Capitolo 1
Le fonti di energia rinnovabili
Premessa:
Le fonti di energia possono essere classificate in base alle caratteristiche dei giacimenti, separando quelli destinati ad esaurirsi nel tempo , combustibili fossili , dalle fonti rinnovabili . Vengono considerate fonti rinnovabili, le seguenti :
- il sole , - il vento ,
- le risorse idriche , - le risorse geotermiche , - le maree ,
- il moto ondoso ,
- la trasformazione in energia elettrica di prodotti vegetali o dei rifiuti organici : biomasse . In questa trattazione,poiché di specifico interesse,verranno prese in esame soltanto le seguenti:
-il sole o energia radiante, -il vento o energia eolica,
-le risorse idriche o energia idraulica, -le biomasse.
1.1 L’ Energia Radiante o Solare:
L’energia radiante è l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole ; essa si propaga nello spazio con simmetria sferica raggiungendo la fascia esterna dell’atmosfera con una energia specifica pari a 1353 Wh/m2 (costante solare).
Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare viene in parte riflessa all’esterno ed in parte diffusa nell’atmosfera stessa .
L’assorbimento e la riflessione provocano un deciso abbassamento , rispetto alla costante solare , dell’energia solare diretta che arriva sulla superficie terrestre ; inoltre nel momento in cui essa vi incide viene in parte assorbita ed in parte riflessa a seconda della riflettanza del suolo .
Pertanto l’energia incidente su una superficie al livello del suolo sarà costituita da tre componenti :
-diretta : Idir
-diffusa : Idif
-riflessa : Irif
rif dif
dir I I
I
I [ 2 ] m Wh
Mediamente la radiazione solare totale in condizioni di giornata soleggiata a mezzogiorno che incide su una superficie ortogonale ai raggi del sole è 1000 Wh/m2 ; questo valore risulta però troppo aleatorio in funzione degli eventi meteorologici , pertanto per il progetto di impianti fotovoltaici , occorrerà utilizzare dati storici rilevati nella località prescelta o nelle sue vicinanze .
I dati storici disponibili sono i valori medi mensili ed annui della radiazione solare giornaliera media , espressa in kWh/m2/giorno , disponibili presso le banche dati dell’ENEA e riassunti nelle mappe isoradiative (figura 1.1), le quali indicano i valori medi mensili dell’insolazione su superficie orizzontale di tutto il territorio italiano,oppure attraverso le norme UNI10349 .
Figura 1.1: mappa isoradiativa della penisola italiana
Per utilizzare l’energia solare al fine di produrre energia elettrica si utilizzano impianti basati sul processo fotovoltaico , cioè basati sulla conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica mediante semiconduttori al silicio (celle fotovoltaiche) .
L’insieme di più celle fotovoltaiche costituisce un modulo , l’insieme di più moduli una stringa e più stringhe un generatore fotovoltaico .
Purtroppo ad oggi l’efficienza media delle celle fotovoltaiche si aggira intorno al 12- 15%,anche se in applicazioni di laboratorio , quindi disponibili sul mercato a prezzi competitivi solo tra diversi anni , si è arrivati a livelli di efficienza intorno al 25% .
Pertanto una valutazione accurata della radiazione incidente permetterà anche una corretta valutazione dell’energia prodotta dai moduli fotovoltaici , quest’ultima infatti risulta funzione di molte grandezze quali :
-caratteristiche elettriche dei moduli ; -radiazione solare ;
-latitudine ;
-angolo di tilt (o inclinazione : angolo dei moduli con la superficie orizzontale) ; -azimut (angolo dei raggi del sole e la direzione sud) ;
-elevazione solare (angolo dei raggi del sole e la superficie orizzontale) ; -riflettanza del terreno (detta anche albedo) ;
-temperatura .
Viste le molte grandezze in gioco effettuare il calcolo della radiazione solare giornaliera media annua incidente su una superficie a “mano” risulta abbastanza complesso e macchinoso.
