Uso ragionato dell’energia e dell’acqua Con il patrocinio della provincia di Pisa e dei comuni di Pisa, Cascina e Pontedera e la collaborazione di ENEL.

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1 Uso ragionato dell’energia e dell’acqua Con il patrocinio della provincia di Pisa e dei comuni di Pisa, Cascina e Pontedera e la collaborazione di ENEL spa Larderello 22 Marzo 2007

2 Edmondo Amendola Rotary Club Cascina

3 l’energia del sole: Sostiene tutti i processi vitali; Determina i cicli stagionali e climatici; E’ l’origine delle fonti energetiche derivate ed accumulate in ere geologiche - combustibili fossili La potenza trasmessa dal sole è circa 1,74 * 10^17 w rapportata all’intera superficie del pianeta equivale ad una densità media pari a 342 w/m^2

4 Quali sono le fonti di energia di uso comune nel mondo moderno ? I combustibili fossili : carbone, petrolio e gas naturale Rinnovabili – acqua, vento, sole, geotermia, biomasse ecc. Nucleare da fissione del nucleo di uranio Quali gli usi finali più diffusi ? Calore, lavoro meccanico, elettricità

5 I consumi delle risorse primarie nel 2005 carbonepetrolioGas naturale RinnovabiliNucleare 28%36%23%7%6% Tonnellate equivalenti di petrolio = tep 1 tep = 41,8 Gj Il totale dei consumi ammonta a 10,6 miliardi di tep

6 Quali problemi emergono da questa realtà odierna ? La salute ambientale è minacciata a livello locale dalla diffusione di microinquinanti. Ed a livello globale per il riscaldamento dell’atmosfera e le conseguenti alterazioni climatiche ( effetto serra)* La conservazione di risorse non rinnovabili ( combustibili fossili ) per le generazioni future * prevale, nell’ambito della comunità scientifica, l’attribuzione alle attività umane

7 E il riscaldamento dell’atmosfera Fonte IEA

8 Il trattato di Kyoto Per contrastare il progressivo riscaldamento del nostro pianeta 160 paesi ( 55/% di emissioni di gas serra ) hanno sottoscritto un trattato che prevede la riduzione del 5% delle loro emissioni riferite ai livelli del 1990 ! I paesi EU 25 hanno sottoscritto un contributo pari a 8% ! La scadenza prevista dal trattato è: 2008 – 2012 Questo è l’intervallo di tempo previsto per la valutazione dei risultati raggiunti

9 Emissioni CO2 al 1990 EU = 3790 Mton Italy = 388 Mton

10 Come pensare il futuro dell’energia ? Per correggere le attuali linee di tendenza occorreranno molteplici azioni volte a : Determinare mutamenti nei comportamenti di vita delle collettività attraverso il risparmio energetico; Ridurre il consumo dei combustibili fossili a vantaggio di altre forme di energia : alternative e rinnovabili

11 Energia elettrica da fonti rinnovabili in valori in % - Europa - 2004 ER 14 % del totale

12 energia dal sole Un flusso di energia solare di 1000 W/m^ 2 potrebbe: generare 600 W sotto forma di calore introdotto in un edificio attraverso una superficie vetrata di 1 m^2; Trasmettere circa 300 W ad un collettore solare per riscaldare acqua ad uso domestico Produrre 150 W di energia elettrica con una cella fotovoltaica l’energia del sole si presta ad usi diversi mediante l’uso di differenti tecnologie

13 L’effetto fotovoltaico: L’effetto fotovoltaico distingue un processo fisico attraverso il quale l’energia di un raggio di luce solare è convertita in elettricità; le celle fotovoltaiche sono costituite da materiale semiconduttore (silicio mono o policristallino, amorfo ); l’energia assorbita libera elettroni appartenenti agli atomi del materiale semiconduttore della cella FV ; una f.e.m, interna alla cella, fornisce la differenza di tensione ( volt ) che genera una corrente ( ampere ) in un circuito elettrico chiuso su un carico utile; la scoperte dell’effetto fotoelettrico risale al 1839 Edmond Becquerel

14 la rappresentazione schematica della cella FV 1 Luce (fotoni)4 Strato isolante 2 Contatto5 Strato positivo 3 Strato negativo6 Contatto

