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Il ciclo della CO 2

L’atmosfera scambia carbonio con la biosfera e l’oceano tramite diversi processi.

Dall’atmosfera:

• Quando il sole sta splendendo, fotosintesi nella parte verde delle piante per convertire diossido di carbonio in

carboidrati, rilasciando ossigeno. Questo processo è più efficace quando le piante crescono.

6 +6 0→ +6

• Alla superficie degli oceani vicino ai poli, l’acqua di mare si raffredda ed è formato più bicarbonato dato che la

diventa più solubile.

• Nelle zone oceaniche ad alta produttività biologica, organismi convertono carbonio in tessuto, o carbonati in

parti del corpo rigide come gusci.

Nell’atmosfera: +6 →6 +6 0

• Tramite la respirazione eseguita da piante e animali:

• Tramite il decadimento di piante e animali morti. I batteri convertono il carbonio da composti di carbonio in

se è presente ossigeno, in se è assente.

• disciolto viene rilasciato nell'atmosfera.

Nella superficie degli oceani quando l'acqua diventa più calda, il

• Eruzioni vulcaniche: i gas vulcanici sono principalmente vapore acqueo, e .

Nell’atmosfera a causa dell’attività umana:

• Tramite combustione di materiali organici (biomassa e combustibili fossili).

• Produzione di cemento, poichè viene rilasciato quando il calcare viene riscaldato per la produzione della

→ +

calce, un componente chiave del cemento:

Il Ciclo del Carbonio comprende 4 maggiori serbatoi: l’atmosfera, la biosfera terrestre, gli oceani e i sedimenti (compresi

i combustibili fossili). Lo scambio annuale di carbonio tra i serbatoi è dovuto a vari processi chimici, fisici, geologici e

biologici. Una parte del surplus di origine antropica di viene assorbita dagli oceani e una gran parte di questa viene

iniettata nell’atmosfera.

nelle piante

Accumulo di CO

2

Durante la fase di crescita delle piante, l’assorbimento di attraverso la fotosintesi è prevalente rispetto al rilascio di

con la respirazione: quindi una pianta cattura . Il carbonio catturato si “accumula” nella biomassa della pianta:

~50% ~30% ~17% ~3%

per un tipico albero in bosco, nel tronco, nei rami, nelle radici, nelle foglie. La quantità

sequestrata dipende dalla specie, dall’età, dalla struttura e

dal grado di salute della foresta. L’accumulo di può

~15

variare da Kg/anno per piccoli alberi a lenta crescita

~350

fino a Kg/anno per alberi più grandi al loro massimo

ritmo di accrescimento.

Si consideri la curva di accumulo del carbonio nella

biomassa epigea per impianto di specie tipo pioppo o

frassino.

Calcolo di massima del “rendimento energetico” della conversione di energia solare in biomassa

Si consideri la pianta di pioppo e alla luce della curva di crescita, ipotizziamo che il taglio avvenga dopo 10 anni

dall’impianto. Nota quindi la dimensione della pianta al momento del taglio, si può stabilire a quale distanza vadano

2

impiantate le piante giovani: stabiliamo a 10 m una dall’altra, quindi una pianta ogni 100 m .

Si ipotizzi che la biomassa ricavabile da tronco e rami da ogni pianta sia pari a 1 ton, pertanto possiamo assumere che la

2

resa sia pari a 1 kg/m anno. Per il potere calorifico inferiore del legno di pioppo possiamo assumere il valore medio di

~2500 kcal/kg, ovvero 10.5 MJ/kg. Pertanto la resa energetica della coltivazione del pioppo si può assumere in media

~11 2 anno.

pari a MJ/m

La potenza radiante solare al suolo è pari al 49% (vedere bilanci-sole terra) della potenza incidente al bordo della

0.49 ∙ /4 = 168 ~

2 2

stratosfera, ovvero in media pari a W/m 0.5 x 1010 J/m anno (la superficie sferica della Terra è 4 volte

.

più grande della sua sezione diametrale ed essendo la costante solare Ks calcolata rispetto alla superficie, deve essere divisa per 4)

Perciò il rendimento energetico della conversione dell’energia solare in potere calorifico di biomassa può essere scritto:

In realtà non tutta la potenza radiante solare al suolo è sfruttabile nei processi di fotosintesi (la quota di radiazione

diretta è utilizzata completamente, mentre quella di radiazione diffusa solo in parte), il rendimento va leggermente

~0.3

aumentato e nel caso considerato si può assumere pari a %.

Effetto serra antropico

L’attività antropica consiste nella combustione di fonti fossili a scopo energetico per il settore pubblico civile, industriale

e terziario, nella deforestazione tropicale, nell’attività industrializzata, etc. Questo ha un certo numero di effetti

collaterali in termini di impatto ambientale. I più importanti dei quali sono:

• L'inquinamento atmosferico, come un effetto diretto immediato della emissione

di prodotti chimici e polvere (anche l’inquinamento dell’acqua deve essere

considerato, poiché l'acqua di raffreddamento viene riscaldata);

• effetto indiretto sul clima globale, a causa di emissioni di gas serra (GHG) –

soprattutto CO2 e Metano – il cui effetto è ritardato e persistente.

I principali gas serra sono: (anidride carbonica), (metano), (ossido di azoto),

composti alogenati o fluorocarburi (CFC, ).

L’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), un organismo dell’ONU, afferma che esistono ormai segni

incontrovertibili sull’influenza dell’attività umana sul clima terrestre:

1. La superficie terrestre si è riscaldata di 0,6±0,2 °C nel corso del secolo appena passato.

2. Il 1998 è stato l’anno più caldo dal 1861 (da quando si dispone di misure strumentali dirette della temperatura).

3. Gli ultimi due decenni sono stati i più caldi del secolo scorso.

4. I tre anni più caldi del secolo scorso sono compresi nell’ultimo decennio.

5. I dodici anni più caldi del secolo scorso sono stati successivi al 1983.

6. L’incremento di temperatura nel 20° secolo è stato probabilmente il più elevato di tutti i secoli dell'ultimo

millennio.

7. Le precipitazioni atmosferiche estreme cominciano ad interessare zone del mondo sinora immuni.

8. Il livello medio dei mari aumenta (è cresciuto tra 0,1 e 0,2 m nell’ultimo secolo).

9. I ghiacci nella zona artica si assottigliano.

10. Gli eventi atmosferici estremi hanno incidenza crescente in alcune parti del mondo

Le proiezioni sulla futura situazione climatica della Terra, sempre secondo L’ IPPC, si possono così sintetizzare:

• La temperatura media globale della superficie terrestre aumenterà tra 1,4 e 5,8 °C nel periodo 1990-2100.

Questa variazione di temperatura sarà maggiore di tutte le fluttuazioni naturali recenti, ed avrà luogo con

velocità sensibilmente maggiore di quanto mai accaduto negli ultimi 10000 anni.

• Il livello medio dei mari aumenterà tra 9 e 88 cm nel periodo tra il 1990 e il 2100, per effetto dell’espansione

termica dell’acqua e dello scioglimento del ghiaccio sulla terraferma.

• Vengono inoltre discusse una varietà di conseguenze dirette ed indirette di questi mutamenti climatici.

L’80-90% delle emissioni è prodotta nell’emisfero nord e, a causa dell’equatore e delle forze di Coriolis, l’inquinamento

difficilmente si mescola tra i due emisferi. Le previsioni portano ad un arrivo della concentrazione di pari a 500ppm

per ogni modello nel 2050, mentre nel 2100 fino a 1000ppm. A causa dell’innalzamento del mare gran parte della

popolazione che vive sulle coste dovrà essere evacuata all’interno, si parla di più di 50 milioni di persone in Asia, tra i 10

e i 50 in Africa e la sommersione di aree emerse.

Nel 2015 si è sottoscritto il COP21-2015 basato sullo sviluppo sostenibile e sugli sforzi per sradicare la povertà:

• tenere l'aumento della temperatura media globale troppo ben al di sotto di 2°C rispetto ai livelli pre-industriali;

• aumentare la capacità di adattarsi agli effetti negativi dei cambiamenti climatici in un modo che non metta a

repentaglio la produzione alimentare;

• fare finanza che consenta un percorso verso basse emissioni di gas serra e uno sviluppo resistente ai

cambiamenti climatici.

Tasso di Interesse e Valore nel Tempo del Denaro

L’interesse è il “canone di affitto” del denaro, cioè il corrispettivo riconosciuto a chi eroga il prestito per il mancato

utilizzo per altre finalità del denaro prestato, ovvero la capacità di generare guadagno riconosciuta al denaro preso in

!

prestito. L’interesse è normalmente definito da un tasso su un periodo di riferimento (di solito un anno).

Dal punto di vista di chi eroga il prestito, l’interesse ripaga la scelta di privarsi dell’uso di una somma di denaro per il

soddisfacimento di proprie necessità o per un proprio investimento che avrebbe prodotto reddito, ecc. Il tasso di

interesse richiesto tiene perciò conto:

- della remunerazione della rinuncia ad usi alternativi, ma anche

- del rischio che il debitore non sia in grado di restituire la somma nei modi e nei tempi pattuiti e

- delle spese di gestione del prestito (amministrazione, indagini patrimoniali sul debitore, ecc.).

Dal punto di vista di chi lo riceve, il riconoscimento di un tasso di interesse da corrispondere al creditore è giustificato

dall’uso a cui si intende destinare il denaro preso in prestito:

- se per la soddisfazione di un bisogno personale (p.e. l’acquisto di un’abitazione), il tasso dovrà essere

commisurato al valore assegnato all’immediato (anzichè differito) godimento del bene;

- se per il finanziamento di una attività che produrrà un guadagno (p.e. un’attività commerciale o una centrale

elettrica), l’interesse dovrà essere inferiore al guadagno atteso.

Poichè il denaro può consentire in generale un guadagno ad un certo tasso di interesse (capacità di reddito), grazie al

suo investimento per un certo numero di anni, una somma disponibile ad una data futura vale generalmente meno della

stessa somma disponibile immediatamente, da cui discende il concetto di VALORE nel TEMPO del DENARO. !.

Un capitale iniziale P (Principal in inglese), aumenterà il suo valore in un anno del tasso di interesse annuale Alla fine

" = #! #,

dell’anno sarà maturato un interesse da aggiungere al capitale in modo che la somma finale risulta pari a

= #(1 + !). !,

Se il periodo è pari ad anni ed il tasso di interesse annuale rimane costante e pari ad alla fine dell’ -esimo anno la

somma finale (detta anche Montante) viene calcolata con o due modalità di calcolo degli interessi:

• L’interesse viene calcolato alla fine di ogni anno sul capitale iniziale. In tal caso si parla di capitalizzazione

= #(1 + !);

semplice:

• L’interesse viene calcolato alla fine di ogni anno sul montante già realizzato. In tal caso si parla di

= #(1 + !) & .

capitalizzazione composta:

Oltre cha alla capacità di reddito (earning power) il VALORE nel TEMPO del DENARO è anche dovuto alla variazione nel

tempo del suo potere d’acquisto (purchasing power), dovuta all’inflazione. Il tasso di inflazione si riferisce normalmente

'

al potere d’acquisto di una somma alla fine del periodo considerato: se, per esempio, è il tasso di inflazione annuale, il

1 + ' 1

potere d’acquisto di una certa somma oggi è volte quello della stessa somma nominale tra anno, ovvero il

1 1/(1 + ')

potere di acquisto tra anno è volte quello della stessa somma nominale oggi.

! ',

Tenendo allora conto sia del tasso di interesse che del tasso di inflazione si può porre, dopo un anno:

('

1+! 1 + − ') + ! !−'

=# =# = # )1 + *

1+' 1+' 1+'

!

