 Suddivisione del mercato dell’Energia Rinnovabile e applicazioni di diverse fonti e tecnologie (combustibili liquidi, gas, elettricità, ecc.)

Fonti Energetiche Rinnovabili.

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Contenuto di Questa Sezione.

Principi Chiave

 Introduzione su nomenclatura: terminologie scientifiche e concetti

 Suddivisione del mercato dell’Energia Rinnovabile e applicazioni di diverse fonti e tecnologie (combustibili liquidi, gas, elettricità, ecc.)

 Confronto sui limiti fisici e pratici delle diverse fonti di energia rinnovabile

 Rilevanza dell’efficienza energetica come importante Risorsa Energetica

 accenni alle diverse caratteristiche e appropriate applicazioni delle tecnologie di immagazzinamento: flessibilità della curva di carico rispetto alla qualità dell’alimentazione.

 Risparmi energetici e relative normative UE.

Produzione Mondiale di Energia per Regione (%) e per Tipo di Combustibile (%) (2011).

Totale = 13202 Mtoe (per Regione) Totale = 13202 Mtoe (per combus.)

3

31,3%

29,2%

21,2%

12,9%

5,1%

0,3%

Petroleum and Products Solid Fuels

Gas Renewables

Nuclear Other

6,1%

18,4%

13,5%

13,5%

10,6%

10,0%

8,4%

19,4%

EU-28 China United States

Middle East Asia* Russia

Africa Rest of the World

Mtoe 1995 2000 2005 2010 2011 2011 (%)

EU-28 965 950 905 841 809 6,1%

Cina 1065 1130 1701 2262 2433 18,4%

Stati Uniti 1659 1667 1631 1723 1785 13,5%

Medio oriente 1140 1329 1523 1641 1788 13,5%

Asia* 826 934 1121 1373 1405 10,6%

Russia 968 978 1203 1293 1315 10,0%

Africa 772 890 1089 1168 1104 8,4%

Resto del Mondo 1879 2174 2435 2567 2564 19,4%

Mondo 9274 10052 11608 12868 13203 100,00%

Mtoe 1995 2000 2005 2010 2011 2011 (%) Petrolio e Prodotti 3395 3702 4050 4078 4133 0,313 Combustibili Solidi 2233 2294 3012 3648 3851 0,292

Gas 1815 2062 2373 2720 2805 0,212

Rinnovabili 1207 1296 1430 1671 1702 0,129

Nucleare 608 676 722 719 674 0,051

Altro 17 22 21 32 37 0,003

Totale 9275 10052 11608 12868 13202 1,00

Combustibili (2011).

Mtoe 1995 2000 2005 2010 2011 2011 (%)

Petrolio e Prodotti 3371 2358 4021 4146 4136 31,50%

Combustibili Solidi 2222 2358 2974 3595 3776 28,80%

Gas 1812 2072 2365 2740 2787 21,30%

Rinnovabili 1208 1297 1429 1672 1703 13,00%

* Idro 213 225 252 296 300 2,30%

* Geotermico 39 52 54 65 66 0,50%

* Solare/Eolico/Altro 3 8 16 47 61 0,50%

* Biocomb. e Rifiuti 968 1033 1127 1295 1312 10,00%

Nucleare 608 676 722 719 674 5,10%

Altro 17 23 21 32 37 0,30%

40,70%

10,10%

15,50%

12,60%

17,70%

3,20% 0,10%

Petroleum and Products Solid Fuels

Gas Renewables

Electricity Heat

Other

Finale

31,50%

28,80%

21,30%

13,00%

5,10% 0,30%

Petroleum and Products Solid Fuels

Gas Renewables

Nuclear Other

Totale 2011 = 13 113 Mtoe

EU-28 Consumi Interni di Energia

Mix* – 2012 (%).

Energia e Importazioni Nette (2012).

Flussi di Importazioni di Energia in UE.

7

L’Unione Europea è

dipendente per almeno il 50% dall’importazione per i suoi consumi energetici e si avvia ad aumentare tale valore al 70% in circa 15 anni. Una gran parte del suo petrolio e gas vengono sempre di più dalla Russia.

Le ultime crisi con

l’Ucraina, però, hanno

messo in crisi questo

modello di dipendenza

energetica dalla Russia in

merito alle possibilità di

comportarsi da fornitore

sicuro.

sulle Emissioni GHG.

