Grande Progetto Solare Termodinamico Quale energia per il futuro? Il programma ENEA per il solare ad alta temperatura

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1 Quale energia per il futuro? Il programma ENEA per il solare ad alta temperatura M. Vignolini

2 L energia è necessaria L energia è una componente essenziale della civiltà umana. Nel corso della storia dell umanità, il consumo procapite è aumentato di un fattore 100. Per i paesi più sviluppati, è circa pari a 0,9 GJ/giorno, equivalente all energia prodotta da 32 kg di carbone. La produzione di energia relativa all intero pianeta è equivalente a quella di un motore di 10 TWatt (10 4 GWatt) funzionante in modo continuo, ed è in media aumentata annualmente del 2,3% negli ultimi 150 anni. Per confronto : Il calore geotermico proveniente dal nucleo terrestre corrisponde ad una potenza di 16 TWatt. La civiltà umana è sul punto di raddoppiare la potenza energetica endogena del pianeta Terra!

3 temperature ( C) Grande Progetto Solare Termodinamico Effetti delle attività umane sul pianeta Population (10 9 humans) Population Emissions (10 12 kg C y -1 ) Emissions Year Year Concentr. CO 2 (ppmv) CO 2 Concentration T Year Year

4 Quale energia per il futuro? TJ x TJ 24 t petrolio

5 Energia e povertà Asia Africa Cina Senza elettricità Solamente bio-massa Circa 1.6 miliardi di persone un quarto della popolazione mondiale sono prive di elettricità. L assenza di elettricità impedisce la maggior parte delle attività industriali. La maggioranza (4/5) di questa popolazione vive in paesi in via di sviluppo, soprattutto in Asia e in Africa, dove è presente una forte insolazione, che potrà diventare una fonte primaria di energia. Circa 2.6 miliardi di persone utilizzano quasi esclusivamente biomassa tradizionale come fonte primaria di energia.

6 Potenza elettrica installata nel mondo (fonte IEA) La produzione di elettricità : gli investimenti Investimenti: Miliardi di Il consumo mondiale di elettricità raddoppierà tra il 2000 e il 2030, principalmente a causa dei paesi in via di sviluppo. Malgrado l aumento dell uso di gas naturale, il carbone resterà la fonte principale per la produzione di energia elettrica fino al Per una data produzione di energia elettrica a partire dal carbone, le emissioni di CO 2 sono 2.5 volte maggiori rispetto al gas naturale.

7 Lo sviluppo energetico è «sostenibile» Tutte le previsioni a medio termine precedenti sono basate sull ipotesi business as usual. In queste condizioni: Un evidente cambiamento climatico è inevitabile, con risultati particolarmente gravi per i paesi in via di sviluppo, poco attrezzati per far fronte alle conseguenze. Lo sviluppo durevole planetario potrà essere ostacolato dalla mancanza di sicurezza negli approvvigionamenti energetici. Il problema della povertà mondiale sarà ulteriormente amplificato, a causa dell inevitabile aumento del prezzo dell energia, dovuto all aumento della domanda e alla necessità di enormi investimenti. È necessario dare una forte accelerazione allo sviluppo di tecnologie realmente innovative, con un aumento degli investimenti in R&D, paragonabile a quello delle altre tecnologie High Tech.

8 A medio termine, l aumento delle emissioni di CO2 è legato in modo indissolubile alla crescita economica Un tale circolo vizioso non può essere spezzato senza l aiuto di tecnologie innovative (1) Il PIL dovrà crescere linearmente nel futuro (2) L intensità energetica (kw/ ) migliorerà, in particolare grazie alle misure governative (3) Ciononostante, i consumi energetici, dati dal prodotto [PIL] x [intensità], continueranno ad aumentare (4) Con l utilizzo delle tecnologie attuali, il tasso di emissione è legato in modo indissolubile ai consumi energetici