A riguardo vi sono molti software che basandosi sui dati delle stazioni di rilevamento meteo , una volta che sia stata scelta quella più vicina al sito di interesse , sono in grado di restituire
come dati di uscita la radiazione solare media giornaliera per ogni mese dell’anno, quella media annuale , l’inclinazione e la direzione ottimale dei moduli.
1.2 L’Energia Eolica
è l’energia messa a disposizione dal vento e costituita essenzialmente dall’energia cinetica della massa d’aria in movimento .
L’energia eolica per la produzione di energia elettrica viene utilizzata mediante l’uso di aerogeneratori (figura 1.2) .
Figura 1.2 : aerogeneratore per la produzione di energia elettrica
Essi sono costituiti essenzialmente da un palo di sostegno che monta alla sua sommità la navicella , costituita da un involucro esterno , all’interno del quale c’è il moltiplicatore di giri , il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari .
La navicella può ruotare rispetto al sostegno in modo da rimanere sempre parallela alla direzione del vento e mantenere così le pale ortogonali al flusso d’aria .
Le pale , montate sul mozzo e disegnate con profilo tale che il flusso d’aria che le investe azioni il rotore , convertono l’energia cinetica del vento in meccanica che attraverso gli organi di trasmissione arriva al generatore elettrico ad un trasformatore generalmente collocato alla base della torre e allacciato alla rete .
L’energia eolica viene definita come l’energia disponibile in una vena fluida della massa d’aria in movimento.
La potenza teorica disponibile in una vena fluida di sezione “S” perpendicolare alla direzione del vento che soffi ad una velocità “v” è data da :
] 2 [
) 1 2
(1 )
(S v v2 S v3W
Pt (1.1.2)
dove :
: densità dell’aria,generalmente 1.225kg/m3.
v
: velocità del vento .Solo un aliquota di questa potenza può essere captata dagli organi mobili dell’aeromotore , sia per la necessità di assicurare la continuità del flusso fluido attraverso la palettatura , sia per le forze di attrito che inevitabilmente si verificano .
Usando la teoria di Betz si perviene a :
] [ 37 , 27 0
8 3 3
max S v S v kW
P (2.1.2)
dove:
S : superficie della palettatura (n° infinito di pale)
Se si vuole effettuare una stima della potenzialità della risorsa eolica in prima approssimazione questa può essere effettuata utilizzando la potenza massima per unità di superficie mediante le seguenti espressioni :
] [ 37 ,
0 3 2
max m
v kW
p (3.1.2)
] )[
( 37 ,
0 3 2
max m anno
kWh anno
ore v n
e annua
(4.1.2)
Una stima dell’energia eolica potenzialmente sfruttabile in un determinato sito è un’operazione alquanto complessa perché la produzione di un impianto eolico dipende fortemente dalle caratteristiche anemologiche del luogo dove vengono installati gli aerogeneratori e queste risultano a loro volta fortemente influenzate dall’orografia locale . Pertanto per una corretta valutazione sono necessari rilievi effettuati in loco ed estesi a lunghi periodi di tempo affinché abbiano un reale significato statistico.
Per il sito di interesse sarà infatti necessario conoscere la curva di durata della velocità del vento , v f(T), da cui poi verrà calcolata la velocità media annua .
L’indagine anemologica solitamente viene svolta dalla stessa ditta fornitrice degli aerogeneratori e se il sito prescelto dovesse risultare idoneo , cioè sorpassare le 2000 ore anno di vento con una velocità media superiore ai 6 metri al secondo , allora si passerebbe all’impianto del campo eolico.
Purtroppo però un’indagine di questo tipo risulta molto costosa per cui in prima istanza si può valutare la potenzialità della risorsa mediante l’utilizzo di atlanti eolici italiani (figura 1.3) , i quali riportano in maniera approssimativa la velocità media annua e la sua durata per tutta l’Italia ; solo se dalle mappe dovesse scaturire un risultato positivo allora si passerebbe all’indagine anemometrica accurata .
Figura 1.3 : mappa eolica dell’alta Toscana
1.3 L’Energia Idraulica
L’energia idraulica è quella disponibile attraverso opportune trasformazioni dall’energia di posizione dell’acqua.