% EU-28

2012 Overall RES Share 14,1 %

2012 RES Interim Target 10,7 %

2020 RES Target 20,0 %

BE 6,80% 4,40% 13,00%

BG 16,30% 10,70% 16,00%

CZ 11,20% 7,50% 13,00%

DK 26,00% 19,60% 30,00%

DE 12,40% 8,20% 18,00%

EE 25,80% 19,40% 25,00%

IE 7,20% 5,70% 16,00%

EL 13,80% 9,10% 18,00%

ES 14,30% 11,00% 20,00%

FR 13,40% 12,80% 23,00%

HR 16,80% 14,10% 20,00%

IT 13,50% 7,60% 17,00%

CY 6,80% 4,90% 13,00%

LV 35,80% 34,10% 40,00%

LT 21,70% 16,60% 23,00%

LU 3,10% 2,90% 11,00%

HU 9,60% 6,00% 13,00%

MT 1,40% 2,00% 10,00%

NL 4,50% 4,70% 14,00%

AT 32,10% 25,40% 34,00%

PL 11,00% 8,80% 15,00%

PT 24,60% 22,60% 31,00%

RO 22,90% 19,00% 24,00%

SI 20,20% 17,80% 25,00%

SK 10,40% 8,20% 14,00%

FI 34,30% 30,40% 38,00%

Indice

100=1990 1990 1995 2000 2005 2010 2011 2012

EU-28 100 93 92 93 86 83 82

Belgio 100 105 103 100 93 85 83

Bulgaria 100 70 54 58 55 60 56

Rep. Ceca 100 77 75 74 70 68 67

Danimarca 100 111 100 94 90 83 77

Germania 100 90 84 81 77 74 77

Estonia 100 49 42 46 49 52 47

Irlanda 100 107 124 128 113 106 107

Grecia 100 105 120 128 112 110 106

Spagna 100 111 135 154 125 126 122

Francia 100 99 101 102 94 89 89

Croazia 100 73 83 96 90 89 83

Italia 100 102 107 112 97 95 90

Cipro 100 121 138 150 151 147 148

Latvia 100 48 38 42 47 45 43

Lituania 100 45 40 48 43 44 44

Lussemburgo 100 81 81 108 102 100 97

Ungheria 100 81 80 81 69 67 64

Malta 100 123 130 147 150 151 157

Olanda 100 107 103 102 101 95 93

Austria 100 103 104 120 110 108 104

Polonia 100 95 84 85 88 88 86

Portogallo 100 117 138 145 119 116 115

Romania 100 71 55 58 48 50 48

Slovenia 100 101 103 110 106 106 103

Slovacchia 100 74 69 71 64 63 58

Finlandia 100 100 99 98 107 97 88

Svezia 100 102 96 93 91 86 81

Obiettivi sulle Emissioni GHG*

Confronto con i valori del 1990

Capacità* di Energie Rinnovabili nel Mondo, EU- 28, BRICS e Primi Sette Paesi, Fine-2015.

9

Fonte:

REN21 (2016).

*Non incluso l'idroelettrico

Energia Oceano CSP

Energia Geotermica BioEnergia

Solare PV Energia Eolica

Cina Stati

Uniti Germania Giappone India Italia Stagna Mondo

totale

Fonti Rinnovabili.

Proiezioni sulla produzione concordata di energia da fonti rinnovabili nei paesi EU27 in base ai piani nazionali per l’energia rinnovabile,

Beurskens LWM, Hekkenberg M: Renewable Energy Projections as Published in the National Renewable Energy Action Plans of the European Member States. Petten, NL. Energy Research Centre of the Netherlands and European Environment Agency; 2011.

Aspetti Specifici sul Tema delle Energie Rinnovabili.

Energia Elettrica

 Risorse: scala potenziale dell’energia elettrica

 Infrastrutture: dighe, impianti di stoccaggio, turbine.

Energia Oceanica (Onde e Maree)

 Risorse: la scala potenziale di onde e maree

 Sbarramenti marini vs. correnti marine: pro, contro, tecnologie

 Varietà di impianti per moto ondoso e loro stato

 Tecnologia commerciale e attese.

11

Rinnovabili.

Energia Solare

 Come varia l’energia solare con ubicazione ed altri fattori chiave

 Concetti chiari sulla cattura dell’energia solare, incluso l’irraggiamento diretto vs. diffuso, angoli di raccolta, spaziatura, orientamento, concentrazione

 Tecnologie fotovoltaiche (PV) e fotovoltaico concentrato (CPV), dalle celle e moduli

 Comprensione delle informazioni rilevanti su moduli e altri elementi informativi

 Invertitori, passanti ed altri componenti chiave

 Confronto e contrasto tra Solare Concentrato (CSP) e fotovoltaico (PV) – modi complementari o competitivi di convertire la radiazione solare in energia elettrica?

 Tipi di CSP : canali, torri, piatti, Fresnel, oltre che immagazzinamento CSP

 Dati teorici di laboratorio e efficienza del mondo reale (celle PV vs. moduli vs. batterie e confronto con CSP)

 Assetto e pianificazione di un Insediamento Solare.

Energia Geotermica

 Differenti tipi di risorse geotermiche: Localizzazioni e geologie; Profondità, T, velocità di flusso e fluidi

 Comprendere i limiti della risorsa sulla sostenibilità della generazione di energia geotermica. Super-sfruttamento..

 Energia geotermica e terremoti

 Progetti Geotermici: Esplorazione, conferme, costruzioni, operazioni; • Escavazione: metodi, sfide, costi

 EGS – Ingegneria geotermica migliorata (“rocce secche calde”): Aspetti tecnici e sfide ingegneristiche

 Confronto tra progetti di impianti geotermici (vapore flash, vapore secco, ciclo binario e combinato)

 Problematiche operative relative ai fluidi geotermici

 Sistemi a cascata: sia potenza che calore per una utilizzazione ultima dell‘energia

 Tecnologie emergenti quali fluidi supercritici, co-produzione con petrolio e gas.

Aspetti Specifici sul Tema delle Energie Rinnovabili.

Energia Eolica

 Energia eolica e velocità del vento, altezza ed altri fattori

 Tecniche e tecnologie per raccogliere il vento, inclusi i metodi emergenti

 Significato pratico del termine velocità “media” del vento

 Progettazione di turbine per vento: HAWTS, VAWTS - differenze e similarità, pro e contro

 Curve e coefficienti delle turbine per vento

 Fondamenti dell’operazione e controllo, inclusa potenza, RPM, coppia

 Altri componenti del sistema che compongono turbine e tralicci

 Componenti chiave, inclusi riduttori e generatori: evoluzione, O&M, rischi e affidabilità

 Struttura parco eolico, uso e prog. di terra/area; (problemi: effetti onde e cablatura di trasmissione)

 Installazioni specifiche, fondazioni e opportunità O&M per parchi eolici marini.

