Appunti completi Risorse Energetiche Rinnovabili

Risorse energetiche rinnovabili – Riassunti

Programma

• Rinnovabili stato corrente
• Le reti e il mercato FER
• Impianti idroelettrici
• Turbine
• Criteri economici
• Es. impianto acqua fluente
• Eolico e vento
• Aerogeneratori

Rinnovabili stato corrente

Classificazione delle fonti energetiche (definizioni)

In base alla loro origine:

• Fonti primarie: direttamente disponibili in natura come carbone fossile, petrolio, gas naturale, combustibili nucleari, biomasse, energia idraulica, solare, eolica, geotermica.
• Fonti secondarie: frutto di una trasformazione a partire da una fonte primaria come energia elettrica, energia meccanica, derivati del petrolio (benzine, olii combustibili, etc), derivati del carbone (carbon coke, etc), rifiuti solidi urbani.

In base alla loro disponibilità:

• Fonti rinnovabili: inesauribili (es. energia solare) o virtualmente inesauribili (es. biomasse...)
• Energia solare:
  • Diretta: termica, fotovoltaica
  • Indiretta: idraulica, eolica, biomasse, moto ondoso
• Geotermia (+ aerotermia ed idrotermia)
• Maree
• Combustibili nucleari
• Fonti non rinnovabili: destinate all'esaurimento, in quanto sfruttate ad un ritmo superiore a quello di rinnovamento naturale (es. combustibili fossili...)
  • Combustibili fossili (solidi, liquidi, aeriformi)
  • Combustibili nucleari (fissione convenzionale)

La definizione di rinnovabilità è labile, essa è scalata in base alla vita umana. Le fonti non rinnovabili hanno tempi di rinnovamento così lunghi che non interessano a noi.

In base al loro utilizzo:

• Fonti programmabili: possano essere programmate in base alla richiesta di energia
  • Impianti idroelettrici a serbatoio e bacino
  • Rifiuti solidi urbani
  • Biomasse
  • Impianti assimilati che utilizzano combustibili fossili
  • Combustibili di processo o residui
• Fonti non programmabili: fonti intermittenti per natura
  • Impianti di produzione idroelettrici fluenti
  • Eolico
  • Geotermico
  • Fotovoltaico
  • Biogas

La maggior parte delle energie rinnovabili non sono programmabili! Questo ricade nel problema che l’energia elettrica è difficilmente stoccabile in grandi quantità, quindi deve essere utilizzata appena prodotta. L’unica energia verde veramente programmabile è l’idroelettrico perché attraverso l’utilizzo di bacino e serbatoio possiamo decidere noi quando attivare le turbine ed eventualmente se viene prodotta energia in surplus può essere utilizzata per azionare delle pompe di reinvio dell’acqua nel serbatoio.

Fonti energetiche rinnovabili (F.E.R.): definizioni formali

• Direttiva 2001/77/CE: “fonti energetiche non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas)”
• DIRETTIVA 2003/54/CE: “norme comuni per il mercato interno dell'energia elettrica”
• DIRETTIVA 2009/28/CE (direttiva RES – Renewable Energy Sources): “Sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili”, recepita dal DL n.28 del 03/03/2011.

Per l’EU le rinnovabili sono: energia solare (solare termico e termodinamico, solare fotovoltaico), energia eolica, energia idroelettrica, energia geotermica, energia da biomasse-agroenergie (biocarburanti, gassificazione, biogas, oli vegetali, olio di alghe, cippato), energia marina (energia delle correnti marine, energia a gradiente salino energia mareomotrice, energia del moto ondoso, energia talassotermica), energia da acqua di falda, energia aerotermica, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione.

Flussi di energia

Fonti primarie → Trasformazioni → Usi finali

Il primo grafico rappresenta i flussi di energia. Le fonti rinnovabili sono principalmente utilizzate per produrre energia elettrica, così come il carbone. Solo il petrolio e il carbone vengono utilizzati in derivati.

