Appunti riassuntivi di Risorse energetiche ed energie alternative

Energia nucleare

Fissione nucleare.

Fusione nucleare.

Energia di legame -> decadimento radioattivo (raggi α, β, γ).

• BWR (boiling water reactor) -> refrigerante acqua.
• PWR (pressurized water reactor) -> refrigerante acqua pressurizzata 300 °C.
• GCR (gas cooled reactor) -> refrigerante CO₂ ed elio.
• FBR (fast breeder reactor) -> refrigerante sodio liquido, temperature elevate.

Impianto nucleare: centrale termoelettrica in cui il generatore di calore è un reattore nucleare in luogo di un reattore chimico.

Confinamento di scorie

• Deposito in strutture artificiali (per periodi limitati).
• Immersione in formazioni geologiche profonde.
• Trasmutazione (accelerazione di particelle, bombardamento neutronico).

Rifiuti radioattivi

1. Categoria I (radioattività decade in mesi o pochi anni).
2. Categoria II (radioattività decade in centinaia di anni).
3. Categoria III (radioattività decade in migliaia di anni).

Smaltiti in depositi fino a decadimento, per poi essere smaltiti come rifiuti oppure riprocessati, separando uranio e plutonio e rimessi nuovamente nel ciclo del combustibile.

Energia nucleare

Fissione nucleare.

Fusione nucleare.

Energia di legame -> decadimento radioattivo (raggi α, β, γ).

• BWR (boiling water reactor) -> refrigerante acqua.
• PWR (pressurized water reactor) -> refrigerante acqua pressurizzata.
• GCR (gas cooled reactor) -> refrigerante CO₂ e elio.
• FBR (fast breeder reactor) -> refrigerante sodio liquido.

Impianto nucleare: centrale termoelettrica in cui il generatore di calore è un reattore nucleare in luogo di un reattore chimico.

Confinamento di scorie

• Deposito in strutture artificiali (per periodi limitati).
• Immersione in formazioni geologiche profonde.
• Trasmutazione (accelerazione di particelle, bombardamento neutronico).

Rifiuti radioattivi

1. Categoria I (radioattività decade in mesi o pochi anni).
2. Categoria II (radioattività decade in centinaia di anni).
3. Categoria III (radioattività decade in migliaia di anni).

Smaltiti in depositi fino a decadimento (poi per essere smaltiti come rifiuti normali) oppure riprocessati, separando uranio e plutonio e rimessi nuovamente nel ciclo del combustibile.

Energia idroelettrica

• A) Acqua fluente.
• B) Bacino.

Energia potenziale gravitazionale → energia cinetica → energia elettrica.

Fattori principali

• Salto lordo o geodetico.
• Salto netto o motore.
• Portata.

P = ϱ · g · G · H.

γ = P_O / P_O.

γ = η_t η_m η_g.

Valutazione risorse idriche

• Curve isoriete.
• Regime pluviometrico.
• Coefficiente di efflusso.
• Curve idrometriche.

z = f(s).

A) Acqua fluente → restituito derivando direttamente dal fiume una frazione di portata.

Turbina Kaplan o Francis.

Grande portate, piccoli salti.

Q: 2 ÷ 40 m³/s.

H: 20 ÷ 400 m.

B) Bacino → attraverso opere di sbarramento, si spilla solo la portata richiesta, potenza regolabile, solo per serbatoi d'uso.

Esistono impianti ad accumulatore per pompaggio.

Turbina Pelton → piccole portate, grandi salti.

H fino a 1200 m.

Q 3/s.

Idrogeno

Numero atomico 1, abbondante, il più leggero vettore energetico, liquido a -253 °C.

Metodi di produzione

• Elettrolisi dell’acqua (utilizzando energia elettrica dal processo elettrolitico si produce anche O).
• Steam reforming (tramite reazione catalitica di reforming tra metano e vapor d'acqua) metodo più economico e diffuso. Il metano, in presenza di un catalizzatore reagisce con vapore a 800 °C producendo idrogeno, monossido di carbonio e anidride carbonica.
• Gassificazione (processo di parziale ossidazione di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso formato principalmente da idrogeno, ossido di carbonio, e che idrocarburi), ad esempio gassificazione del carbone 500 °C.
• Processi biologici (alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno assorbendo l’energia solare) esami nelle cellule e gassoso da catalizzatori riducono H₂ CO₂.
• Fotosomolisi (decomposizione acqua mediante sistemi catalitici non elettroluminescenza con polveri degli stessi semiconduttori).

