Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

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.

Impianti a ciclo binario

Gli impianti a ciclo binario rappresentano la tecnologia più redditizia

per serbatoi ad acqua dominante, che producono acqua a temperature

moderate tra i 120 e i 180°C. In questi sistemi il fluido geotermico viene

utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore di calore, un

secondo liquido, con temperatura di ebollizione più bassa rispetto

all'acqua. Il fluido secondario si espande in turbina e viene quindi

condensato e riavviato allo scambiatore in un circuito chiuso, senza

scambi con l'esterno. Il fluido geotermico non entra mai in contatto con

le turbine: dopo aver attraversato lo scambiatore, torna al pozzo di

reiniezione per essere ripompato nel serbatoio geotermico.

Impatto ambientale

Il rumore prodotto sia dalle perforazioni sia dai macchinari può essere ridotto adottando sistemi di isolamento acustico.

Il fenomeno della subsidenza (dissesti idreogeologici) e dello smaltimento dei reflui viene risolto con l’utilizzo di pozzi di

reiniezione, cosa che riduce anche di molto l’errato sfruttamento ed il depauperamento della risorsa.

La microsismicità causata dall’iniezione di fanghi e reflui nei pozzi di cui sopra può essere tenuta sotto controllo con una

rete sismica specifica.

Le emissioni sono riconducibili alla componente in fase vapore rilasciata dalle torri di raffreddamento, essendo i

condensati regolarmente reiniettati in profondità ed i fanghi e le incrostazioni raccolti e smaltiti in idonee discariche.

S (acido solfidrico), CO , NH , H BO (acido borico), Hg. Le ricerche si sono concentrate

Si tratta per lo più di H 2 2 3 3 3

soprattutto per ridurre quanto più possibile l’H S, costituente principale delle emissioni in questione ed Hg. In Italia, nel

2

2002 è entrato in funzione il primo impianto di abbattimento di Hg e H S. In questo sistema l’abbattimento dell’H S è

2 2

che viene poi assorbita dall’acqua del circuito di raffreddamento ed abbattuta

ottenuto con ossidazione catalitica a SO 2

tramite processi che avvengono naturalmente grazie alle caratteristiche chimiche delle acque geotermiche. Il mercurio

è, invece, abbattuto mediante adsorbimento su carboni attivi; questo sistema permette di abbattere fino al 95% del Hg

presente.

Costi e Prospettive di Sviluppo

Il costo attuale dell’energia elettrica prodotta da fonte geotermica oscilla da 2.8 a 9 c€/kWh.

Molti Paesi attualmente produttori di quote significative di energia geotermoelettrica hanno pianificato incrementi della

produzione: si stima che entro il 2020 si potrebbe giungere ad una potenza complessivamente installata di circa 65 GWe

(contro gli attali circa 9).

Scenari di sviluppo dell’energia geotermica in Italia

• Scenario I: trend di sviluppo economico-sociale corrente, uso di tecnologie di produzione quasi soltanto mature,

e prezzi alla fonte del greggio al 2030 di 250 US $/barile (circa tre volte più alti, cioè, di quelli medi del 2010, che

sono stati 80 US $/barile);

• Scenario II: trend di sviluppo economico-sociale trainato da scelte politiche forti in senso ecologico, uso di

tecnologie di produzione non solo mature ma anche avanzate, e prezzi alla fonte del greggio al 2030 di 300

US$/barile (circa quattro volte più alti, cioè, di quelli del 2010).

L’efficienza energetica

L’intensità energetica è una misura dell'efficienza energetica del sistema economico di una nazione:

X XUg! lU!F U! (]Xl)

"= #"j (;$)

Bisognerà quindi utilizzare meno unità di energia primaria per produrre un’unità di PIL (" deve essere basso).

>

1

Se si considera ogni “dispositivo” in grado di trasformare energia, l’energia disponibile in uscita nella nuova forma è

> >

4 4

sempre minore dell’energia di cui ha bisogno il dispositivo in ingresso . Infatti una porzione di è rappresentata

>

„ . Dato che l’energia non può essere distrutta:

dall’energia degradata durante il processo

> = > + >

4 1 „

L’efficienza del dispositivo (efficienza energetica della trasformazione) è definita da:

> > − > >

1 4 „ „

T= = =1−

> > >

4 4 4 T = 1, > T < 1.