Il potenziale energetico dell’unità di volume dell’acqua è tanto maggiore quanto maggiore è l’altezza a cui il volume si trova ; ai fini della trasformazione energetica quello che interessa è il salto (tra il punto di presa e quello di restituzione) e la portata che possono essere sfruttati . I principi su cui si fondano le utilizzazioni di energia idraulica sono così riassumibili :
-conservare tutta l’energia di posizione ;
-trasformare l’energia di posizione in energia di pressione , possibilmente sulla verticale del punto di presa ;
-utilizzare l’energia di pressione in una motrice idraulica (turbina) trasformandola in energia meccanica.
L’energia meccanica viene poi trasformata in energia elettrica accoppiando alla turbina idraulica un alternatore.
Un impianto idraulico per la generazione di energia elettrica sarà costituito essenzialmente da:
Figura 1.4 : impianto idraulico
-opere di presa d’acqua : bacino superiore e filtro acque
-opere di convogliamento dell’acqua alla turbina : canali o condotte forzate -locale macchine : dove avvengono gli scambi energetici
-organi di scarico : canali a pelo o condotte
-linea elettrica : per l’evacuazione dell’energia
Salto e portata permettono di stimare la potenzialità della risorsa.
Infatti,in generale, indicando con:
Qv: portata d’acqua fluente [l/s]
Hg
: salto geodetico [m]
: densità dell’acqua [kg/l]
g : accelerazione di gravità [m/s2]
la potenza teoricamente sfruttabile è data da:
] 1000H [kW g
Pg Qv g
(1.1.3)
se non si recupera l’energia tra l’uscita della macchina e il bacino di scarico , turbine ad azione tipo Pelton , la potenza teoricamente sfruttabile diviene quella fornita dal salto motore totale (Ht):
] 1000g H [kW Pt Qv t
(2.1.3)
Per addurre acqua alla turbina si utilizza una condotta forzata nella quale si origineranno perdite fluidodinamiche sia distribuite che concentrate dette comunemente perdite di condotta le quali sono assimilabili ad un’aliquota persa rispetto al salto motore totale espressa in metri al chilometro e tabulata nei manuali tecnici in funzione della portata e del diametro di condotta .
Dalla perdita di condotta si risale al rendimento di condotta con la seguente :
1000 1000
c (3.1.3)
da cui si risale alla potenza disponibile all’ingresso della turbina :
] 1000H [kW g
Pd Qv t c
(4.1.3)
Anche nella macchina si possono avere delle perdite le quali si possono suddividere in:
- volumetriche : non tutta la portata attraversa utilmente la macchina da cui v
- interne : dovute agli attriti fluidodinamici da cui i
- meccaniche : dovute alle perdite nel trasferimento di energia dalla macchina all’utilizzatore,da cui m
posti:
m i v
t
c t
g
si ha che la potenza meccanica resa all’albero del generatore dalla turbina idraulica sarà data da :
] 1000H [kW g
Pu Qv tg
(5.1.3)
Per misurare la portata di un piccolo corso d’acqua si potrebbe usare il metodo dello
“stramazzo”, cioè la realizzazione di una piccola paratoia di sezione nota e mediante relazioni sulla geometria del sistema risalire alla portata , così facendo però si riesce a misurare solo la portata istantanea del corso d’acqua e non si ottiene un accurato diagramma medio annuo delle portate .
Per risalire a tale diagramma occorre ottenere dall’Istituto Mareografico , o da altro ente , i dati statistici sull’altezza media delle precipitazioni mensili nella zona di interesse .
Con questi , conoscendo la superficie sulla verticale del bacino imbrifero del torrente e il rendimento idrologico , si determina in modo abbastanza semplice la portata d’acqua fluente del torrente con la seguente :
]
log [
s l T
V Qt idro icoAmeteorico sorgenti
(6.1.3)
dove:
] [l S
h
Ameteorico m imbrifero : è l’apporto meteorico dovuto alle precipitazioni
: è le portata relativa al contributo attivo delle sorgenti o risorgive nel bacino imbrifero del torrente
Ricordando che :
]
.[
.