Bioenergia

 Costituenti chiave delle “biomasse”

 Differenti “generazioni” e fonti di biomasse, incluse culture, scarti (solidi, liquidi, municipali &

agricoli), alghe

 Energia potenziale (e limiti) delle biomasse, incluso l’uso della terra

 Le basi dei processi di conversione chimica, biologica e termica delle biomasse

 Attuale conversioni a bioetanolo e biodiesel

 Strade avanzate ed emergenti per la produzione di biocombustibili, inclusi i combustibili per aerei

 Biomasse per usi di potenza, incluse combustione diretta e co-combustione con carbone

 Vie per usi di potenza tramite combustibili intermedi (per es. gassificazione)

 Tecnologie di pretrattamento di biomasse, inclusa la pellettizzazione e la torrefazione

 Bioraffinerie e concetti dei multi-prodotti

 Stato delle tecnologie: commerciali o non?

13

Rinnovabili.

Geotermica

Potenziale Totale: 40 TW Installata: 0.01 TW

Vento

Utilizzazione 4%: 2-3 TW Installata: 0.003 TW

Idroelettrica

Potenziale: 4.6 TW Tecnic. Usabile: 1.6 TW Economica: 0.9 TW Installata : 0.6 TW

Biomasse

50% di tutte le terre Coltivabili : 7-10 TW Installata: 0.13 TW

Solare

Potenziale: 1.2x10

TW Pratica: 600 TW

Installata: 0.001 TW

Energia Rinnovabile :

Un'Alternativa al Fossile e all’Atomo.

A differenza dei depositi limitati di combustibili fossili e nucleari che la terra

non è in grado di rinnovare alla velocità con cui li consumiamo, esistono molte altre

forme di energia che si possono sfruttare per ottenere della potenza usabile.

Alcune delle maggiori fonti di energia rinnovabile includono:

• Energia Solare: Idroelettrica Energia eolica

Energia Fotovoltaica

Energia Termica/maree degli oceani

• Energia Geotermica

• Energia da Biomasse

• Energia da Idrogeno con celle a combustibile

Fonti Energetiche Rinnovabili.

• Energia da Biomasse :

 Da combustione di legno, scarti agroindustriali e biogas.

• Idroelettrica.

 Dovuta all’energia potenziale dell’acqua fra due differenti livelli, convertita in energia elettrica.

• Energia Geotermica.

 Prodotta dalla cattura del flusso interno di calore della Terra (Italia, Islanda, U.S., Filippine).

• Eolica, maree, onde, e energia solare :

 I venti e le onde sono espressioni secondarie dell’energia solare.

 I venti sono stati usati come fonti energetiche da migliaia d’anni con l’aiuto di vele su barche e mulini.

 I venti stazionari rappresentano solo circa il 10 % dell’energia

usata.

17

fusione nucleare

Energia Rinnovabile e Relative Trasformazioni.

en. eolica en. idrica

meccanica maree

en. termica pannelli

elettricità celle fotov.

en. solare

Energia rinnovabile

elettricità en. termica

meccanica meccanica

elettricità elettricità

elettricità calore

gas biomassa

Energia Solare

Potenziale: 1.2·10

TW Pratica: 600 TW

Installata: 0.002 TW

Energia Termica/Maree.

Vantaggi:

Fonte inesauribile Non inquinante

Contro:

Difficile da usare

Energia Meccanica :

• Dovuta alla gravità



Potenza Idroelettrica da dighe



Maree

• Dovuta alle onde



Correnti oceaniche.

19

Energia Idroelettrica.

• E = m·g·h = ½ mv ²

• P = m’·g·h

• E = energia potenziale (kJ)



P = potenza (kW)



m’ = velocità di flusso (kg·s

)



h = altezza

• v = (2 g·h)



v = velocità dell’acqua

all’ingresso della turbina (m·s

)

Impianti Idroelettrici



A differenza degli impianti termici, è direttamente

disponibile il lavoro anziché il calore.

Controlli Turbina a girante

a pale

Rotore Statore

Eccitatore

Trasformatore

Generatore

Turbina ad acqua Acqua da un serbatoio

Energia Idroelettrica (2).

Vantaggi:

Inesauribile

Non inquinante

Niente inquinamento termico Diffusa

Contro:

Impatto ambientale

Modifica del microclima

E’ un’energia pulita, evita anche l’inquinamento termico (vapori caldi).

Oggi ha già una copertura prossima al massimo. Problema per impianti di grandi dimensioni, per il pericolo di disastri (Vajont), alterazione del paesaggio (Adda e Oglio), letti di fiume in secca ed inquinamento

acque, alterazione del clima.

Energia meccanica – elettricità. Impianti montani con diga / bacino e portata costante d’acqua in turbina, o impianti in pianura con

sbarramento e percorso parallelo. (Legge di Bernoulli)

L’energia prodotta è funzione del salto e della portata in m

al secondo.

21

Energia Idroelettrica (3).

Il suo uso documentato risale ai Greci. Con i romani e per tutto il Medioevo si usarono mulini ad acqua per macinare granaglie.