15 Quanta energia ci perviene ? l’energia dipende dall’intensità locale dell’irraggiamento (Mj/m^2*giorno) Il flusso istantaneo della radiazione solare è definito come radianza (W/m^2) L’entità dell’irraggiamento è influenzata dalle condizioni meteorologiche e dalla latitudine del luogo LocalizzazioneRadianza media W/m^2 regioni settentrionali 300 Regioni centrali390 Regioni meridionali460 Dati medi annuali per l’ Italia

16 Da un impianto fotovoltaico si ottiene energia elettrica in quantità nettamente inferiore a quella ricevuta dal sole! Questa entità varia fra il 6% ed il 15% rispettivamente per celle prodotte con silicio amorfo o monocristallino ; LocalizzazioneWh/m^2 giorno Regioni settentrionali 216 - 542 Regioni centrali283 - 708 Regioni meridionali330 - 833 Valori medi giornalieri dell’energia elettrica ricavabile da un pannello FV di un m^2

17 Lo schema rappresenta i componenti principali di un impianto FV

18 Un pannello fotovoltaico è composto da : Celle costituite da sottili ( micron ) fette di materiale semiconduttore ( S = 100 cm^2) ; Soggette ad una radianza pari a 1 kW/m^2 forniscono energia elettrica con : 0,5 V e 3 A ( circa 1,5 Wp); Un insieme di celle collegate in serie forma un modulo ; Un insieme di moduli forma un pannello; E’ così possibile ottenere combinazioni diverse per fornire l’energia necessaria.

19 Radiazione solare e potenza generata La conoscenza della relazione radianza/ potenza elettrica ( W/m^2) è fondamentale per ogni valutazione di merito dell’energia FV. latitudine del luogo, moti di rotazione e rivoluzione terrestre; condizioni meteorologiche ed atmosferiche; efficienza di conversione energetica della cella; Sono in sintesi i principali fattori che condizionano la validità industriale e/o economica della tecnologia FV

20 Guardiamo come si distribuisce la radiazione solare sulla terra I valori di picco E quelli medi

21 I diagrammi si riferiscono alla pianura emiliana Luglio 2003Febbraio 2003

22 Cosa sono i dati di targa di una cella FV ? Per determinare e confrontare le potenze nominali delle celle fotovoltaiche, esse vengono sottoposte ad appositi test da effettuare in condizioni standard. Radianza della sorgente luminosa ( input ) pari a 1000 W/m^2; Spettro di riferimento che definisce la temperatura di colore della luce. ( vedi norme ASTM e IEC – CEI 60904 -1 ) ; Temperatura della cella mantenuta a 25 ° C. Nelle condizioni riferite viene determinata la potenza nominale in watt di picco (Wp) della cella solare.

23 Quale futuro nel fotovoltaico? La risposta è nella riduzione dei costi e nel miglioramento dell’efficienza Concentrazione, con dispositivi ottici, dell’irraggiamento solare sulle superfici attive di conversione; adozione di meccanismi automatici di inseguimento della posizione del sole; Queste idee hanno condotto allo sviluppo di tecnologie già adottate dalla NASA in satelliti inviati nello spazio

24 Le più diffuse applicazioni delle celle fotovoltaiche integrate con batterie per l’alimentazione di utenze isolate; collegate stabilmente alla rete per fornire elettricità a piccoli edifici ad uso civile; ancora collegati alla rete ma incorporate in elementi strutturali di edifici civili e industriali; impiegate per realizzare vere e proprie centrali di produzione di energia elettrica ( qualche MW ); Ma la loro fama discende dalle applicazioni aerospaziali !

