Appunti Sistemi energetici - seconda parte

Cos’è la transizione energetica?

Al giorno d'oggi, indichiamo più specificamente il passaggio da un mix energetico basato principalmente

sui combustibili fossili a uno basato su fonti energetiche più pulite e rinnovabili.

Ciò implica cambiare il modo in cui produciamo, distribuiamo e utilizziamo l'energia.

Potenziali benefici della transizione energetica:

-ridotta vulnerabilità delle economie a causa delle fluttuazioni dei prezzi dell'energia

-riduzione delle emissioni inquinanti da qualsiasi settore, inclusi industria, trasporti, agricoltura, ecc.

-ridotta dipendenza dall'importazione di energia

-transizione verso un modello di economia circolare

-design per il riciclaggio

-digitalizzazione ed elettrificazione.

Alcune conclusioni sono indiscutibili:

-È indiscusso che l'attività umana abbia alterato la temperatura dei mari e delle terre.

-Le proporzioni dei cambiamenti climatici non hanno precedenti negli ultimi cento di migliaia di anni.

Fonti di energia rinnovabile

Una fonte di energia “rinnovabile” è una fonte la cui disponibilità può essere considerata illimitata nel

tempo:

-energia solare,

-energia eolica,

-energia idroelettrica,

-energia dalle biomasse o dai rifiuti,

-energia geotermica,

"L'energia può essere trasformata da una forma all'altra, ma non può essere né creata né distrutta"

Le uniche fonti primarie di energia rinnovabili sono:

-l’energia solare

-energia geotermica (nucleare)

-energia delle maree

Cosa ostacola la diffusione delle rinnovabili?

-alto costo del capitale da investire,

-interazione con l'ambiente circostante,

-produzione di energia molto variabile in funzione della disponibilità delle risorse,

-bassa producibilità,

-scelte politiche in termini di incentivi,

-aspetti sociali.

Integrazione con l'ambiente circostante

Anche se gli effetti positivi sulle emissioni sono indubbi, vanno affrontate problematiche specifiche

legate al consumo di suolo e all'integrazione visivo/strutturale con l'ambiente

Interessi contrastanti:

il caso della biomassa:

-effetti positivi se il loro sfruttamento è connesso alla mitigazione ambientale,

-effetti negativi se si sottrae troppo suolo all'agricoltura.

il caso dei pannelli fotovoltaici:

-effetti positivi se installati sul tetto di un edificio industriale (magari in sostituzione dell'amianto),

-effetti negativi se si sottrae troppo suolo all'agricoltura.

Disponibilità della fonte e integrazione di rete:

L'energia elettrica è la fonte energetica più versatile e sfruttata (> 5 miliardi di persone).

Non può essere accumulato e immagazzinato (in quantità significative per grandi utenti o paesi).

-la produzione di energia deve corrispondere alla richiesta istantanea della rete,

-la maggior parte dell'energia è prodotta da grandi impianti funzionanti con combustibili fossili, che

funzionano quasi continuamente.

Mix energetico e stabilità della rete:

L'aumento delle fonti energetiche rinnovabili distribuite implica una corretta gestione della rete e la sua

stabilità.

Domenica 16 giugno 2013, per la prima volta nella storia, il prezzo delle rinnovabili è stato inferiore a

quello delle fossili e l'Italia ne è stata completamente alimentata.

Con le reti attuali la penetrazione STABILE delle rinnovabili è compresa tra il 25% e il 30%.

Migliorare la penetrazione delle rinnovabili:

Le principali modalità per aumentare la penetrazione delle rinnovabili nella rete sono:

-l'utilizzo di SMART GRIDS, ovvero reti “attive” più piccole in grado di comunicare all'interno della rete

stessa, comprese reti più piccole in grado di gestire in modo più flessibile i carichi.

-il miglioramento dei metodi/dati per una migliore previsione della disponibilità di rinnovabili.

Cogenerazione

Qualità dell’energia termica: si riferisce alla temperatura a cui si trova, che ne definisce il possibile

utilizzo.

Esempio di utilizzo sbagliato:

Cosa possiamo fare a livello industriale?

