Energia Benessere - Crescita

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1 Le energie rinnovabili: opportunità da sole, acqua, vento e biomasse Energia Benessere - Crescita Scenari per il futuro prossimo, dopo il protocollo di Kyoto. prof. Mauro REINI docente di sistemi per l energia e l ambiente Università di Trieste Polo di Pordenone Energie rinnovabili ed Ente Pubblico - Giovedì, 17 aprile L Indice di Sviluppo Umano e i consumi elettrici pro capite 2 1

2 Energia Benessere - Crescita Da dove prendiamo l Energia Relazione fra PIL e consumi energetici (Stati Uniti) La disponibilità di energia è essenziale per garantire ai cittadini elevati standard di benessere; Prevalentemente da combustibili fossili (oltre il 76%) L energia è il motore della crescita economica in TUTTI i settori

3 Il Picco di Hubbert Approvvigionamento: ieri e oggi BUONE NOTIZIE: Il petrolio NON finirà nei prossimi anni. Tra 50 anni sono ancora previsti consumi da fine anni 60. CATTIVE NOTIZIE: Il petrolio sarà sempre più difficile da estrarre; questo determinerà una pressione sui prezzi di TUTTI i combustibili fossili, quindi sul prezzo dell energia

4 Le energie rinnovabili possono sostituire le fonti fossili? Premesse fondamentali I Principio l energia NON può essere creata o distrutta (qual è il PROBLEMA ENERGETICO?) II Principio ENERGIA MECCANICA (ENERGIA ELETTRICA) CALORE (utile) 7 CALORE a BASSA T (utile?) 8 4

5 La catena di conversione della energia Qual è il vantaggio delle fonti fossili? II Principio nei processi FISICI: L energia meccanica (elettrica, chimica ) tende a degradarsi ed a scarseggiare ; Ogni processo di conversione produce calore a bassa T; Il calore è tanto più abbondante, quanto più la sua T è bassa. Fonti energetiche fossili convenzionali Richiedono pochi passaggi e/o poche perdite, energeticamente ed economicamente convenienti, con rendimenti di conversione = % Fonti energetiche rinnovabili non convenzionali FONTE ENERETICA ENERGIA UTILE Sono diluite nello spazio e/o nel tempo, impongono un processo di concentrazione, con molti passaggi e/o perdite per dare energia utile. CALORE a BASSA TEMPERATURA 9 10 bassi rendimenti di conversione = 5 25 % 5

6 Confronto della produttività Fonte: Polito Confronto dei costi di impianto Fonte: Polito

7 Confronto del costo kwh elettrico Altre cattive notizie Fonte: Polito È difficile che i sistemi che sfruttano le fonti rinnovabili possano divenire competitivi con i grandi impianti termoelettrici a metano (? = 55%); Innovazioni tecniche in grado di rovesciare la situazione sono poco probabili, forse solo nel solare fotovoltaico, o nel solare termodinamico

8 Buone notizie Buone notizie Esistono alcune risposte ai bassi rendimenti elettrici dei sistemi energetici rinnovabili: Avvantaggiarsi del calore a bassa T che NON si può evitare di produrre COGENERAZIONE Questo è possibile se: Il calore prodotto è quello effettivamente richiesto La produzione termica avviene VICINO all utenza Dunque molti piccoli impianti, adattati alle risorse disponibili ed alla domanda termica locale. Oppure utilizzare le energie rinnovabili che si presentano già in forma pregiata (meccanica): CORRENTI DI MAREA EOLICA IDRAULICA

