Energia Benessere - Crescita

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Le energie rinnovabili: opportunità da sole, acqua, vento e biomasse

Scenari per il futuro prossimo, dopo il protocollo di Kyoto.

prof. Mauro REINI

docente di sistemi per l’energia e l’ambiente Università di Trieste – Polo di Pordenone

Energie rinnovabili ed Ente Pubblico - Giovedì, 17 aprile 2008 ²

Energia – Benessere - Crescita

L’Indice di Sviluppo Umano e i consumi elettrici pro capite

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Energia – Benessere - Crescita

Relazione fra PIL e consumi energetici (Stati Uniti)

?La disponibilità di energia è essenziale per garantire ai cittadini elevati standard di benessere;

?L’energia è il motore della crescita economica in TUTTI i settori.

Da dove prendiamo l’Energia

Prevalentemente Prevalentemente

da

dacombustibilicombustibili fossili

fossili((oltreoltreilil76%)76%)

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5

Il Picco di Hubbert

BUONE NOTIZIE:

Il petrolio NON finirà nei prossimi 20 – 30 anni.

Tra 50 anni sono ancora previsti consumi da fine anni 60.

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Approvvigionamento: ieri e oggi

CATTIVE NOTIZIE:

Il petrolio sarà sempre più difficile da estrarre;

questo determinerà una pressione sui prezzi di TUTTI i combustibili fossili, quindi sul prezzo dell’energia.

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Le energie rinnovabili possono

sostituire le fonti fossili? Premesse fondamentali

?I° Principio

l’energia NON può essere creata o distrutta (qual è il “PROBLEMA ENERGETICO”?)

?II° Principio

ENERGIA MECCANICA CALORE (utile)

(ENERGIA ELETTRICA)

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La catena di conversione della energia

II° Principio nei processi FISICI:

? L’energia meccanica (elettrica, chimica … ) tende a degradarsi ed a

“scarseggiare”;

? Ogni processo di conversione produce calore a bassa T;

? Il calore è tanto più abbondante, quanto più la sua T è bassa.

FONTE

ENERETICA ENERGIA

UTILE

CALORE a BASSA TEMPERATURA

CALORE a BASSA TEMPERATURA 10

Qual è il vantaggio delle fonti fossili?

? Fonti energetiche fossili convenzionali

? Richiedono pochi “passaggi” e/o poche perdite,

? energeticamente ed economicamente convenienti, con rendimenti di conversione = 35 ÷ 55 %

? Fonti energetiche rinnovabili non convenzionali

? Sono diluite nello spazio e/o nel tempo,

? impongono un processo di concentrazione, con molti “passaggi” e/o perdite per dare energia utile.

? bassi rendimenti di conversione = 5 ÷ 25 %

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Confronto della “produttività”

Fonte: Polito

Confronto dei costi di impianto

Fonte: Polito

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13

Confronto del costo kWh elettrico

Fonte: Polito

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? È difficile che i sistemi che sfruttano le fonti rinnovabili possano divenire competitivi con i grandi impianti termoelettrici a metano (? = 55%);

? Innovazioni tecniche in grado di rovesciare la situazione sono poco probabili,

? forse solo nel solare fotovoltaico, o nel solare termodinamico.

Altre “cattive” notizie

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“Buone” notizie

? Esistono alcune risposte ai bassi rendimenti elettrici dei sistemi energetici rinnovabili:

Avvantaggiarsi del calore a bassa T che NON si può evitare di produrre COGENERAZIONE

? Questo è possibile se:

? Il calore prodotto è quello effettivamente richiesto

? La produzione termica avviene VICINO all’utenza

? Dunque molti piccoliimpianti, adattati alle risorse disponibili ed alla domanda termicalocale.

“Buone” notizie

? Oppure utilizzare le energie rinnovabili che si presentano già in forma “pregiata” (meccanica):

? CORRENTI DI MAREA

? EOLICA

? IDRAULICA

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Cogenerazione di energia e calore

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Benefici energetici e ambientali

- -30%30%

- -45%45%

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Benefici energetici e ambientali

COGENERAZIONE

COGENERAZIONE Produrre con lo stesso impianto Produrre con lo stesso impianto (simultaneamente) potenza (simultaneamente) potenza

elettrica E e termica Q elettrica E e termica Q

?

?Vantaggi GLOBALIVantaggi GLOBALI: :

DIMINUZIONE del consumo di combustibili DIMINUZIONE del consumo di combustibili Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2 Riduzione delle emissioni inquinanti e di CO2

?