-aumentare l’efficienza dei sistemi di produzione dell’energia attualmente in uso, ad esempio con la

cogenerazione o trigenerazione (che aumentano l’efficienza del sistema), o la sostituzione dei

componenti con le nuove tecnologie.

-“ibridizzare” i sistemi produttivi con fonti rinnovabili. Cioè metodi per ridurre l’utilizzo di combustibili,

usando (anche senza sostituire) l’ausilio di energia da fonti rinnovabili.

-recuperare cascami termici dei processi per convertirli in effetti utili.

-far evolvere la gestione dei processi e dei flussi energetici in ottica “Smart”.

Cogenerazione:

La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e calore. I sistemi coogenerativi si

dicono anche CHP (combined heat and power).

Molti processi hanno bisogno di energia termica ed elettrica simultaneamente, tradizionalmente energia

termica ed elettrica venivano prodotte separatamente. L’energia elettrica viene prodotta nelle centrali

termoelettriche, disperdendo nell’ambiente energia termica a bassa temperatura. Per produrre

l’energia termica, invece, si usavano caldaie, che convertono il combustibile in energia termica.

Si può quindi risparmiare usando sistemi coogenerativi che producano contemporaneamente energia

elettrica e termica, questo è uno dei metodi più efficace di risparmio energetico.

Concept cogenerazione:

Gli impianti di cogenerazione nascono dal tentativo di sfruttare il calore disperso da un impianto di

produzione di energia elettrica, dispersione che è insita nel processo stesso di generazione di tale

energia. (Non tutto il calore dissipato però può essere recuperato, parte viene persa comunque).

Gran parte dell'energia termica viene utilizzata a temperature relativamente basse, utilizzando

processi di combustione, solitamente a temperature fra i 100 e 400 gradi.

Gli impianti di cogenerazione nascono dal tentativo di sfruttare il calore disperso da un impianto di

produzione di energia elettrica, dispersione che è insita nel processo stesso di generazione di tale

energia.

Da ricordare che non tutto il calore dissipato può essere recuperato. Una porzione viene comunque

dispersa anche nel ciclo di produzione combinata.

Componenti della cogenerazione

-motore primo: è un generatore di potenza, genera energia a partire da un combustibile. Può essere

di vari tipi. Può essere di piccola taglia, ad esempio il motore a combustione interna o la turbina a

gas, o di taglia grande come le turbine a vapore, o gli impianti a ciclo combinato turbine a gas/

turbine a vapore.

-generatore elettrico che converte l’energia meccanica del motore in energia elettrica.

-degli scambiatori di calore, che svolgono la funzione di recupero del calore. Questi sono una delle

voci di costo maggiore.

Tipologie di “motore primo” più moderne ma ancora in evoluzione sono i turbogeneratori ORC, le

microturbine, gli impianti con celle a combustibile (fuel-cells), gli impianti con motori Stirling.

La scelta del motore primo da usare è importante, non sono tutti uguali, e va fatta in base alla taglia

necessaria e al suo impiego.

Inoltre la scelta va fatta in base alla qualità dell’energia termica, non tutti gli impianti producono

energia alla stessa temperatura.

Rendimento elettrico

Valuta solo le prestazioni dell’impianto per la produzione di energia elettrica. Il calore prodotto non

viene considerato effetto utile.

Dove Wel è la potenza elettrica prodotta e Qf è il calore fornito.

Rendimento totale (o di primo principio)

Valuta sia l’energia elettrica che termica come effetto utile sullo stesso livello.

Dove Qut è il calore utile. ⑧ . da

œ⑰é

Indice elettrico

Indica il rapporto fra energia elettrica prodotta e calore utilizzato.

Indice di risparmio energetico (IRE)

Quantifica il risparmio di energia che possiamo avere con la cogenerazione rispetto alla soluzione

tradizionale. Dove Qin_cog è il combustibile necessario per la cogenerazione.

Scelta del motore primo

Motore a combustione interna

I valori di indice elettrico sono elevati (0,7-1,5).