Una trasformazione ideale ha un’efficienza pari a ma in ogni trasformazione reale, a causa di ,

Miglioramenti nell'efficienza dei processi e delle attrezzature e di altri fattori esplicativi (cambiamenti strutturali e

fattori comportamentali) contribuiscono a cambiamenti mirati dell’intensità di energia. ⁄

T => ↓ "): " = 1 T

Nell’ambito di specifiche tecnologie, l’intensità energetica è l’inverso dell’efficienza energetica (↑ .

Alcuni fattori esplicativi sono:

• Fattori strutturali: cambiamenti nella struttura dell’industria, spostamenti della popolazione, cambiamenti negli

abitanti di una casa, etc:

- Nel settore industriale, uno spostamento delle industrie ad alta intensità energetica – acciaierie,

prodotti chimici, etc - a industrie a più bassa intensità energetica – informatica, etc – causerebbe un

calo dell'intensità energetica che non riflette necessariamente un aumento dell'efficienza energetica.

- Se la popolazione si muove verso climi più caldi, il riscaldamento commerciale e residenziale subirebbe

un calo, ma l’intensità di aria condizionata in estate molto probabilmente aumenterà.

- Se il numero di persone che occupa una casa cambia, l’uso globale di energia molto probabilmente

cambierà.

• Fattori comportamentali: tipo/frequenza di trasporto, quantità di spazi interni riscaldati/climatizzati

• Fattori casuali: cambiamenti nel tempo possono provocare effetti sulla quantità di energia utilizzata,

specialmente per riscaldare/climatizzare spazi interni.

Sono previsti notevoli progressi nell’efficienza delle esistenti tecnologie di generazione di energia dalla conversione di

combustibili fossili:

TECNOLOGIA Turbine a gas a ciclo combinato Ultra Super Critical (USC) Ciclo combinato con carbone gasificato (IGCC)

Efficienza allo stato attuale 59% 45% 43%

Efficienza prevista entro il 2030 62% 50% 52%

I certificati bianchi (TEE)

I certificati bianchi, o Titoli di Efficienza Energetica (TEE), sono titoli che certificano i risparmi energetici conseguiti

realizzando specifici interventi. Implicando il riconoscimento di un contributo economico, rappresentano un incentivo a

ridurre il consumo energetico in relazione al bene distribuito. La contrattazione dei TEE può avvenire tra le parti

interessate o all'interno di uno specifico mercato. Inoltre coloro i quali riescono a raggiungere un risparmio superiore a

quello annualmente prestabilito possono guadagnare vendendo i titoli in eccesso. Coloro i quali non riescono vengono

sanzionati e dovranno acquistare sul mercato altri titoli necessari al raggiungimento dell'obiettivo minimo prefissato.

Scelte economicamente efficienti sull’efficienza energetica (efficienza economica efficienza energetica)

L’efficienza energetica non è sempre accompagnata dall’efficienza economica, così è anche l’inverso.

Gli metodi possibili sono (considerando solo i casi convenienti con costi minori dei ricavi (cost-effective)):

• realizzare il migliore risparmio energetico possibile per un dato budget fissato;

• porre un target di riduzione dell’energia con più basso budget disponibile;

• calcolare quanto pagare l’efficienza in rapporto alla vita dell’apparecchiatura.

I primi due metodi hanno applicazioni più limitate rispetto al terzo, che viene utilizzato per minimizzare i costi

complessivi di esercizio o – che è lo stesso – massimizzare i guadagni netti.

Valutazione economica ed energetica degli interventi di miglioramento dell’efficienza energetica

Analisi costi-benefici

Massimizzazione dei guadagni netti u è la quantità fisica che dà luogo a risparmio energetico (ad esempio lo

spessore di uno strato isolante), ovvero il livello di conservazione

dell’energia dal punto di vista economico.

u,

Con l'aumento di aumenta sia l'efficienza energetica, che si avvicina

T = 1, e sia il risparmio energetico nella vita totale del dispositivo.

L’efficienza energetica e il risparmio energetico seguono un percorso

simile. I costi invece tendono ad aumentare più nettamente con

u.

l'aumentare di Il livello di conservazione dell’energia più efficiente

u

M

dal punto di vista economico è il punto nel quale si ha alta efficienza

energetica e bassi costi.