. s
Q l Q
Qv t DMV
(7.1.3)
dove QDMV è la portata non intercettabile affinché sia garantito il minimo decorso vitale al torrente, fissata dalla legge Galli del 1994.
1.4 L’Energia delle Biomasse
Con il termine “biomassa” si intende tutto ciò che ha matrice organica, con esclusione delle plastiche e dei materiali fossili , che pur rientrando nella chimica del carbonio , non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici .
La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare ; questa infatti consente alle piante di convertire la CO2 atmosferica in materia organica tramite il processo di fotosintesi durante la loro crescita .
La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile utilizzo negli impianti di conversione.
Altre forme di biomassa possono inoltre essere costituite dai residui delle coltivazioni destinate all’alimentazione umana o animale (paglia) o piante espressamente coltivate per scopi energetici .
Le più importanti tipologie di biomassa sono residui forestali , scarti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.) , scarti delle aziende zootecniche ed i rifiuti solidi urbani.
La combustione di queste o di materiali derivati , senza aggiunta di composti chimici presenta un bilancio di emissione di CO2 neutro,in quanto è la stessa quantità che la pianta ha sottratto all’ambiente durante la sua fase di accrescimento e le ceneri possono essere usate come fertilizzante agricolo , cosa che riduce notevolmente i costi di smaltimento se il terreno risulti essere di proprietà.
Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo lignocellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.).
L’utilizzo di legno , o combustibili da esso derivanti , finalizzato alla produzione di energia termica trova particolare utilizzo soprattutto nelle comunità montane dove l’abbondanza di materia prima a bassi costi e la difficoltà nell’approvvigionamento degli altri combustibili fossili ne rappresenta un’alternativa economica .
Figura 1.5 : Ciclo chiuso della CO2 nella biomassa
In queste zone è spesso praticata l’attività della selvicoltura finalizzata all’abbattimento di alberi dalla legna di qualità pregiate , come il castagno o il cerro , da indirizzare all’industria del legno .
Questa prevede la produzione di molta legna di scarto(circa 1/3-1/4 del totale), infatti quando si abbatte un albero soltanto il tronco servirà a produrre legname da lavoro , mentre la restante parte di legna , le “ramaglie” , sono normalmente destinate alla produzione di legna da ardere . Inoltre come si può vedere dai piani pluriennali di abbattimento (PFT) , redatti da appositi studi tecnici ed approvati dalle comunità montane di zona , con l’intento di salvaguardare l’ecosistema e garantire cicli arborici in grado di dare continuità ciclica alla risorsa , spesso si devono abbattere specie che non sono apprezzate dall’industria , quindi da destinare interamente alla produzione di legna da ardere .
Si comprende facilmente che le potenzialità energetiche della risorsa sono molto ingenti.
Per poter industrializzare il processo di produzione di calore da biomassa occorre rendere automatico l’afflusso di combustibile ai bruciatori , cosa per cui i classici tronchetti di legna da ardere non risultano particolarmente adatti tranne che per piccoli impianti di potenza termica limitata ( <30kW) .
Il Cippato :
Per poter alimentare in continuo i bruciatori occorre sminuzzare il legno fino ad una granulometria di 4-6 centimetri , questa operazione in gergo tecnico è chiamata “cippatura”
del legno e il prodotto che se ne ottiene è il cippato.
Figura 1.6 : macchina per la “cippatura delle ramaglie”collegabile al PTO dei trattori :
Il cippato umido :
Se l’operazione di cippatura viene fatta in bosco su piante appena abbattute si produrrà cippato con un elevato tasso di umidità residua , pertanto occorrerà prevedere un luogo di stoccaggio capiente e ben aerato , detto deposito stagionale , e provvedere al mescolamento meccanico del materiale in modo da prevenire l’insorgenza di muffe e facilitarne l’essiccamento in modo da aumentarne il potere calorifico .
Infatti , come si vede dal grafico 1.1 , il contenuto di umidità fa decrescere significativamente il potere calorifico del legno e quindi del cippato ed inoltre questo sarà causa di deterioramento precoce ella caldaia .