Problematiche: immagazzinamento, stoccaggio, trasporto (gassoso, cilindro, alta) con automazioni.

Energia eolica

Incostanza in velocità e direzione, irregolarità, assoluta disponibilità all’intercettazione.

La valutazione dell’energia eolica potenzialmente sfruttabile è una operazione molto difficile e complessa, in quanto la produzione di un impianto eolico dipende fortemente dalle caratteristiche anemologiche del luogo in cui esso viene installato.

Misure di velocità con sensori in grado di inviare segnali analogico digitali proporzionali alla velocità e alla direzione della corrente d’aria da cui vengono investiti. Anemometri a mulinello con gommosensori → permettono di individuare, in termini di ore/anno, il numero delle ore in cui una certa velocità viene ecceduta.

Classificazione aerogeneratori

• Ad asse orizzontale.
• Ad asse verticale.
• Piccola taglia (P < 200 kw D < 15 m).
• Media taglia (200 kw < P < 1000 kw 25 m < D < 35 m).
• Grande taglia (P > 1000 kw D > 35 m).

P = 1/2 ρ V³.A.

P = Cp 1/2 ρ.A.V³.

Cp = fattore di potenza → Pmax = 0.593 ρ potenza massima estraibile (formula di Betz).

Fattore di capacità → Cf =.

Impatto ambientale

• Rumore.
• Interferenze elettromagnetiche.
• Impatto visivo.
• Effetti su flora e fauna.
• Emissioni indirette.

Minieolico ⇒ P ≤ 1 kw (aerogeneratore, struttura di sostegno, sistema comando e controllo, contatore).

Microeolico ⇒ P ≤ 1 kw (es. illuminazione pubblica).

Celle a combustibile

Energia chimica → energia elettrica.

Nessun ciclo termico, analogo ad una batteria, alti rendimenti, assenza di inquinamento, possibilità cogenerazione.

O₂ H₂ H₂ O₂.

Anodo elettrolita catodo.

Anodo: ossidazione dell'idrogeno che fluisce → cede elettroni.

Catodo: riduzione dell'ossigeno contenuto nell'aria → acquista elettroni.

Elettrolita: funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall'altra, chiudendo il circuito elettrico all'interno della cella.

Emissioni 90% in meno rispetto ai motori termici; NO_x, e CO praticamente trascurabile.

Sensibile riduzione di CO₂.

Energia massima disponibile → ΔG_r = -nFE.

Em try e potenziale reversibile di cella.

Tensione massima termodinamicamente ottenibile → 1.229 v.

Rendimento termodinamico → η_r = ΔG/ΔH.

Rendimento di tensione → η_v V_em.

All'aumento di T → riduzione polarizzazione ohmica.

Migliora il fenomeno di trasporto.

Migliora cinetica di reazione.

All'aumento di temperatura → diminuzione polarizzazione cella.

Una singola cella produce V ≈ 0.7 v.

Δ I ≈ 300 ÷ 800 ÷ mA/cm² → più celle in serie (stack).

Sezione trattamento combustibile → sezione elettrochimica (celle a comb.) → sistema di condizionamento potenza.

Classificazione celle

• In base al tipo di elettrolito impiegato.
• In base alla temperatura di funzionamento.

• Bassa temperatura → celle alcaline AFC T = 70÷120 °C → tempi di vita lunghi, costi bassi.
• Celle ad elettrolito polimerico PEFC T = 70÷120 °C → elevate densità di potenza.
• Celle ad acido fosforico PAFC T = 200 °C → possibilità di cogenerazione.
• Celle metanolo diretto DMFC T = 70÷100 °C → alimenta direttamente con acqua+metanolo.
• Alta temperatura → celle a carbonati fusi MCFC T ≈ 650 °C → possibilità di cogenerazione, flessibili di combustibili.
• Celle ad ossido solidi SOFC T = 200 ÷1000÷ °C → elevati problemi corrosione dell'elettrolita.

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Energia solare

Fortemente discontinua: solo il 30% raggiunge la terra per radiazione diretta.

Solare termico

Pannelli piani.

E_u < E_a < E_t.

η.

1. η = W_u / W_i.

W = W_a - W_c - W_r.

W_u.

Collettori a tubi evacuati.

Collettori parabolico-cilindrici (600÷800 °C).