9 Coal (28%) Grande Progetto Solare Termodinamico Oil (50%) CO 2 emissions (Europe-30) Transport (road) (24%) Transport (other) (4%) Nat. Gas (22%) Households (14%) Stato attuale CO 2 emissions (Europe-30) Industry (16%) Energy related, relative (1990=100) CO 2 emissions Services (5%) Electricity & steam (37%) JH BF "Local" Reduction due to cyclic factors: (i) Economic slowdown (Gulf crisis) (ii) Industrial restructuring(uk,d) JB HF EUROPE-30 Nuclear Phaseout H J B H J B High prices Kyoto commitments H J B F F F Reference case Year Source: European Environment Energy, 1999 In Europa, il 94% delle emissioni di CO 2 sono dovute al settore energetico. Circa il 90 % della crescita prevista delle emissioni di CO 2 è dovuta al settore dei trasporti (+50% d aumento ) I trasporti su strada sono dominanti (84%) a causa della scarsa efficienza dei motori ( 17%) [un auto in media produce annualmente una quantità di CO 2 pari a 4 volte il suo peso] L uscita L uscita dal dal nucleare nucleare sarà sarà equivalente equivalente all aggiunta all aggiunta di di ~ milioni milioni di di auto autosulle strade strade projection commitment!

10 Pg C/yr or Gtc/yr Le prescrizioni di Kyoto sono insufficienti 2020 CO2 EMISSIONS IS92a IPCC Diff: 2.5 GtC/y 15% Extended Kyoto to Kyoto (-5.2%, ) Annex 1 Countries gases Year ppmv Senza Kyoto 2000 CO2 CONCENTRATIONS T 9 y Twice pre-idustrial level (550 ppmv) Con Kyoto 2070 IS92a IPCC Extended Kyoto to 2100 Pre-Industrial level (275 ppmv) Year 717 ppmv 665 ppmv Le Le misure misure del del protocollo di di Kyoto, Kyoto, estrapolate al al 2100, 2100, introducono solo solo un un ritardo ritardo di di ~ 9 anni anni al al raddoppiamento del del livello livello preindustriale

11 Riscaldamento globale : quale strategia? Le prescrizioni di Kyoto potranno produrre solo un debole rallentamento del riscaldamento globale. Inoltre, non sarà possibile rispettare gli accordi senza nuovi interventi più significativi. Le tasse, gli aiuti statali e la politica restrittiva della domanda male si adattano a fornire risposte esaurienti a questa situazione. Il problema non può essere risolto solamente con misure politiche : una rivoluzione tecnologica è necessaria, il che implica lo sviluppo su grande scala di nuove tecnologie.

12 C è una via d uscita? Il problema è urgente, visto che tradizionalmente i tempi caratteristici per arrivare ad una nuova fonte di energia sono molto lunghi. Possiamo allora considerare tre opzioni possibili : 1. Combustione corretta del carbone senza alcuna emissione, tramite sequestro di CO 2 2. Un nuovo nucleare che ha risolto i problemi della sicurezza e delle scorie 3. Una nuova energia rinnovabile, a basso costo, basata sulla concentrazione della radiazione solare In tutte queste opzioni, l idrogeno dovrà giocare un ruolo fondamentale, quello di vettore energetico, in modo complementare all energia elettrica, entrambi senza alcuna emissione.

13 L opzione solare Attualmente, le fonti rinnovabili innovative costituiscono circa il 2% della domanda di energia primaria. Tutte le previsioni energetiche (AIE, DOE, ) indicano che esse potranno raggiungere al massimo il 3% da qui al Le ragioni di una penetrazione così modesta sul mercato sono ben note : Il costo dell energia prodotta, prima delle sovvenzioni, deve divenire competitivo rispetto a quello dei fossili: L energia migliore è quella più a buon mercato Il sistema di produzione dell energia deve superare il fattore di variabilità, inevitabilmente associato all energia solare o eolica : L energia deve essere disponibile quando il consumatore ne ha bisogno

14 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica

15 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica Eolica

16 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica Eolica Biomasse

17 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica Eolica Biomasse Utilizzo diretto Fotovoltaico

18 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica Eolica Biomasse Utilizzo diretto Fotovoltaico Solare termico Bassa temperatura

19 Energia derivata dal sole Utilizzo indiretto Idroelettrica Eolica Biomasse Utilizzo diretto Fotovoltaico Solare termico Bassa temperatura Alta temperatura

20 Quanta energia dal sole? Italia Energia termica annua kwh/m 2 Kg equivalenti di petrolio = 6,3 GJ/m 2 Energia annua / Pot. cal petrolio 150 kg (Pot. cal petrolio = kj/kg) Più di un barile di petrolio (135 kg) Come se su ogni m 2 di superficie ogni anno piovessero circa 18 cm di petrolio (densità petrolio = 0,85 kg/m 3 ) Energia elettrica producibile 330 kwh e Rendimento totale di 0,19 (raccolta e produzione) Riduzione di emissione di CO kg ( 700 g CO 2 / kwhe)