Pertanto, se è il tasso di interesse nominale, il tasso di interesse reale è dato da:

!−'

! =

+ 1+'

Valutazione e Scelta degli investimenti nel settore energetico

La scelta degli investimenti, in ogni settore economico, ed in modo particolare in quello dell’energia, coinvolge molti

aspetti, non tutti immediatamente prevedibili e quindi valutabili.

Si tratta in generale di decidere l’esborso di una somma generalmente cospicua in un arco di tempo relativamente breve

(costi di investimento) a fronte di un previsto ricavo (o un minore costo di gestione, nel caso ad esempio di un

intervento di efficienza energetica) differito nel tempo (almeno per tutto quello richiesto per la costruzione

dell’impianto, più eventualmente il tempo necessario al completamento dell’iter autorizzativo per l’entrata in funzione

dello stesso) e “spalmato” su un intervallo temporale relativamente lungo.

Per poter valutare la convenienza di più alterative di investimento nel medesimo settore e con il medesimo scopo (p.e.

la produzione di energia elettrica), occorre fare l’ipotesi che non solo i costi di investimento (che sono sostenuti in

periodo relativamente breve) ma anche i costi di gestione, i vincoli normativi, la domanda ed il prezzo di vendita del

bene prodotto (l’energia elettrica in questo caso), l’ammontare di possibili incentivi o penalizzazioni, siano tutti noti per

l’intera durata dell’esercizio dell’impianto e rappresentabili in termini monetari.

Nella nostra trattazione, assumeremo che il decisore sia “privato”, e dunque persegua l’obbiettivo di massimizzare il

proprio profitto, tenendo conto -se del caso- della normativa (restrittiva o premiante) volta a proteggere un interesse

“pubblico”. Il decisore baserà pertanto la sua scelta sulla rappresentazione nel tempo del flusso di esborsi e ricavi

(“ricavi”=“minori esborsi” nel caso di investimenti in efficienza energetica), detto FLUSSO di CASSA (cash flow), associato

a ciascuna delle alternative considerate.

Flusso di cassa

Il flusso di cassa relativo ad una attività può essere rappresentato graficamente o tabulato, nell’ipotesi semplificativa

che ricavi ed esborsi siano concentrati alla fine di ciascun anno degli di durata di vita dell’attività. Un flusso positivo è

un ricavo, uno negativo un esborso. Negli investimenti in efficienza energetica i ricavi sono sostituiti da minori esborsi.

Per poter valutare la convenienza di diverse alternative, per ciascuna di esse occorre rappresentare il flusso di cassa per

l’intera durata di vita. Per questo sono necessarie informazioni di carattere tecnico (prestazioni dell’impianto, durata nel

tempo, ecc.), economico e normativo. Queste informazioni vanno quindi rappresentate tutte con parametri economici.

Tutti i parametri che concorrono a definire il flusso di cassa sono valutabili con un certo grado di incertezza, che in

genere aumenta con la distanza nel tempo:

- p.e., i costi di esercizio e manutenzione di una centrale elettrica a 15 anni dall’entrata in servizio sono valutabili

con maggiore incertezza che non a 2 o 3 anni (previsione degli effetti dell’invecchiamento, dell’andamento dei

prezzi del combustibile, ecc); lo stesso dicasi per i ricavi (prezzo di vendita dell’energia elettrica, mercato

dell’energia elettrica, variazioni di normative, ecc.). A proposito di ricavi, va osservato che investimenti in

efficienza energetica, poiché il fruitore del minore esborso è lo stesso decisore, non risentono dell’incertezza del

mercato ma se mai di quella nella valutazione dell’entità del risparmio avanti negli anni.

Pertanto, ogni decisone che coinvolga un numero elevato n di anni comporta un rischio, tanto più grande quando più

grande è . È comprensibile allora che nella valutazione di più alternative, si tenda a trascurare i risultati attesi molto

avanti nel tempo e siano privilegiate le opzioni che risultino vantaggiose sulla base del flusso di cassa dei “primi” anni.

Flusso di cassa nel tempo

Si consideri, per esempio, di aver negoziato il prestito di un capitale di 100.000 €, da investire in una qualche attività e di

avere la possibilità di scegliere tra 2 alternative di restituzione, in entrambi i casi in 5 anni, al tasso annuale del 7%:

1) Pagamento degli interessi maturati alla fine di ogni anno e del capitale alla fine del 5° anno (capit. semplice);

2) Pagamento degli interessi e del capitale alla fine del 5° anno (capit. complessa).

Nella rappresentazione grafica del flusso di cassa, gli incassi sono

indicati con una freccia positiva (verso l’alto = aumento della

disponibilità di cassa); gli esborsi con una freccia negativa (verso il

basso = diminuzione della disponibilità di cassa). Per chi prende in

prestito il capitale, le 2 alternative sono rappresentate di seguito

(naturalmente per chi lo presta i segni sono opposti).

Fattore di Capitalizzazione Composta Annuale e Fattore di Sconto (finanziario) Composto

#

Se un capitale è preso in prestito oggi e deve essere restituito in un’unica soluzione tra anni ad un tasso di interesse

!,

annuale quale cifra occorre sborsare alla fine dell’ -esimo anno?

# !,

ll valore finale (o montante) , di un capitale (iniziale) impiegato ad interesse composto annuale al tasso è

(1 + !)

= #(1 + !)

& &

, dove Il fattore prende il nome di fattore di capitalizzazione composta annuale.

!?

Quale capitale P occorre investire oggi per disporre di un montante tra anni, al tasso annuale Ovvero, se una

certa somma sarà disponibile tra anni, quale valore ha essa oggi?

#

Il valore attuale di un capitale disponibile tra n anni, al tasso annuale i, (ovvero quanti soldi P devo investire per

+ !)

# = (1 + !) ,& ,&

, dove il fattore(1 prende il nome di fattore di sconto (finanziario)

avere un capitale finale F) è

composto.

Montante di un’annualità immediata posticipata ad interesse composto

-

Se una cifra viene investita sempre uguale alla fine di ciascuna anno per n anni,

!,

al tasso annuale qual è il Montante (valore finale) alla fine dell’ -esimo anno?

Il flusso di cassa è rappresentato dalla figura a destra.

Occorre calcolare quello che si chiama il Montante di un’annualità immediata posticipata per n anni ad interesse

-;

composto, al tasso i. Il valore finale sarà dato dalla somma dei valori finali di ciascuna annualità ovvero:

&, = - + -(1 + !) + ⋯ + -(1 + !) + -(1 + !)

= . -(1 + !) / &, &,

/01 (1 (1

+ !) + !) = -(1 + !) + ⋯ + -(1 + !) + -(1 + !)

&, &

moltiplicando per ambo i membri, si ottiene: (1 + !) − = −- + -(1 + !)

&

sottraendo la prima equazione alla seconda, si ottiene:

5

( ,

34)

=-

da cui: 4 ⁄

[(1 + !) − 1] !

&

dove il fattore corrisponde al montante (o valore finale) dell’annualità immediata posticipata di 1 €

(oppure di una rendita certa di rata annuale di 1 €), ad interesse composto con tasso i.

Ad esempio, in un piano pensionistico, l’accantonamento di 3000 €/a per 35 anni, ad un tasso annuale del 4%, fa

maturare una somma finale pari a 3000(1.0435-1)/0.04~221000 €; ovvero la cifra annuale moltiplicata per 73.6.

5

( 34) ,

=- -

L’espressione fornisce anche il valore della annualità immediata posticipata da accantonare ogni anno

4

affinchè dopo anni sia disponibile un montante noto:

4

-= ( 34) ,

5 1/[(1 + !) − 1]

&

dove Il fattore è il termine di costituzione del capitale di 1 € in n anni al tasso i.

Annualità Posticipata necessaria ad estinguere in n anni un debito presente

Se viene investito oggi un capitale P per n anni al tasso di interesse i, qual è l’annualità

immediata posticipata costante che si può incassare alla fine di ogni anno?

Il flusso di cassa è rappresentato dalla figura a destra. n !,

Ovvero, per estinguere un debito presente (contratto oggi), con annualità immediate posticipate al tasso a -

quanto ammonta l’annualità? (in questo secondo caso il flusso ha i segni cambiati). In altre parole, la rata annua

!

posticipata (cioè sborsata alla fine di ciascun anno) necessaria ad ammortare (estinguere) in anni al tasso

[! ],

(1

# - = + !) − 1

&

l’ammontare disponibile oggi si può ricavare sostituendo nella relazione il montante scritto

P = #(1 + !)

&

in funzione del capitale iniziale , ovvero ottenendo:

!(1 + !)

&

-=# (1 + !) − 1

&

[!(1 ] [(1

+ !) + !) − 1]

& &

dove il fattore è il fattore di ammortamento in anni al tasso i di 1 €, ovvero l’annualità

posticipata necessaria ad estinguere in anni al tasso i il debito presente di 1 €.

Valore Attuale di una Annualità Immediata Posticipata incassata per n anni

Con riferimento al flusso di cassa rappresentato in figura, il valore attuale

#

(o valor capitale iniziale) di una annualità (o rendita certa) immediata

- !,

posticipata incassata per anni, al tasso annuale risulta:

& (1 + !) − 1

&

= -

# = . -(1 + !)

,/ !(1 + !)

&

/0

Tempo di ritorno dell’investimento (Payback period)

#,

Se viene investito oggi un capitale qual è il periodo di tempo (nel nostro caso il numero di anni N) entro il quale

si recupera l’investimento, grazie ad un flusso di cassa positivo , costante, al tasso di sconto ?

Nell’ipotesi che anno per anno il flusso di cassa sia costante (pari ad ), la situazione è la seguente: #,

Ovvero, un flusso di cassa annuale posticipato , costante, consente di recuperare un investimento iniziale in

anni al tasso di sconto quando:

dove prende in nome di tempo di ritorno attualizzato (discounted payback period).

Si può osservare che: = #/

Pertanto per tasso di sconto molto piccolo (al limite zero), risulta ; in questo caso, prende il nome di tempo

di ritorno (non attualizzato)

D’altra parte, fissato il tasso di attualizzazione , si osserva che:

Ovvero, al tasso , un flusso di cassa positivo consente di recuperare al massimo (cioè in un tempo tendente ad

/

infinito) un investimento pari ad .

In generale la differenza tra tempo di ritorno e tempo di ritorno attualizzato è tanto più grande quanto maggiore è il

tasso di attualizzazione e, a parità di tasso, quanto più lungo è il tempo di ritorno stesso.

Costo Attualizzato dell’Energia Elettrica (Average Lifetime Levelised Electricity Generation Cost)

Per la progettazione, costruzione, esercizio e manutenzione di un impianto di generazione di energia elettrica gli esborsi

possono essere sostenuti in momenti diversi, a partire dalla fase di costruzione (k anni), precedente l’esercizio

dell’impianto per tutta la sua durata di vita utile (n anni). Per ciascun anno, gli esborsi sono costituiti da:

" ;

• /

gli investimenti effettuati in generale nei anni precedenti l’esercizio + gli anni di vita utile della centrale;

<

• /

i costi di esercizio e manutenzione (escluso l’eventuale combustibile) in generale ricorrenti durante gli anni

di vita utile della centrale; in inglese sono indicati come “Operation and Maintenance Costs” - “O&M”;

• /

Il costo del combustibile, espresso di solito come consumo annuo x costo unitario del combustibile (per il

produttore di elettricità il costo del combustibile è il prezzo contrattuale concordato con il fornitore)

I ricavi provengono dalla vendita dell’energia elettrica prodotta negli anni di vita utile.

=-esimo > ?

