Appunti Tecnologie delle energie rinnovabili

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate

Tecnologie

per le energie rinnovabili

·

Radiazione solare Solare termico

·

Fotovoltaico e termodinamico Eolico

· ·

Idroelettrico Geotermia Biomasse

Corso Tecnologie delle Energie Rinnovabili

Docente prof. Giuseppe Franchini

Appunti a cura di Cristiano Rollo

Anno accademico 2020/2021

Indice

Notazione 5

I Il quadro energetico e la risorsa solare 6

1 Le fonti energetiche 7

1.1 Energia primaria, energia convertita, energia dissipata . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Le forme dell’energia e i dispositivi che le convertono . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Le fonti rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Il fabbisogno di energia primaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Il quadro mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Le fonti rinnovabili in Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Gli scenari di lungo periodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 La radiazione solare 16

2.1 Cenni di fisica del Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Lo spettro della radiazione solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Gli angoli solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4 I diagrammi solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Le componenti della radiazione al suolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 Le ore equivalenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

II Il solare termico 29

3 I collettori solari 30

3.1 Le tipologie di collettore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Il collettore piano vetrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 Il bilancio energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4 Le prestazioni dichiarate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5 I collettori non vetrati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.6 I collettori a tubi evacuati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.7 Il confronto fra le tre famiglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4 Gli impianti solari termici 49

4.1 Circolazione naturale e circolazione forzata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2 I serbatoi di accumulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3 L’integrazione con i sistemi ausiliari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4 Gli impianti combinati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.5 Il dimensionamento di massima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.6 I collettori ad aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.7 L’accumulo stagionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

1

Indice 2

5 Il solar cooling 62

5.1 Perché il solar cooling funziona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.2 Collettori solari e frigoriferi ad assorbimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.3 I sistemi DEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.4 Collettori solari e frigoriferi ad adsorbimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.5 La progettazione ottimizzata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

III Il solare fotovoltaico e termodinamico 77

6 L’effetto fotovoltaico e la cella 78

6.1 Bande di energia e semiconduttori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.2 Il livello di Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.3 Il drogaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.4 La giunzione p-n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.5 La cella illuminata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.6 La curva caratteristica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.7 Il comportamento fuori progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7 I moduli fotovoltaici 94

7.1 La struttura del modulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7.2 I diodi di bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7.3 Le condizioni di prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7.4 Le tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7.5 Le quote di mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.6 Le architetture di cella più recenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.7 Le prestazioni attuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.8 I costi e il tempo di ritorno energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

8 I sistemi fotovoltaici 107

8.1 La produzione delle celle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.2 Le tre architetture di impianto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.3 I sistemi a inseguimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.4 Il fotovoltaico a concentrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

8.5 I moduli ibridi termici-fotovoltaici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

8.6 Il dimensionamento di massima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9 Il solare a concentrazione 117

9.1 I concentratori solari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.2 Le quattro architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.3 I fluidi termovettori e l’accumulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.4 I cicli termodinamici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

