Le energie rinnovabili

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1 Le energie rinnovabili

2 Energia grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema fisico di compiere lavoro (a prescindere dal fatto che tale lavoro sia o possa essere effettivamente svolto)

3 Fonti di energia e impatto ambientale Fonti fossili Generate in milioni di anni, vengono trasformate in calore attraverso processi di combustione e poi in altre forme di energia (meccanica, elettrica, chimica ). Esauribili Consumano O 2 Producono CO 2 Rendimenti medio-bassi Fonti rinnovabili Forme di energia che si rigenerano in tempi brevi se confrontati con i tempi della storia umana Inesauribili Convertibili direttamente in energia elettrica Non comportano emissione di CO 2 (o la emettono all interno di un ciclo chiuso)

4 Energie rinnovabili Eolico Solare Geotermico Idroelettrico Biomasse

5 Energia solare 5

6 Il sole L energia del Sole che raggiunge l atmosfera della Terra in 7 ore è superiore al consumo energetico globale di un anno. La quantità di energia solare che raggiunge la superficie della Terra in un anno è superiore a tutta l energia che potrà mai essere ottenuta da tutte le fonti non rinnovabili presenti sul nostro pianeta (carbone, petrolio, gas naturale & uranio).

7 Irraggiamento solare medio sulla Terra (Wh/m ) 2

8 Solare termico Solare termico ad uso domestico Infrarosso, effetti termici della radiazione solare Solare a concentrazione, impianti di potenza

9 Solare fotovoltaico Fotovoltaico: conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica

10 La materia: conduttori, isolanti e semiconduttori

11 Funzionamento di una cella solare Parte della radiazione solare colpisce il materiale semiconduttore Un elettrone è promosso in banda di conduzione e una lacuna è creata in banda di valenza Elettroni e buche si separano e viaggiano in direzione contraria Le cariche sono raccolte agli elettrodi, si è creata una corrente elettrica

12 Dalla cella all impianto fotovoltaico Pannello fotovoltaico Cella fotovoltaica Modulo fotovoltaico Impianto fotovoltaico ad uso domestico o per generazione di potenza

13 Sistema fotovoltaico

14 Diffusione delle tecnologie fotovoltaiche Silicio monocristallino Produzione globale di moduli FV per tipologia, 2013 (MW) Silicio Policristallino Film sottile

15 Il fotovoltaico, vantaggi e sfide tecnologiche

16 Fotovoltaico: considerazioni e tendenze evolutive Grid parity già raggiunta in diversi Paesi, ma ulteriore riduzione del costo è l obiettivo principale Il silicio manterrà la posizione dominante nei prossimi dieci anni Miglioramento dei sistemi e dei componenti elettronici. Riduzione dei costi di istallazione dell impianto (il modulo rappresenta circa il 50% del costo di un sistema completo). Si attende la conferma del trend di crescita della potenza fotovoltaica installata nel mondo. Elettrificazione Paesi emergenti. Per medio-lungo termine si studiano nuove tecnologie (OPV, DSSC, LSC, perovskites) potenzialmente a minor costo e con ambiti di applicazione più ampi. Fotovoltaico Organico (OPV) Celle di Graetzel (DSSC) Concentratori solari luminescenti (LSC)

17 Energia eolica Energia eolica

18 Il vento Aria fredda Aria calda

19 Funzionamento

20 Energia del vento E c mv 2 1 ( Avt) v 2 1 Atv 2 [ Joule] P c E t c 1 Av 3 [ ] 2 W TWh anno

21 Performance Caratteristica del sito Caratteristica della turbina Fattore di capacità = Potenza prodotta Potenza nominale

22 Evoluzione tecnologica Aumento delle dimensioni degli aerogeneratori per aumentare la potenza nominale

23 L eolico: considerazioni e tendenze evolutive L energia eolica ha raggiunto un elevato grado di maturità tecnologica ed è spesso competitiva in termini di costi con le fonti fossili. Sono attese ulteriori riduzioni del costo delle istallazioni (sono attese riduzioni del 30% nel 2020 e del 50% nel 2030) La diffusa disponibilità del vento permette una significativa crescita della produzione di energia da fonte eolica. Non vi sono particolari controindicazioni all uso dell energia eolica (l impatto ambientale è piuttosto limitato così come l occupazione del suolo) Le principali evoluzioni della tecnologie sono attese negli ambiti: Aumento delle dimensioni delle macchine per incrementare la potenza nominale e ridurre i costi macchina Sviluppo di soluzioni tecnologiche per turbine da installare offshore, con l obiettivo di ampliare la consistenza della risorsa primaria a cui attingere Miglioramento di affidabilità, fattore di capacità Miglioramento della stima dei venti in fase di design e pianificazione Minore impatto ambientale

