Appunti di Sistemi energetici

Sommario

• Cogenerazione ............................................................................................................................................... 2
• Scelta del motore primo ................................................................................................................................ 3
• Trigenerazione ............................................................................................................................................... 4
• Energia eolica ................................................................................................................................................ 5
• Potenza del vento .......................................................................................................................................... 8
• Energia solare ............................................................................................................................................. 10
• Angoli fondamentali .................................................................................................................................... 10
• Lunghezza d’onda ........................................................................................................................................ 10
• Tecnologia fotovoltaica ............................................................................................................................... 11
• Solare termico ............................................................................................................................................. 13
• Energia idraulica ........................................................................................................................................ 14
• Geotermia ..................................................................................................................................................... 14
• Sistemi idrotermali ...................................................................................................................................... 16
• Riscaldamento urbano – district heating .................................................................................................... 17
• Cicli inversi delle pompe di calore geotermiche ......................................................................................... 17
• Pompe di calore geotermiche (GHP – Geothermal Heat Pumps) ............................................................... 18
• Double pipe heat changer ........................................................................................................................... 19
• Energy storage technologies ....................................................................................................................... 20
• Round-trip efficiency ................................................................................................................................... 22
• Mechanical Energy Storage ......................................................................................................................... 23
• CO battery .................................................................................................................................................. 24
• Flywheel Energy Storage – stoccaggio dell’energia a volano ...................................................................... 24
• Condensatori ............................................................................................................................................... 25
• Battery Energy Storage Systems .................................................................................................................. 25
• Parametri delle batterie .............................................................................................................................. 26
• Sistemi di stoccaggio di energia ad idrogeno .............................................................................................. 26
• Celle a combustibile .................................................................................................................................... 27
• Smart grids .................................................................................................................................................. 27
• Generazione distribuita (DG – distributed generation) ............................................................................... 27
• Unità di controllo e gestione ....................................................................................................................... 28

Cogenerazione

È la produzione combinata di energia elettrica e di calore con un unico impianto (in cascata). Se un’utenza richiede contemporaneamente energia elettrica e termica si può usare un unico impianto, detto impianto cogenerativo. Le temperature di combustione variano da oltre 2000 °C fino ai 6-700 °C, molto superiori a quelle di utilizzo dell’energia termica (100 – 300 °C). [vedi schema slide]

• Sistemi ad energia primaria con solo recupero termico (totale o parziale)
  o Il combustibile è utilizzato nel generatore di potenza che produce energia meccanica e scarta il calore
  o Vedi slide
  NB: non tutto il calore può essere recuperato; parte di esso finirà comunque per essere disperso nel ciclo di produzione.

Gli elementi principali di un sistema di cogenerazione sono:

• Un motore primo
  • A combustione interna
  • Turbine a gas
  • Turbine a vapore
  • Impianti a ciclo combinato
• Un generatore elettrico (conversione di energia meccanica in elettricità)
• Degli scambiatori di calore (recupero)

Turbine a vapore e cicli combinati sono usati esclusivamente per applicazioni industriali perché danno origine ad impianti di potenze molto alte; i motori primi, quindi, non sono equivalenti. Le variabili che definiscono la scelta del motore primo sono: rapporto tra energia termica ed elettrica e temperature richieste per il calore.

I parametri di un sistema di cogenerazione sono:

• Rendimento elettrico: [vedi formula]
• Rendimento totale o di primo principio: [vedi formula]
  Equipara gli effetti utili termici ed elettrici.
• Indice elettrico: indica il rapporto tra energia elettrica e calore utile. [vedi formula]
• Indice di risparmio energetico: quantifica il risparmio di energia primaria rispetto alla soluzione “tradizionale”. [vedi formula]
  L’IE è uno dei parametri principali per la caratterizzazione del motore primo.

Scelta del motore primo

Il primo passo per un efficace approccio è un’analisi accurata del proprio processo (richieste elettriche e termiche).