Analisi marginale o dei margini u

M

Anche l'analisi marginale può essere utilizzata per trovare

riconducendo ai massimi guadagni netti.

I costi marginali e I guadagni marginali sono derivati rispettivamente

dai costi e dai benefici. Il punto di intersezione delle curve marginali dà

u

M

il valore .

A sinistra del punto di intersezione, i guadagni marginali sono superiori

ai costi marginali ma il livello conservazione dell’energia è basso,

pertanto conviene investire di più. A destra, i costi marginali superano i

guadagni marginali.

Costo del ciclo di vita Il livello di conservazione dell’energia più efficiente dal punto di vista

u

M è il punto nel quale si ha il minor costo del ciclo di vita.

economico

Analisi energetica T

L’efficienza di un dispositivo/applicazione può essere riscritta come:

> >

chi „

T= =1−

> >

4& 4&

>

dove è l’energia dissipata nel processo di conversione.

Si distinguono inoltre:

>

• „P è l’energia dissipata nel ciclo di vita;

>

• C è l’energia usata nel processo di produzione di un

dispositivo/applicazione.

u, > >

„P C

Con l’aumentare di diminuisce mentre aumenta.

u

My& è il livello di conservazione dell’energia più

Come risultato u

conveniente dal punto di vista energetico, ovvero il punto per cui la

curva totale dell'energia è al minimo.

Effetto rimbalzo

L’effetto rimbalzo consiste nella teoria che tramite il miglioramento dell’efficienza energetica su larga

ridurre i costi

scala comporta ampi impatti macroeconomici che risultano in un aumento dei consumi energetici (materie prime).

In altre parole, i guadagni di efficienza energetica, possono aumentare il

incrementando la ricchezza economica,

consumo di energia, ovvero erodere parte dei risparmi energetici.

L’evidenza empirica suggerisce che la dimensione dell’effetto rimbalzo varia da piccola o moderata, in dipendenza

dell'esatta posizione, settore economico, e uso finale. La maggior parte dei risparmi energetici diretti da miglioramenti

tecnici dell'efficienza energetica nei paesi OCSE rimangono anche dopo che l'effetto diretto di rimbalzo viene

contabilizzato. Ci sono tre possibili scenari per quanto riguarda la dimensione dell'effetto rimbalzo:

a) Il risparmio di risorse è maggiore del previsto: l'effetto rimbalzo è negativo. In genere, ciò si verifica se il

legislatore incentiva l'uso di tecnologie più efficienti a patto che i prodotti diventino più costosi sul mercato.

b) Il risparmio effettivo è minore di quello previsto: l'effetto rimbalzo è compreso tra 0% e 100%. Ciò è noto anche

col nome di "take-back" ed è il risultato più comune di studi empirici sui singoli mercati.

c) Il risparmio ottenuto è negativo: l'effetto rimbalzo è maggiore del 100%. Questa situazione è comunemente

nota come paradosso di Jevons e a volte è indicato con l'espressione "back-fire".

Tuttavia, vari studi suggeriscono che questo effetto è minimo e corrisponde in una perdita di non più di 1 o 2% dei

risparmi energetici diretti.

C’è allora da chiedersi se sono i progressi tecnologici o l’aumento dei prezzi dell'energia il vero responsabile del

risparmio energetico. Anche se è indiscutibile che i consumatori sono molto sensibili ai prezzi elevati dell'energia, questa

è una questione controversa e dipende in larga misura dalla stima dell’elasticità della domanda; si consideri l’esempio:

• nell’ipotesi che la domanda sia abbastanza rigida, una variazione del prezzo di un servizio energetico, a seguito

di un miglioramento di efficienza, non indurrà sensibili variazioni nel suo utilizzo, e quindi indurrà una

diminuzione del consumo energetico rendendo effettivamente concreto il miglioramento;

• nell’ipotesi che la domanda sia elastica, una riduzione anche piccola del prezzo del servizio provocherebbe un

significativo aumento nel suo consumo. Si tratta di quello che viene chiamato effetto rimbalzo.