/ @

Se nel anno viene prodotta la quantità di energia elettrica e è il costo di generazione unitario (incognito),

allora, attualizzando ad oggi il costo dell’energia elettrica generata ogni anno e tutti i costi sostenuti, di anno in anno,

si può scrivere: & & & &

costo degli investimenti (1 ) (1 ) (1 ) (1 )

. ? > + = . " + + . < + +. +

,/ ,/ ,/ ,/

effettuati in generale @ / / / /

nei k anni precedenti /0 /0,A /0 /0

l’esercizio + gli n anni di

vita utile della centrale ?

costo della totale @

+ da cui è il costo attualizzato dell’energia elettrica (in inglese Average Lifetime

energia elettrica Levelised Electricity Generation Cost):

i costi di esercizio e

prodotta dalla = =

manutenzione ricorrenti

realizzazione della durante gli anni di

centrale (j=1) vita utile della centrale

+

Il costo del combustibile

durante gli anni di

vita utile della centrale

Il costo attualizzato riporta al valore presente (anno di riferimento) tutti I costi, applicando un tasso di attualizzazione.

Il tasso considerato più appropriato per il settore della generazione elettrica varia in generale da Paese a Paese e nello

stesso Paese a seconda della tecnologia e della società che opera l’investimento: tassi di attualizzazione annuali tipici

sono compresi tra 5% e 10%.

L’espressione generale può essere semplificata assumendo che gli investimenti necessari per la costruzione della

#,

centrale siano proporzionali alla potenza installata secondo un coefficiente caratteristico della tecnologia

"

BC

considerata, delle peculiarità del sito, ecc. , espresso di solito in [€/kW]. Si fa riferimento in questo caso ai così

∑ (1 )

" = " #.

+

&/0,A ,/

/ BC

detti overnight costs (ovvero ai costi immediati di costruzione). Pertanto si può porre:

E

Inoltre, indicando con il numero di ore annue di produzione della centrale alla potenza nominale (producibilità-

> = #.

/ E

availability), in media negli anni di vita utile, risulta: #,

Anche i costi di esercizio e manutenzione possono essere considerati proporzionali alla potenza installata il costo

specifico dipendendo sostanzialmente dal tipo di impianto, e si può fare riferimento ad un valore medio annuale per

< = F#.

/

tutta la vita utile. Pertanto si può porre: '

B

Se si considera il consumo specifico di combustibile , espresso di solito in (kg/kWh), e il costo unitario del combustibile

? = ? ' >

G / G B /

, espresso di solito in (€/kg), il costo del combustibile si può porre come: .

Sostituendo nell’espressione del costo attualizzato, si ottiene:

Nel caso particolare di elettricità da fonte rinnovabile, per l’assenza del costo del combustibile, l’espressione si riduce a:

Il Silicio e la giunzione p-n

Si consideri il materiale semiconduttore Silicio, il quale ha 4 elettroni di valenza:

• drogaggio di donatori: genera elettroni liberi nella banda di conduzione aggiungendo atomi pentavalenti di

Fosforo in cui solo 4 dei 5 elettroni di valenza sono necessari a formare i legami covalenti del reticolo, mentre il

quinto elettrone passa allo stato di elettrone libero senza che si formi alcuna lacuna. Il semiconduttore si dice

drogato di tipo N.

• drogaggio di accettori: genera lacune nella banda di valenza aggiungendo atomi tetravalenti di Boro in cui ogni

atomo di impurità si lega con quelli adiacenti ma, avendo solo 3 elettroni di valenza rispetto all’atomo

semiconduttore il quale ne ha 4, si forma una lacuna senza elettroni liberi. Il semiconduttore si dice drogato di

tipo P.

Poiché nei pressi della giunzione le lacune e gli elettroni hanno concentrazioni diverse, alcuni elettroni liberi della parte

N si diffondono attraverso la giunzione dalla regione ad alta concentrazione di carica a quella a bassa concentrazione

riempiendo le lacune dalla parte P. Perciò la regione della parte P vicina alla giunzione acquista una carica negativa e in

modo analogo la regione della parte N vicina alla giunzione acquista una carica positiva. Analoghe considerazioni

valgono per la diffusione di lacune dalla parte P alla parte N. Il risultato è che a causa della densità di carica non nulla

nella giunzione nasce una barriera di potenziale, negativa dalla parte P e positiva dalla parte N.

Quindi si ha che una regione svuotata di portatori di carica si estende da entrambe le parti di una giunzione P-N e

penetra più profondamente nella parte meno drogata.

La cella fotovoltaica

Funzionamento

Quando la radiazione solare colpisce la superficie della cella, i fotoni con energia superiore al gap energetico tra banda

di valenza e banda di conduzione (Energy Gap = 1.1 eV nel caso del Si), generano ciascuno una coppia elettrone-lacuna.

Nel silicio cristallino questo processo ha luogo su tutto lo spessore della cella, con concentrazione che dipende dalla

= HI),

G

radianza solare e dallo spettro. I fotoni ad energia più elevata (> nella gamma dell’ultravioletto fino al blu dello

spettro visibile, vengono assorbiti più in prossimità della superficie, mentre quelli a più bassa energia, verso il rosso e

nella gamma dell’infrarosso al più ad una distanza dalla superficie dell’ordine dei 100 μm.

Gli elettroni e le lacune così formatisi diffondono nel cristallo, tendendo ad assumere una distribuzione uniforme; le

coppie elettrone-lacuna hanno vita media dell’ordine del ms: dopo di che si ricombinano neutralizzandosi e cedendo

energia sotto forma di calore, oppure, prima che ciò accada, in parte riescono a raggiungere la giunzione.

Alla giunzione il campo elettrico rovescio separa elettroni e lacune accelerando gli uni verso l’elettrodo negativo (lato n)

e le altre verso quello positivo. Se alla cella è collegato un carico, in esso circolerà una corrente elettrica, per mezzo della

quale elettroni e lacune infine si ricombinano.

Il Si riesce a trattenere solo una parte dello spettro in arrivo dal sole: di solito dal 100% di radiazione solare in arrivo solo

una parte pari al 7-23% viene convertita in elettricità, mentre la restante parte pari al 77-97% viene convertita in calore.

Una cella fotovoltaica è in grado di operare la conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Le celle

fotovoltaiche oggi prodotte si basano su due tecnologie:

• celle al silicio cristallino (mono- o multi-cristallino)

• celle a film sottile (al silicio amorfo o microcristallino o con semiconduttori policristallini compositi)

I moduli fotovoltaici al silicio cristallino detengono circa l’80% del mercato mondiale, mentre la restante parte riguarda

le celle a film sottile.

Caratteristica elettrica

Per ciò che concerne la sua caratteristica elettrica, una cella fotovoltaica illuminata dall’irradiazione solare può essere

rappresentata da un circuito equivalente costituito da:

- un generatore di corrente;

- con in parallelo un diodo; J

K

- ed una resistenza interna . " "

"

L MM N

attraverso il diodo è trascurabile, pertanto coincide con .

In condizioni di cortocircuito,

O O

1 @

La tensione a vuoto corrisponde alla barriera di potenziale .

= " O = 0), " J = 0.

N MM L P

Partendo dalla situazione di cortocircuito (" ; la corrente attraverso il diodo è trascurabile e

"

L

Aumentando la tensione la situazione permane fino a quando la corrente attraverso il diodo comincia a crescere e, per

= " + " = '! " "

"

N L P P N

, perciò la corrente attraverso il carico non sarà più uguale a ma

la legge di Kirchhoff "

P

diminuirà. Questo processo continuerà fino a quando la corrente attraverso il carico si azzera e ci si trova nella

= 0; O = O

N 1 ).

situazione di circuito aperto (" 2

La caratteristica si riferisce ad una cella al Si cristallino, di superficie pari a 10 cm , alla temperatura di 25°C, con

2

irradianza pari a 1000 W/m e spettro fuori dall’atmosfera.

#

QRS

La potenza massima estraibile, è data dall’area del massimo rettangolo inscrivibile nella caratteristica. Per una

#

QRS

cella al Si cristallino, si ha di solito alla tensione di 0.4-0.5 V.

/(!UU V! W ∙ UX ). # = 127 Z/F

T T = #

QRS QRS

Nel caso considerato risulta ;

Il rendimento della cella è dato da

T = 12.7 %.

pertanto

Un aumento dell’irradianza comoporta:

" #

MM QRS

- netto aumento della e quindi della ;

O

1

- modesto diminuzione della .

Un aumento della temperatura della cella comporta:

"

MM

- modesto aumento della ; O #

1 QRS

- netta riduzione della tensione a vuoto e quindi della .

Rendimento – Perdite di efficienza

Il rendimento reale di una cella è determinato da una prima serie di fattori:

• Schermatura del contatto frontale: compromesso tra “raccolta” di elettroni e schermatura; tipicamente le

perdite dovute al contatto frontale sono dell’ordine del 10%;

• Riflessività della superficie frontale: una parte dell’irradiazione incidente viene riflessa dalla superficie; coating o

rigatura per ridurre la riflessione; perdite associate limitate in questo modo a circa il 3%;

• Assorbimento incompleto dell’irradiazione solare: i fotoni con energia inferiore al gap non producono corrente

elettrica; più alto il gap, più elevate le perdite associate a questo effetto;

• Utilizzazione parziale dell’energia dei fotoni: l’energia in eccesso rispetto al gap viene dissipata in calore; in

questo caso, più alto il gap, minore la dissipazione;

• Combinando questi due effetti: lo sfruttamento ottimale dell’irradiazione solare sulla terra si ha per un gap di

0.9 eV, cui corrisponde l’utilizzazione del 46% della totale irradiazione incidente. Nel caso del Si cristallino, il gap

vale 1.1 eV, cui corrisponde una utilizzazione del 44% della totale irradiazione incidente.

Il rendimento reale di una cella è determinato da una ulteriore serie di fattori:

- Perdite di “raccolta”: il rapporto tra le cariche utili e le cariche generate

costituisce il rendimento di “raccolta”; questo può essere aumentato

riducendo la ricombinazione delle cariche e facilitando il loro

movimento verso la giunzione; nelle celle di migliore qualità le perdite

di “raccolta” sono dell’ordine del 5%.

- Riduzione della tensione a vuoto: rispetto a quella che

>

+ ;

corrisponderebbe al campo rovescio

- Perdite sulla giunzione: trascurabili

- Resistenza in serie: si può ridurre ottimizzando la griglia del contatto

frontale # < " O

QRS MM 1

- Fattore di curva:

Diversi lavori teorici indicano che il limite intrinseco del rendimento di conversione di una cella al Si cristallino sia pari

al 30-32%. In condizioni standard, un modulo al Si cristallino ha rendimento massimo intorno al 20%, mentre in

condizioni “medie” esso è compreso tra l’11 ed il 15%.

L’IEC definisce le condizioni standard per la definizione delle prestazioni di una cella fotovoltaica alle quali corrisponde la

potenza misurata in Watt picco:

- Spettro dell’irradiazione fuori dall’atmosfera;

- Irradianza pari a 1000 W/m2;

- Temperatura della cella pari a 25 °C.

~1 ] = 25 °

2 2

Una cella commerciale al Si cristallino (sup dm ), esposta a irradianza di 1 kW/m e lavorando a , eroga

~3 ~0,6 ~1,4

una corrente A alla tensione di V ed una potenza Wp:

- Nelle applicazioni è necessario un opportuno collegamento in serie/parallelo delle celle;

- Sul mercato, di fatto, sono disponibili moduli fotovoltaici con tensione di lavoro tipicamente di 12 V e potenze

nominali di 50-70 Wp.