21 Grande Progetto Solare Termodinamico Due principali obiettivi: Realizzazione di impianti per la generazione di energia elettrica a partire dall energia solare utilizzata come sorgente di calore ad alta temperatura Sviluppo di tecnologie necessarie per la produzione di idrogeno da energia solare

22 Nelle applicazioni tradizionali (ad es: produzione di energia elettrica) l energia chimica di un combustibile fossile è trasformata, per mezzo di un generatore di vapore, in calore ad alta temperatura che viene poi inviato al sistema di generazione. La grande sostituzione Per la stessa applicazione l energia solare, sotto forma di liquido ad alta temperatura, è immagazzinata in un serbatoio di accumulo isolato termicamente. Su richiesta, calore ad alta temperatura è inviato al sistema di generazione per mezzo di uno scambiatore di calore.

23 Collettori parabolici lineari E la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettrica su grande scala. Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti (da 14, 30 e 80 MWe) per una potenza elettrica installata di 354 MWe. Impianto di Kramer Junction

24 Funzionamento del collettore parabolico lineare

25 La tecnologia ENEA 550 C Fluido caldo Serbatoi di accumulo Fluido freddo Generatore di vapore 290 C Sistema di produzione elettrica

26 La produzione di idrogeno Idrogeno come vettore energetico per il futuro. Dissociazione dell acqua mediante processo termochimico, produzione di idrogeno con zero emissioni. La necessità di temperature più elevate porta ai sistemi di concentrazione su due assi.

27 Costruzione di un impianto pilota per la produzione di idrogeno Acqua 40,6 l/h 760 kw Processo chimico Idrogeno 100,8 Nm 3 /h Concentratori parabolici Accumulo Ossigeno 50,4 Nm 3 /h Caratteristiche impianto: Produzione di 2000 Nm 3 /d di idrogeno (100 Nm 3 /h); Adozione di uno dei cicli termochimici in studio (SI, UT-3, ZnO, ferriti miste) ;

28 Processi di dissociazione dell acqua Processo Stadio di sviluppo del processo Scientifica Tecnologica Tecnico-economica Studio processo Verifica speriment. Scala lab. discontinua Scala lab. continua Sviluppo di componenti Sviluppo preind. S-I GA JRC JAERI Su tutte le sezioni del processo 1 Nl/h (98) 50 Nl/h (04) UT3 Univ. Tokyo JAERI ANL Su cinetiche di reazione 2 l/h (84) Ferriti Istituto Tecnologia Tokyo Sulleresedireazione ZnO-Zn PSI CNRS Su diss. ZnO e quenching Diss. ZnO e separazione gas Accoppiamento reattoreenergia solare

29 Ciclo ZnO H 2 O H H 2 generation step 450 C 2 Zn ZnO O 2 O 2 releasing step ~ 2000 C

30 Ciclo Ferriti miste H 2 generation step 800 C H 2 O H 2 MnFe 2 O 4, Na 2 CO 3 Na(Mn 1/3 Fe 2/3 )O 2, CO 2 O 2 O2 releasing step 600 C

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32 Ciclo UT-3 H 2 O H 2 CaBr 2 (s)+h 2 O(g) CaO(s)+2HBr(g) 3FeBr 2 (s)+4h 2 O(g) Fe 3 O 4 (s)+6hbr(g)+ H 2 (g) 760 C 560 C CaO(s)+Br 2 (g) CaBr 2 (s)+ ½O 2 (g) Fe 3 O 4 (s)+8hbr(g) 3FeBr 2 (s)+4h 2 O(g)+Br 2 (g) 220 C 572 C O 2

33 Ciclo SI O 2 H 2 O H 2 SO 2 I 2 H 2 SO 4 H 2 O+ SO 2 +0,5 O C 50 C I 2 +SO 2 +2H 2 O HI+ H 2 SO 4 2HI H 2 +I C H 2 SO 4 HI

34 Considerazioni finali La produzione di energia comporta aspetti economici, ambientali e di sicurezza nell approvvigionamento delle fonti. Influenza la qualità della vita, la sicurezza della gente, lo sviluppo di un Paese. I rifiuti, le scorie, le emissioni gassose prodotte non devono alterare l equilibrio naturale. Il solare può essere una fonte di energia compatibile con l ambiente.