L'effetto rimbalzo può essere analizzato considerando tre tipi di scenari economici:

• Effetto rimbalzo diretto: una maggiore efficienza nella produzione di un bene o nella fornitura di un servizio, ne

riduce i costi e ne aumenta di conseguenza la domanda;

• Effetto rimbalzo indiretto: una maggiore efficienza nella produzione di un bene o nella fornitura di un servizio,

ne riduce i costi aumentando la ricchezza e orientando la domanda verso altri beni e servizi.

• Effetto macroeconomico: la nuova tecnologia crea nuove possibilità di produzione e aumenta la crescita

economica nel suo complesso. APPUNTI………….

Attenuazione dell’impatto ambientale dei combustibili fossili

Il carbone, fonte primaria per la produzione di energia elettrica nel Mondo

I paesi del mondo che producono energia in gran parte grazie al carbone sono: il Sud Africa -> 92%, la Polonia -> 85%, la

China -> 75%, l’India -> 72% e gli Stati Uniti -> 39%. L’Europa utilizza un 28% carbone per produrre energia, mentre

l’Italia ne utilizza un 17%.

Secondo lo Scenario Roadmap presentato nel documento relativo alla Strategia Energetica Nazionale (SEN, 2013), il

ruolo del carbone diverrà sempre più marginale; sarà però l’unico combustibile fossile utilizzato per la produzione di

energia elettrica a patto che sia associato ad impianti per la cattura e lo stoccaggio della CO2 (CCS).

L’evoluzione del consumo di carbone secondo il “World Energy Outlook 2010”:

• Il carbone rimarrà ancora una delle principali fonti primarie nel mondo per la produzione di energia elettrica a

causa della crescente domanda da parte dei paesi in via di sviluppo, Cina in primis, seguita da India.

• Nei paesi OECD le centrali di vecchia generazione potrebbero (New policies scenario) essere sostituite da USC e

IGCC con - eventualmente - CCS.

L’evoluzione del consumo di carbone secondo il “World Energy Outlook 2014”:

La crescita della domanda di carbone è guidato dal rigore delle politiche sul carbonio. Nel New Policies Scenario, la

domanda cresce in media dello 0,5% all'anno tra il 2012 e il 2040 per oltre 6 350 milioni di tonnellate di carbone

equivalente. Le prospettive per il carbone variano significativamente da regione a regione. La domanda cala in tutte le

principali regioni OCSE, compresi gli Stati Uniti, dove l'uso del carbone per i cali di potenza diminuisce di oltre un terzo

tra il 2012 e il 2040. Anche la crescita del consumo di carbone della Cina rallenta, con un picco di domanda intorno al

2030. India, dove la domanda continua a salire fortemente, sorpassa gli Stati Uniti come il secondo più grande

consumatore di carbone al mondo dopo la Cina prima del 2020.

L’evoluzione del consumo di carbone secondo il “World Energy Outlook 2015”:

Guidate da un sostegno politico costante, le energie rinnovabili rappresentano la metà della generazione globale,

superando il carbone intorno al 2030 per diventare la più grande fonte di energia.

L’Italia importa via mare circa il 90% del proprio fabbisogno di carbone, su una flotta italiana di circa 60 imbarcazioni che

garantiscono una capacità di carico complessiva di oltre 4,6 milioni di tonnellate. L’unica risorsa carbonifera italiana è

concentrata nel bacino del Sulcis Iglesiente, Sardegna (106 ton/anno).

Gli inquinanti prodotti dalla combustione di carbone per la produzione di energia elettrica

DIOSSIDO DI ZOLFO - SO2: Causa delle piogge acide; i sistemi di desolforazione sono i grado di abbattere il contenuto di

inquinante fino a più del 95% (scrubber). La SO2 estratta è prevalentemente utilizzata per la produzione di gesso.

OSSIDI DI AZOTO - NO e NO2: Contribuiscono alla formazione di piogge acide e smog; nelle centrali a polverino di

carbone la produzione di NOx può essere ridotta diminuendo la temperatura in caldaia, immettendo aria comburente in

più punti o facendo reagire gli ossidi con ammoniaca NH3 in impianti SCR (Selective Catalytic

Reduction), con efficienza del 90% e produzione di azoto e acqua.

PARTICOLATO – PST: Comprende polveri di differenti dimensioni, pericolose in quanto possono essere inalate.

I dispositivi di abbattimento consistono in diverse tipologie di filtri (precipitatori elettrostatici, filtri a manica, filtri a

umido, cicloni).