E’ solo nell’ottocento che si sviluppano delle tecnologie d'uso dell’acqua per fabbricare beni e strumenti.

Il primo impianto idroelettrico in Italia fu quello di Isoverde (Genova) risale al 1890, 10 anni dopo quello americano delle cascate del Niagara (1879) e quello Inglese del

Northumberland, al confine scozzese (1880).

L’energia Idroelettrica costituisce il 18%

dell’intera energia elettrica utilizzata in Italia (la Norvegia genera il 99% della sua elettricità e la Nuova Zelanda il 75%).

La potenza idroelettrica prevede l’impiego di

dighe e quasi tutte le grandi riserve sono state

sfruttate a livello mondiale.

Stoccaggio dell’Energia Idroelettrica.

Operazione di un impianto di sollevamento idroelettrico Impianto di pompaggio-

stoccaggio

Consumi Idroelettrici Mondiali nel 2011.

23

Fonte: BP Statistical Review of World Energy 2012

Terawatt ora

NORD AMERICA

AMERICA S . E CENTRALE

AFRICA

ASIA PACIFICO EURASIA

MEDIO ORIENTE OECD EUROPA

Maree.

Vantaggi



Rinnovabile, pulita



Nessun scarto né inquinamento termico



Protezione delle linee di costa da innalzamenti del mare

Svantaggi



Intermittente



Alterazione dell’ecosistema locale (uccelli marini e habitat di pesci)

Una centrale da marea è quello dell’estuario di Bay of Rance



Costruita nel 1967



Potenza prodotta = 160 MW



R=11.4 m; A=22 km

25

Maree (2).

• La gravità e la forza centrifuga sono in direzioni opposte.

TERRA LUNA

Indica il centro di rotazione per il sistema Terra-Luna

La forza rotazionale è più forte della

gravità

La gravità è più forte delle forze

rotazionali

Maree Deboli e Forti.

Espansioni da marea (a)

Marea debole

Polo Nord

6 ore dopo (b)

Marea forte

Polo Nord

27

Sistema Terra-Luna.



La spinta è più forte su A che su B, che su C



Un osservatore fuori dal sistema Terra/Luna vede la Terra

espandersi



Un osservatore in C vede

ancora lo stesso allungamento, ma percepisce le forze da A e B che spingono da entrambi i lati



D e E sentono meno forza di C, per cui le forze sono verso C.



Rispetto a C, le forze in F, G ecc.

sono tangenti alla terra.



Queste forze forzano l’acqua ad accumularsi alle due estremità e lungo la congiungente Luna/Terra in B (maree forti)



Sei ore dopo, la Terra ha ruotato di 90 gradi relativamente alla luna (maree deboli)

Terra

Terra

Luna Luna

Sistema Terra-Luna-Sole.

• Maree Primaverili



La Luna è ad angolo retto rispetto al sole



Inferiore alle maree medie



Minima ampiezza

• Alta Marea



La Luna è allineata al Sole



Maree superiori alla media



Massima ampiezza

Primo Quarto

Ultimo Quarto

Terra

Terra

Marea Lunare Marea Solare

Luna Luna

Marea Lunare Marea Solare

Marea Primaverile Marea Alta

Sole

Sole

29

Maree (3).

 Escursione (ampiezza picco-a-picco)

 Pieno oceano ~ 0.7 m

 Estuari ~ 10 m

 La potenza generata aumenta come il quadrato dell’escursione P = A∙R

dove:

A = Area del bacino (km

) R = Escursione (m)

P = Potenza Elettrica prodotta (MW)

1-20: Siti potenziali per

centrali da marea.

Energia Solare.

Vantaggi:

 Inesauribile

 Diffusa

 Non inquinante

Contro:

 Discontinua

 Costo elevato (fotovoltaico)

 Impatto ambientale

 Impianti di piccole dimensioni

Con cielo sereno e sole allo zenit si hanno:

• 1000 W per m

: problema di concentrazione e raccolta

dell’energia in modo economico ed efficiente. Si può arrivare a 4 KWh in un giorno per 1 m

• Per i pannelli solari si ha 0.13 KWh per 1 m

, ma la lavorazione

del silicio è costosa e pure elevato è il costo d’installazione.

31

Recupero di Energia Solare.

Tipi di recupero di energia solare : Solare Fotovoltaico (PV) – I fotoni

colpiscono il semiconduttore e generano elettroni producendo corrente

Solare Termico – I fotoni colpiscono un altro fluido o materiale per dare calore che è fatto circolare nell’insediamento (per es. scaldabagno solare)

Solare Passivo – utilizza parti di casa rivolte verso il sole; controlli su finestre, isolamento; materiali per tetti ecc.

Ma anche …..

Con cielo limpido e sole allo zenit si ha:

• 1000 W per m

: problema di

concentrazione e raccolta di energia in modo economico e efficiente.

• Massimo: 4 KWh in un giorno per 1 m

fotosintesi

giunzione

liquido/semiconduttore

fotovoltaico

Spettro Solare.

1100 nm ~ 1.1 eV = salto di banda del silicio infrarosso

visibile UV

Spettro solare (AM 1.5 G, 1000 W·m²

AM 1.5 è l’intensità della luce solare dopo aver

LUNGHEZZA D’ONDA (nm) IRRADIANZA SPETTRALE SOLARE (W·m-2 ·mm-1 )

IRRADIANZA SOLARE FUORI ATMOSFERA

IRRADIANZA SOLARE DIETTA A LIVELLO DEL MARE MASSA ARIA = 1.5

VAPOR D’ACQUA = 2.0 cm OZONO = 0.34 cm

Åesponente= 0.66 BANDE MODIS

t’aereosol 550 nm= 0.126

Fotovoltaico: Fondamenti.