Il secondo grafico rappresenta il fabbisogno di energia globale (475 exajoules, 10 joule) divisa come possiamo vedere in:

• Oil, utilizzato principalmente per far girare motori e solo in piccola parte per produrre elettricità
• Biomassa, utilizzate per essere bruciate
• Gas, utilizzato in maggior parte per essere bruciato ed in minor parte per produrre elettricità
• Carbone, utilizzato nella maggior parte per produrre elettricità
• Nucleare
• Fonti rinnovabili

Nel campo però mondiale non vengono utilizzati i joule, ma dobbiamo fare conversioni con diverse unità di misura. Joule rappresentano una energia. Watt rappresentano una potenza, sono uguali a J/s, cioè una energia diviso un tempo.

Unità di misura degli usi finali

Importanti conversioni:

• 1 Mwh ~ 0.1 toe
• 1 Twh ~ 100 Ktoe
• 1 ExaJ ~ 278 Twh

Energia nei vari settori

Energia analisi dell’utilizzo del sole

Rispetto ad altre fonti rinnovabili il sole è poco denso. Per produrre la solita quantità di energia abbiamo bisogno di una maggiore area. Se facciamo un confronto con ad esempio l’energia del mare.

In W/m² si misura l’intensità di potenza. Potenza media annua (che arriva totalmente sulla terra): 340 W/m². Energia sulla costa della Sardegna (una delle coste meno produttive energeticamente): 10 kW/m di costa.

La differenza di densità è molta ma se paragoniamo questo in relazione all’estensione, possiamo vedere che la differenza è grande. La superficie della terra è infinitamente più grande rispetto all’estensione delle coste. Quindi se facciamo un’analisi totale possiamo vedere come altre energie risultano molto più piccole dell’energia solare. Ovviamente però dobbiamo tenere conto di fattori come la superficie energeticamente sfruttabile (non possiamo mettere pannelli solari sugli oceani).

Semplici calcoli logici per capire la grandezza del fenomeno. Superficie della terra: 510·10⁶ Km²

Sole: Bassa densità, elevata superficie. Altre fonti energetiche: Alta densità, bassa superficie sfruttabile.

Scala mondiale utilizziamo generalmente i Tw (terawatt)

Scala nazionale utilizziamo i Gw (gigawatt)

La potenza che arriva dal sole è possibile ottenerla moltiplicando la potenza media annua per la superficie totale: 340 · 510 × 10⁶ = 170 · 10³ / 2

L’energia che ci fornisce il sole si ottiene moltiplicando la potenza per il tempo in ore, cioè le ore che abbiamo in un anno (8760): 170 · 10³ · 8760 ≈ 1.5 · 10⁹

Sapendo che l’energia che serve alla terra per funzionare in un anno è 475 exaJ, cioè se facciamo la conversione essendo 1 = 278 Twh.

Abbiamo (riferito ad un anno):

• Energia prodotta dal sole = 1.5 · 10⁹
• Energia consumata dalla terra = 132 · 10³

Analizzando vediamo che il sole è molto più energetico di quello che ci serve in un anno, ben 4 ordini di grandezza maggiore. Anzi, ben 1100 volte maggiore di quello che ci servirebbe. Se potessimo accumulare energia, quello che ci serve in un anno è prodotto in 45 minuti dal sole.

Questo calcolo approssimativo però deve tenere conto del fatto che:

• Gli oceani non possono essere sfruttati, quindi la superficie utilizzabile si riduce notevolmente: 510 × 10⁶ → 150 × 10⁶
• L’energia è maggiormente distribuita nei punti in cui i raggi sono perpendicolari alla superficie terrestre, nei deserti, o nei posti meno abitati, in cui non serve produrre energia elettrica o in cui potrebbero essere installati dei pannelli però poi ci sarebbe il problema di trasportarla fino agli utilizzatori avendo ovviamente molte perdite energetiche nei lunghi tratti.

Quindi ricapitolando il sole è POCO DENSO e MAL ALLOCATO nel mondo.

In generale all’aumentare della popolazione il trend è di crescita del consumo di energia, quindi non mi interessa quanto consuma il mondo, ma quanto è il consumo pro-capite a persona.

Potenza media annuale pro-capite = 3 kw

Partendo da 340 W/m², integrando in un anno abbiamo che: 340 = 3000 / m²

Questa rappresenta la media del globo, ma essa è sovrastimata perché dipende dalla geografia e dalla posizione. La media di Torino è all’incirca 1200-1300.

Vogliamo sapere quanta superficie ci vuole per soddisfare il fabbisogno di 3 KW a persona.