?Vantaggi LOCALIVantaggi LOCALI: :

DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q DIMINUZIONE del costo complessivo delle forniture E e Q Riduzione del rischio di interruzione della fornitura E Riduzione del rischio di interruzione della fornitura E

+ +

Biomass

BiomasstotoEnergyEnergy

FOSSILI FOSSILI Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2

Ulteriore riduzione delle emissioni di CO2

Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibile Riduzione del costo di approvvigionamento del combustibile Riduzione del costo di smaltimento dei residui

Riduzione del costo di smaltimento dei residui

Tecnologie per la cogenerazione

Fascia di potenza (kWe)

Rendimento elettrico (%)

Rendimento Totale (%)

Emissioni (alimentati a gas)

Alimentazione con RES

Motori alternativi a c.i. 30-1000 27 - 40 85 necessitano di CATALIZZATORI

Gassificazione di bio-masse;

Micro 1 - 5 20 - 26 80 - 90 CATALIZZATI biofuels

Gruppi a ciclo Rankine 500 -1500 18 - 22 90 BASSE GEOTERMICA;

BIOMASSE;

Micro 2 - 30 6 -15 90 - 98 BASSISSIME GEOTERMICA;

biofuels; SOLE

Motori alternativi Stirling 50 - 200 20 - 35 90 BASSE BIOMASSE;

biofuels; SOLE

Micro 1 - 5 10 - 15 90 - 98 BASSISSIME biofuels; SOLE

Microturbine a gas 30 - 250 27 - 32 85 BASSE Gassificazione di

bio-masse;

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Esempio di cogenerazione con biomassa (Biomass-to-Energy)

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Gruppi a ciclo Rankine - ORC

evaporatore turbina

rigeneratore condensatore generatore elettrico

Utenza termica Gruppo ORC

Circuito ad olio diatermico Forno

recupero di calore

biomassa

olio diatermico

acqua gas di scarico

MDM

U.T.

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Gruppi a ciclo Rankine – ORC per impianti solari termodinamici

evaporatore turbina

rigeneratore condensatore generatore elettrico

Utenza termica Gruppo ORC

Circuito ad olio diatermico Collettore solare a

concentrazione

olio diatermico

acqua MDM

U.T.

Radiazione solare

Rendimenti di conversione di sistemi cogenerativi avanzati

Motori Stirling Gruppi ORC

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Sistemi Tri-generativi

Consentono di utilizzare il calore cogenerato anche in estate, producendo acqua refrigerata.

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Skid “caldo” Skid “freddo”

Microturbine (2x65kW)

Compressore gas Assorbitore

Torre evaporativa

Quadro di controllo

Un esempio di Tri-generazione

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Attività di ricerca in corso

Turbo-generatore Micro ORC P_e= 20 - 40 kWe

?e= 15 – 20 % Pannello solare, T=140–180°

“moderata concentrazione”.

• Sperimentazione soluzioni esistenti,

• Sviluppo e ottimizzazione del sistema integrato.

Combustione di biomasse di diversa natura – ANALISI delle FILIERE.

• RIFIUTI,

• Scarti di lavorazione,

• Residui agricoli e forestali

Recupero calore industriale.

• Indagine FVG,

• Definizione “casi tipici”,

• Ottimizzazione degli scambiatori di calore.

Integrazione con macchine frigorifere ad assorbimento di piccola taglia.

• Sperimentazione sui prodotti esistenti,

• Sviluppo dello scambiatore

“generatore-condensatore, Integrazione con

micro turbine a gas nel ”Micro CC”, è atteso un ?e=40 %

Integrazione con motori cogenerativi a combustione interna di piccola taglia.

• Definizione delle possibili alternative per l’integrazione

• Sperimentazione, con particolare riguardo a sporcamento e durata,

SPOT

Scenari

? ATTUALE:

? Grandi impianti alimentati con combustibili “pregiati” con rendimenti del 40 – 50%,

? Piccolissimi impianti SOLO termici, pure alimentati con combustibili “pregiati”.

? FUTURO (generazione distribuita):

? Grandi impianti alimentati con diversi combustibili (“pregiati” e non) con rendimenti del 40 – 60%,

? Molti medi e piccoli sistemi COGENERATIVIalimentati con fonti rinnovabili o metano, adattati alla domanda termica locale.

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Scenari

? Rete attuale:

? Ad albero, con pochi nodi produttivi.

? Moltissimi semplici utilizzatori, civili e industriali.

? Importanti perdite di trasmissione.

? Rete futura:

? A maglia, con molti nodi produttivi.

? Alcuni nodi con capacità di accumulo dell’energia.

? Grande importanza all’attività di gestione per garantire la

“qualità” dell’energia erogata.

? Ridotte perdite di trasmissione.

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Proiezione del mix di fonti primarie

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RES, potenza installata nel mondo ed in aree selezionate

Fonte: Ren 21, 2006

Investimenti mondiali annuali nelle fonti energetiche rinnovabili

Fonte: Ren 21, 2006

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Potenziale eolico installabile e percentuale utilizzata

Fonte: Elaborazioni NE – Nomisma Energia su dati Eurostat, IEA e GSE

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Potenza eolica installata

UE-25 Potenza eolica installata al 2005 e prospettive al 2010

(solo paesi con P>200 MW)

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Potenza installata da biomasse

UE-25 Potenza installata da biomasse al 2005 e prospettive al 2010

Scenari di crescita del fotovoltaico per i principali Paesi UE

Fonte: Epia, 2006

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Massimi rendimenti per sistemi fotovoltaici

20% 16%

15%

15% 12%12%

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Potenza installata da mini-idro

UE-25 Potenza installata da mini-idro al 2005 e prospettive al 2010

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Recupero dei siti mini-idro tradizionali

Impianto mini-idro da 15kW realizzato a Bettborn, Luxemburg, recuperando una ruota ad acqua “per sotto”, accoppiata ad un generatore elettrico a velocità variabile.