25 Punti di forza Modularità e flessibilità di dimensionamento; Strutture leggere e semplicità di installazione; Nessuna parte in movimento, bassa usura e minimi oneri di manutenzione; Si presta ad una produzione dell’elettricità distribuita sul territorio. e …di debolezza Richiede l’abbinamento a sistemi di accumulo dell’energia o di collegamento alla rete elettrica per garantire la continuità di erogazione; Allo stato attuale rappresenta una soluzione molto costosa per la fornitura di energia elettrica *

26 Energia dal vento Correnti d’aria possiedono energia in ragione della velocità e della massa in movimento ( energia cinetica ); l’origine di questo moto è riconducibile all’attività solare. Questa forma di energia è conosciuta dall’uomo fin dai periodi più lontani della sua storia. Oggi rivolgiamo ad essa una nuova attenzione – grazie ai nuovi sviluppi della tecnologia costruttiva - come utile fonte di produzione di energia elettrica “ pulita”. Oggi – in Europa – la quota di produzione di energia elettrica rinnovabile da fonte eolica è di circa 13%; ma in alcuni paesi ( vedi Danimarca con 65% e Germania con 43%) ha raggiunto livelli che ormai rappresentano una assoluta rilevanza.

27 Vista di un campo eolico

28 Una semplice relazione per descrivere le prestazioni di un generatore eolico: Pe = 1/2 x Cp x ρ x A x V^3 La potenza generata dipende dunque: dalla densità ρ e dalla velocità V della corrente d’aria; dalla superficie circolare che intercetta il flusso di aria ( A = П /4xD^2); dal coefficiente Cp; Cp rappresenta l’efficienza con la quale si converte l’energia cinetica della corrente d’aria in energia elettrica (20 – 50 %) ! Occorre ricordare che il valore di Cp - massimo teorico – è di 0,59 e corrisponde alla soglia di Betz

29 multi pale bassa moderata elevata0,20 0,40 Lavoro meccanico tri palealtabassa0,50Energia elettrica le principali applicazioni

30 Una immagine moderna parti principali Rotore Navicella Torre Cabina ausiliari

31 Quali sono i fattori che guidano la scelta di un generatore eolico? i regimi del vento nella località in studio ; La orografia del luogo per la sua incidenza sulla regolarità del flusso; La prossimità o meno alla rete elettrica cui connettersi o in alternativa ai potenziali fruitori dell’energia; L’impatto ambientale della installazione del generatore e/o del campo eolico;

32 la conoscenza della distribuzione in durata dei regimi anemometrici di un sito è fondamentale per il corretto dimensionamento del generatore e/o del campo eolico Esempio di distribuzione statistica della durata dei regimi ventosi e della relativa distribuzione in energia

33 la scelta del generatore eolico 1. Lo studio del territorio e dell’ anemologia del sito per stimare la possibile produzione di energia; 2. Le caratteristiche potenza/diametro per individuare il generatore utile; 3. La distribuzione della velocità del vento ed il tipo di generatore per determinare la probabile produzione annua di energia; 4. La conoscenza del tipo di generatore e della probabile produzione consente di risalire all’entità dell’investimento ed a quello dei ricavi annui.

34 I grandi insediamenti ( windfarms ) La potenza unitaria dei maggior generatori eolici odierni si aggira intorno ai 3 – 4 MW. Potenze complessive dell’ordine di alcune decine di MW si realizzano moltiplicando il numero dei generatori; Per limitare ogni interferenza aerodinamica, i generatori vanno disposti in schiera rispettando congrue distanze in senso trasversale e longitudinale rispetto alla direzione del vento ( 5 D e 10 D ); Questi insediamenti impegnano grandi estensioni di territorio pur non pregiudicandone utilizzi alternativi; Un esempio di campo eolico con 6 generatori di D = 80 m e P = 1,5 MW richiede un’area di circa 1 km^2.

35 i punti di forza La risorsa vento è estesamente diffusa per applicazioni terrestri e marine (near shore e off shore) è disponibile una tecnologia matura e vicina alla competitività economica con quelle convenzionali; La gamma di capacità di generazione disponibili ( anche a partire da pochi kW) si presta per applicazioni distribuite. e …. quelli di debolezza La variabilità ed imprevedibiltà della produzione di energia; La notevole estensione territoriale richiesta da insediamenti di elevata potenza ( molti MW, molti generatori) L’impatto ambientale – prevalentemente estetico – in siti terrestri o in mare prossimi alle coste