24 Energia idroelettrica 24

25 Il ciclo dell acqua 25

26 Principio di funzionamento Un corpo posto ad una altezza h rispetto a un riferimento possiede una energia potenziale proporzionale alla sua altezza mgh Per effetto della forza di gravità il corpo può cadere acquistando velocità Un corpo in movimento possiede una energia cinetica proporzionale al quadrato della sua velocità Le centrali idroelettriche convertono in energia elettrica l energia cinetica dell acqua 1 mv 2 2

27 Principio di funzionamento Una turbina collegata a un alternatore converte l energia cinetica di una massa d acqua in movimento in energia elettrica

28 Tipologie di centrale idroelettrica A bacino Ad acqua fluente Possibilità di utilizzare il serbatoio come storage pompando acqua nelle ore di minore richiesta energetica(centrali reversibili) A seconda della potenza generata, gli impianti si suddividono in: microcentrali (<100 kw) minicentrali (<1 MW) piccole centrali (<10 MW) grandi centrali idroelettriche (>10 MW)

29 La turbina Turbina Francis Turbina Pelton Turbina Kaplan

30 Idroelettrico: considerazioni e tendenze evolutive Tecnologia consolidata e già largamente diffusa in diverse aree geografiche (Europa, USA) Energia non intermittente e con possibilità di essere usata come riserva Non si attendono significativi miglioramenti sul piano della tecnologia Miglioramenti incrementali sono attesi nella: Massimizzazione dei rendimenti, incremento della flessibilità e riduzione dei costi. Riduzione dell impatto ambientale delle opere. L ampliamento dell energia idroelettrica prodotta globalmente potrebbe venire da: Recupero e ammodernamento di piccoli impianti (Europa). Nuova potenza installata in paesi in via di sviluppo dove maggiori sono le risorse ancora disponibili e minori sono i vincoli ambientali (Africa, Sud America, ecc.). Installazione di impianti mini idroelettrici. Sviluppo di impianti combinati con fonti rinnovabili non programmabili (idroelettrico utilizzato come sistema di accumulo energetico).

31 Energia da biomasse 31

32 Le biomasse In campo energetico, il termine biomassa indica diversi prodotti di origine principalmente vegetale, e solo in misura minore animale, utilizzati per produrre energia: residui agricoli e forestali scarti dell industria del legno, come trucioli e segatura "coltivazioni energetiche" (ovvero piante espressamente coltivate per scopi energetici) scarti delle aziende zootecniche residui agro-alimentari (residui delle coltivazioni destinate all alimentazione umana o animale come la paglia) Nel 2012 le biomasse hanno coperto circa il 10% del fabbisogno di energia nel mondo e rappresentano la principale fonte di energia per molti paesi in via di sviluppo. Le biomasse sono una delle fonti rinnovabili maggiormente disponibili sul nostro pianeta e sono la prima fonte ad essere stata usata dall essere umano.

33 Possibili usi della biomassa Calore Energia elettrica Biomassa Energia elettrica Gas Centrale elettrica Liquido Biocarburanti Bio raffineria

34 Biocarburanti, evoluzione I generazione Competizione con l alimentazione (e.g. grano, canna da zucchero) II generazione Scarti lignocellulosici: da foreste, agricoltura, frazione organica di rifiuti urbani, ecc. (non in competizione con l alimentazione) Avanzati III generazione Biomasse non in competizione con il cibo, né con l utilizzo di terreno coltivabile (e.g. alghe)

35 Attuale produzione di biocarburanti (Mt) 3 Bioethanol Biodiesel Grano 43 Tot: Tot: Tot: Tot: 24 Palma Canna da Zucchero Colza Al momento la maggior parte dei biocarburanti appartiene alla prima generazione Fonte:

36 Dalla biomassa al biocarburante Conversione biochimica mediata dall uso di microorganismi (funghi, batteri, enzimi, etc.) Conversione termochimica Utilizzo di processi chimici che richiedono fornitura di calore Saccarificazione / Fermentazione Digestione anerobica Processi fotosintetici Microorganismi (funghi, batteri, enzimi, etc.) Pirolisi Liquefazione Gasificazione Hydrotreating

37 Biomasse: considerazioni e tendenze evolutive Risorselargamentediffuseesostenibili Fonte rinnovabile Esistono politiche (ad esempio in Europa) che impongono l uso di biocarburanti a parziale sostituzione dei carburanti da fonti fossili Possibile competizione con la produzione di cibo e con l utilizzo dei terreni per altre coltivazioni Possibilità di avere elevati impatti ambientali se non si provvede a rimpiazzare le piante utilizzati per la produzione energetica Processi termochimici richiedono energia, il bilancio energetico per la produzione di biocarburanti ne deve tenere conto Necessario sviluppo di tecnologie in grado di passare da biocarburanti di prima generazione a quelli di seconda e terza generazione

38 Energia geotermica 38

39 La geotermia Gli impianti geotermici sfruttano il calore presente all interno della terra, residuo del suo processo di formazione e dovuto in parte anche al decadimento di isotopi radioattivi. La temperatura aumenta di circa 2-3 C ogni 100 m di profondità. Il gradiente termico varia da zona a zona in un range di circa 1-5 C/100m L acqua che dalla superficie si infiltra nel sottosuolo viene riscaldata fino a trasformarsi in certi casi anche in vapore e può riaffiorare sotto forma di sorgenti calde, soffioni, fumarole e geyser. La geotermia sfrutta il calore presente nel sottosuolo come fonte energetica primaria o per generare energia elettrica mediante centrali termiche.

40 La tecnologia Fluido geotermico estratto dal sottosuolo, utilizzato per produrre energia e re iniettato a circuito chiuso. L impianto di produzione è simile ai cicli a vapore che si impiegano nelle centrali termoelettriche. Due possibili configurazioni: Ciclo diretto: il fluido geotermico è espanso direttamente in turbina. Ciclo binario: Il fluido Geotermico cede calore a un fluido vettore in uno scambiatore, il fluido Vettore viene usato per generare energia.

41 Uso domestico Il calore proveniente dalla terra può essere utilizzato anche per usi domestici. Mediante l uso di pompe di calore la geotermia può fornire riscaldamento nei mesi freddi e raffreddamento in quelli estivi.

42 Geotermico: considerazioni e tendenze evolutive La geotermia consente una produzione continua e programmabile, essendo una fonte non intermittente. I principali limiti alla sua diffusione sono la localizzazione delle aree sfruttabili e l impatto ambientale delle istallazioni (perforazione, possibilità di inquinamento delle falde acquifere, ecc.). Le potenzialità della geotermia sono legate all ampliamento della disponibilità delle risorse da cui poter trarre energia e alla riduzione dei costi. La IEA (Agenzia Internazionale dell Energia) stima che al 2050 sia possibile raggiungere una produzione di 1400 TWh con Asia e Nord America come aree di maggiore sviluppo. Sono in fase di studio tecnologie per sfruttare sistemi geotermici non convenzionali (es rocce calde secche, fluidi magmatici, sistemi geo pressurizzati, ecc.).

43 Conclusioni

44 Conclusioni Le energie rinnovabili rappresentano una preziosa fonte di energia per costruire un futuro energetico più sostenibile e sono distribuite in modo piuttosto omogeneo in tutto il pianeta Molte delle fonti soffrono di alcuni limiti legati all intermittenza della fonte stessa, ma tali limiti possono essere in parte superati mediante un mix equilibrato di diverse fonti e un ammodernamento delle infrastrutture (smart grid). Il costo dell energia prodotto da fonti rinnovabili è spesso già confrontabile con quello delle fonti fossili, un ulteriore riduzione è attesa dal progresso tecnologico e dall economia di scala. La diffusione delle fonti rinnovabili in tutto il mondo è destinata a crescere nei prossimi decenni. Opportune politiche di sostegno potrebbero accelerare il processo di diffusione.

45 Grazie per l attenzione