1. Motore a combustione interna
   Potenze che vanno da 1 kW a 1 MW. Hanno un’efficienza più bassa delle turbine a gas (40%), ma sono più efficienti in regolazione. Hanno valori di IE che vanno da 0,7 a 1,5 e necessitano di più manutenzione.
   Recupero di calore:
   • Dall’acqua di raffreddamento (90 °C)
   • Dai gas di scarico (400 °C)
   • Dall’olio lubrificante (120 °C)
   In generale, il calore viene reso disponibile a temperature relativamente basse (80-200 °C). I motori a combustione interna non sono adatti per produzione di vapore di processo.
2. Turbina a gas
   Le potenze in gioco vanno da qualche kW a diversi MW. Sono compatte, affidabili e molto efficienti (60%). Il loro IE è sbilanciato sulla parte elettrica. Tutto il calore viene recuperato dai gas di scarico. Necessitano di poca manutenzione. Il loro punto critico è la caldaia a recupero (ha un rendimento di circa 0,7).
3. Impianti a vapore a contropressione
   Sono impianti semplici (1 MWe – 10 MWe) con un IE molto basso (0,1 – 0,2); hanno quindi tanto valore di scarico che si può sfruttare. Essendo un ciclo, è pensato per lavorare ad un determinato punto di funzionamento ed è pertanto un impianto rigido per la regolazione. Di fatto è un normale impianto a vapore dove il condensatore lavora in condizioni pressurizzate.
4. Impianti a vapore a spillamento
   Rispetto alla tipologia precedente, sono impianti molto flessibili per la regolazione di carico elettrico e termico (indipendenti). Questo comporta, però, costi molto elevati e l’IRE risulta più alto solo se l’impianto opera in modalità prossima all’IV a contropressione. Si parla di taglie che vanno da 4 MWe ai 20 MWe ed hanno valori di IE bassi (0,2 – 0,3). Sono impianti molto adatti per cogenerazione industriale in settori ad alto consumo di calore.

Approccio alla cogenerazione nell’industria

La cogenerazione funziona bene se la produzione di energia elettrica e termica è:

• Contemporanea
• Stabile per almeno 3.000 – 4.000 h/anno

È necessaria un’approfondita analisi di fattibilità:

• Valutazione delle richieste energetiche
• Dimensionamento ottimale

Vantaggi della cogenerazione:

• Risparmio di energia primaria mediamente del 30% (e quindi riduzione di emissioni)
• Minori perdite di distribuzione per il sistema elettrico
• Investimento con il miglior ROI (se ben dimensionato)
• Tecnologia con la più alta riduzione di CO₂

Teleriscaldamento

È un’applicazione civile della cogenerazione; è tipicamente usato in zone a clima freddo e consiste nell’insieme di elementi usati per generare e trasferire calore generato dalle utenze termiche non posizionate nella centrale di cogenerazione. Necessita di una rete di distribuzione.

Trigenerazione

È un’estensione della cogenerazione a cui viene aggiunta la produzione di aria o acqua fredda. Il cogeneratore viene abbinato ad un ciclo frigorifero ad assorbimento in grado di generare energia frigorifera usando come sorgente il calore (e non l’elettricità); si basa sull’evaporazione a bassa temperatura di un fluido refrigerante che assorbe calore dall’acqua.

Vantaggi:

• Riduzione del consumo del combustibile (ne viene sfruttato 80-85%)
• Riduzione delle perdite di trasmissione di energia
• Minor impatto ambientale
• Risparmio economico nel medio-lungo periodo

Svantaggi:

• I rendimenti ottimali si hanno quando la domanda delle tre richieste è contemporanea
• Non è sempre possibile la vicinanza tra luogo di produzione e di consumo
• Sono economicamente vantaggiosi solo se la produzione supera una certa soglia

Cicli ORC

Sono sistemi basati su un ciclo termodinamico a circuito chiuso per la generazione di energia termica ed elettrica. Il loro funzionamento si basa su un ciclo Rankine che usa una sostanza organica ad alto peso molecolare come fluido di lavoro.