36 La realtà dei costi L’ energia da fonti rinnovabili è oggi più costosa rispetto a quella da fonti tradizionali. In merito si può osservare che : Spesso nel confronto non si tiene conto di costi non palesi che derivano dalla applicazione delle attuali tecnologie ( fossili e nucleari); Tuttavia si deve sottolineare che il riscontro del maggiore costo riguarda anche le fonti rinnovabili che vantano una lunga storia ( es.. Idroelettrico); Gli alti costi discendono in modo quasi esclusivo da oneri di capitale e costi di costruzione. I costi di esercizio sono viceversa molto competitivi

37 per l ‘energie rinnovabili: I costi sono proporzionali alla potenza dell’impianto ( € /kW ); I ricavi sono proporzionali all’energia prodotta ( c€ /kWh). Incidono favorevolmente sul bilancio economico di queste applicazioni ; vita utile elevata; contenuti oneri finanziari ; una elevata produttività ( kWh/anno). alcune fonti rinnovabili ( geo, idro,) risultano essere già competitive con quelle derivate dai combustibili fossili ( gas naturale, carbone) altre ( biomasse e eolico) si stanno avvicinando a tale traguardo.

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39 costi o prezzi al consumo ? le fonti rinnovabili hanno il pregio di essere disponibili sul territorio in modo distribuito e quindi prossimi al consumatore; in questo caso il confronto più logico è dunque quello aderente al prezzo dell’energia in “loco”; nel nostro paese un dato medio riferito all’energia elettrica corrisponde a 0,18 € /kWh (tasse incluse) dunque assai superiore al solo costo di produzione: a questi livelli le energie derivate da biomasse e vento risulterebbero competitive ed anche per quella solare la meta potrebbe delinearsi meno lontana.

40 Il finanziamento delle fonti rinnovabili Nella fase iniziale dello sviluppo di una nuova tecnologia è quasi sempre necessario il ricorso a forme di incentivazione economica; Nel caso in esame si indicano due delle più diffuse forme di incentivazione Certificati di credito ( anche noti come certificati verdi )che in Italia vengono emessi dal GSE ai sensi della legge 239 del 23/08/2004 (taglia 50 Mwh). Conto Energia, specifico per le applicazioni del fotovoltaico, attraverso il quale viene garantita al produttore una remunerazione in funzione dell’energia prodotta.

41 Conto Energia decreto 19/02/2007 Potenza kWp Incentivo €/kWh Durata anni 1 - 3 0,40 – 0,4920 >3 - < 20 0,38 – 0,4620  20 0,36 – 0,4420 Modalità : scambio sul posto o autoconsumo e vendita

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43 Entrate e Uscite I fenomeni naturali che distinguono il nostro pianeta, dipendono da un delicato equilibrio fra l’energia che riceve e quella che restituisce. Questo equilibrio, mediamente esistente, lascia tuttavia lo spazio a trasformazioni di energia che sono essenziali all’esistenza stessa delle forme di vita. Queste trasformazioni sono esempi di accumulo dell’energia: Calore degli oceani e delle terre, i moti delle masse d’aria; L’evaporazione delle acque e la formazione dei sistemi nuvolosi; La riproduzione e lo sviluppo del mondo vegetale;

44 - dai moti dell’aria traggono origine i venti, veicoli di energia - - dalla condensazione del vapore derivano le acque meteoriche - - dal mondo vegetale possiamo trarre utili riserve energetiche – Queste sono anche sufficienti ? proviamo a rispondere a questo quesito decisivo tenendo presente che dovremo fare appello a stime che ci forniranno indicazioni di larga massima

45 Il serbatoio di energie rinnovabili Consumi odierni pari a circa 10 miliardi tep Fonte WEC 2006

46 La scheda precedente suggerisce alcune riflessioni : La disponibilità annua di energie rinnovabili che hanno origine, diretta o indiretta, dall’attività solare, è circa un ordine di grandezza superiore all’attuale consumo energetico mondiale; Fra tutte le fonti rinnovabili quella derivabile dal sole appare di gran lunga la più abbondante. Il delicato equilibrio che regola le attività della natura, sembra consentirci uno spazio per migliorare l’attuale situazione, senza tuttavia incorrere in un uso irragionevole di questa preziosa risorsa

47 Efficienza & Risparmio sono la via maestra anche per il nuovo futuro energetico