di celle: zolfo nel caso di gas estrattivo, impurità organiche nel caso di biogas; Sistema di trattamento del gas naturale: produce un gas ad alto contenuto di idrogeno con caratteristiche compatibili al corretto funzionamento dello stack di celle utilizzate; Sistema cella a combustibile (stack): produce energia elettrica dalla reazione tra idrogeno e ossigeno Sistema di umidificazione : garantisce il corretto funzionamento delle membrane polimeriche nello stack; Sistema di raffreddamento: garantisce i livelli ottimali di temperatura dello stack e degli altri sottosistemi recuperando il calore da inviare alle utenze; Sistema di power conditioning: trasforma l energia in cc prodotta dallo stack in energia in ca ed assicura nel contempo il parallelo con la rete ENEL (modalità grid-connected) nel rispetto delle normative vigenti. Inoltre in caso di mancanza della rete ENEL assicura il funzionamento delle utenze critiche (modalità grid-indipendent);

42 Sottosistemi di impianto Sistema di strumentazione per la misura in continua di: -portata, temperatura, pressione e composizione del gas prodotto dal sistema di trattamento combustibile; - portata, temperatura e composizione e dei fumi di scarico del sistemi di trattamento combustibile; - portata, temperatura, pressione, umidità e composizione dei gas in uscita dallo stack - portata e temperatura in ingresso ed uscita del circuito di raffreddamento e calcolo della potenza termica recuperata; - tensione e corrente di cella; - prelievi di fluidi per analisi off-line - consumo di gas; - potenza elettrica ed energia generata ; - potenza termica ed energia generata. Sistema di supervisione e controllo: garantisce la corretta conduzione dell impianto Sistema di sicurezza: garantisce l arresto dell impianto in sicurezza nel caso di malfunzionamento

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44 Rete distribuzione elettrica Elettricità CHP PEFC Elettricità Metano Sistema trattamento gas/scambiatore Acqua calda Integrazione sistema di cogenerazione PEFC con impianto di riscaldamento residenziale

45 ESEMPIO DI IMPIANTO DI COGENERAZIONE CHP

46 Possibile scenario

47 EFFICIENZA ENERGETICA Operazione con la quale si intende conseguire l'obiettivo di realizzare gli stessi prodotti o servizi (in quantità e qualità) con un minor consumo di energia primaria. Attualmente in Italia, per soddisfare il fabbisogno energetico, si consumano circa 198,46 Mtep di energia totale, utilizzando diverse fonti primarie, di questi 52,106 Mtep (il 26,25%) si disperdono o consumano prima dell'uso mentre 59,291 Mtep (il 29,87%) diventano energia elettrica Esempio: isolamento termico dell edificio Buona parte dell energia utilizzata per riscaldare un edificio durante la stagione invernale viene dispersa dalle pareti, dal tetto, e dalle finestre. Eseguendo interventi di isolamento termico è possibile ridurre il consumo di combustibile per il riscaldamento delle abitazioni e di conseguenza contribuire alla riduzione delle emissioni di gas inquinanti, oltre ad un risparmio economico

48 NORMATIVA E INCENTIVI il mercato dell'energia elettrica!"# $ % & $' ' ($ '% '''$) * & $ '' % * ''' & $' #%+ $ $ $ %$, $ $ - ' ' %./!001-2,

49 I vantaggi ottenuti col ricorso alle fonti rinnovabili 3 -$ $ 3 ) - $''4 4 %%' " % 5 " % 3

50 TEE (Certificati Bianchi) 6 ' $' 6" " 8'' % $ $ 69 #7 ) $ 100 :; %$' $!100$+ 0<=!04 000<=!000>1

51 Schema per la richiesta ed il rilascio dei tee 2,?2$ &-,,9?, 9 67?6 63?6

52 Accesso ai Certificati Verdi " % 3$% '% ''' 5 "3,6, ' $ ($ $ " $+ ($' $+ A $ $+ $ 5 B & $@ $"3@% 109 ; $!" $!1"3 $= > =!

53 Schema per la richiesta ed il rilascio dei CV

54 Politiche comunitarie e opportunita di guadagno $ ) = 2' #$ $ % $! 2' ($ $ % - $ ' # ($. $ $ '' & '

55 Perche conviene' =! C $'. / # & $ ' % $" '($ "$ 1 6 $' 3 -

56 GRAZIE PER L ATTENZIONE Il Laboratorio Erg è a Vostra disposizione per approfondimenti Ing. Nicola Contrisciani responsabile (nicola.contrisciani@bologna.enea.it) Ing. Fabio Frattini (fabio.frattini@bologna.enea.it) Ing. Corrado Salgò (corrado.salgo@bologna.enea.it) Ing. Paolo Turroni (paolo.turroni@bologna.enea.it) Ing. Claudio Zini (claudio.zini@bologna.enea.it)