Curve di rendimento molto meno ripide al variare di Δr.

Solare fotovoltaico

Ponendo a contatto due cristalli di silicio di tipo P ed N si ottiene una giunzione di tipo P-N. Le lacune presenti nel cristallo P tendono a spostarsi nel cristallo N, di conseguenza gli elettroni in eccesso nel cristallo N tendono a spostarsi su cristallo P. Quando i fotoni (particelle di energia della luce solare) colpiscono la cella fotovoltaica, una parte di energia si trasforma in calore, una parte viene riflessa, e l'ultima parte provoca uno spostamento degli atomi nel materiale semiconduttore, producendo corrente elettrica.

• Celle di silicio monocristallino → efficienza 20%.
• Celle di silicio policristallino → efficienza 15%.
• Celle a film sottile → efficienza 10%.

Campo fotovoltaico → connessione serie e parallelo → conversione C.C. a C.A. → distribuzione → servizi ausiliari → regolazione di carica/scarica batterie → carico (rete o utenze).

Energia geotermica

Quantità di calore resa disponibile dal sottosuolo terrestre.

Decadimento nucleare degli elementi radioattivi (uranio, torio presenti nel nucleo e mantello crosta terrestre.

L'energia termica.

• Alta entalpia o classica.
• Impianto a contropressione.
• Impianto a condensazione.
• Impianto binario.
• A bassa entalpia.

Sfrutta il sottosuolo come accumulo termico dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne durante la stagione estiva.

Gradiente geotermico – 2 °C ogni 33 m di profondità.

Già ad 1 m di profondità si possono avere 10-15 °C.

Fasci tubieri → pompa di calore → sistema di scambio di calore con l'ambiente (acchette, radiatori).

Sonde geotermiche: tubo ad U costituito da materiale con alta trasmittanza termica, nel quale passa un liquido che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo.

• Circuito aperto (sfrutta direttamente l'acqua prelevata per lo scambio termico).
• Circuito chiuso (sfrutta uno scambio di calore con un fluido termovettore).
• Sonde verticali.
• Sonde orizzontali.
• Pozzi energetici.

Grande vantaggio → regolarità.

Energia dai rifiuti

Rifiuto → qualsiasi materiale od oggetto derivante da attività umane o da cicli naturali che viene abbandonato o destinato all’abbandono.

Urbano, speciale, tossico nocivo.

Sistemi di smaltimento → raccolta differenziata.

• Discarica.
• Compostaggio → fermentazione aerobica di microorganismi (bio-ossidazione).
• Incenerimento/termodistruzione.

In Italia 19% RSU bruciati → notevole riduzione in volume → possibilità di produrre energia termica/elettr.

Tecnologie

• Forno a griglia → ingombro ridotto, efficiente, affidabile.
• Forno rotante → per rifiuti industriali.
• Combustione a letto fluido → combustibile ridotto a piccola pezzatura.
• Gassificazione.
• Pirolisi.
• Tecnologia al plasma.
• Forni a fusione elettrica.

Risk assessment → attraverso l’uso di opportune tecniche di abbattimento degli inquinanti è possibile contenere l’impatto ambientale ben al di sotto dei limiti imposti dalla normativa vigente.

Il rischio legato alle emissioni non cancerogene è praticamente assente, è comunque paragonabile ad altri rischi presenti e tranquillamente accettati dalla vita quotidiana.

Trattamento meccanico-biologico (TMB) → tecnologia di trattamento a freddo dei rifiuti indifferenziati che sfrutta l’abbinamento di processi meccanici a processi biologici quali la digestione anaerobica e il compostaggio. Appositi macchinari separano la frazione umida da biocompostare dalla frazione secca; quest’ultima può essere in parte riciclata oppure usata per produrre combustibile solido secondario rimuovendo i materiali incombustibili da utilizzare in cementifici.

Energia da biomasse

Biomassa → ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.

La parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura (compresi sostanze vegetali ed animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile da rifiuti industriali e urbani.

Fonte rinnovabile perché l'anidride carbonica emessa nel processo energetico è la stessa che la pianta ha fissato tramite la fotosintesi clorofilliana.