9 Cogenerazione di energia e calore Benefici energetici e ambientali - 45% - 30%

10 Benefici energetici e ambientali Tecnologie per la cogenerazione COGENERAZIONE + Biomass to Energy Produrre con lo stesso impianto (simultaneamente) potenza elettrica E e termica Q Vantaggi GLOBALI: DIMINUZIONE del consumo di combustibili FOSSILI Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2 Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2 Vantaggi LOCALI: DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q Riduzione del rischio di interruzione della fornitura E Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibile Riduzione del costo di smaltimento dei residui 19 Fascia di potenza (kwe) Rendimento elettrico (%) Rendimento Totale (%) Motori alternativi a c.i Emissioni (alimentati a gas) necessitano di CATALIZZATORI Alimentazione con RES Gassificazione di bio-masse; Micro CATALIZZATI biofuels Gruppi a ciclo Rankine BASSE Micro BASSISSIME Motori alternativi Stirling BASSE GEOTERMICA; BIOMASSE; GEOTERMICA; biofuels; SOLE BIOMASSE; biofuels; SOLE Micro BASSISSIME biofuels; SOLE Microturbine a gas BASSE Gassificazione di bio-masse; 20 10

11 Esempio di cogenerazione con biomassa (Biomass-to-Energy) Gruppi a ciclo Rankine - ORC gas di scarico evaporatore turbina generatore elettrico biomassa recupero di calore olio diatermico rigeneratore condensatore MDM acqua U.T. Forno Circuito ad olio diatermico Gruppo ORC Utenza termica

12 Gruppi a ciclo Rankine ORC per impianti solari termodinamici Rendimenti di conversione di sistemi cogenerativi avanzati Radiazione solare evaporatore turbina generatore elettrico rigeneratore olio diatermico condensatore MDM acqua U.T. Collettore solare a concentrazione Circuito ad olio diatermico Gruppo ORC Utenza termica Motori Stirling Gruppi ORC

13 Sistemi Tri-generativi Un esempio di Tri-generazione Microturbine (2x65kW) Assorbitore Torre evaporativa Quadro di controllo Consentono di utilizzare il calore cogenerato anche in estate, producendo acqua refrigerata. 25 Compressore gas Skid caldo Skid freddo 26 13

14 Attività di ricerca in corso Scenari Pannello solare, T= moderata concentrazione. Sperimentazione soluzioni esistenti, Sviluppo e ottimizzazione del sistema integrato. Integrazione con micro turbine a gas nel Micro CC, è atteso un? e =40 % SPOT Turbo-generatore Micro ORC P e = kwe? e = % Integrazione con motori cogenerativi a combustione interna di piccola taglia. Definizione delle possibili alternative per l integrazione Sperimentazione, con particolare riguardo a sporcamento e durata, Ottimizzazione del sistema integrato. Combustione di biomasse di diversa natura ANALISI delle FILIERE. RIFIUTI, Scarti di lavorazione, Residui agricoli e forestali Recupero calore industriale. Indagine FVG, Definizione casi tipici, Ottimizzazione degli scambiatori di calore. Integrazione con macchine frigorifere ad assorbimento di piccola taglia. Sperimentazione sui prodotti esistenti, Sviluppo dello scambiatore generatore-condensatore, ottimizzazione. 27 ATTUALE: Grandi impianti alimentati con combustibili pregiati con rendimenti del 40 50%, Piccolissimi impianti SOLO termici, pure alimentati con combustibili pregiati. FUTURO (generazione distribuita): Grandi impianti alimentati con diversi combustibili ( pregiati e non) con rendimenti del 40 60%, Molti medi e piccoli sistemi COGENERATIVI alimentati con fonti rinnovabili o metano, adattati alla domanda termica locale

15 Scenari Proiezione del mix di fonti primarie 2005, Gian Paolo Beretta, Università di Brescia Rete attuale: Ad albero, con pochi nodi produttivi. Moltissimi semplici utilizzatori, civili e industriali. Importanti perdite di trasmissione. Rete futura: A maglia, con molti nodi produttivi. Alcuni nodi con capacità di accumulo dell energia. Grande importanza all attività di gestione per garantire la qualità dell energia erogata. Ridotte perdite di trasmissione

16 RES, potenza installata nel mondo ed in aree selezionate Fonte: Ren 21, 2006 Investimenti mondiali annuali nelle fonti energetiche rinnovabili Fonte: Ren 21,

17 Potenziale eolico installabile e percentuale utilizzata Fonte: Elaborazioni NE Nomisma Energia su dati Eurostat, IEA e GSE Potenza eolica installata Fonte: Elaborazioni NE Nomisma Energia su dati Eurostat, IEA e GSE UE-25 Potenza eolica installata al 2005 e prospettive al 2010 (solo paesi con P>200 MW)