Nota

L'energia radiante solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente “raccolta” e “convertita” da un

apposito dispositivo dipende dall’irraggiamento del luogo. Vengono così definiti:

• energia emessa, trasportata o ricevuta in forma di onde elettromagnetiche [MJ]

Energia radiante:

• rapporto tra l’energia radiante per unità di tempo che incide su una superficie e

Irradianza o irraggiamento: 2 2

]–

l’area della medesima superficie [kW/m assumendo come unità di tempo l’anno, si misura in [kWh/m a] o se riferito

2

al giorno [kWh/m g]

Tipologie di Impianti Fotovoltaici

Stand Alone

Gli impianti Stand Alone, o comunemente chiamati “ad isola” rappresentano l’unica scelta installativa qualora l’utenza

sia sprovvista di allaccio alla rete elettrica. L’energia prodotta dal campo fotovoltaico va a servire le utenze attive e

l’energia restante viene immagazzinata in batterie di accumulo fino a completa carica; l’eventuale energia residua viene

persa e dissipata in calore. Le batterie andranno poi a servire le utenze di notte e nei momenti di fermo impianto fino a

scaricamento.

Grid connected

Gli impianti Grid connected sono impianti fotovoltaici connessi e interfacciati alla rete elettrica nazionale. L’energia

prodotta dal campo fotovoltaico va a servire le utenze richieste, determinando un mancato prelievo dalla rete elettrica

e un conseguente risparmio in bolletta. L’energia in surplus viene conteggiata e viene riversata sulla rete.

Ex-conto energia

Nel caso dell’autoconsumo istantaneo, l’energia entra direttamente nell’utenza domestica collegata. Nel caso in cui non

c’è richiesta diretta di energia da parte dell’utente, l’energia prodotta entra nel secondo contatore, il contatore bi-

direzionale, per essere immessa in rete.

Altre tipologie

Progetto di massima di un impianto fotovoltaico

I dati di progetto necessari sono:

• località;

• consumo annuo di energia elettrica (kWh): famiglia media in

Italia 3000÷4000 kWh/a;

• orientamento ed inclinazione della superficie captante.

Esistono tabelle unificate che forniscono l’irraggiamento solare medio

mensile ed annuale su una superficie orizzontale, per tutte le provincie italiane. Se la superficie di captazione non è

orizzontale, l’irraggiamento va moltiplicato per un coefficiente correttivo che tiene conto di inclinazione ed

orientamento della superficie.

Il rendimento complessivo si calcola di solito moltiplicando tra loro:

• il rendimento nominale dei moduli (dal 12 al 15% per le celle di silicio monocristallino e policristallino e dal 4 al

7% per le celle di silicio amorfo) fornito dal costruttore per le condizioni operative standard;

• il rendimento di conversione, ovvero il rapporto tra l’energia elettrica in AC fornita alle utenze (o alla rete) nelle

condizioni reali e l’energia elettrica in DC ai morsetti dei moduli fotovoltaici in condizioni nominali. Dipende

soprattutto dalla temperatura di lavoro dei moduli, ma anche da perdite nell’inverter, perdite per imperfetto

accoppiamento dei moduli, perdite dovute alla resistenza elettrica nei cavi, ecc. Va dal 75 all’85%.

Spesso non è conveniente dimensionare gli impianti solari fotovoltaici per coprire l’intero carico. Si introduce quindi un

ulteriore parametro: la percentuale di integrazione che si intende raggiungere con l’impianto solare, un valore che in

genere varia tra 60-90%. 2

. Si dovrà quindi

La superficie unitaria commerciale dei moduli fotovoltaici è generalmente compresa tra 0,5 e 1,5 m

arrotondare la superficie ad un multiplo della superficie unitaria.

Per un impianto di piccola taglia (pochi kWp) si può fare oggi (maggio 2013) riferimento ad un costo di massima

dell’impianto completo compreso tra i 2300 e i 2800 €/kWp, a cui vanno aggiunti le seguenti voci di costo:

- Costi di progetto; - Costi allacciamento alla rete;

- Costi autorizzazioni e pratiche relative; - Costi assicurazione;

- Costi installazione; - Costi finanziamento.

Progetto

Si ipotizzino i seguenti dati di progetto:

- località: Padova;

- consumo energetico annuo: 3.500 kWh;

- percentuale di integrazione: 75%;

- Inclinazione-orientamento pannelli: 20°-SUD (ottimali).

Ipotizzando che:

- il rendimento nominale dei pannelli SHARP ND (rilevabile dai dati del costruttore) sia pari al 13%;

- il rendimento di conversione sia pari all’80%.

Energia elettrica per unità di superficie:

"UU V/ ` ∙ ?`X''. ! ?a! .∙ T ∙ T = 1300 ∙ 1.11 ∙ 0.13 ∙ 0.8 = 150.07 ;ZH/F

CE&&@bb4 Mc&d@+.

Superficie necessaria:

` eF` ∙ ?`X''. ! fXgU./;ZH/F = 3500 ∙ 75% /150.07 = 17.50 F F

Se, per l’esempio considerato, la superficie commerciale del modulo fornita dal costruttore è 1,64 (con potenza del

modulo in condizioni standard pari a 220 Wp e costo complessivo dell’installazione pari a 2500 €/kWp), occorrerà

installare 11 moduli:

- superficie complessiva di 18.04 m2

- potenza complessiva pari a P = 220 x 11 = 2.42 kWp

- costo di impianto pari a 2500 x 2.42 ~ 6000 €

A cui vanno aggiunti le seguenti voci di costo:

- Costi di progetto; - Costi allacciamento alla rete;

- Costi autorizzazioni e pratiche relative; - Costi assicurazione;

- Costi installazione; - Costi finanziamento.

Tipologie di integrazione architettonica

Impianto fotovoltaico con integrazione architettonica

Impianto fotovoltaico con integrazione architettonica è l‘impianto fotovoltaico i cui moduli sono

integrati in elementi di

arredo urbano e viario, superfici esterne degli involucri di edifici, fabbricati, strutture edilizie di

qualsiasi funzione e destinazione.

- Pensiline, pergole e tettoie in cui la struttura sia costituita dai moduli PV;

- Sostituzione dei materiali di rivestimento di tetti, coperture e facciate con moduli PV.

Impianto fotovoltaico parzialmente integrato

Impianto fotovoltaico parzialmente integrato è l‘impianto i cui moduli sono posizionati su

elementi di arredo urbano e viario, superfici esterne degli involucri di edifici, fabbricati,

strutture edilizie di qualsiasi funzione e destinazione.

- Installazione su tetti, coperture, facciate e fabbricati in modo complanare;

- Installazione su tetti piani e terrazze di edifici e fabbricati.

Impianto fotovoltaico non integrato

Impianto fotovoltaico non integrato è l‘impianto con moduli ubicati al suolo, ovvero con

moduli collocati sugli elementi di arredo urbano e viario, sulle superfici esterne degli

involucri di edifici, di fabbricati e strutture edilizie di qualsiasi funzione e destinazione con

tutte le altre modalità diverse dalle tipologie integrate totalmente e parzialmente.

- Installazione su edifici: moduli non Installazione a terra;

- complanari alla superficie d‘appoggio.

Proiezioni per il costo dell’energia fotovoltaica

Il costo di impianto e di conseguenza quello dell’energia elettrica

fotovoltaica si sono ridotti di oltre il 70%, negli ultimi 10 anni.

Se la riduzione dei costi seguirà l’andamento che si può prevedere sulla

base delle curve di apprendimento ricavate dall’analisi dei costi di

tecnologie affini (soprattutto elettronica di consumo), si stima che il costo

dell’energia elettrica fotovoltaica dovrebbe scendere sotto 10 c€/kWh

entro il 2040.

La conversione termica dell’Energia Solare

Collettori per la produzione di calore a bassa temperatura e Rendimento

Fasci tubieri percorsi da fluido il quale viene riscaldato per convezione da

un pannello solare.

La temperatura all’interno del collettore aumenterà finché il sistema non

raggiunge l’equilibrio termico:

> = > + >

Bcb chi C

Il rendimento della conversione sarà:

T = > /> = 1 − > />

M chi Bcb C Bcb

Quindi il rendimento dipenderà:

• dal valore della radianza solare

• dall’aumento della temperatura del collettore rispetto alla temperatura

ambiente

• dalla qualità dell’isolamento termico

Valori tipici del rendimento vanno dal 40 al 60%

Sistemi per la produzione di calore a bassa temperatura

Sistema a circolazione naturale (termosifone)

Normalmente usato per pre-riscaldare l’acqua (integrato con uno

scaldabagno elettrico).

In una installazione tipica per una abitazione mono-familiare:

- superficie del collettore di 2–5 m2

- serbatoio di 100-200 litri

Sistema a circolazione forzata

Normalmente usato per pre-riscaldare l’acqua (integrato con uno

scaldabagno elettrico o a gas naturale o a pompa di calore

(eventualmente alimentata da FV)).

In una installazione tipica per una abitazione mono-familiare:

- superficie del collettore di 3–6 m2

- serbatoio di 150-400 litri

Potenziale dell’energia solareper la produzione di calore a bassa temperatura in EU

La produzione di acqua calda per uso domestico ed il riscaldamento degli ambienti domestici rappresentano circa il 7%

ed il 16%, rispettivamente, dei consumi finali di energia in EU (complessivamente 220 MTep/anno). Nel 2002, poco più

dello 0.15% di questi consumi (circa 0.32 MTep) sono stati coperti dall’energia solare.

La produzione di acqua calda ed il riscaldamento degli ambienti nel settore terziario rappresentano circa l’1% ed il 6%,

rispettivamente, dei consumi finali di energia in EU. Il contributo dell’energia solare a questi consumi nel settore

terziario risulta oggi pressocché trascurabile (poche applicazioni in centri sportivi).

Il potenziale tecnico-economico dello sfruttamento dell’energia solare per la

produzione di calore a bassa temperatura (per usi finali in tutti i settori) è

stimato dalla European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF), tenendo conto

per ciascun Paese:

- della domanda media di calore (nel settore domestico, terziario,

industriale),

- dell’irraggiamento medio.

Nella tabella di seguito è riportato il potenziale in ciascuno dei 15 Paesi della EU-

15. Il rendimento medio dei collettori è assunto pari al 40%.

Un recente studio ESTIF stima che l’energia termica a bassa temperatura

potenzialmente ricavabile dalla radiazione solare in modo economicamente

conveniente nell’Unione Europea è pari a circa 60 MTep/a.

Altre applicazioni della conversione di energia solare in calore a bassa temperatura

Processo ad assorbimento di vapore

I composti in tale processo sono una miscela di un refrigerante e

un mezzo di assorbimento. I composti più comuni sono

/j!kU) /

e ( ) in cui il primo è il refrigerante. Il calore

(

dai pannelli solari è necessario per separare il refrigerante e

l'assorbitore nel desorbitore. Normalmente, il calore dai pannelli

solari deve essere ad alta temperatura (> 100°C) per ottenere una

capacità di raffreddamento e un coefficiente di performance

elevati. Tradizionalmente per generare questo calore vengono

utilizzati collettori solari progettati per una potenza termica ad

alte temperature. Con alcuni cambiamenti nel design dei

macchinari, la temperatura del calore dai pannelli solari desiderata

può essere ridotta. Con questi mezzi il calore dai pannelli solari

può essere generato da normali (ad alte prestazioni) collettori solari piani. Funzionamento:

1) Il vapore a bassa pressione proveniente dall’evaporatore viene inviato all’assorbitore: questo dispositivo sottrae

calore al vapore e fa si che quest’ultimo venga immagazzinato in una miscela inizialmente povera.

Nell’assorbitore entrano il vapore o che proviene dall’evaporatore e la soluzione povera ( con una

j!kU

bassa concentrazione di , o povera di ) che proviene dal desorbitore: il ciclo sfrutta la facilità

j!kU

dell’acqua di assorbire il vapore d’ammoniaca (analogo per & ) formando così la soluzione ricca.