Oltre al deposito stagionale sarà necessario prevedere anche una sede di stoccaggio detta
“deposito locale”nella quale il cippato proveniente dal deposito stagionale viene stoccato per un periodo di 2 settimane e oltre a finire il processo di essiccazione risulterà disponibile alle
operazioni di carico dei generatori di calore , per cui tale deposito dovrà essere situato nelle vicinanze dei bruciatori e facilmente accessibile.
Grafico 1.1 : Potere calorifico inferiore del legno in base all’umidità
Il cippato secco :
In alternativa si può produrre cippato secco (umidità < 25%) effettuando l’operazione di cippatura dopo aver fatto osservare alla legna proveniente dal bosco e ridotta a tronchetti di 30-40 cm circa di lunghezza un periodo di essiccamento in apposite strutture .
Per velocizzare il processo di riduzione del contenuto d’acqua nel legno occorre che sia agevolato il naturale passaggio d’aria tra i pezzi di legno , quindi , i tronchetti andranno posti su degli assi sollevati da terra e sotto una copertura che li ripari dalle precipitazioni distanziata alcuni centimetri dalla sommità della catasta (vedi figura 1.7), per un periodo abbastanza lungo che è funzione dell’umidità residua che si vuole ottenere .
Figura 1.7 : catasta coperta per l’essiccamento della legna
Come si vede dal grafico sottostante i tronchetti lasciati in cataste al riparo dalle precipitazioni arrivano ad un’umidità residua del 17% circa dopo 2 anni .
Grafico 1.2 : evoluzione della perdita di umidità nel legno
Naturalmente le coperture per le cataste dovranno essere in numero sufficiente ad ospitare tutta la legna proveniente ogni anno dal bosco .
In via del tutto informativa si dovrà disporre di una cubatura coperta pari a circa 1,3 volte i metri cubi di legna che sarà raccolta .
In entrambi i casi che la stagionatura venga fatta sul legno in tronchetti o direttamente sul cippato umido alla fine del processo si sarà prodotto del cippato stagionato .
Le caratteristiche significative del cippato stagionato sono riassumibili in:
potere calorifico inferiore : 3000-3500 kcal/kg ossia 3,5-4,0 kWh/kg umidità residua : circa 20 %
granulometria : 4-6 cm
peso specifico ( ps ) : circa 300 kg/msc (msc = metro cubo stero di cippato )
Poiché da un metro cubo di legna si ricavano circa 2,78 metri steri di cippato , per valutare l’effettiva potenzialità energetica della risorsa occorrerà quindi sapere quanti metri cubi di legna di scarto si è in grado di produrre all’interno di un territorio in un anno .
Essendo infatti :
legna
V : il volume di legna di scarto producibile in un anno a partire dall’abbattimento di alberi in un determinato territorio (ricavabile dai P.F.T.)
la potenzialità della risorsa sarà data da:
] [ . .
. . anno
i kWh c p p
V
Ecippato legna Scippato cippato (1.1.4)
1.5 La conversione in TEP delle risorse energetiche
La conversione in TEP (tonnellate equivalenti di petrolio) viene effettuata convenzionalmente nell’ipotesi che servano 2200 kcal per produrre un kWh elettrico,cioè il consumo medio degli impianti termici a vapore del parco produttivo italiano.
Considerando che:
] [ 000 . 10 .
.
. kg
i kcal c
p petrolio
se Ep è l’energia elettrica prodotta ,espressa in kWh/anno, da un impianto alimentato da fonti rinnovabili,ogni anno si evita un consumo equivalente di petrolio,espresso in tonnellate pari a:
petrolio p
i c p TEP E
. . .
2 ,
2
(1.1.5)
Inoltre , l’utilizzo di fonti rinnovabili , per l’assenza totale o quasi di emissioni inquinanti, garantisce un rilevante il beneficio ambientale , quantificabile in base ai dati medi del parco di produzione termoelettrico :
] [
2 650
kWh
CO g (2.1.5)
] [ 10 kWh
SOx g (3.1.5)
] [ 3 kWh
NOx g (4.1.5)