MERCURIO – Hg: Le centrali termoelettriche e i termovalorizzatori producono il 70% delle emissioni antropogeniche di

mercurio che si presenta al camino in forma gassosa. I dispositivi di filtraggio delle polveri sono in grado di rimuoverne

solo il 24% (ESP) – 28% (filtri a manica); si ipotizza la modifica di de-solforatori e de-nitrificatori per l’abbattimento

dei metalli nei fumi, tra i quali anche il mercurio.

METALLI PESANTI, DIOSSINE, FURANI: Sono prodotti di combustioni miste (carbone e rifiuti o biomasse). Con il termine

generico di “diossine” si indica un gruppo di 210 composti chimici aromatici policlorurati, ossia formati da carbonio,

idrogeno, ossigeno e cloro, divisi in due famiglie: dibenzo-p-diossine (PCDD o propriamente “diossine”) edibenzo-p-

furani (PCDF o “furani”).

ANIDRIDE CARBONICA - CO2: Non è propriamente un inquinante ma, in quanto causa dell’effetto serra e quindi del

riscaldamento dell’atmosfera, è necessario intervenire affinché le emissioni siano il più possibile limitate.

Possibili soluzioni per contenere l’impatto ambientale della combustione di carbone

• Miglioramento dell’efficienza degli impianti: maggiore efficienza significa minore quantità di combustibile a

parità di energia prodotta (aspetto economico) e minori emissioni (aspetto ambientale) – un aumento

dell’efficienza dal 30% al 45% comporta una riduzione di emissioni del 33% [IEA];

• Sistemi per l’abbattimento delle polveri, SO2 e NOx: Coal washing, fluidised bed combustion, electrostatic

precipitators and fabric filters, scrubbers e FGD (flue gas desolfurization);

• Riutilizzo degli scarti dei sistemi di abbattimento;

• Cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica emessa (sistemi CCS).

Sistemi di abbattimento del particolato solido

Si suddividono in tre tipologie:

(1) Camere di sedimentazione e cicloni Non sono utilizzati negli impianti termoelettrici che utilizzano

carbone polverizzato poiché sono in grado di filtrare solo

polveri con d > 10μm.

Nelle camere di sedimentazione (separatori inerziali) la forza

che separa le particelle dal gas di trasporto è di natura

gravitazionale.

Nei cicloni la separazione avviene grazie all’azione della forza

centrifuga.

Precipitatori elettrostatici (ESP: Electro Static Precipitator)

(2)

Rappresentano la soluzione più diffusa nelle centrali termoelettriche: sono caratterizzati da rendimento ed affidabilità

elevati e basse perdite di carico. Sono in grado di bloccare particelle aventi 0.01μm < d < 100μm. Il loro funzionamento

si basa sulla generazione di campi elettrostatici di intensità e direzione tali da ionizzare le particelle e successivamente

deviarne la traiettoria affinché impattino e poi aderiscano alle pareti interne del filtro da cui verranno asportati

meccanicamente o tramite lavaggio.

Se un gas viene fatto passare attraverso un elettrodo posto ad elevato potenziale e un altro posto a terra, esso si ionizza dando luogo all’effetto

corona. Gli ioni, prodotti dall’effetto corona, migrano verso gli elettrodi di segno

opposto e, scontrandosi con le particelle di polvere che fluiscono parallelamente agli

elettrodi, trasferiscono su di esse le cariche. Sulle particelle cariche ed immesse nel

campo elettrico viene così ad agire una forza elettrica prevalentemente diretta verso

l’elettrodo di raccolta perché la quasi totalità delle particelle viene caricata dagli ioni

che, generatisi in prossimità dell’elettrodo di emissione (zona dell’effetto corona) e

diretti verso l’elettrodo di raccolta, attraversano tutta la sezione del filtro elettrostatico.

Efficienza di un ESP

L’efficienza è definita:

+ P

T= =1−

1 1

dove: =

• 1 n° di particelle in ingresso

=

• P n° di particelle all’uscita

= m X m )

• + + ˆ ‰

n° di particelle raccolte su (dipende da

Il fattore di decontaminazione è definito:

1

1

'= = l

P

l 1 − T

dove è la penetrazione pari a e rappresenta la percentuale di inquinante non trattenuta dal filtro.