1) Una volta che è stata arricchita, la miscela viene prelevata da una pompa e inviata ad un desorbitore: questo si

comporta inversamente all’assorbitore, in quanto richiede calore per produrre vapore ad alta pressione. La

soluzione ricca viene riscaldata dai pannelli solari per ottenere nuovamente le due sostanze distinte, ovvero il

o e la soluzione povera. La soluzione povera viene laminata e ritorna all’assorbitore.

vapore di

2) Mentre il vapore di o (ad alta pressione) viene purificato nella colonna di rettificazione, il vapore ad

alta pressione fluisce nel condensatore, formando soluzione nuovamente povera;

3) Tale miscela povera viene laminata (cioè subisce un abbassamento di pressione) nella valvola di laminazione

fino a diventare vapore saturo da ri-inviare all’evaporatore (che deve eliminare tutta la fase liquida, cioè

aumentare quanto più è possibile il titolo della miscela), dove viene prelevato il calore proveniente

dall’ambiente da refrigerare, per riprendere il ciclo.

Assorbitori con torre evaporativa separata

In un gruppo ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio, l'acqua funge da refrigerante e il bromuro di litio da assorbente. L'evaporazione è alla

base della progettazione della maggior parte delle macchine refrigeranti. Ad una pressione assoluta di 6 mmHg in un recipiente stagno, l'acqua

evapora ad una temperatura di 4°C.

Il principio della produzione del freddo del gruppo ad assorbimento è di natura chimico-fisica, infatti si basa sulla variazione di concentrazioni di

soluzioni saline mediante somministrazione di calore. Gli organi meccanici in movimento di questi gruppi risultano notevolmente ridotti rispetto a

quelli delle altre categorie a ciclo termodinamico.

Contrariamente a quanto accade per i refrigeratori tradizionali a compressione, le unità ad assorbimento si avvalgono del ciclo frigorifero con

miscela acqua e bromuro di litio attivato dal calore che lavora a pressioni molto

basse, dove l'acqua opera come refrigerante ed il bromuro di litio (un sale con alta

affinità per il vapor d'acqua), agisce da assorbente. La soluzione di acqua e bromuro

di litio viene riscaldata nel generatore di calore provocando la separazione

dell'acqua, sotto forma di vapore ad alta temperatura. Il vapore d'acqua viene

condensato (nel condensatore) tramite l'acqua di raffreddamento proveniente dalla

torre evaporativa. In condizione di vuoto, l'acqua refrigerante (alla temperatura di

4°C) viene spruzzata sui tubi dell'evaporatore dove evaporando a bassa

temperatura, sottrae calore all'acqua dell'impianto di condizionamento che circola

negli stessi tubi dell'evaporatore, entrando a 14°C ed uscendo a 7°C. Il vapore

d'acqua a bassa temperatura viene assorbito dal bromuro di litio, con trasferimento

di calore al circuito di raffreddamento della torre evaporativa, che a sua volta lo

disperde in ambiente. A questo punto la soluzione iniziale di acqua e bromuro di

litio, cosi ricostituita, viene trasferita nuovamente, tramite una pompa, nel

generatore di calore per riprendere il ciclo. Prima di arrivare al generatore, passa

attraverso uno scambiatore di calore, che permette di ottenere migliori prestazioni al sistema, garantendone una maggiore affidabilità.

Processo ad essicazione

Si tratta di un processo di raffreddamento ad aria per la climatizzazione azionato dal calore. In una prima fase del

processo, l'aria è deumidificata mediante un essiccante solido o liquido. Con questo mezzo, l'aria può essere raffreddata

ad una temperatura relativamente bassa da un indiretto/o diretto raffreddamento evaporativo, cioè raffreddata tramite

umidificazione da acqua liquida. Il calore dei pannelli solari per il processo di raffreddamento essiccante è richiesto per

la rigenerazione dell’essiccante. Questo processo richiede temperature normalmente moderate (<100 ° C). Ordinari (ad

alte prestazioni) collettori piani possono essere utilizzati quando il processo di raffreddamento essiccante viene

utilizzato per l'aria condizionata.

L'aria calda e umida entra nella ruota essiccante, la quale gira lentamente, ed è deumidificata mediante assorbimento di

acqua (1-2). Poiché l'aria viene riscaldata dal calore

di assorbimento, viene attraversata da una ruota

di recupero calore (2-3), con un conseguente

significativo pre-raffreddamento del flusso d'aria di

alimentazione. Successivamente, l'aria viene

umidificata e ulteriormente raffreddato da un

umidificatore controllato (3-4) secondo valori

configurati di temperatura dell'aria in mandata e

umidità. Il flusso d'aria di scarico delle camere

viene umidificato (6-7) vicino al punto di

saturazione per sfruttare tutto il potenziale di

raffreddamento in modo da consentire un

recupero di calore efficace (7-8). Infine, la ruota di essicazione deve essere rigenerata (9-10) mediante l'applicazione di

calore in un intervallo relativamente bassa di temperatura da 50 ° C-75 ° C per permettere il funzionamento continuo

del processo di deumidificazione.

Impianti CSP: impianti solari a concentrazione per la produzione di energia elettrica (Concentrating Solar Power)

Un impianto solare termodinamico a concentrazione sfrutta la sola componente

diretta (DNI o Direct Normal Irradiation, intesa come radiazione diretta su un piano

ortogonale ai raggi *) della radiazione solare, concentrandola tramite specchi verso

un ricevitore in cui scorre un fluido termovettore, che trasforma la radiazione in calore ad ata temperatura. Questo

viene quindi trasferito ad un ciclo termodinamico convenzionale per la produzione di energia elettrica.

Gli impianti fotovoltaici sfruttano sia la radiazione diretta che quella diffusa (quindi la radiazione globale) per la

produzione di energia elettrica. La radiazione globale è misurata su piano orizzontale.

Gli impianti CSP, invece, utilizzano solo la radiazione diretta perché è la sola componente che gli spechi riescono a

concentrate nel punto focale, in cui è posto il ricevitore. Tali impianti vanno quindi installati in aree con elevata

radiazione globale e scarsa nuvolosità durante l’anno.

La DNI annua è molto bassa nelle zone equatoriali a causa delle frequenti piogge, nella grande pianura cinese a causa dell’alto tasso

di umidità ed inquinamento e, ovviamente, avvicinandosi ai Poli. Le zone più favorevoli sono sud-ovest degli USA (Arizona e

California), nord Africa, Medio Oriente, Sudafrica, Ande e Australia.

La DNI in Italia è ovviamente massima

al Sud, in particola modo in Sicilia,

nella pianura di Cagliari e in alcune

zone del Salento e del Lazio. Il Centro

Aerospaziale Tedesco (DLR) ha

stimato nel 2005 il potenziale di

generazione elettrica da CSP. Con DNI

2 /a (limite

superiore a 200 kWh/m

tecnico) il potenziale diventa 88TWh.

Nel 2012 il consumo elettrico Italiano

è stato pari a 336 TWh.

Sistemi a Concentratori Parabolici Lineari (CPL) Il principale vantaggio degli impianti CSP a concentratori

parabolici rispetto a quelli fotovoltaici è la possibilità di

accumulare energia solare in forma termica per ovviare al

problema dell’intermittenza della fonte, permettendo un

funzionamento più continuo.

Caratteristiche di realizzazione:

• Specchi: parabolici (€+), disposti su una struttura orientabile su un asse (€-);

• Ricevitore: orientabile assieme al sistema di concentrazione;

• Fluido term.: Sali fusi (€+) riscaldati sino a 550°C e operanti in ciclo Rankine;

• Efficienza media annua: 14-16%, adatti per applicazioni di accumulo;

• Maturità commerciale: +++.

Caratteristiche di funzionamento:

• I collettori sono costituiti da una superficie riflettente a profilo parabolico, che concentra i raggi solari su un

tubo posto lungo la linea focale della superficie;

• I collettori sono di solito dotati di un sistema di inseguimento della

sorgente solare (si muovono per inseguire la massima radiazione, ovvero il

sole;

• La superficie del tubo è trattata in modo da massimizzare il coefficiente di

assorbimento e ridurre al minimo quello di riflessione. All’interno del tubo

circola un fluido termovettore (generalmente olio diatermico) che, per

effetto della radiazione solare, viene portato a temperature generalmente

comprese tra 100 e 400 °C.

• I sistemi a CPL sono la tecnologia solare termica ad alta temperatura (di potenza) attualmente più matura con

fluido termovettore in olio.

• Le applicazioni esistenti sono di tipo ibrido: il fluido viene ulteriormente riscaldato in modo convenzionale, o per

aumentarne la temperatura o per sopperire a situazioni di insufficiente radiazione solare.

• Nelle applicazioni per la produzione di energia elettrica, il fluido termovettore fornisce una quota del calore

necessario al funzionamento di un impianto termoelettrico. In condizioni ottimali di massimo irraggiamento i

~10-12

sistemi a CPL sono in grado attualmente di produrre energia elettrica al costo complessivo di c€/kWh.

Stime sia del Department of Energy (DoE) degli USA che della Commissione Europea prevedono che entro il

~6-8

2020 i costi, in condizioni d’uso ottimali possano ridursi a c€/kWh.

Aspetti critici:

• Differenza di dilatazione dei tubi con

giunzione vetro/metallo realizzata tramite

brasatura;

• Sforzi diversi tra vetro e metallo;

• Garantire il vuoto;

• Stabilità film su vetro e metallo.

Sistemi a Torre centrale

Caratteristiche di realizzazione:

• Specchi: piatti (€-), disposti in modo indipendente su due assi (€+),

disposti secondo uno schema circolare o semi-circolare attorno alla

torre;

• Ricevitore: fisso, posto alla sommità della torre;

• Fluido term.: Sali fusi, acqua (ciclo Rankine, T=550°C) o aria (ciclo

Brayton T=1000°C);

• Efficienza media annua: 15-17% (25% se abbinati a ciclo

combinato);

• Maturità commerciale: ++.

Caratteristiche di funzionamento:

• I collettori sono essenzialmente costituiti da un campo di eliostati (ciascuno con superficie variabile in genere tra

2

), che focalizzano i raggi solari su una caldaia;

50 e 100 m

• La caldaia (ricevitore) è generalmente montata su una torre posta al centro o all’esterno del campo;

• Il fluido termovettore circola nel ricevitore, si scalda e viene inviato al serbatoio di accumulo caldo;

• Dal serbatoio di accumulo viene prelevata la portata richiesta dal generatore di vapore per il funzionamento di

un impianto termoelettrico;

• il fluido termovettore, dopo aver ceduto il calore, lascia il generatore di vapore e ritorna al serbatoio freddo, da

dove può ricominciare il ciclo;

• I sistemi a torre consentono di produrre calore a temperature da 500 a 1.200 °C;

• Dall’esperienza maturata fino ad oggi, si è visto che la taglia commerciale per questi impianti è compresa

• nell’intervallo 10-200 MWe.

Tipologia a Concentratori Lineari di Fresnel

Caratteristiche di realizzazione:

• Specchi: quasi piatti (€-), orientabili su un’asse (€+), disposizione

lineare affiancata sotto al ricevitore;

• Ricevitore: fisso, posto sopra gli specchi;

• Fluido term.: acqua (€-);

• Efficienza media annua: 8-10%;

• Maturità commerciale: -.

Tipologia a Disco Parabolico (stand alone)

Caratteristiche di realizzazione:

• Specchi: quasi piatti (€-), disposti su una struttura semisferica orientabile

su un’asse (€+);

• Ricevitore: orientabile assieme al sistema di concentrazione;

• Fluido term.: aria (€-) riscaldata sino a 750°C e operante in ciclo Stirling;

• Efficienza media annua: 20-25%;

• Maturità commerciale: +.