Classificazione biomasse

• Origine (comparto forestale, agricolo, zoetecnico, industriale).
• Colture energetiche → coltivazioni specializzate per la produzione di biomasse; possono essere erbacee, legnose (oleaginose (colza, grasse) e zuccherine).
• Biomasse residuati → sottoprodotti di processi di natura agroforestale o industriale; possono essere residui agricoli, forestali, verde urbano, industriali.
• Residui agroalimentari → sottoprodotti dei processi delle industrie agroalimentari e zootecnici; possono essere residui di cibo (gusci, bucce, siero di latte) oppure residui animali (grassi, letame, pollina).

Processi, conversioni biomasse

• Reazioni chimiche e basati su reazioni chimiche di accensione (pirolisi e gassificazione).
• Idrodinamici (attività microbica/enzimatica) e biologica.
• Meccanici.

1. Da distinguere tra produzione di energia termica ed elettrica → problema principale = costi dell’approvvigionamento; letto fisso, letto fluido, cofiring (20% biomasse al posto del carbone), pirolisi (calore 400 + 800 ºC → in assenza di O₂) gassificazione (processo endotermico a 2 stadi che converte il combustibile in gas a basso o medio potere calorifico).
2. Biocombustibili, derivanti da biomassa, miscelati con carburanti derivati da combusti fossili. In Italia del 2014 obbligo del 5% a biocombustibili, fino al 7.5% nel 2018.
3. Biodiesel → prodotto da canna da zucchero, barbabietola.
4. Fermentazione → processo di conversione biochimica attraverso il quale la biomassa è decomposta grazie a batteri enzimi: brucia più rapidamente di una biomassa: minore temperatura, minore calore disperso.
5. Digestione anaerobica: insieme di processi biologici mediante i quali le sostanze organiche possono essere digerite in un ambiente privo di ossigeno, eliminando la produzione di biogas, funghi, solitamente si utilizzano deiezioni animali, civili, rifiuti alimentari.
6. Conversioni meccanico → spremitura di vegetali (biodiesel da olio di vegetali, grassi da cucine, spremitura semi oleaginosi)(semi di colza, soia, girasole) → biodiesel estere etere ricavati miscelati con diesel fossile e oli vegetali, derivati da acidi grassi sottoposti a reazione con alcoli generando estere ed acqua. Processo chimico che può produrre minori CO, HC e CO₂ rispetto al diesel misto ma particolato uguale ma più grosso.

Combustibili

Solidi, liquidi, gassosi.

Naturali

• Attuali - legno - rinnovabile, emissione nulla di CO₂.
• Recenti - torba - prodotto di metamorfosi di sostanze vegetali, scarso pregio, inquinante.
• Fossili - lignitacei e carboni - trasformazione sotterranea anaerobica - i più importanti.

Artificiali

Scaldando ad alta temperatura i combustibili naturali in assenza di aria, si ottiene un residuo carbonioso che, a seconda del combustibile naturale processo, costituisce i vari combustibili artificiali.

• Legna - carbone di legna - non si utilizza più per la scarsità di legna.
• Torba - semi-coke - riscaldamento a 500 °C di torba e ligniti.
• Lignitacei e carboniosi - coke - sopra i 900 °C.
• Carbone - combustibile più importante e abbondante, economico, stabile e affidabile.

Inquinante ➔ particolato, CO, SO_x, NO_x, e molta CO₂.

Gassificazione ➔ conversione di un qualsivoglia combustibile a contenuto carbonioso in un prodotto gassoso, con un potere calorifico di interesse tecnico.

Petrolio - miscela naturale composta principalmente da idrocarburi, che si accumula in giacimenti sotterranei e che può presentarsi allo stato ➔ gassoso (gas naturale), liquido (oli medio-pesanti), solido (bitume).

Formazione ➔ roccia madre ➔ cracking ➔ migrazione ➔ accumulo.

Condizioni termiche adeguate rottura atomica carbonio primaria e secondaria produce meno CO₂ del carbone.

Rilevamento ➔ perforazione ➔ sollevamento ➔ investimento ➔ meccanismo di spinta ➔ trasporto ➔ raffinazione pozzo.

Raffinazione ➔ di combustibili: benzina, diesel, GPL, cherosene, olefine, bituminosi, lubrificanti.

Temperatura di ebollizione a pressione atmosferica dei diversi componenti varia da 162 °C a oltre 500 °C.

Benzina ➔ T: 40÷200 °C.

Gasolio ➔ T: 180÷285 °C.

Trasporto gas ➔ GNL, CNG ➔ bassa densità di energia, costoso lo stoccaggio e il trasporto produce meno CO₂ del petrolio.