IV L’eolico 133

10 La risorsa vento e i modelli aerodinamici 134

10.1 La risorsa vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

10.2 Il modello del disco attuatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

10.3 La teoria di Betz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Indice 3

10.4 La teoria impulsiva vorticosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

11 La turbina eolica 149

11.1 Il profilo palare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

11.2 Le architetture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

11.3 Le pale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

11.4 Le curve di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

11.5 Il controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

11.6 L’eolico off-shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

11.7 Le turbine ad asse verticale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

V L’idroelettrico 164

12 L’idroelettrico convenzionale 165

12.1 La risorsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

12.2 La classificazione degli impianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

12.3 Le turbine idrauliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

12.4 La scelta della macchina e il dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

13 L’idroelettrico alternativo 178

13.1 Il moto ondoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

13.2 Le maree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

13.3 Le correnti marine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

13.4 I gradienti termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

VI La geotermia 190

14 La risorsa geotermica e le centrali 191

14.1 I sistemi ad alta entalpia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

14.2 Le centrali geotermoelettriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

14.3 Le turbine a vapore geotermiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

14.4 L’impiego diretto del calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

15 Le pompe di calore geotermiche 199

15.1 Il ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

15.2 La sorgente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

15.3 Il funzionamento reversibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

15.4 I sistemi a circuito chiuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

15.5 I sistemi a circuito aperto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

15.6 Il confronto economico fra le alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

VII Le biomasse 209

16 La risorsa biomassa 210

16.1 Pregi e limiti della risorsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

16.2 La fotosintesi clorofilliana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

16.3 Le caratteristiche della biomassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Indice 4

16.4 La produttività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

17 I processi di trasformazione della biomassa 218

17.1 La combustione diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

17.2 La gassificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

17.3 La piròlisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

17.4 I processi biologici e fisico-chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Notazione

Le grandezze che ricorrono in più di un capitolo sono raccolte qui con il simbolo e l’unità

adottati nel testo. I simboli usati in un capitolo solo sono definiti dove compaiono, in legenda

attaccata alla formula. Le sigle sono quelle internazionali, sciolte alla prima occorrenza di

ogni capitolo.

Energia e potenza

E. Energia J, oppure kW h negli usi industriali.

P. Potenza W.

Q̇. Potenza termica W.

Rendimento di conversione, adimensionale.

η.

Sigle Fonti energetiche rinnovabili.

FER. Gestore dei servizi energetici.

GSE. Migliaia di tonnellate equivalenti di petrolio; Mtep per i milioni.

ktep. Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico.

OCSE. 5

Parte I

Il quadro energetico e la risorsa solare

6

Capitolo 1

Le fonti energetiche

trasformazione dell’energia da una forma esistente in natura a

Conversione energetica:

un’altra forma, utilizzabile dall’utenza finale. Ogni tecnologia esposta nel libro è un modo di

eseguire questa trasformazione a partire da una risorsa che la natura ricostituisce.

1.1 Energia primaria, energia convertita, energia dissipata

E Energia nella forma in cui esiste in natura, prima di qualunque trasfor-

Energia primaria .

P

mazione operata dall’uomo.

E Energia resa disponibile all’utenza nella forma in cui questa la richie-

Energia convertita .

C

de.

Il rapporto fra le due definisce il rendimento della conversione:

E

C

= (1.1)

η conv E

P

E E

con = energia convertita, = energia primaria impiegata. Il rendimento è sempre minore

P

C

dell’unità e il suo valore dipende dalla coppia di forme fra cui avviene la trasformazione, non

dalla qualità costruttiva del dispositivo soltanto.

E : quota dell’energia primaria che non si ritrova come effetto utile.

Energia dissipata D −

=

E E E (1.2)

D P C

Energia primaria Energia convertita

SISTEMA E

E C

P ENERGETICO

trasformazione da

una forma esistente

in natura a un’altra

Energia elettrica

Energia fossile Energia termica

Energia rinnovabile Energia frigorifera

Figura 1.1: Schema di principio della conversione energetica. Il sistema energetico

E

riceve energia primaria nella forma in cui esiste in natura e restituisce energia

P

E

convertita nella forma richiesta dall’utenza. Le frecce piccole sono le forme in

C

cui l’una e l’altra si presentano più spesso; il colore ne distingue il ruolo, come

nell’originale.

L’energia primaria si presenta all’ingresso del sistema energetico in due forme:

7

1. Le fonti energetiche 8

Energia chimica legata a un combustibile fossile.

Energia fossile. Energia associata a una risorsa che la natura ricostituisce a un ritmo

Energia rinnovabile.

confrontabile con quello di impiego.

All’uscita le forme richieste dall’utenza sono tre: energia elettrica, energia termica ed energia

frigorifera, cioè energia termica a bassa temperatura.

1.2 Le forme dell’energia e i dispositivi che le convertono

Le forme in cui l’energia si presenta sono sei, e si distinguono per il tipo di forza o di supporto

a cui sono associate:

Associata alle forze subatomiche.

Nucleare. Associata alle forze molecolari.

Chimica. Associata alle onde elettromagnetiche.

Radiante. Associata al moto delle cariche.

Elettrica. Associata al movimento della materia, come energia cinetica o di pressione.

Meccanica.

Associata all’agitazione microscopica, cioè al calore.

Termica.