Risorse e Riserve

La quantità esistente sulla terra di una certa materia prima, in particolare di una fonte energetica fossile e perciò non

rinnovabile, è certamente finita, ancorchè ignota. Le indicazioni che possono essere fornite riguardo alla disponibilità

sono delle stime informate il cui grado di affidabilità può variare a seconda della materia prima considerata, dei metodi

di indagine adottati, dell’interesse economico ad investire in prospezioni accurate, ecc.

Risorse Estraibili

Vengono definite Risorse Estraibili la stima della quantità complessiva di una materia prima che sarà mai estratta e resa

disponibile:

• si tratta in ogni caso di una stima soggettiva, basata su informazioni parziali, ancorchè via via più sviluppate;

• inoltre, una volta individuata un’area di interesse per attività estrattiva, la quantità estraibile dipende

dall’evoluzione delle tecniche estrattive e dal costo di estrazione che si ritiene sostenibile

• In definitiva, l’ammontare delle risorse estraibili dipende fortemente:

1. Dagli investimenti in prospezioni ed attività di ricerca in generale (investimenti che aumentano

normalmente al crescere della domanda di materia prima e quindi del suo valore di mercato)

2. dallo sviluppo tecnologico nell’up-stream;

Le Risorse Estraibili sono dalla somma di:

" fXgU aX VXaa lU`VeW!` X V e ?XUf V f + J! XUmX ?`lXUfX neXaa V f +

J! `U X ?`U ` X''Xff!m FX fX ?`lXUfX.

Riserve Scoperte

Si definiscono Riserve Scoperte la stima, quantificata con metodi statistici, delle dimensioni di un giacimento, una volta

che questo sia stato scoperto. Le Riserve Scoperte si classificano in:

• Riserve Accertate: quantità stimate che, sulla base di considerazioni di carattere geologico, ingegneristico ed

economico, si presume saranno estratte e rese disponibili con ragionevole certezza, alle attuali condizioni

operative (tecniche ed economiche); si dice anche con probabilità di estrazione >90%;

Le Riserve Accertate possono di anno in anno diminuire, via via che la materia prima viene estratta, o

aumentare in seguito a nuove scoperte o perchè il progresso nelle tecnologie up-stream (esplorazione ed

estrazione) e la conseguente riduzione dei costi di estrazione (ovvero l’aumento del valore di mercato della

materia prima) trasforma in accertate riserve già scoperte ma in precedenza ritenute solo probabili. Di fatto

sin’ora le riserve accertate delle fonti primarie non rinnovabili di energia (carbone, pertrolio, gas naturale,

uranio) sono globalmente cresciute di anno in anno.

J/#,

Il rapporto ovvero:

J! XUmX ??XUf fX aa’ ` p

`p

#U`VeW!` X e aa q

fornisce la durata (in anni) delle riserve accertate, se la produzione rimanesse costante al livello dell’anno

J/#

considerato. Il rapporto è in una certa misura un indicatore di stabilità nella fornitura della materia prima;

J/#

affinchè il rapporto si mantenga costante nel tempo a fronte della crescita continua della domanda è

evidente che è indispensabile che crescano proporzionalmente le riserve accertate a livello globale.

• Riserve Probabili: quantità al momento non ancora completamente accertate; hanno probabilità di estrazione

>50%, alle attuali condizioni operative;

• Riserve Possibili: quantità al momento ancora più incerte delle precedenti; hanno probabilità di estrazione

<50%, alle attuali condizioni operative.

Il World Energy Council pubblica normalmente ogni 3 anni il Survey of Energy Resources (SER), lo studio più accreditato

sulle risorse e riserve di fonti di energia in tutti i Paesi al Mondo:

J/# > 100

- Carbone: anni

J/#~50

- Petrolio: anni

J/# ~60

- Gas naturale: anni

J/# ~60

- Uranio: anni

130000

- Energia solare: Gtep/anno

Curva logistica

# # f,

Sia la dimensione di una popolazione: per descrivere l’evoluzione di nel tempo si può adottare un semplice

V#/Vf f,

modello in base al quale il tasso di crescita della popolazione, al tempo è proporzionale al prodotto tra la

f f.

popolazione esistente al tempo e la quantità di cibo ancora disponibile al tempo

È evidente che, rimanendo sempre invariata la quantità di cibo disponibili per anno, la popolazione aumenterà di anno

in anno a velocità crescente, fintantoché il cibo non cominci a scarseggiare. A quel punto si riduce il numero di

popolazione che raggiunge l’età adulta e quindi la crescita rallenta, finché la popolazione si stabilizza. Tale dinamica può

essere descritta dall’equazione differenziale (1):

V# Vt 1

(1) = ;#( − #) ≡ (2) = t(1 − t) => (3) t =

Vf Vf 1 + X ,i

;

dove è una costante di proporzionalità e è la capacità del sistema. In generale, l’equazione differenziale non lineare

considerata (2), ha per soluzione la curva sigmoide (3) caratterizzata da una fase con andamento esponenziale, seguita

t = 1.

da una con andamento pressochè lineare e quindi da una fase in cui la curva satura al valore

;

Traslando rispetto all’asse delle ascisse e moltiplicando per la costante di proporzionalità la curva sigmoide, si possono

ricavare le cosiddette curve logistiche. Tali curve vengono normalmente impiegate per descrivere la dinamica di tutta

una serie di fenomeni in discipline molto diverse tra loro, dalla biologia all’economia. Non fa eccezione la dinamica della

estrazione e diffusione dei combustibili fossili e di minerali come l’uranio.

Curva di Hubbert

Si deve al geologo americano Hubbert, la teoria che modella l’evoluzione temporale della produzione di una qualsiasi

risorsa minerale o fonte fossile esauribile o fisicamente limitata.

u(f)

Se è la quantità di petrolio complessivamente estratta

f,

dall’inizio dell’attività estrattiva fino al tempo l’ipotesi di Hubbert

l(f) = Vu/Vf

è che la produzione al tempo t, sia proporzionale al

prodotto tra:

- Q(t) (ovvero la domanda di petrolio, e quindi la

produzione, tende a crescere via via che aumenta il

consumo complessivo Q(t), cioè via via che il

petrolio si afferma come combustibile)

- la quantità di petrolio che si stima sia ancora

disponibile al tempo t, ovvero l’estrazione diventa

sempre più difficile mano a mano che si riduce la

quantità ancora disponibile.

Allora, in analogia con il modello delle curve logistiche, si può porre:

Vu Vt 1

(1) (2) (3)

= ;u(J − u); = t(1 − t); t =

l(f) = Vf Vf 1 + X ,i

; J

dove è una costante di proporzionalità e sono le Risorse Estraibili.

(2), (3)

In generale, l’equazione differenziale non lineare considerata ha per soluzione la curva sigmoide caratterizzata

da una fase con andamento esponenziale, seguita da una con andamento pressochè lineare e quindi da una fase in cui la

Q = 1.

curva satura al valore Traslando rispetto all’asse delle ascisse e moltiplicando per la costante di proporzionalità

; la curva sigmoide, si possono ricavare le cosiddette curve logistiche, le quali danno una stima al fine di creare un

modello per descrivere la disponibilità di un bene. Tali curve vengono normalmente impiegate per descrivere la

dinamica di tutta una serie di fenomeni in discipline molto diverse tra loro, dalla biologia all’economia.

l(f) f,

La Curva di Hubbert descrive l’andamento nel tempo della produzione all’istante e coincide quindi con la derivata

; = 1; J = 1):

della curva logistica (nel caso in cui l(f)

Secondo il modello di Hubbert, la produzione ha andamento simile ad una

gaussiana; in particolare il modello prevede che vi sia un picco di produzione (picco

di Hubbert), seguito da un declino.

Tale curva teorizzata da Hubbert si può suddividere in quattro parti:

I. Prima fase (espansione rapida): è la fase di espansione rapida, durante la

quale è abbastanza facile accedere alla risorsa in esame e non sono necessari grandi investimenti per la sua

estrazione, e corrisponde ad un andamento di tipo esponenziale della curva;

II. Seconda fase (inizio dell’esaurimento): è la fase relativa all’inizio dell’esaurimento, in quanto dopo un completo

sfruttamento delle risorse più accessibili diventa necessario investire per potere adottare le tecnologie

necessarie per estrarre la risorsa diventata più complessa da ottenere, pertanto la curva riduce la sua pendenza;

III. Terza fase (picco e declino): la riduzione della pendenza della curva di produzione della seconda fase continua

fino al picco di produzione, dove tale pendenza è nulla (la tangente alla curva è orizzontale), e si è pertanto nel

punto di massimo, ovvero si è raggiunta la condizione per la quale le risorse disponibili sono estraibili con il

massimo investimento sostenibile, e da questo punto in avanti tali investimenti non potranno più compensare le

difficoltà sempre crescenti da sostenere per l’estrazione e si assisterà al declino;

IV. Quarta fase (declino finale): la fase di declino prosegue fino al termine della produzione, con un andamento

decrescente che nella curva ideale è speculare alla curva esponenziale della prima fase, ma questo andamento

può anche non essere identico.

Scambi radiativi Terra-Sole 2

L’irraggiamento solare normale al limite esterno dell’atmosfera terrestre è di circa 1,37 kW /m e viene chiamato

“costante solare” Ks. È l’intensità per metro quadrato su una sfera con il raggio di 149,5 milioni km, essendo 147 e 152

milioni di km, rispettivamente, la distanza minima e massima tra il Sole e la Terra.

La potenza totale della radiazione solare intercettata dalla Terra corrisponde alla costante solare Ks moltiplicata per

Z = ∙ x ∙ U = 1.74 ∙ 10 Z.

z

K y

l’area della sezione diametrale terrestre: > = Z ∙ 8760 ∙ 3600 = 5.48 ∙ 10 {~130000 GTep.

K K

L’energia raccolta annualmente dalla Terra dal Sole è:

In realtà la costante solare varia leggermente in funzione del ciclo delle macchie solari.

La radiazione solare vista dalla terra risulta originata da un corpo nero a

~5500 K (temperatura efficace). Essa ha uno spettro prevalentemente nel

~0.5

campo del visibile, con il picco a μm.

La radiazione “termica” emessa dalla superficie terrestre, a temperature

comprese tra 250 e 300 K, ha invece spettro prevalentemente nel campo

~10

dell’infrarosso, con picco a μm.

In generale le proprietà radiative dei gas sono fortemente dipendenti dalla

lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica considerata.

Bilanci energetici delle radiazioni solari

La Troposfera è il più basso tra gli strati atmosferici e contiene circa il 75% dell'intera massa dell'atmosfera, pur essendo

lo strato più sottile. È la parte di atmosfera che interessa la meteorologia, vi si trovano le nubi ed i gas ad effetto serra.

La Stratosfera è collocata tra la Tropopausa e la Stratopausa, in essa si trova la quasi totalità

dell’ozono atmosferico.

La radiazione trasmessa dall’aria+aerosol (22%) è diretta e concentrata a differenza di quella

delle nubi (22%) la quale è diffusa. La parte del flusso che non interferisce con l’atmosfera (5%)

rappresenta la finestra di trasparenza.

La terra emette radiazione termica tale che, in rapporto al 100% di arrivo del sole, da 115%.

Biomasse

Energia da Biomasse

La biomassa è costituita da ogni sostanza organica prodotta dalla fotosintesi:

• residui dell’industria agroalimentare e agroindustriale e del legname;

foreste;

• •

colture; componente organica della raccolta differenziata dei rifiuti solidi

urbani (RSU).

Si possono ottenere:

- direttamente combustibili solidi (es. legna da ardere, residui agricoli e forestali);

- combustibili liquidi e gassosi ottenuti a seguito di un processo di trasformazione strutturale del materiale

organico.