Energia di un fotone (E):

– h = 6.626 × 10

joule·s – c = 2.998 × 10

m·s

– l = lunghezza d’onda

Flusso Fotonico (F) ⁱⁿ

il numero di fotoni al secondo per unità d’area per l’area interessata (potenza totale incidente)

Densità di Potenza (H)

si calcola moltiplicando il flusso fotonico per l’energia di un singolo fotone.

33

E h c l

  1

1.24

E eV m m

  l

2

usando unità SI

W h c

H m l

   F  

 

 

2

  per energia in eV H W qE eV

m

   F 

 

  W

^1.24   per lunghezza d'onda in m

H q

m m m

l m

   F 

 

 

Per la stessa intensità luminosa, la luce blu richiede meno fotoni in quanto il contenuto di energia di ciascun fotone è superiore.

Fotovoltaico: Fondamenti.

Radianza Spettrale F( l ) in

è la densità di potenza ad una particolare lunghezza d’onda

Per cui la Densità di Potenza (Radiante) è:

  ¹ in unità SI

F l E

 F   l



Se misurata in W·m

·mm

la radianza spettrale espressa in termini di lunghezza d’onda è:

  ^1.24     ¹

F q

m m

l ^{ F  } l m ^  l m

0

 

H 

F l l d

dove H è la densità totale di potenza emessa dalla fonte luminosa in W·m

e F(l) è la radianza spettrale in

l

l_j-1 l l_j+1 l_j+2 F(l_j)

Irradianzaspettrale F(l)

35

Solare Fotovoltaico.

Vantaggi

 Energia pulita rinnovabile

 Perfetta per esterni e applicazioni di specialità

 La produzione si adatta bene a finestre e sistemi a griglia

 Fonte di idrogeno via elettrolisi in applicazioni distribuite di potenza

 I costi stanno rapidamente diminuendo

Il Solare PV non è stoccabile a meno che non si usino batterie per la produzione dell’idrogeno o altri sistemi di immagazzinamento.

Svantaggi

 Alti costi

 Usa materiali che hanno carichi ambientali relativamente alti, non - rinnovabili (LCA), per es.

metalli semiconduttori e

batterie.

Costruzione di Celle Solari.

• Ogni cella solare consiste di superfici semi-conduttrici (come il biossido di silicio in strati sottili) per ricevere i fotoni dal sole e convertirli in elettroni di corrente (effetto fotoelettrico)

• I circuiti elettronici sono inseriti sul retro della cella per recuperare l’elettricità

• I circuiti possono essere di vari disegni inclusi substrati in plastica flessibile (dispositivi elettronici organici)

Dalla materia prima all’installazione

Fornitori di Materie prime

e Macchinari

Servizi di Progettazione

e Sviluppo

Fornitori di Componenti

Produttori o Integratori di Prodotto

Servizi di Costruzione e Installazione

Sviluppatori di Potenza Solare

• Silicio

• Polimeri Organici

• Nanotubi

• Altri materiali

• Progetto

• Ingegneria

• Università Ricerca

• Macchinari

• Automazione

• Assemblaggio

• Collettori Termici

• Bilancio Termico del sistema

• Celle PV

• Bilancio PV del sistema

• Montaggio strutture

• OEMs

• generazione elettrica PV

• Riscaldamento passivo

• Pacchetti Solari

• Ingegneria e Acquisti (EPC)

• Compagnie di Installazione

• Servizi di trasporto

• Conduzione e

• Aziende per l’analisi di fattibilità

• Sviluppatori di Progetto

• Servizi

37

Fotovoltaico Solare.

0 5 10 15 20 25

2000 2005 2010 2015 2020

cents/kWh

I miglioramenti sono strettamente associati a nuovi materiali.

costi

+ + + + + + + + +

- - - -

semiconduttore tipo p semiconduttore tipo n

+

carico fotoni e‾

Il silicio assorbe a

> 1.1 eV

GaAs assorbe a

> 1.43 eV

AlGaAs assorbe a

> 1.7 eV

< 1.1 eV < 1.43 eV < 1.7 eV Energia luce

Panoramica delle Efficienze delle Celle Solari.

Celle Solari Sensibilizzate da Coloranti

(DSSC): Struttura.

Elettrodo di lavoro

 Vetro conduttivo

 Strato bloccante

 Film sottile di TiO₂nanostrutturata mesoporosa

Colorante foto attivo

 Forte legame chimico con la superficie della Titania promuove un efficiente trasferimento di elettroni

Elettroni del colorante sono eccitati dall’assorbimento di energia solare Elettroni si trasferiscono dal

colorante al FTO via TiO

Elettroni vanno al contro elettrodo dopo aver lavorato sul carico esterno

½ I

+ e

a3/2 I

al contro elettrodo

3/2 I

a ½ I

+ e

al colorante











Contro elettrodo

 Vetro conduttivo

 Strato catalitico di Pt

Mediatore Redox



I

/I

Colorante

Strato conduttivo

Strato conduttivo

Substrato di vetro Substrato di vetro Catalizzatore

elettrolita E_hn= hn

TiO₂

DSSC: Principio di Funzionamento.