Annualmente risulta: 3 · 8760 = 26280 J

Otteniamo quindi un’area di 21.7 m²

In tutto questo calcolo però non abbiamo tenuto conto del rendimento del pannello solare. Consiste proprio un problema quello perché è un limite da superare. Il rendimento è circa 0.10/0.26 ed è il rapporto tra l’energia prodotta dal sole e l’energia elettrica. Un valore medio è circa 16-20%.

Quindi l’area non è più 21.7 m², ma molti di più, circa 110 m².

Analisi dei costi

Attualmente il costo medio di un pannello solare è di circa 2000 €/KW, quindi se consideriamo i 3 KW di una casa abbiamo bisogno di un investimento di 6000 €.

Uno dei problemi del sole è principalmente che non è equidistribuito nella giornata ma che segue una gaussiana che ha il punto di picco durante la giornata.

L’irraggiamento poi dipende da:

• Stagionalità
• Località

Per soccombere al problema della produzione di energia vengono installati dei pacchi batterie che hanno la funzione di accumulo. Purtroppo però tale accumulo è limitato per 3-4 ore quindi non riescono lo stesso ad arrivare all’autosufficienza.

Il pacco batterie ha un costo di circa 6000 €, a cui ovviamente sono da aggiungere i costi dell’allaccio alla rete elettrica e quelli di installazione. Semplicemente da un’analisi sommaria forfettaria, l’investimento riguarda la spesa di circa 15000 €, da ammortizzare negli anni.

I pannelli solari hanno generalmente una vita di 20 anni. Quindi il costo annuo risulta di 300 €.

Il pacco batterie è dimensionato dal produttore in base ai KWh (buone batterie sui 6-12) e in base ai cicli di ricarica. 4000 cicli consistono in circa 10 anni di utilizzo, se il ciclo di carico e scarico viene effettuato una volta al giorno.

Questo comporta quindi un costo di ammortamento annuo di 600 €.

Considerando anche gli altri costi, il costo annuo risulta di 1100 €. In relazione al costo dell’energia esso è più alto, infatti essi fu possibile installarli solo grazie agli incentivi e non per la loro convenienza economica.

Un altro aspetto da analizzare riguarda la potenza. I famosi 3 KW non devono rappresentare la potenza di picco ma quella media, quindi devo determinare quanta è la potenza di picco per avere 3KW medi nella giornata.

Coefficiente di utilizzo: 0.773 · 24 = 1.73

Esso risulta di circa 0.14. Non va confuso con il rendimento perché questo è quello che riesco a produrre in relazione alla potenza massima della risorsa. Noi abbiamo il sole, un’ottima risorsa ma mal distribuita.

Risulta quindi che per produrre 3 KW medi abbiamo bisogno di una potenza di picco di circa 15 KW.

Importante è anche sottolineare che l’energia prodotta è data da: E = P · n · t

Il valore di E risulta basso perché il rendimento è molto basso così come il coefficiente di utilizzo della risorsa. Generalmente un privato paga in bolletta circa 0.2 €/KWh.

Grid parity

Momento in cui il costo annuo ammortizzato del mio impianto arriverà ad essere uguale alla produzione, cioè il flusso di cassa in ingresso che deriva dalla vendita o consumo di energia pareggia il costo di investimento. Nessuna energia rinnovabile è arrivata a questo livello!! Per questo motivo è favorevole installarle solo in caso di incentivi. Incentivi per sopperire alla differenza di costi, ma sono stati tolti perché principalmente è stato saturato il mercato.

Futuro della grid parity

Nel futuro la parità tra grid parity potrà essere ottenuta grazie a:

• Aggiornamenti tecnologici per aumentare il rendimento quindi aumentare i ricavi a parità di costo. Allo stesso tempo la tecnologia permetterà di ridurre i costi dei pannelli solari utilizzando materiali innovativi.
• Aumento del petrolio. È molto importante questo impatto perché proprio durante le grandi crisi petrolifere si è permesso lo sviluppo di energie rinnovabili. Questo comporterà un aumento del costo della vita.