W

La variazione del n° di particelle nei fumi alla generica quota dipende dall’effetto combinato di:

Vp VW

(dovuta (dovuta

m = m =

ˆ ‰

Vf Vf

al campo elettrico di raccolta) e ai fumi)

ed è definita come segue:

Vp m Vf m VW

ˆ ˆ

(W) (W) (W) (W)

V = − = − = −

Š Š Š m

0 j (0) = 1

Integrando tra e con :

(W) (j)

V m m j

P P P

d

,

ˆ ˆ

‹ = −‹ VW = ln =− => = X d •

Ž

P 1

(W) (0)

m Š m Š

‰ ‰

1 1

m`a = j = Š:

i +

Poiché

= X ,•

P 1 m j m

ˆ ˆ +

‘ = =

m Š m

con ‰ ‰ i

L’espressione dell’efficienza risulta allora:

P

T =1− = 1 − X > 99%

,•

1

m m

ˆ + ˆ + +

‘ = = :

m u u

con dove Specific Collection Area

‰ i

dove: u m

• i ‰

è un parametro funzionale che dipende dalla portata e da (posta ≈1 m/s per ragioni economiche,

u = m

‰ i

acustiche e di ingombro): ;

m

• ˆ può essere aumentata grazie ad una maggiore intensità del campo elettrico

+

NB: negli ESP con superficie di raccolta piana è possibile aumentare inserendo nuove piastre.

Limiti entro i quali può essere aumentato il campo elettrico

Il generatore G applica una tensione continua tra filo metallico e

struttura cilindrica compresa tra 30 kV e 60 kV.

Il trasduttore T rileva le eventuali scariche nei fumi tra filo e

struttura cilindrica e riduce temporaneamente la tensione per

consentire la deionizzazione; la tensione viene poi riportata al

massimo valore compatibile con la rigidità dielettrica

dell’aria (30kV/cm).

Nelle applicazioni industriali è da preferirsi la corona negativa.

Il modulo del campo elettrico nella regione tra il filo metallico e la struttura cilindrica vale:

€" O

= € = =

> U

+ 2xUH

J U ln U

O

dove è la f.e.m. del generatore G. U ovvero sulla superficie del

Il suo valore massimo si ha in corrispondenza di

conduttore verticale (andamento iperbolico). In prossimità del filo deve essere

;O/?F l = l

Ei“

superiore alla rigidità dielettrica del gas (30 se ) in modo che il gas venga ionizzato (effetto corona).

La potenza dell’effetto corona (corona power) vale:

= O "

#

” “ M

O "

“ M

dove è la tensione media e è la corrente media di corona.

È legata all’efficienza secondo la seguente relazione:

A–

,

T ∝1−X ˜

; = 0,5 ÷ 0,7.

con

Per un’elevata efficienza di cattura, la potenza dell’effetto corona è solitamente

/H 100 500 Z 1000 - < ∗)

59 295 Z 1000 F (tra e per

compresa tra e per

< =

*- Actual Cubic Feet per Minute of gas volume at the actual condition temperature, pressure,

moisture, elevation and gas composition

Moto della particella soggetta al campo elettrico

La conducibilità del particolato è fondamentale per il corretto funzionamento del depuratore. Se la particella fosse

isolante le linee del campo non sarebbero deflesse e quindi sarebbe minore la probabilità che un elettrone si

depositasse sulla particella. >

n

K che può depositarsi su una particella è funzione dell’intensità del campo elettrico e della superficie

La carica limite V

della particella (proporzionale al quadrato della dimensione media caratteristica del particolato):

n = >V = ?` f

K con ›

Analogamente la densità superficiale di carica è proporzionale all’intensità del campo elettrico:

n

K ≅› ›∝>

V con

Perciò: = n > = > V

y K

a) Forza prodotta dal campo elettrico agente sulla particella:

J = − m V

• ˆ

b) Ad essa si oppone la resistenza per attrito viscoso: „d

+ J = F •

y •

c) Equazione del moto della particella: „i

d) Quando la particella è caratterizzata da moto uniforme ha velocità pari alla velocità limite (velocità di deriva):

Ÿ

+ J = 0 ⇔ > V =− m V => m = > V = > V ≈ ?F/

y • ˆ ˆ Ÿ

¡

Stima dell’efficienza di un precipitatore elettrostatico in fase progettuale

L’espressione dell’efficienza è: d K

• £

,

P = 1 − X = 1 − X

T =1− ,• ˜

1

dove: ¤ m

• ‰ i

è nota e è fissata: da esse deriva il valore della superficie di entrata del filtro .