Si recupera calore a diverse temperature:

-dell’acqua di raffreddamento (90 gradi)

-dei gas di scarico (400 gradi)

-dall’olio lubrificante (120 gradi)

-dall’interrefrigerazione del compressore per motori sovralimentati (variabile sotto i 100 gradi)

In generale il motore da calore a basse temperature.

Turbine a gas

Sono molto efficienti e compatte, ma poco flessibili in regolazione. Hanno un indice elettrico sbilanciato

sulla parte elettrica (0,7-1).

Il punto critico è rappresentato dal rendimento della caldaia a recupero, solitamente non superiore a 0,7

in queste applicazioni. Turbina a gas

Impianti a vapore a contropressione

Il motore può essere un ciclo. Sono impianti semplici, con indice elettrico molto basso (0,1-0,2).

L’impianto è rigido, il carico termico dell’utenza comandi rispetto alla produzione di energia elettrica.

L’impianto è adatto per cogenerazione industriale in settori ad alto consumo di calore.

I costi di manutenzione sono bassi.

È un impianto a vapore, nel quale il condensatore lavora in condizioni pressurizzate calde.

Impianti a vapore a spillamento

Sono impianti molto flessibili per la regolazione indipendente di carico elettrico e termico. I valori di

indice elettrico sono bassi (0,2-0,3). L’impianto è molto adatto per la cogenerazione industriale, in settori

con alto consumo di calore. I costi di manutenzione sono molto bassi.

Vantaggi della cogenerazione

Risparmio di energia primaria in media del 30%. Riduzione delle emissioni inquinanti, è la tecnologia con

la più alta riduzione di CO2 in relazione all’investimento. Minori perdite di distribuzione per il sistema

elettrico nazionale.

Cogenerazione ad alto rendimento (CAR)

È stata definita da una direttiva europea la cogenerazione ad alto rendimento, cioè se il risparmio di

energia primaria supera un valore minimo stabilito dalla legge, sono previsti ulteriori incentivi e benefici

fiscali.

Per la piccola cogenerazione (capacità inferiore a 1MWe) e la micro-cogenerazione (capacità massima

inferiore a 50kWe) è sufficiente che tali sistemi generino un risparmio di energia rispetto alla

produzione separata. Negli altri casi, invece, il sistema coogenerativo deve garantire un risparmio almeno

del 10%.

Teleriscaldamento

Il teleriscaldamento è un’applicazione civile della cogenerazione.

Trigenerazione

La trigenerazione può essere considerata un’estensione della cogenerazione, dove alla produzione di

elettricità e calore si aggiunge la produzione di aria o di acqua fredda. Questo sistema può essere utile

per situazioni in cui serve contemporaneamente elettricità, aria fredda, e calore, ad esempio in un

supermercato. La trigenerazione supera un limite della cogenerazione, cioè la sua scarsa applicazione

dove il calore serve solo in alcuni momenti, come ad esempio nel caso dell’utenza domestica, dove il

riscaldamento serve principalmente nel periodo invernale. Con la trigenerazione, invece, è possibile

generare energia frigorifera usando il calore come sorgente, quindi è possibile usare l’impianto anche nei

mesi caldi quando è molto richiesta l’aria condizionata.

La trigenerazione viene anche indicata come CCHP (combi ed cooling, heating and power).

Il funzionamento dell’impianto si basa sull‘utilizzo di una soluzione di due sostante, di cui una

refrigerante. Solitamente come refrigerante viene usato il bromuro di litio, miscelato all’acqua. Quando

la soluzione entra a contatto con il calore si divide in due soluzioni, una ricca di bromuro di litio,

refrigerante, una ricca d’acqua e povera di bromuro di litio. Il bromuro di litio assorbe calore

dall’acqua da refrigerare

Vantaggi e problematiche della trigenerazione

Il trigeneratore permette di sfruttare più del 80-85% del combustibile, sia come fonte di

riscaldamento che come energia per alimentare un ciclo frigorifero.

Rispetto agli impianti a pompa di calore usati solitamente per il condizionamento hanno un coefficiente

di efficienza COP molto più basso, questo perché viene alimentata con il calore di scarto.