La bioenergia è costituita da qualsiasi forma di energia utile ottenuta dalla biomassa.

Produzione di biomassa ~45%

II costo di approvvigionamento della materia prima incide per sul costo totale della produzione di energia.

~30÷60

Includendo coltivazione, raccolta, stoccaggio e trasporto il costo approvvigionamento biomassa €/t s.s.

(s.s.=sostanza secca). Si prevede che tale costo potrebbe essere dimezzato migliorando le pratiche agronomiche ed

incrementando la produttività annuale (anche attraverso l’impiego di OGM).

In particolare, la messa a punto di specifiche pratiche di coltivazione, taglio, raccolta meccanica e di sistemi di

lavorazione a livello locale è determinante per la diffusione della Forestazione a Rapida Rotazione, che consente:

- buona resa in biomassa;

- tagli ravvicinati;

- riuso di terreni abbandonati e la protezione del suolo.

Dal punto di vista dell’impiego energetico, fondamentale è la possibilità di utilizzo della biomassa residuale (residui

agricoli, legname e residui agroindustriale) con costi di produzione molto ridotti (prevalentemente trasporto).

Tecnologie di conversione delle biomasse /

A seconda del contenuto di umidità nella biomassa di partenza e/o del suo rapporto carbonio/azoto ( ), esiste un

processo di conversione energetica più idoneo, che dà luogo a specifici prodotti. I processi di conversione si dividono in:

• processi biochimici: permettono di ricavare energia attraverso la reazione chimica prodotta dagli enzimi, dai

funghi e dai micro-organismi che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni.

Sono idonei a biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l'umidità alla raccolta superiore al 50% come:

piante e residui cellulosici e amidi e zuccheri per la fermentazione alcolica;

o residui fermentabili e reflui animali per la digestione anaerobica.

o

• processi termochimici: sono basati sull'azione del calore che innesca le reazioni chimiche che consentono di

trasformare, in vario modo, la materia in energia: a man a mano che la temperatura aumenta cambia il tipo di

processo, si hanno processi di Pirolisi, Gassificazione e Combustione.

Sono idonei a biomasse in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il

50% come piante e residui lignocellulosi per:

Combustione: Con appropriati rapporti combustibile/aria, la biomassa si decompone e volatilizza, lasciando

o ceneri. Il risultato è la produzione di calore che, mediante scambiatori, viene trasferito ad un fluido vettore.

Gassificazione: consiste nella trasformazione di Biomassa in combustibile gassoso, tramite la reazione con

o un ossidante ( , Aria, ), in quantità sottostechiometrica. In tal modo brucia solamente una parte del

combustibile solido, mentre l’altra parte viene scomposta termicamente dal calore prodotto (T~500÷900

°C): il risultato del processo è un gas di sintesi.

Pirolisi: Processo termico di degradazione della biomassa che avviene in assenza di aria (Ossigeno), quando

o il calore necessario al processo viene totalmente fornito dall’esterno, oppure in presenza di una limitata

quantità di agenti ossidanti, nel caso in cui il calore viene prodotto internamente alla massa mediante la

combustione di una sua parte. Con il processo di pirolisi si trasforma un combustibile a bassa densità

energetica in un altro ad elevata densità energetica, riducendone di conseguenza i costi di trasporto.

• processo estrazione oli: sono idonei a biomasse in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 35 ed il contenuto

di umidità non superi il 35% come piante e residui oleaginosi.

I Biocombustibili

La tecnologia per la produzione di biodiesel e bioetanolo da colture agricole dedicate è consolidata e richiede soltanto

alcune innovazioni minori.

Biodiesel

Il ciclo di produzione del Biodiesel prevede l’utilizzo di oli estratti da colture oleaginose (semi di girasole e di colza).

I semi subiscono:

• una fase di essiccazione, in modo da evitare fenomeni di autoaccensione, ammuffimento ed irrancidimento;

• una fase di sgusciatura per l’eliminazione dell’involucro del seme, in modo da aumentare l’efficienza di

estrazione dell’olio grezzo;

• una fase di macinazione in cui i semi vengono rotti e schiacciati (senza essere polverizzati per evitare

complicazioni funzionali delle relative macchine), in tal modo si aumenta la superficie di estrazione

incrementando la resa in olio;

• una fase di riscaldamento a 80-90 °C, in modo da ridurre notevolmente la viscosità dell’olio, facilitandone la

fuoriuscita e la successiva separazione delle sostanze utili.

L’estrazione degli oli vegetali viene eseguita con due tecniche:

• La tecnica di compressione viene applicata soprattutto ai semi con maggiore contenuto in olio, quali quelli di

girasole, la pasta viene compressa in presse a vite, per cui l’olio viene estratto meccanicamente, riducendo il

contenuto in olio dei semi dal 45-50% al 5-8% in peso.

• Il processo di estrazione con solvente, si utilizza preferibilmente per semi a ridotto contenuto di olio (p.e. soia),

o, preferibilmente, in successione alla fase di pressatura, alla pasta viene addizionato un solvente organico ad

elevata volatilità con cui è possibile ottenere una resa di estrazione quasi totale (residuo 1% in peso di olio)

II prodotto ottenuto, opportunamente depurato può essere utilizzato in motori a combustione interna,

opportunamente adattati. Nel caso si voglia utilizzarlo in miscela con il gasolio in veicoli commerciali, è necessario

renderlo compatibile mediante un processo chimico denominato di “transesterificazione”. ~

Per quanto riguarda il bilancio ponderale, per esempio, da 3 t di colza si ottiene circa 1 t di olio (P.C.I. 8.500-8.800

kcal/kg).

Bioetanolo

Poiché il bioetanolo è ottenuto mediante un processo di fermentazione delle biomasse, per la sua produzione possono

essere impiegate materi prime molto eterogenee, sia di natura residuale, sia ricavate dalle colture dedicate:

• materie prime ricche in zucchero semplici;

• materie prime ricche in amido;

• materie prime ricche in cellulosa ed emicellulosa.

L’eterogeneità delle materie prime di partenza si traduce in una notevole differenziazione dei processi produttivi.

Primo fondamentale processo di generazione

Secondo processo di generazione da lignocellulosa

Processo biologico:

- pretrattamento per la cellulosa (glucosio) e emicellulosa di estrazione (xilosio);

- fermentazione di glucosio e xilosio in etanolo;

- etanolo di rettifica;

- trattamento/combustione di solidi e liquor nero (recupero di energia).

Processo termochimico: e );

gassificazione della biomassa per la produzione di syngas (

o syngas fermentato in etanolo;

o produzione di elettricità.

o

L’Energia Eolica

L’energia eolica è una delle forme in cui si presenta l’energia della radiazione solare incidente e della radiazione termica

emessa dalla superficie terrestre; i moti convettivi dell’atmosfera sono infatti indotti dai gradienti di temperatura dovuti

al riscaldamento non uniforme della troposfera e della superficie terrestre. Oltre ai moti convettivi, ad originare i venti

terrestri ed a determinarne direzione ed intensità concorrono altri meccanismi, quali i gradienti di temperatura tra

terraferma e mare (p.e. brezze marine) e la conformazione del suolo (ostacoli naturali, vallate, ecc).

~130.000

Della totale energia inviata dal Sole sulla Terra (come visto pari a Gtep/anno), la

~0.15–0.25%

quota convertita in energia cinetica del vento viene stimata pari a (ovvero

~200-300 Gtep/anno). La potenza cinetica resa disponibile da una prefissata portata di massa

m

d’aria che si muova con velocità è data:

1 1 1

# = m F = m €-m = -m

d 2 2 2

€ 3

la densità varia tra 0.9 e 1.4 kg/m a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione.

Teoria di Betz

Per calcolare la potenza estraibile da una “vena” di vento dal rotore di un aerogeneratore si può fare riferimento alla

teoria di Betz. Si consideri il seguente schema: l’aria contenuta in un tubo di flusso incontra

l’ostacolo costituito dal rotore di un aerogeneratore; via via che si avvicina alle

pale del rotore, l’aria del tubo di flusso viene progressivamente rallentata; la

pressione, invece, aumenta. Al passaggio attraverso il rotore, l’aria gli cede

energia. Nell’ipotesi che il rotore sia di spessore infinitesimo, la pressione cala

•l

bruscamente a gradino. E’ proprio grazie al “salto” di pressione che sul rotore

viene esercitata una forza e trasferita potenza. Via via che l’aria procede dalla

-

sezione del rotore alla sezione imperturbata a valle di questo , la pressione

progressivamente aumenta, fino ad assumere nuovamente il valore della

-

pressione atmosferica in corrispondenza della sezione ; al tempo stesso la

m

velocità decresce ulteriormente fino ad assumere il valore sulla sezione

imperturbata a valle.

Le ipotesi alla base della teoria di Betz sono le seguenti:

1) Concetto di tubo di flusso: il tubo di corrente che attraversa il disco attuatore non interagisca con la restante

porzione di fluido che lo circonda;

2) In ogni sezione del tubo di flusso la velocità sia uniforme; cioè, la velocità vari solo lungo l’asse del tubo di

flusso; in particolare la velocità sia uniforme sulla sezione del “disco attuatore” dell’aerogeneratore (il rotore

viene schematizzato con un “disco attuatore” di spessore infinitesimo e struttura uniforme);

3) Nelle sezioni infinitamente a monte e a valle si possa ritenere una situazione fluidodinamica indisturbata dalla

l

1

presenza della macchina, ovvero sussista la pressione atmosferica dell'ambiente esterno, proprio come nella

condizione di getto libero;

4) Il flusso eolico non incontri ostacoli oltre alla turbina, né sopravento né sottovento;

5) Il vento sia stazionario e di intensità costante con la quota;

6) Non ci siano effetti di rotazione della vena a causa dell' "estrazione" di quantità di moto;

7) Si trascuri la comprimibilità dell'aria, cioè la densità sia costante.

Per i due tratti del tubo di flusso, a monte ed a valle del rotore, vale il teorema di Bernoulli: -

Applicando il teorema di Bernoulli al tratto a monte del rotore, cioè dalla sezione imperturbata fino alla sezione del

disco attuatore di spessore infinitesimo, si può scrivere:

m

+ è la velocità dell’aria sulla sezione del disco attuatore.

dove -

Per il tratto a valle del rotore, dalla sezione del disco attuatore fino alla sezione imperturbata , invece:

m

+ , in corrispondenza del rotore, essa non può avere

Le ipotesi 1 e 7 assicurano che, quale che sia la velocità

discontinuità. Infatti, deve valere l'equazione di continuità, per cui si può scrivere che la massa d’aria che attraversa

qualunque sezione, nell’unità di tempo, deve essere sempre la stessa, cioè: m /2g)

+

Sommando membro a membro le due equazioni relative al teorema di Bernoulli (uguaglio a monte ed a valle del

rotore, si ricava:

Il salto di pressione sulla sezione del rotore si ricava dalla conoscenza della velocità dell’aria sulle due sezioni

imperturbate a monte ed a valle.

La forza (orizzontale) esercitata dal flusso d’aria sul disco attuatore è data da:

D’altra parte, per l'equazione di conservazione della quantità di moto, la stessa forza è pari alla derivata della quantità di

moto, ovvero:

Eguagliando le due espressioni della forza, si ottiene:

da cui:

m - -

La dell’aria in corrispondenza del disco attuatore è pari alla media aritmetica delle velocità sulle due sezioni ed .