¥

• ¦

Se è fissata ed è fissato anche il valore della distanza tra le piastre (in caso di superficie di raccolta piana), è

j

di conseguenza determinabile il numero di piastre di raccolta; nota la lunghezza del filtro si ricava l’area totale

+

di raccolta . O

• Scelto il valore del campo elettrico (ricordando che l’andamento del rendimento in funzione della presenta un

V m

ˆ

plateau a circa 50 kV), noto l’intervallo di valori di diametro del particolato, si deriva la velocità media

§ = > V.

¨

tramite la formula:

E’ ora possibile calcolare il valore teorico dell’efficienza del filtro progettato.

Valutazione dell’efficienza reale del filtro

Il valore dell’efficienza calcolato come:

K

d

• £

,

P = 1 − X = 1 − X

T =1− ,• ˜

1

Rappresenta un dato teorico che nella realtà non viene raggiunto a causa di fenomeni complessi, spesso non

controllabili e quindi difficilmente quantificabili (es. erosione dello strato depositato sulle piastre).

Il valore dell’efficienza è inoltre influenzato da i seguenti fattori:

1. la dimensione del particolato;

2. la resistività del particolato:

a) la temperatura del gas;

b) la composizione chimica del gas;

c) la presenza di vapore acqueo;

3. l’efficienza dei sistemi di rimozione del particolato.

Cause della variazione dell’efficienza del filtro dai valori teorici: la dimensione del particolato

Maggiore è la dimensione delle particelle: n = >V

• K

Maggiore è la quantità di elettroni che si depositano sulla superficie:

= n > = > V

• y y K

che agisce sulla particella:

Maggiore è l’intensità della forza

• Maggiore è la velocità di deriva (la velocità reale è diversa dalla velocità media a cui si fa riferimento nel calcolo

m = > V

ˆ

dell’efficienza in sede di progetto):

• Maggiore sembra l’efficienza (T) poiché è minore l’adesione allo

strato deposto sulla parete a causa della veloce diminuzione della

< O

© i ): risulta quindi

differenza di potenziale tra elettrodo e filo (O

maggiore la probabilità che vengano risucchiate dalla portata di aria

che attraversa la camera, con la conseguente riduzione

dell’efficienza.

Cause della variazione dell’efficienza del filtro dai valori teorici: la resistività del particolato

€ 10 «?F):

ª

Se è troppo bassa (<

• particelle tendono a cedere con facilità la carica alla parete positiva e a

ritornare quindi neutre;

•O

• il nello strato è basso;

• le forze di adesione sono esigue e quindi lo strato è poco compatto; ciò fa

si che il gas, prima di abbandonare il filtro, possa recuperare, parzialmente

o completamente, il carico di contaminanti che aveva perso attraversando

la prima parte del dispositivo.

€ 10 «?F):

Se è troppo alta (>

• particelle tendono a mantenere la carica una volta depositate sulla parete;

• il ΔV nello strato è elevato;

• sull’elettrodo le forze di adesione sono ingenti e quindi lo strato è molto

compatto;

• lo strato è molto sottile e cresce lentamente; inoltre a causa dell’elevata

differenza di potenziale che si viene a creare tra le due facce dello strato

di polvere trattenuto sull’elettrodo di raccolta, si verifica l’effetto back

corona a causa del quale avvengono microscariche che provocano gravi

perturbazioni al voltaggio operativo dell’elettrofiltro e tendono a

respingere gli elettroni emessi dal filo, con conseguente sensibile

decadimento delle efficienze di rimozione.


ACQUISTATO

14 volte

PAGINE

71

PESO

6.92 MB

AUTORE

Albevic

PUBBLICATO

+1 anno fa


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.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Corso di laurea in ingegneria dell'energia

Riassunti macchine Prof Pavesi Giorgio
Appunto
Domande Teoria Macchine elettriche risolte - Andriollo - Tortella
Appunto
Riassunti teoria enertronica prof Emanuele Bertoluzzo
Appunto
Progetto pompa macchine prof. Pavesi Giorgio
Appunto