Energia eolica

Introduzione

La prima turbina eolica risale al 2000 a.C. e il vento è stato convertito in energia meccanica fino a fine Ottocento. La produzione di energia elettrica attraverso turbina eolica inizia nel 1900. Nel 1973, in seguito alla crisi dei produttori di petrolio, partirono diversi programmi di ricerca sulle rinnovabili e, soprattutto, sull’eolico.

Il 90% delle macchine odierne sono formate da una torre singola con tre pale poste in cima che ruotano davanti alla torre stessa. Sono sistemi energetici che stanno andando sempre più su di potenza.

Linea rossa: american way. Si basavano sul funzionamento delle ali degli aerei (sviluppo affidato alla NASA).

Linea verde: tecnologie europee. Si diedero come obiettivo lo sviluppo di una macchina piccola e leggera che aveva già tecnologie simili a quelle delle moderne pale eoliche (avevano piccole potenze, circa 10 MW).

Come si vede dalla linea verde, dagli inizi degli anni 2000 si ebbe un’impennata delle potenze erogabili dalle pale eoliche e, ad oggi, hanno valori paragonabili alle turbine a gas. Il ciclo di vita di una pala eolica è di circa 20 anni; devono quindi resistere ai diversi eventi climatici e, per questo motivo, all’inizio venivano progettate in modo “massiccio”, cosa difficoltosa per la salita di potenza. Le macchine moderne sono progettate in modo da poter subire delle flessioni e quindi non necessitano più di dover essere massicce. La pala eolica moderna dalla potenza più elevata è sviluppata dalla GE ed eroga 14 MW (ha pale da 107m).

A partire dal 2019, tra tutte le rinnovabili l’eolico è diventando più conveniente (€ /kWh) rispetto ad alcuni combustibili fossili; anche l’eolico off-shore si avvia verso questa direzione. In Europa, circa 1/6 dell’energia è prodotta da impianti eolici; i paesi più avvantaggiati sono quelli che affacciano sul Mare del Nord. La situazione cambia leggermente se si guarda alle potenzialità off-shore: l’eolico potrebbe divenire uno dei principali generatori di energia in Italia grazie al Mediterraneo.

Nonostante l’Italia non sia un paese ventoso, è uno dei paesi europei più attivi nel settore: è stato uno dei primi paesi al mondo a sviluppare impianti eolici e, proprio per questo motivo, si ritrova ad avere macchine mediamente più vecchie (= meno potenza nominale) rispetto ai competitor europei; questo significa che le macchine installate sono tendenzialmente a fine vita e si prospetta di sostituirle, operazione che potrebbe portare, senza la necessità di fare nuovi scavi, a quintuplicare la potenza installata.

In generale, le turbine eoliche lavorano con i venti locali (= vento che interagisce con ostacoli – montagne, palazzi…). Creare macchine alte 300m rende la macchina essa stessa un ostacolo per il parco eolico, rendendo estremamente più difficile la progettazione dello stesso. L’installazione di un impianto eolico in Italia deve attraversare un processo durissimo di studio di fattibilità e richiede dai 4 ai 7 anni (di cui solo 8 mesi sono di progettazione e 6 di costruzione).

Fondamenti del vento

Il vento è un sottoprodotto dell’energia solare: cielo sereno -> area pesante, scende. Dato che la Terra ruota sul suo asse, la forza di Coriolis fa creare delle “celle” più piccole (rispetto a quelle macroscopiche dovute ai poli) che generano i venti ianisei (?) [in aereo, da Parigi a New York ci vogliono 9h, al contrario 6h grazie al vento favorevole]. Il vento locale deriva dall’interazione tra vento di quota ed ostacoli terrestri.

Rugosità Se il terreno è molto rugoso, il profilo di vento è molto disturbato dal suolo e per avere una buona velocità del vento bisogna alzare la quota. Su un prato liscio, invece, per avere lo stesso vento basta stare molto più in basso. Il profilo di vento si può esprimere con la legge: [vedi foto] dove:

• vref = vento misurato
• z = altezza che ci interessa
• z0 = rugosità
• zref = altezza di riferimento (dove abbiamo misurato)

Effetto tunnel: una tu