Vantaggi:

-minore utilizzo di combustibile, maggiore efficienza.

-riduzione delle perdite durante la trasmissione dell’energia.

-riduzione dell’impatto ambientale.

-risparmio economico nel medio/lungo periodo.

Svantaggi:

-l’energia ottenuta non è facilmente accumulabile.

-non c’è sempre compatibilità fra la quantità di energia elettrica e termica necessarie.

-la vicinanza fra luogo di produzione e utenza dell’energia non è sempre realizzabile (quindi viene

meno la riduzione di perdite durante la trasmissione).

-sono vantaggiosi se la potenza richiesta dall’utenza supera una certa soglia.

Cicli ORC

I cicli ORC sono sistemi basati su un ciclo termodinamico a ciclo chiuso, che consentono la produzione di

energia termica e elettrica, adatto alla generazione distribuita.

Energia eolica

Introduzione

L’energia eolica è una delle fonti di energia più economica, ed è ampiamente utilizzata in Europa.

Anche in Italia è molto utilizzata nonostante non sia un paese molto ventoso. Si prevede per il futuro

che in Europa fra il 21,6% e il 38% dell’energia usata e prodotta sia eolica.

In Italia gli impianti eolici sono modelli vecchi, di conseguenza piccoli, poiché è stato uno dei primi

paesi ad installarli. Per rimodernare gli impianti il GSE offre degli incentivi (repowering), questo

perché la sostituzione dei vecchi impianti ha un basso impatto ambientale, e ì nuovo impianti arrivano

a quintuplicare la potenza generata.

Gli impianti più grandi, nonostante riescano a generare una potenza molto maggiore, hanno alcuni

problemi, fra questi nuovi è l’immissione in rete. La potenza generata dall’ eolico non è dispacciabile, è

una potenza fluttuante, c’è il rischio che in alcuni momenti ci sia un sovraccarico della rete.

Inoltre da macchine piccole a macchine più grandi cambia anche il tipo di vento con cui lavorano.

Le turbine di dimensioni inferiori lavorano con i venti locali, cioè venti che sono stati a contatto con la

superficie terrestre, e hanno incontrato ostacoli. Infatti, quando i moti di aria toccano la terra, si crea

una zona di 200-300m di altezza dove il moto del vento incontra degli ostacoli (strato limite

atmosferico). Gli impianti più alti, invece, interagiscono con i macromoti atmosferici, i quali sono ancora

poco studiati.

Ovviamente anche le turbine eoliche hanno un impatto sull’ambiente, ma molto minore rispetto ad

altre fonti energetiche, inoltre la costruzione di parchi eolici ha una severa regolamentazione.

L’origine del vento

L’energia eolica in realtà è un sottoprodotto dell’energia solare, questo perché il vento è un movimento

di massa d’aria originato da una differenza di pressione dovuta ad un diverso irraggiamento solare tra

due zone. Il moto dell’aria avviene perché l’aria calda tende a salire e viene rimpiazzata da quella

fredda. Questo avviene anche a livello globale, l’aria calda sale all’equatore e viene rimpiazzata con

l’aria fredda dei globi.

I macromoti di aria, generati dalla differenza di temperatura fra i poli e lequatore, danno origine ai

venti geostropici. La rotazione della terra da origine alla forza di coriolis, per effetto della quale i

venti si dividono in celle. Questi venti sono chiamati venti alisei, e sono venti costanti. I venti alisei non

arrivano sulla crosta, perché i venti che arrivano solo quelli locali, dati dalle interazioni con la crosta

terrestre. In Mare però non ci sono ostacoli, e ci arrivano quindi i venti alisei.

Venti locali

I venti locali sono legati a vari fenomeni, come la brezza di terra e la brezza di mare. Di mattina, al

mare, la terra ha una capacità termica minore di quella del mare, quindi la terra si scalda prima del

mare, l’aria calda sale e richiama aria fredda dal mare. La mattina c’è quindi la brezza di mare, cioè

un vento freddo che proviene dal mare. La ser