B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 353, 737 (1991)

Proprietà ideali del colorante:

• Il colorante deve aderire fortemente alla superficie del semiconduttore

• Avere un assorbimento intenso nell’intervallo dello spettro solare

• Avere un LUMO con energia superiore alla banda di conduzione del semiconduttore e buona sovrapposizione di orbitali per facilitare l’iniezione di elettroni.

• Ricombinazione tra gli elettroni iniettati e il

colorante ossidato deve esser abbastanza lento da trasportare l’elettrone al circuito esterno.

separazione di carica per competizione cinetica come nella fotosintesi

Vetro conduttivo

Elettrolita Catodo

Massimo voltaggio

Diffusione

mediatore Intercettazione

Iniezione

Colorante TiO₂

E vs. NHE (V)

-0.5

0

0.5

1.0

Red Ox

S

/S

S*

h

n

41

Solare Termico : Riscaldamento Solare Attivo.

• C’è abbastanza energia solare che colpisce la terra in 60 secondi da sostenere tutti i suoi bisogni per un intero anno.

• 72 ore di energia solare uguaglia tutte le energie stoccate in tutte le riserve fossili di petrolio, carbone, e gas naturale.

• 1767. Horace DeSaussure costruisce il primo scaldabagno solare

• 1891. Primo brevetto per scaldaacqua solare.

• 1899. Riscaldamento solare installato in 2/3 delle case in Pasadena.

• L’energia solare rappresenta

un’ampia risorsa per la generazione

di elettricità (andamento del mercato

sulla destra).

Solare Termico: Alternative.

1. impianti a basse temperature (fino a 120 °C)

1.1 Pannelli per basse temperature

1.2 Immagazzinamento del calore in sistemi termici a bassa temperatura 1.3 Raffrescamento da solare

1.4 Ventilazione indotta da solare 1.5 Calore di processo

2. impianti a medie temperature (~ 500 °C)

2.1 Essiccazione solare 2.2 Cottura

2.3 Distillazione

3. impianti ad alte temperature (~ 1000 °C)

3.1 progettazione del sistema 3.1.1 Struttura parabolica estesa 3.1.2 Struttura a torre

3.1.3 Struttura a disco parabolico 3.1.4 Tecnologie Fresnel

3.1.5 MicroCSP

3.1.6 Struttura parabolica contenuta in vetro

43

Energia Geotermica.

In realtà è una fonte energetica non-rinnovabile

 Si sottrae energia più velocemente di quanto venga ripristinata.

 Se però si considera l’energia dalle rocce secche calde, l’energia geotermica si può considerare come rinnovabile. (però locale) Flusso medio di 0.06 W/m

(500 volte quello del sole)

Ogni Km di profondità la temperatura aumenta di 30°. (ma vulcani!!!) Zone geotermiche: Islanda, Nuova Zelanda (geyser), ….. .

In Italia a Larderello (centrale 3000 t vapore/h a pressione di 4-8 atm e Temperatura di 180-250°C, e potenza installata 380 MW). Anche Campi Flegrei, Vulcano (Eolie).

Utilizzo con fluidi a T<150°C come energia termica per riscaldare (Francia, Russia, Ungheria, monte Amiata).

Energia elettrica: Fluidi a T>200°C vanno in turbina, espansione del

vapore in turbina (energia meccanica – elettricità), problema di presenza

di liquido – vapore in turbina. Problemi di distribuzione e di corrosione.

Energia Geotermica.

• Calore generato da processi naturali che avvengono

all’interno della terra

• Fumarole, getti caldi e fanghi sono fenomeni naturali che derivano dall’attività

geotermica

• Differenti aree hanno differenti gradienti termici e perciò

differenti potenziali di utilizzo

• I maggiori gradienti termici corrispondono ad aree dotate di più energia geotermica

(punti caldi di superficie)

Temperature sulla Terra

Temperature in Celsius

Profondità in chilometri

Distribuzione delle Maggiori Riserve di

Energia Geotermica.

Regioni geotermiche più calde conosciute

Distribuzione delle Riserve Geotermiche.

Fig. 16-37 p. 410

Informazioni dettagliate si possono recuperare dal sito:

http://geothermal.marin.org/geomap_1.html

47

Fonti Mondiali di Energia Geotermica.

• Mondo (8200 MW

)

• US (3000 MW

)

• Filippine (1100 MW

)

• Messico (800 MW

)

• Italia (600 MW

)

• Indonesia (300 MW

) Flusso

 Vulcani (magma fuso – 2000

C)

 Getti caldi (riserve d’acqua a circa 200

C)

 Geyser (riserve naturali di vapore) Non-Flusso

 Rocce calde secche (40-70

C/km di profondità)

• Circa 5% dell’area terreste d’Italia

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

World Geothermal Power Installed, 1950-97

Megawatts

Source: IIGR, Potenza Geotermica Mondiale Istallata, 1950-97

Energia Geotermica – Problematiche.

• Molti siti sono di difficile accesso;

• La tecnologia esiste è consolidata solo per le riserve di acqua e vapore caldi;

• Rischi di subsidenza;

• Inquinamento (H

S, fanghi, CO

);

• Induce sismicità per iniezione di acqua (per prevenire la salificazione del suolo) o esplosioni nucleari (normalmente usate per fratturare rocce impermeabili);

• Corrosione e problemi di impianto.