Ogni dispositivo di conversione occupa una casella della matrice che incrocia la forma di

partenza con quella di arrivo (tabella 1.1). Le caselle vuote non sono impossibili in linea di

principio: sono quelle per cui non esiste un dispositivo di impiego corrente.

↓ →

da a chimica radiante elettrica meccanica termica

nucleare Reattori

nucleari

chimica Celle a Caldaie,

combustibile, combustori

batterie

radiante Fotosintesi Celle Collettori solari

fotovoltaiche

elettrica Elettrolisi Lampade Motori elettrici Pompe di calore

meccanica Alternatori Turbine

termica Motori Scambiatori di

termodinamici calore

Tabella 1.1: Matrice delle conversioni energetiche: la riga è la forma dell’energia

primaria, la colonna quella dell’energia convertita. In verde le conversioni su cui si

fonda lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, in rosso quelle legate ai combustibili,

→

come nell’originale. Le turbine occupano la casella meccanica meccanica

perché sfruttano velocità e pressione di un fluido per rendere energia meccanica

su un albero rotante.

1.3 Le fonti rinnovabili Risorsa energetica che la natura ricostituisce a un ritmo

Fonte energetica rinnovabile.

almeno pari a quello con cui viene impiegata.

relativo:

La rinnovabilità è quindi un concetto dipende dal rapporto fra due velocità, quella

di ricostituzione e quella di prelievo. Il petrolio si forma anch’esso, ma su tempi geologici, e

viene consumato molto più in fretta di quanto si riformi: per questo non è rinnovabile. Al

1. Le fonti energetiche 9

contrario, una biomassa è rinnovabile solo nella misura in cui viene prelevata a un ritmo che

il bosco o la coltura riescono a sostenere.

Le due qualità possono coincidere ma non sono la

Rinnovabile non significa pulito.

stessa cosa: la combustione di una biomassa è rinnovabile e produce comunque emissioni,

mentre un impianto nucleare non emette anidride carbonica e non è rinnovabile.

Le fonti rinnovabili impiegate su scala industriale sono:

Energia emessa dal Sole sotto forma di onde elettromagnetiche e intercet-

Radiazione solare.

tata dalla Terra.

Energia meccanica dell’aria in movimento. I moti nascono dall’assorbimento disuni-

Vento.

forme della radiazione solare sulla superficie del pianeta: fra zone più calde e zone più

fredde si stabiliscono differenze di pressione e quindi flussi d’aria.

Energia meccanica, potenziale e cinetica, dell’acqua che scen-

Idroelettrico da acqua fluente.

de lungo un bacino imbrifero. Il ciclo che riporta l’acqua a monte è alimentato dalla

radiazione solare.

Energia associata alla variazione periodica del pelo libero delle acque, di origine

Maree.

gravitazionale.

Energia delle onde superficiali, generate dal vento.

Moto ondoso. Energia degli spostamenti di grandi masse d’acqua, indotti dalla radiazione

Correnti marine.

solare attraverso i gradienti di temperatura e di salinità.

Energia chimica accumulata da ciò che deriva da un processo di fotosintesi

Biomasse.

clorofilliana.

Energia associata al calore endogeno della Terra, cioè al nucleo di magma fuso.

Geotermia. Fanno eccezione la

Tutte le rinnovabili discendono dalla radiazione solare, tranne due.

geotermia, che viene dal calore endogeno del pianeta, e le maree, di origine gravitazionale.

Tutte le altre sono forme in cui l’energia solare si è già trasformata, e hanno quindi

origine nucleare: nascono dalla fusione che avviene nel Sole.

1.4 Il fabbisogno di energia primaria

L’energia primaria impiegata dall’uomo in un anno del XXI secolo corrisponde a una potenza

media di 12 TW. Le previsioni per il XXII secolo sono di circa 40 TW: l’aumento è dovuto alla

crescita demografica e al maggiore consumo pro capite dei paesi che oggi consumano poco.

L’energia radiante che il Sole riversa sul suolo terrestre in un anno corrisponde a una

2

potenza media di 117 000 TW, cioè circa 230 W/m sull’intera superficie del pianeta.

Il rapporto

La risorsa solare eccede il fabbisogno di quasi quattro ordini di grandezza.