18 Potenza installata da biomasse Fonte: Elaborazioni NE Nomisma Energia su dati Eurostat, IEA e GSE Scenari di crescita del fotovoltaico per i principali Paesi UE Fonte: Epia, 2006 UE-25 Potenza installata da biomasse al 2005 e prospettive al 2010 (solo paesi con P>100 MW)

19 Massimi rendimenti per sistemi fotovoltaici 20% 16% Potenza installata da mini-idro Fonte: Elaborazioni NE Nomisma Energia su dati Eurostat, IEA e GSE UE-25 Potenza installata da mini-idro al 2005 e prospettive al 2010 (solo paesi con P>150 MW) 15% 12%

20 Recupero dei siti mini-idro tradizionali Impianto mini-idro da 15kW realizzato a Bettborn, Luxemburg, recuperando una ruota ad acqua per sotto, accoppiata ad un generatore elettrico a velocità variabile. Incentivi all uso delle RES nei mercati dell energia dei Paesi UE-25 Italia Spagna Eolico 1 MW Bio 10 MW Bio+CHP 10 MW Fonte: Elaborazioni NE Nomisma Energia Redditività media (TIR%) per 20 anni di impianti RES (dati 2006) Mini-idro 1 MW PV 10 kw Germania Danimarca MAX Italia Italia Italia Rep Ceca 28.1 Italia 40 20

21 Scenario futuro a breve - 1 Scenario futuro a breve - 2 CRESCITA degli INVESTIMENTI nelle tecnologie avanzate energeticamente più efficienti: SOLARE termico, termodinamico, Fotovoltaico (?);( Cogenerazione trigenerazione Biomass-to-Energy ; Recupero dei siti mini-idro idro; Usi finali; Ruolo CRITICO dell efficienza ENERGETICA in TUTTI i settori: industriale, civile, servizi, trasporti. Sviluppo di aree geografiche e settori economici che avranno saputo operare in campo energetico: Catalizzando investimenti; Sviluppando tecnologie; Realizzando efficienza

22 Ruolo di istituzioni enti locali CONCLUSIONI - 1 Sviluppo di aree geografiche e settori economici che avranno saputo operare in campo energetico: Catalizzando investimenti; Sviluppando tecnologie; Realizzando efficienza. REALIZZARE AZIONI DI COORDINAMENTO (Comuni, Enti Locali, Agenzie Per l ENERGIA) SVILUPPARE COMPETENZE (UNIVERSITA, Enti di Formazione) 43 La Produzione combinata di elettricità e calore (CHP) è una risposta razionale alla domanda di efficienza energetica; È possibile ottenere importanti benefici energetici e ambientali anche utilizzando sistemi CHP a gas; I benefici ambientali sono ancora più evidenti realizzando sistemi cogenerativi alimentati con Fonti Rinnovabili (in particolare biomasse e solare termodinamico); Condizione essenziale per ottenere effettivamente i benefici attesi è che la maggior parte possibile del calore cogenerato sia impiegata utilmente; 44 22

23 CONCLUSIONI - 2 Le energie rinnovabili: opportunità da sole, acqua, vento e biomasse Se non è previsto un utilizzo termico, si deve puntare su RES disponibili in forma meccanica (eolico, correnti ); Di queste, il mini-idro idro garantisce risultati energetici ed economici interessanti con interventi poco invasivi; Sono perciò destinati a giocare un ruolo importante i piccoli impianti ed i sistemi tri-generativi generativi. Potranno trarre opportunità di sviluppo le aree geografiche e i settori economici che sapranno far crescere le competenze,, progredire la tecnologia, realizzare le infrastrutture produttive e di servizio. 45 Scenari per il futuro prossimo, dopo il protocollo di Kyoto. GRAZIE PER L ATTENZIONE! prof. Mauro REINI docente di sistemi per l energia e l ambiente Università di Trieste Polo di Pordenone 46 23