1. Energia eolica e idraulica

Transcript

1 Le varie fonti di energia rinnovabile sono le seguenti: 1. Energia eolica e idraulica La radiazione solare, mentre attraversa l atmosfera terrestre, cede una piccola parte della sua energia all aria ed al vapore d acqua presente nella stessa. La parte più rilevante di questa energia giunge al suolo dove viene assorbita e trasformata in energia termica del terreno e degli strati d aria più bassi, e ancora in parte, trasformata in calore latente di evaporazione dell acqua presente al suolo soprattutto negli oceani. L aria calda ed il vapore acqueo si sollevano innescando vento e piogge. Pertanto, da un lato, il vento deve essere visto come il risultato finale della trasformazione e dell accumulo di una parte della radiazione solare in energia cinetica delle molecole d aria che lo compongono, d altro lato, la pioggia può essere pensata come il risultato finale della trasformazione della radiazione solare in energia potenziale gravitazionale delle molecole d acqua che la costituiscono. In entrambi i casi si considera l energia cinetica presente nelle masse d aria in movimento come energia eolica e quella cinetica dei flussi d acqua in caduta come energia idraulica. 2. Energia solare termica e termoelettrica La radiazione solare che giunge al suolo può essere catturata mediante assorbimento da parte di opportune superfici metalliche annerite artificialmente oppure riflessa da specchi parabolici e fatta arrivare concentrata in un dispositivo ricevitore. In entrambi i casi, l energia luminosa viene trasformata in energia termica di un fluido a temperatura più alta di quella ambiente e, quindi, essa può essere utilizzata direttamente per le esigenze di calore dell uomo oppure trasformata in energia elettrica con dei cicli termodinamici che la tecnica mette a disposizione. 3. Energia solare fotovoltaica La radiazione solare può essere convertita direttamente in energia elettrica sfruttando l effetto fotoelettrico/fotovoltaico nei materiali semiconduttori. I raggi solari vengono catturati da 4

2 alcuni dispositivi elettrici, detti celle fotovoltaiche, che provvedono a trasformare l energia luminosa direttamente in potenza elettrica a tensione e corrente continua. Questa forma di sfruttamento di energia solare è considerata come fonte di energia solare fotovoltaica. 4. Energia delle biomasse: termica, termoelettrica e biocombustibili Infine, l energia può essere fatta assorbire da piante di apposite coltivazioni energetiche ad alto rendimento, che attraverso il processo fotosintetico provvedono a trasformarla in energia chimica ed accumularla nelle diverse parti della pianta. L utilizzo così della biomassa può essere fatto direttamente per combustione, generando energia termica, oppure il calore prodotto può essere utilizzato per alimentare un ciclo termodinamico in modo da produrre energia elettrica finale. Recentemente si è aggiunta una nuova modalità consistente nella coltivazione di piante da semi oleaginosi (colza, girasole, mais...). Allora la fonte delle biomasse può essere considerata articolata in tre aspetti: biomasse per usi termici, biomasse per usi termoelettrici e biomasse per biocombustibili o biodiesel. In conclusione la radiazione solare primaria costituisce il motore di attivazione delle diverse fonti di energia rinnovabile. La rinnovabilità delle differenti forme di energia secondaria ottenibile deriva direttamente dall energia solare primaria, il cui flusso le alimenta tutte. Il territorio come giacimento di energia rinnovabile Il territorio possiede una valenza energetica, la quale è relazionata alla quantità di energia solare primaria e derivata, che insiste su di esso. L energia primaria è quella associata alla radiazione solare globale, sia diretta che diffusa, mentre quella solare derivata si può considerare come quella cinetica del vento e quella idraulica connessa alla raccolta in bacini dell acqua piovana. Da queste forme di energia derivano quelle che solitamente vengono indicate come le fonti rinnovabili già citate nel precedente paragrafo. A questo punto è possibile affermare che la quantità di energia disponibile sul terreno per lo sfruttamento, è una grandezza locale collegata strettamente al sito, attraverso due parametri: 5