49

Usi Convenzionali dell’Energia Geotermica.

• Condizionamento

• Uso diretto per riscaldamento di spazi

• Vapore per la produzione di elettricità

Flash Diretto

Generatore Turbina

Condensatore

Elettricità

Torre di raffreddamento

Separazione vapore per

centrifuga Pompa

Livello del terreno

Pompa

vapore

Vapord’acqua

Acqua calda(160°C o più)

Energia Eolica.

Derivata dall’ energia solare dipende dal movimento delle masse d’aria.

 I mulini a vento usano l’azione del vento per trasformare l’energia meccanica in elettricità.

 Il primo uso noto di energia eolica si ebbe attorno a 5000 BC quando gli Egiziani usarono le vele per spostare le barche sul fiume Nilo.

 900 AD. I persiani usano i mulini a vento per pompare l’acqua e

macinare il grano.

 16

Secolo. 10,000 mulini a vento in uso in Olanda per pompare l’acqua. I tedeschi ne svilupparono vari usi.

 19

Secolo. Le pale di legno sono sostituite da quelle in acciaio.

 Primi impianti elettrici commerciali. 12KW.

 Oggi: turbine da 70 – 100

KW. (5–10KW per una casa).

51

Energia Eolica.

Vantaggi:

Non inquinante inesauribile

Svantaggi:

Discontinua

Costi investimento e manutenzione Impatto ambientale

Dal sole dipende il moto di masse d’aria.

I mulini a vento sfruttano l’azione del vento ottenendo energia

meccanica – elettricità. In alcune zone: Olanda, Portogallo, Danimarca.

Per la regolarità si usano accumulatori ad acido (o NaS), sistemi volano.

Si hanno pale anche di 50 m capaci di 1.75 MW; l’impatto ambientale è elevato. Si realizzano impianti Off–Shore (in mare).

L’Italia, dopo lo sviluppo tra 2010–2012, oggi ha 7% (8.1 GW) di energia

eolica. Non avendo flussi costanti si hanno centrali eoliche affiancate da

centrali termiche. Obiettivo ottimistico è raggiungere 15 GW nel 2020.

Energia Eolica.

• Per ottenere continuità si usano

accumulatori acidi (NaS) o volani. Le pale possono misurare 50 m di con una potenza di 1.75 MW.

• In Italia, dopo lo sviluppo del 2010–

2012, si ha un 7% di energia eolica.

Essendo intermittente gli impianti eolici sono presso impianti termici.

Dalle Materie Prime alla Installazione

Fornitori di Materie prime

e Macchinari

Servizi di Progettazione

e Sviluppo

Fornitori di Componenti

Compagnie di Turbine Eoliche

Servizi di Costruzione e Istallazione

Pale eoliche

• Acciaio

• Fibre di Carbonio

• Legno di Balsamo

• Fibre di vetro

• Altri materiali

• Macchinari

• Accessori

• Progettazione

• Ingegneria

• Ricerca Università

• Meccanica

• Automazione

• Assemblaggio

• Componentistica

• Ingranaggi

• Torri

• Generatori

• Pale

• Elettronica

• OEM

• Infrastrutture

• Venti deboli

• Nuovi progettisti di energia eolica

• Licenze Turbine Mfg

• Ingegneria e appalti (EPC)

• Compagnie di costruzione

• Servizi di Trasporti

• Conduzione e Manutenzione

• Analisi di Fattibilità

• Sviluppatori di Progetti

• Utilities

Emissioni di GHG e Potenziale AP nei Vari

Stadi del Ciclo di Vita di Impianti Eolici.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

costruzione inpianto

trasporto gestione fine vita

g di CO2 eq.

Emissioni nel ciclo di vita:

16.9 g di CO

/kWh

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 8,00E-04

costruzione inpianto

trasporto gestione fine vita

mol H+/ g max, eq/ kWh

Potenziale di Acidificazione:

1.01·10

mol H

/g, max eq./kWh

Energia da Biomasse.

Vantaggi:

rinnovabile

Contro:

Uso locale

Possibili problemi ambientali

• Minore dipendenza dall’estero

• Bassa emissione di CO

perché rimetabolizzata dalle piante mediante il processo di fotosintesi.

• Biogas da digestione di residui vari organici con batteri anaerobi - adatto ad impianti di piccole dimensioni ma anche per depurazione

• Da rifiuti organici cogenerazione (elettricità e calore)

• Biodiesel da semi oleosi, in estese coltivazioni (per es. palme da olio)

• Biodiesel BfL da pirolisi, idrogenazione, ecc..

• Etanolo (da zuccheri, amidi, cellulosa), sfruttamento di varie piante a

rapida crescita (pioppi, salici, miscantus, ecc.), ma anche di scarti

agricoli e forestali.

Potenziale Relativo del Mercato dei

Combustibili (German Expert Group).

X

: In base ad alcune analisi c’è un potenziale teorico per i biocombustibili del 9%.

X

: Altri studi stimano un potenziale teorico per i biocombustibili fino a 1/3 dell’attuale mercato dei combustibili.

MTBE Metano Gas d’acqua LPG

CNG Biogas

Benzine sintetiche ETBE

Bioetanolo Biodiesel Diesel sintetico Benzine

Potenziale di crescita (%)

Risparmi Energetici.

Il miglior approccio alla soluzione dei Problemi di Produzione

di Energia e alla riduzione del Riscaldamento Globale.