Quadro energetico internazionale

Questo grafico rappresenta i consumi in relazione al tipo di essi. La correlazione è generalmente crescente con la popolazione. Sono indicate anche alcune deflessioni relative a cause extra-energetiche, generalmente le guerre o alcune cause geopolitiche. Il gas naturale fortunatamente ha visto sempre più un aumento dell’utilizzo. L’impennata del carbone è dovuta alla produzione della Cina, perché essa ha poco petrolio. Nel grafico a torta possiamo vedere come comunque la risorsa energetica rinnovabile più diffusa è l’idroelettrico, sfruttata soprattutto dai paesi come la Norvegia che hanno grande disponibilità di acqua. Le risorse rinnovabili, che fanno parte della categoria other, nel 1973 rappresentavano solo lo 0,1% e nel 2016 il 1.7%, ed è una buona crescita.

Il legame tra consumi e sviluppo

Il fabbisogno di energia di un Paese (E) è legato a vari fattori quali:

• Numero abitanti, N
• Livello di sviluppo socio-economico (PIL pro-capite)
• Attività economiche prevalenti
• Livello di sviluppo tecnologico e socio- economico
• Capacità di utilizzare in modo razionale ed efficiente le risorse disponibili

Intensità energetica è data dalla correlazione tra l’energia utilizzata, il numero di abitanti ed il relativo PIL: E / (N · PIL)

È importante analizzare questo grafico perché rappresenta il legame tra consumi e guadagno, cioè relativo all’intensità. Vediamo che il primo tratto è in crescita perché all’inizio non sono “capace” quindi dovrò spendere molto per produrre non avendo tecnologie. Arrivati ad un certo punto raggiungiamo il plateau perché sono sviluppo e sono più bravo a consumare quindi consumo di meno. Una differenza importante da analizzare è la differenza tra Cina e US. La decrescita è funzione della tecnologia, che mi permette di consumare di meno a parità di prodotto. I principali 3 produttori al mondo sono:

• Stati Uniti
• Arabia Saudita
• Russia

Risorse fossili: problemi aperti

Problemi attuali: aspetti geo-politici ed economici, legati a:

• Distribuzione non uniforme delle risorse
• Speculazioni finanziarie
• Stabilità Internazionale e Conflitti mondiali

A medio e lungo termine:

• Esaurimento delle risorse
• Impatto ambientale ed in particolare: effetto serra e riscaldamento globale

Esaurimento delle risorse

La teoria del picco di Hubbert è un modello proposto, nella sua formulazione iniziale, nel 1956 dal geofisico americano Marion King Hubbert, che modella l'evoluzione temporale della produzione di una qualsiasi risorsa minerale o fonte fossile esauribile. Dopo la formulazione iniziale della teoria, molti lavori successivi sono stati effettuati per "raffinare" ulteriormente la parte matematica dei modelli nonché per estendere il campo di validità della teoria.

Esaurimento delle risorse? Secondo l'Energy Information Administration (EIA) nello Short Term Energy Outlook di gennaio la produzione di Petrolio statunitense aumenterà a 9,3 milioni di barili giornalieri nel corso del 2018 a fronte degli 8,9 milioni di barili giornalieri del 2016. A guidare questo incremento produttivo sarà il prodotto estratto nelle principali aree dedicate alla produzione di Tight Oil, ossia Texas, North Dakota, Oklahoma, e New Mexico. Con tight oil si intende un tipo di petrolio intrappolato nelle rocce o nelle argille, che viene estratto in maniera molto simile allo shale gas: si raggiunge il giacimento di tight oil con la trivellazione orizzontale e poi si procede alla sua estrazione con esplosivo e fratturazione idraulica (fracking).

Protocollo di Kyoto

La motivazione della nascita del Protocollo di Kyoto, risiedeva nel contrasto al cambiamento climatico, probabilmente il più grande e preoccupante problema ambientale dell’era moderna, con le emissioni di CO2 in atmosfera che si costituiscono come il principale costituente dell’impronta ecologica umana.

I gas climalteranti (GHG – GreenHouse Gases):

• CO2 (anidride carbonica), prodotta dall’impiego dei combustibili fossili
• CH4 (metano), prodotto dalle discariche dei rifiuti, dagli allevamenti zootecnici e dalle coltivazioni di riso
• N2O (protossido di azoto), prodotto nel settore agricolo e nelle industrie chimiche
• HFC (idrofluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere
• PFC (perfluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere
• SF6 (esafluoruro di zolfo), impiegato nelle industrie chimiche e manifatturiere

Sottoscritto l’11 dicembre 1997 durante la Conferenza delle...