3 parametri geografici (radiazione solare) condizioni climatiche generali e condizioni microclimatiche puntuali (ventosità, piovosità e morfologia del terreno) Per questo motivo è lecito pensare che le forme assunte dall energia rinnovabile sono strettamente legate al territorio ed immagazzinate in altrettanti giacimenti ciascuno di essi caratterizzato dalla sua densità superficiale di energia. Alcune condizioni per lo sfruttamento delle nuove fonti rinnovabili Come è stato appena illustrato, i giacimenti di energia rinnovabile vanno pensati come se fossero diffusi sul territorio. Di conseguenza, le tecnologie delle diverse fonti permettono in pratica di attingere energia dai giacimenti in quantità commisurata a tre fattori: Disponibilità di adeguate aree territoriali La capacità tecnica di raccogliere in modo economico l energia che insiste sul terreno La possibilità di avviare l energia prodotta al consumo cioè in tre generali punti chiave: terreno, competitività e vettoriabilità. Il primo fattore rappresenta una caratteristica generale di tutte le fonti rinnovabili ed è indispensabile alla base di qualunque discorso strategico. Il totale dell energia effettivamente disponibile sarà limitato dalla disponibilità territoriale offerta e dall impatto paesaggistico. Il secondo fattore è inerente al tipo di fonte, allo stato di sviluppo della tecnologia ed alla situazione economica presente e alle prospettive di miglioramento. Infine il terzo fattore rappresenta la possibilità di trasporto e distribuzione che sono condizioni determinanti per il successo della competizione quantitativa delle fonti rinnovabili. 6

4 Alcuni pregi, difetti tecnici, aspetti negativi e pregiudizi comuni delle fonti rinnovabili Negli anni recenti, soprattutto a fronte della minaccia della crisi ambientale, le fonti rinnovabili hanno guadagnato molte posizioni sia nell opinione pubblica sia negli esperti energetici. Vediamo alcuni aspetti positivi di questo tipo di fonti rinnovabili che, come dice il nome stesso, hanno come caratteristica principale la rinnovabilità, cioè la capacità di fornire energia senza esaurirsi nel tempo. Per tracciare un bilancio più dettagliato conviene dedicare un po di spazio alle più importanti caratteristiche fisiche. E stato appurato che la quantità di energia solare che cade sulla Terra ogni anno basterebbe di gran lunga a soddisfare il fabbisogno energetico dell umanità. E ormai acquisito che le nuove fonti rinnovabili come il solare termico e termodinamico, nuove biomasse, eolico e fotovoltaico hanno ormai sviluppato tecnologie e sistemi per la produzione d energia che sono altrettanto collaudati ed affidabili rispetto le fonti rinnovabili tradizionali come il geotermico e l idroelettrico. Le fonti rinnovabili hanno la capacità reale di fornire energia pulita in quantità consistenti; infatti tali energie o non producono anidride carbonica (eolico, fotovoltaico, solare termico o termodinamico e idroelettrico) o la producono in una fase del ciclo in quantità uguale a quella che riassorbono nel ciclo successivo cosicché il bilancio totale risulti nullo (biomasse). L uso degli impianti di produzione di energia rinnovabile, soprattutto per quanto riguarda le nuove fonti, risulta sempre abbastanza facile ed adeguato. Va anche considerata la modularità degli impianti, caratteristica che ne permette la collocazione distribuita in prossimità delle utenze. Accanto al grande pregio di produrre energia pulita, esente da emissioni di carbonio e di altri inquinanti, le nuove fonti mostrano alcuni difetti tecnici: alcuni connaturati con la loro origine della comune fonte solare primaria, altre dalle specifiche modalità oggi adottate per le linee di sviluppo. Ecco alcuni di tali inconvenienti: 7

5 La densità superficiale dell energia solare a livello del suolo è bassa. Il suo valore medio annuale nella fascia temperata, può andare pressappoco da 1200 a 1900 kwh/m 2 che corrispondono a 3.3 e 5.2 kwh in media al giorno. Questo comporta in generale che lo sfruttamento delle fonti rinnovabili richiede grandi superfici per gli impianti di captazione con notevole impegno di territorio determinando così un alto costo dell unità di energia secondaria (termica, elettrica...) prodotta e rendendo difficile il raggiungimento della competitività economica. Un altro importante difetto dell energia rinnovabile è che la sua produzione in generale risulta intermittente nel tempo a causa della variabilità giornaliera, stagionale, climatica della fonte solare primaria. Proprio a causa dell intermittenza della generazione di energia, come si vedrà più avanti, il valore economico del kwh delle fonti rinnovabili risulta notevolmente più basso di quello tradizionale e l aggiunta del valore ambientale non riesce a compensare il deficit dovuto all intermittenza. Un terzo aspetto da prendere in considerazione consiste nel fatto che, quelle più promettenti come l eolico e il fotovoltaico, producono direttamente energia elettrica; questa caratteristica, che viene considerata positiva in quanto l energia elettrica viene considerata come forma pregiata di energia, non permette di espandersi in altre fette di mercato energetico, come per esempio i trasporti, settore in rapida espansione che produce emissioni di CO 2, che continuerà a far aumentare la concentrazione nell atmosfera. Assieme a questi difetti tecnici appena illustrati, le nuove fonti rinnovabili mostrano anche alcuni elementi negativi di natura sociale che ne ostacolano la loro diffusione: Occupazione del territorio: la densità di energia superficiale comporta la necessità di occupare con gli impianti delle varie fonti rinnovabili aree territoriali molto estese in confronto con quelle occupate dagli impianti convenzionali. Modifica del paesaggio: le grandi estensioni di impianti necessari per la produzione dell energia rinnovabile hanno un aspetto sicuramente poco naturale, sia per la forma dei componenti, sia per l impatto visivo. Variazione dell albedo terrestre: in relazione alla diffusione su larga scala degli impianti solari termodinamici e fotovoltaico nasce immediatamente una preoccupazione che le 8