Incentivi all’uso delle RES nei mercati dell’energia dei Paesi UE-25

Italia Italia

Rep Ceca

Italia Italia Italia

Italia Italia

Italia MAX

- 9.6 - 0.3

35.5 - 2.7

6.0 Danimarca

18.5 17.0

29.0 11.2

Germania 6.5

12.5 9.4

27.1 9.4

16.3 Spagna

18.8 23.3 18.8

54.1 54.1 25.6

25.6 19.5

Italia 19.5

PV 10 kW Mini-idro

1 MW Bio+CHP

10 MW Bio

10 MW Eolico

1 MW

Redditività media (TIR%) per 20 anni di impianti RES (dati 2006)

Fonte: Elaborazioni NE – Nomisma Energia

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Scenario futuro a breve - 1

CRESCITA degli INVESTIMENTI nelle tecnologie avanzate energeticamente più efficienti:

??SOLARE termico, termodinamico, Fotovoltaico (SOLARE termico, termodinamico, Fotovoltaico (??););

?

?Cogenerazione Cogenerazione ––trigenerazionetrigenerazione““BiomassBiomass--toto--EnergyEnergy”;”;

??Recupero dei siti Recupero dei siti minimini--idroidro;;

??Usi finali;Usi finali;

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Scenario futuro a breve - 2

Ruolo CRITICO dell’efficienza ENERGETICA in TUTTITUTTIi settori:

?industriale,

? civile,

? servizi,

? trasporti.

Sviluppo di aree geografiche e settori economici che avranno saputo operare in campo energetico:

?Catalizzando investimenti;

?Sviluppando tecnologie;

?Realizzando efficienza.

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Ruolo di istituzioni – enti locali

Sviluppo di aree geografiche e settori economici che avranno saputo operare in campo energetico:

?Catalizzando investimenti;

?Sviluppando tecnologie;

?Realizzando efficienza.

REALIZZARE AZIONI DI COORDINAMENTO

SVILUPPARE COMPETENZE (UNIVERSITA’, Enti di Formazione)

CONCLUSIONI - 1

?

? La La Produzione combinata di elettricità e calore (CHP) Produzione combinata di elettricità e calore (CHP) è una risposta razionale alla domanda di efficienza è una risposta razionale alla domanda di efficienza energetica;

energetica;

?

? È possibile ottenere importanti benefici energetici e È possibile ottenere importanti benefici energetici e ambientali anche utilizzando sistemi

ambientali anche utilizzando sistemi CHP CHP a gas;a gas;

?? I benefici ambientali sono ancora più evidenti realizzando I benefici ambientali sono ancora più evidenti realizzando sistemi

sistemi cogenerativicogenerativialimentati con Fonti Rinnovabili alimentati con Fonti Rinnovabili (in (in particolare

particolare biomasse e solare termodinamicobiomasse e solare termodinamico););

?

? Condizione essenziale per ottenere effettivamente i Condizione essenziale per ottenere effettivamente i benefici attesi è che la

benefici attesi è che la maggior partemaggior parte possibile del possibile del

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CONCLUSIONI - 2

?

?Se non è previsto un utilizzo termico, si deve puntare su Se non è previsto un utilizzo termico, si deve puntare su RES disponibili in

RES disponibili in forma meccanica forma meccanica (eolico, correnti … );(eolico, correnti … );

??Di queste, il miniDi queste, il mini--idroidrogarantisce risultati energetici ed garantisce risultati energetici ed economici interessanti con interventi poco invasivi;

economici interessanti con interventi poco invasivi;

?

?Sono perciò destinati a giocare un ruolo importante i Sono perciò destinati a giocare un ruolo importante i piccoli impianti

piccoli impianti ed i sistemied i sistemitritri--generativigenerativi..

??Potranno trarre opportunità di sviluppo le aree Potranno trarre opportunità di sviluppo le aree geografiche e i settori economici che sapranno far geografiche e i settori economici che sapranno far crescere le

crescere le competenzecompetenze, progredire la , progredire la tecnologia,tecnologia, realizzare le

realizzare le infrastrutture produttive infrastrutture produttive e e di serviziodi servizio.. ⁴⁶

prof. Mauro REINI prof. Mauro REINI

docente di sistemi per l’energia e l’ambiente docente di sistemi per l’energia e l’ambiente Università di Trieste

Università di Trieste ––Polo di PordenonePolo di Pordenone

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Le energie rinnovabili: opportunità da sole, acqua, vento e biomasse

Scenari per il futuro prossimo, dopo il protocollo di Kyoto.