Si definisce il parametro

fattore di interferenza

Allora risulta:

E sostituendo nell’espressione della forza , si ottiene:

La potenza trasferita al rotore è:

Secondo la teoria di Betz, la potenza estraibile da un flusso eolico risulta proporzionale all’area “spazzata” dal rotore ed

J

m , la potenza estraibile con un rotore di un dato raggio

al cubo della velocità dell’aria. Per una data velocità del vento #

dipende da . Imponendo l'annullamento della derivata prima di rispetto ad a si può trovare l'interferenza ottimale

(l'interferenza per cui si ha l'estrazione della massima potenza):

= 1 m = 0,

+

La soluzione non ha senso, perché si avrebbe cioè l’aria si arresterebbe sul rotore, il che è un assurdo

= 1/3,

cii in corrispondenza alla quale si ha:

nelle ipotesi poste. Pertanto l’interferenza ottimale risulta -

+

In assenza del rotore, la potenza cinetica dell’aria nel tubo di flusso di sezione , pari a quella del rotore, sarebbe:

-

+

Il rapporto tra la potenza estratta e la potenza del vento imperturbato attraverso la sezione , in assenza del rotore, si

definisce coefficiente di prestazione (o di potenza):

= 1/3

C

Il valore di calcolato per è:

La massima efficienza teorica di trasferimento è dunque pari a circa il 60%.

e

La potenza estraibile da una “vena” di vento a velocita (la velocità assoluta del vento imperturbato si indica di solito

e)

con la lettera si può allora scrivere nella forma: C

Il fattore di interferenza , e quindi il coefficiente di prestazione dipendono dalle modalità costruttive del rotore e

dalla velocità del vento.

La teoria di Betz trascura tutti i fenomeni di attrito e soprattutto le turbolenze indotte dalla rotazione del rotore. In una

situazione reale, il valore del coefficiente di prestazione è più piccolo di quello qui calcolato.

Velocità caratteristiche del vento per un determinato aerogeneratore

Per un determinato aerogeneratore esistono tre velocità caratteristiche:

• Velocità di “cut-in”: velocità al di sotto della quale la turbina non può funzionare perché gli attriti prevalgono

sulle forze utili. È tipicamente compresa tra 2 e 4 m/s.

• Velocità di “cut-off”: velocità oltre la quale la turbina non può funzionare poiché si raggiunge la condizione di

stallo. Peraltro, a prescindere dal problema dello stallo, per velocità del vento elevate, è necessario fermare la

turbina per evitare sollecitazioni meccaniche eccessive al generatore. È tipicamente compresa tra 20 e 25 m/s.

• Velocità “nominale”: velocità del vento in corrispondenza della quale viene raggiunta la massima potenza che il

generatore elettrico è in grado di erogare. È tipicamente compresa tra 10 e 16 m/s.

Cenni alle modalità di calcolo della energia prodotta in un anno da un aerogeneratore

Una caratteristica fondamentale per un aerogeneratore è la potenza elettrica generata in funzione della velocità del

C per la potenza della vena. Nota la

vento, che può essere ricavata moltiplicando il coefficiente di prestazione

caratteristica della curva di potenza, per calcolare l’energia prodotta in un anno, occorre conoscere, oltre alla velocità

media del vento nel sito scelto, anche l’effettiva distribuzione statistica della velocità del vento, ovvero la probabilità

che il vento assuma una certa velocità. Normalmente questa distribuzione è descrivibile con funzioni standard. Quella

più adatta e perciò normalmente impiegata è nota come distribuzione di Weibull. La densità di probabilità è espressa da

e -

Dove è la velocità del vento; è un parametro di scala (è legato alla velocità media, perciò indica quanto un sito è

;

ventoso); è un parametro di forma (indica quanto le velocità siano concentrate intorno ad un valore, perciò quanto la

distribuzione sia piccata).

A parità di valore medio della velocità del vento in un sito, al variare della forma della distribuzione cambia il numero di

ore all’anno durante le quali il vento è maggiore di un certo valore (curve di durata della velocità).

Sulla base di queste curve di durata si può scegliere l’areogeneratore più adatto.

L’energia mediamente prodotta in un anno da un determinato aerogeneratore è il risultato di una operazione di

integrazione della potenza estratta in funzione della velocità, “pesata” con la distribuzione della velocità stessa.

m

E’ conveniente esprimere tale energia annua in funzione della media del vento. C costante con potenza che continua

Si preferisce una potenza costante anche con vento variabile piuttosto che avere

variare alla minima variazione di vento.

Geotermia

Caratteristiche naturali della geotermia

Secondo le teorie più accreditate, il calore terrestre è prevalentemente d’origine radiogenica:

• decadimento di alcuni isotopi radioattivi abbondanti nella crosta terrestre;

• calore primordiale del pianeta che contribuisce in quota minoritaria.

2

Il flusso geotermico medio è pari a 0,08 W/m (~45 TW complessivi. Per confronto, si ricordi che il flusso solare è invece

5

pari a~1.7 10 TW). Il calore si propaga nella crosta per conduzione o per convezione e con l’ausilio di un vettore fluido,

quale l’acqua, tende a fluire verso la superficie. L’acqua calda, geotermica, può affiorare dando luogo a sorgenti calde e

geyser o restare nel sottosuolo formando i cosiddetti serbatoi geotermici.

Una volta localizzati i serbatoi, il fluido geotermico viene portato in superficie attraverso la realizzazione di pozzi

profondi anche alcune migliaia di metri. L’acqua o il vapore che arrivano in superficie attraverso tali pozzi, vengono

avviati agli impianti di produzione di energia elettrica, le centrali geotermiche, o sono impiegati per usi non-elettrici.

In base alla tipologia degli usi possono essere individuati alcuni settori:

• ad alta entalpia (>150 °C);

• a media entalpia (90 °C-150 °C);

• a bassa entalpia (< 90 °C).

Produzione di Energia Geotermica

Secondo il World Energy Council, la situazione mondiale al 2005 è così riassumibile:

~9 ~58 ~75

• GWe (GW elettrici) installati, con produzione di TWhe/anno di energia elettrica (disponibilità %,

~6500

cioè ore/anno). L’Italia partecipa con 0.8 GWe;

~30 ~77

• GWt (GW termici) installati, con produzione di TWht/anno di energia termica per usi diretti del calore

~30 ~2600 ~0.7

(disponibilità %, cioè ore/anno). L’Italia partecipa con GWt.

Classificazione dei Sistemi Geotermici

Con riferimento ai fluidi erogati in superficie i sistemi geotermici si dividono in diverse classi:

• Sistemi a vapore dominante, quando particolari condizioni geologiche e termodinamiche consentono al fluido

geotermico di presentarsi alla bocca del pozzo come vapore saturo o surriscaldato. Il vapore può essere

utilizzato direttamente per la produzione di energia elettrica convogliandolo ad una turbina.

• Sistemi ad acqua dominante, quando il fluido estratto è costituito da acqua calda a temperatura superiore al suo

punto di ebollizione e ad alta pressione. Nel momento in cui viene ridotta la pressione nella colonna del pozzo

l’acqua vaporizza ed arriva in superficie sotto forma di una miscela composta di acqua e vapore. Il vapore può

essere utilizzato per la produzione di energia elettrica. La temperatura in questo tipo di sistema è compresa tra

180 e 370°C. Questi sistemi sono più abbondanti del tipo precedente.

• Sistemi ad acqua calda: contengono acqua a temperatura inferiore ai 100° C (50-82° C) utilizzabile soprattutto

per usi diretti, con conseguente risparmio energetico (cure termali, riscaldamento di serre per la floricoltura e

l’orticoltura, riscaldamento di vasche per l’itticoltura, pastorizzazione del latte, lavaggio di filati grezzi (p.e. lana),

riscaldamento di edifici sia privati sia pubblici o di interi quartieri) riscaldamento di edifici, serre, impianti

industriali, ecc.).

• Sistemi in rocce calde secche (Hot Dry Rocks): sono sistemi che prevedono la creazione artificiale di un serbatoio

geotermico. Nel serbatoio viene iniettata, tramite un pozzo, dell’acqua fredda che, una volta scaldatasi grazie

all’elevato calore delle rocce, è fatta risalire in superficie per la sua utilizzazione. Questi sistemi sono in fase di

sperimentazione avanzata.

Classificazione dei Sistemi Geotermici L’energia geotermica a bassa entalpia può essere utilizzata quasi ovunque grazie

a pompe di calore, dotate di sonde geotermiche. Si tratta di scambiatori di

calore utilizzati direttamente nel pozzo, con circolazione di acqua dolce o di

fluido basso-bollente nel secondario. Queste pompe sfruttano il terreno sia

quale fonte di calore, che come dissipatore,

nel caso in cui venga richiesto un raffreddamento.

Energia Elettrica producibile

Gli impianti geotermici sono la forma di energia rinnovabile con la maggiore concentrazione della potenza prodotta. Per

quanto riguarda l'energia producibile, la temperatura del fluido geotermico è di fondamentale importanza: maggiore è

la temperatura (e quindi l’entalpia), maggiore è l'energia producibile.

Il rendimento globale delle centrali geotermoelettriche a condensazione è normalmente tra il 10 ed il 17%, soprattutto a

causa della bassa temperatura del vapore geotermico (in genere inferiore a 250°C). Inoltre il vapore geotermico ha una

composizione chimica che differisce dal vapore acqueo puro poiché in esso sono contenuti altri gas di quantità molto

variabile potendo variare tra 1 e 50 g/kg di fluido, e la loro presenza rappresenta una perdita di energia nel processo.

Le centrali geotermiche consumano da 6 a 15 kg di vapore per kWhe, a seconda della tipologia dell'impianto.

Produzione di energia elettrica

L’energia elettrica è prodotta in impianti convenzionali o a ciclo binario.

Impianti convenzionali ] ≥ 150°

Gli impianti convenzionali (fluidi con ) possono essere a contropressione (con scarico diretto nell’atmosfera)

o a condensazione:

impianti a contropressione sono più semplici e meno costosi. Il vapore, può essere prelevato direttamente dai pozzi

o (se producono vapore secco), oppure separato dalla parte liquida (se i pozzi producono vapore umido). Dopo il

passaggio in turbina, viene scaricato in atmosfera. Con questo schema il consumo di vapore è circa il doppio di

quello di un impianto a condensazione (per kWh prodotto). Essi sono utilizzati anche quando il vapore ha un

contenuto elevato di gas incondensabili (>12% in peso). Questi impianti sono generalmente di piccole dimensioni

(2,5–5 MWe).

impianti a condensazione sono più complessi e costosi. Il consumo specifico di vapore è circa la metà rispetto agli

o impianti a contropressione. La taglia tipica è circa 60-100 MWe.

La reinezione dell’acqua nel terreno, successiva ai processi di scambio energetico e di condensazione, serve ad

evitare possibili dissesti idreogeologici (subsidenza) del sito e a non impoverire le risorse disponibili. Lo scambio

termico tra il fluido in arrivo al condensatore e l'atmosfera si effettua nella torre di raffreddamento tramite un

fluido intermedio, solitamente acqua, che raffredda il fluido in uscita dalla turbina, nel condensatore, e a sua volta

cede il proprio calore all'atmosfera nella torre di raffreddamento.

Nei sistemi a vapore dominante, questo può essere inviato direttamente alla turbina dell'impianto, attraverso dei

vapordotti. In questo caso si parla di centrali a vapore secco.

Nei sistemi ad acqua dominante, che producono acqua a temperature tra i 180 e i 370°C, questa arriva in superficie

tramite i pozzi e poiché passa rapidamente dalla pressione di serbatoio a quella dell'atmosfera, si separa (flash) in una

parte di vapore, che è mandato in centrale, e una parte di liquido che è reiniettato nel serbatoio geotermico. Se il fluido

geotermico arriva in superficie con temperature particolarmente elevate, può essere sottoposto per due volte ad un

processo di "flash”. In questo caso si parla di centrali a singolo o doppio flash.


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Albevic

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria dell'energia
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Albevic di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnica ed economia dell'energia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Zollino Giuseppe.

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