6 grandi superfici a specchi possano provocare un alterazione dell albedo terrestre, causando in tal modo una variazione del bilancio energetico naturale del pianeta. Rumore delle turbine eoliche: gli aerogeneratori durante il loro funzionamento generano rumore. Questo disturbo fonico può raggiungere intensità tali da quelle consentite per legge Riflessione delle onde radiotelevisive da parte degli aerogeneratori: la pale di alcuni aerogeneratori sono in alluminio. L alluminio essendo un metallo, quindi anche un conduttore, può produrre delle interferenze nella ricezione da parte di antenne in quanto l onda elettromagnetica che colpisce la pala viene deviata di un angolo dipendente dall incidenza e alla fine produrre tale effetto indesiderato. Questo discorso è valido per alcuni aerogeneratori, per la precisione quelli di più vecchia costruzione. 9

7 CAP. 2 ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA Dopo una panoramica generale sulle varie fonti di energia rinnovabile, le condizioni per lo sfruttamento delle stesse, i pregi e i difetti etc. etc. si vedrà più in dettaglio il processo di sfruttamento dell energia solare come fonte di energia solare fotovoltaica partendo dall irraggiamento sulla Terra, seguirà l interazione fra un materiale semiconduttore e una radiazione luminosa per concludere con alcuni dati e statistiche del fotovoltaico in Italia e in Europa. La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica. Essa sfrutta l effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (fra cui il silicio, elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare, senza l uso di alcun combustibile. L irraggiamento solare della Terra E ormai noto che la distanza che separa la Terra dal Sole è pari a km. A tale distanza il Sole può essere considerato come una sorgente puntiforme e il flusso della radiazione che invia alla Terra come se fosse composto da raggi fra di loro paralleli. La quantità media di energia solare che incide ortogonalmente, nell unità di tempo, su una superficie unitaria posta al di fuori dell atmosfera, prende il nome di costante solare ed assume il valore medio di I 0 = 1353 W/m 2. Pertanto il disco terrestre intercetta nell arco dell anno una quantità di energia solare pari a: E = ( π R I 8760) kwh/anno (2.1) dove R = m è il raggio terrestre e 8760 sono le ore presenti in un anno. Di questa energia, una parte viene riflessa nello spazio senza penetrare nell atmosfera. Questa componente è detta albedo terrestre ed indicata con a (a = 0.30). A questo punto l energia assorbita annualmente dal pianeta ammonta a: 10

8 CAP. 2 ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA E = (1- a)e =π R I 8760(1- a) kwh/anno (2.2) Per quanto riguarda la composizione spettrale, la radiazione solare può essere considerata in buona approssimazione come se provenisse da un corpo nero che, alla temperatura di 5760 K, irradia energia nello spazio. L espressione della radiazione di un corpo nero in funzione della sua lunghezza d onda λ è data dall equazione di Planck: H( λ,t) = C 1 λ 5 (C 2 / λt) e 1 (2.3) Dove T è la temperatura assoluta del corpo e le costanti di radiazione C 1 e C 2 : C = W cm 2 C2 = cm K (2.4) Siccome nella (2.3) l unità di misura che rappresenta la radiazione H(λ,T) è il W/cm 2 per cm di lunghezza d onda, si preferisce indicare la distribuzione spettrale riferendola al μm di lunghezza d onda. In questo caso la distribuzione verrà indicata con I(λ,T) dove: 4 I(,T) 10 H(,T) λ = λ W/(cm 2 μm) (2.5) Visto che la (2.5) rappresenta la distribuzione spettrale della radiazione solare in prossimità della superficie del Sole, si avrà che in vicinanza alla Terra, appena al di fuori della stratosfera, la densità di tale radiazione sarà attenuata da un fattore (r/d) 2, dove r e D sono rispettivamente il raggio della Terra e la distanza media che separa il Sole dalla Terra. A questo punto si può affermare che la distribuzione spettrale della luce solare che si presenta sulla Terra al di fuori dell atmosfera è: -4 2 I 0 (,T) 10 (r/d) H(,T) λ = λ W/(cm 2 μm) (2.6) 11