Uso Medio di Energia per Frigorifero, 1947 – 2009.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

1947 1949 1951 1953 1955 1957 1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009

Energia Media Use per Unità Venduta (kWh per anno)

Frigorifero da kWh per

Unità 1978 Cal Standard

1990 Federal Standard

1987 Cal Standard

1980 Cal Standard

1993 Federal Standard

2001 Federal Standard

Stima per Standby kWh (per casa)

Intrattenimento.

NRDC, "Tuning in to Energy Efficiency: Prospects for Saving

TV primaria TV secondaria

Uso combinato dell’energia

~ 1200 kWh all’anno

“Energia Zero” Nuove Case.

 Obiettivi:



70% meno elettricità => fino a ~2,000 kWh/anno



1 kW al picco

 Le apparecchiature elettroniche sono un problema!



1,200 kWh/anno per TV, ecc.



100-200 W per lo standby

 Potenza TV



TV al Plasma (50”) 400 W



TV a Retro-proiezione (60”) 200 W



Larghi CRT (34”) 200 W



LCD (32”) 100 W

59

Riscaldamento e Condizionamento in Casa.

 Ammonta al 45% degli acquisti di energia o €1,000 all’anno

 HVAC – Riscaldamento, Ventilazione e Condizionamento dell’aria

 Valutazione dell’efficienza elettrica SEER della AC

 Prima del 1992, tipicamente 6.0

 Dopo il 1992 richiesto il 10.0

 Nel gennaio 2006, minimo richiesto 13.0

 Nel gennaio 2015, minimo richiesto 21.0

SEER = acronym for Seasonal Energy Efficiency Ratio

Impatto degli Standard sull’Efficienza Energetica di 3 Applicazioni.

61

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000

Anno

Indice (1972 = 100)

Date di entrata in vigore degli Standard Nazionali

=

Data di entrata in vigore degli Standard Statali

=

Frigoriferi Centrale A/C Forno a Gas

75%

60%

25%

(POLIMI – Industrie).

Quadro Normativo in Italia

63

www.energystrategy.it

sulle Emissioni GHG in EU 27

Andamento a traiettoria lineare nella direzione ambiziosa di ridurre le

emissioni del -80 % rispetto al 1990 in UE. L’area verde illustra l’impatto del

potenziale di convenienza dei risparmi energetici.

Confronto tra l’Obiettivo di Risparmi Energetici del 20% per UE Rispetto al Valore di Riferimento.

65

Fonte: Fraunhofer Institute Energy saving 2020 (2010)

fonte: Energy Efficiency Action Plan 2006 (COM(2006) 545 final

energetica dei settori d’uso finali in EU 27 nel 2020.

I risparmi energetici sono espressi in unità di energia primaria.

I risparmi energetici (asse Y) sono relativi alla base (fonte:

Aree di Potenziali Risparmi nelle Case.

• Isolamento termico (isolamento pareti, linee, tetti, finestre, doppi vetri, ecc.).

• Condizionamento naturale

• Dispositivi di misura per valutare e ridurre gli sprechi

• Spegnimento spie apparecchiature elettriche / no TV al plasma

• Lampade fluorescenti e LED / rispetto delle classi A+ o A++

• Ventilatori anziché condizionatori

• Pannelli solari domestici / turbina eolica domestica

• Limitazione nell’uso dell’acqua corrente

• Riciclo dell’acqua

Necessaria la certificazione energetica delle case (in Italia «Attestato di Prestazione Energetica» Decreto Legge 4 giugno 2013):

 determina incentivi

 determina il prezzo della casa

67

Tecnologie Integrate per la Smart City.

Immagazzinamento dell’Energia.

Sono stati sviluppati vari approcci; i sei principali sono:

1. Batterie a stato solido, vari dispositivi elettrochimici per

immagazzinare dell'energia sotto forma di composti chimici e rilascio dell'energia elettrica; inclusi i condensatori.

2. Batterie a flusso, dispositivi elettrochimici che accumulano energia direttamente nell’elettrolita per cicli a vita lunga e veloci risposte

temporali.

3. Volani, dispositivi meccanici che accumulano energia rotazionale per fornire elettricità istantanea

4. Ad aria compressa (CAES), utilizza aria compressa come riserva d’energia

5. Termico, catturano calore o freddo per creare energia su richiesta 6. Idroelettrico pompato, si creano bacini d’acqua di grandi

dimensioni come riserve di energia.

69

Energia Immagazzinata su quella Investita (ESOI).

ESOI = Energia totale immagazzinata nella vita di una tecnologia di immagazzinamento rispetto all’energia richiesta per la sua costruzione.

l : ciclo di vita

h: giro – efficienza del ciclo

D: entità della scarica

ESOI lh D

 e

2 3 3 6 10

210 240

0 50 100 150 200 250

Barnhart & Benson

Riferimenti.

1. Per una analisi dei possibili risparmi energetici si veda il sito

http://energy.gov/eere/femp/energy-and-cost-savings-calculators- energy-efficient-products

2. Per una descrizione dei software per risparmio energetico disponibili si veda il sito US http://energy.gov/eere/femp/information-resources 3. Per un quadro sulle normative italiane sul risparmio energetico

vedere www.energystrategy.it

4. Per proiezioni sul risparmio energetico in EU si veda lo studio del Fraunhofer Institute Energy saving 2020 (2010)

5. Per confronti sullo stoccaggio energetico si veda il lavoro; Barnhart, Benson Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1083-1092.

71