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Fonti Energetiche Alternative (3 cfu) Prof. Francesco Asdrubali a.a 2007-2008 Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica.

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1 Fonti Energetiche Alternative (3 cfu) Prof. Francesco Asdrubali a.a Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

2 Programma del corso (disponibile on-line) Contenuti: Generalità, consumi, riserve e previsioni: Caratteri di interdisciplinarietà dei problemi energetici. Definizione delle grandezze e degli indici energetici. Consumi, riserve e previsioni: il panorama energetico mondiale, la situazione energetica italiana, con particolare riferimento alle fonti rinnovabili. Energia idroelettrica: Stima delle risorse idriche, classificazione, schemi di impianto, soluzioni tecnologiche, rendimenti, dimensionamento, impatto ambientale. Energia solare: Caratteristiche dell'energia solare, stima della disponibilità di energia solare per un sito, sistemi di captazione, impieghi termici dellenergia solare, la conversione fotovoltaica, impianti fotovoltaici, valutazioni tecnico-economiche. Energia eolica: Caratteristiche dellenergia eolica, stima della disponibilità di energia eolica per un sito, aerogeneratori e centrali eoliche, impatto ambientale, valutazioni tecnicoeconomiche. Energia dalle biomasse e dai rifiuti: Classificazione delle biomasse, impieghi termici ed elettrici, biocombustibili, schemi di impianti, termovalorizzazione RSU, impatto ambientale, valutazioni tecnico-economiche. Energia geotermica: Caratterizzazione e classificazione della risorsa, schemi di impianti, rendimenti, impatto ambientale.

3 Testo consigliato : F.Asdrubali, Fonti Energetiche Rinnovabili, Morlacchi Editore, Perugia 2006 Testi integrativi: Testi integrativi: 1. C. MANNA (a cura di), Rapporto energia ambiente 2006, ENEA, aprile P. MENNA, Lenergia pulita, Il Mulino, 2003

4 Classificazione delle fonti rinnovabili Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti solidi urbani (frazione rinnovabile); Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti solidi urbani (frazione rinnovabile); Energia idraulica: large & small hydro; Energia idraulica: large & small hydro; Fonti alternative o nuove: energia geotermica, energia solare (termico e fotovoltaico), energia eolica, energia delle maree, delle onde e degli oceani. Fonti alternative o nuove: energia geotermica, energia solare (termico e fotovoltaico), energia eolica, energia delle maree, delle onde e degli oceani. Secondo lIEA (International Energy Agency), le fonti energetiche rinnovabili possono essere raggruppate nelle seguenti categorie:

5 Classificazione delle fonti rinnovabili Energia eolica; Energia eolica; Energia solare: termico e fotovoltaico; Energia solare: termico e fotovoltaico; Energia idraulica: small hydro; Energia idraulica: small hydro; Biomasse: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, legna, biodiesel; Biomasse: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, legna, biodiesel; Energia geotermica; Energia geotermica; Energia delle onde e delle maree. Energia delle onde e delle maree. Unaltra classificazione è quella fornita dallISES (International Solar Energy Society), che si differenzia da quella fornita dallIEA in quanto non considera come rinnovabile lenergia ottenibile dai rifiuti: La classificazione a cui si farà riferimento è quella indicata dallENEA (Ente per le Nuove Tecnologie, lEnergia e lAmbiente), ancora più ampia in quanto, oltre alle tipologie di risorse energetiche rinnovabili elencate dallIEA, include, tra le biomasse, tutte le frazioni dei rifiuti solidi urbani e la categoria legna e assimilati

6 Biomasse Caratteristiche chimico fisiche e possibili usi energetici

7 la combustione diretta, con conseguente produzione di calore da utilizzare per il riscaldamento domestico, civile ed industriale o per la generazione di vapore (forza motrice o produzione di energia elettrica); la combustione diretta, con conseguente produzione di calore da utilizzare per il riscaldamento domestico, civile ed industriale o per la generazione di vapore (forza motrice o produzione di energia elettrica); la produzione a partire da legno, residui agricoli o rifiuti solidi urbani, di gas combustibile, mediante gassificazione, da utilizzare per la conversione energetica; la produzione a partire da legno, residui agricoli o rifiuti solidi urbani, di gas combustibile, mediante gassificazione, da utilizzare per la conversione energetica; la trasformazione della biomassa, in assenza di aria, quando il calore necessario al processo viene totalmente fornito dallesterno, o 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, in una frazione gassosa, in una frazione liquida oleosa ed in un prodotto solido mediante il processo della pirolisi; la trasformazione della biomassa, in assenza di aria, quando il calore necessario al processo viene totalmente fornito dallesterno, o 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, in una frazione gassosa, in una frazione liquida oleosa ed in un prodotto solido mediante il processo della pirolisi; la trasformazione in combustibili liquidi di particolari categorie di biomasse coltivate, con la produzione di biodiesel e di etanolo; la trasformazione in combustibili liquidi di particolari categorie di biomasse coltivate, con la produzione di biodiesel e di etanolo; la possibilità di produrre biogas mediante fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali. la possibilità di produrre biogas mediante fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali. Biomasse Le alternative più valide per lutilizzazione energetica delle biomasse, tenuto conto del grado di maturità e delleffettiva applicabilità delle relative tecnologie, sono sostanzialmente le seguenti:

8 Biomasse Le biomasse utilizzate per scopi energetici in Italia provengono dal comparto agricolo e forestale, agro- industriale e dai rifiuti solidi urbani. Lutilizzazione delle biomasse agricole, forestali ed agro-industriali può essere considerata idonea soprattutto per la fornitura di energia termica ed elettrica ad una serie di utenze tipiche delle aree rurali, quali la zootecnia, lindustria agroalimentare, le comunità montane, le comunità domestico-rurali, particolarmente per quanto riguarda lautoproduzione e lautoconsumo.

9 RSU Gestione dei RSU in Italia nellanno 2004 * * APAT-ONR Rapporto rifiuti 2001 I rifiuti solidi urbani, invece, interessano soprattutto le aziende municipalizzate che esplicano anche un servizio di fornitura di energia elettrica o di teleriscaldamento. Tuttavia la stragrande maggioranza dei rifiuti urbani prodotti in Italia viene, oggi, smaltito in discarica. Biomasse

10 Energia Idraulica Small hydro< 10 MW Small hydro< 10 MW Large hydro> 10 MW Large hydro> 10 MW Numero di impianti idroelettrici per taglia Anni Tipologia impiantistica Impianti ad acqua fluente Impianti ad acqua fluente Impianti a deflusso regolato o a bacino Impianti a deflusso regolato o a bacino Impianti ad accumulazione per pompaggio Impianti ad accumulazione per pompaggio

11 Energia Idraulica Impianti ad acqua fluente Privi di capacità di regolazione (portata utilizzata è pari alla quantità dacqua disponibile nel fiume, fino al limite consentito dalle opere di presa); Flussi elevati e bassa caduta; Sistema di sbarramento che intercetta il corso dacqua nella zona prescelta ed una centrale di produzione elettrica situata sulla traversa stessa o nelle immediate vicinanze Impianti a deflusso regolato o a bacino Provvisti di un bacino con una certa capacità di invaso in modo da poter regolare la quantità di flusso addotta in turbina; Tipologia di impianto collocato principalmente nei tratti superiori dei fiumi; Lo schema tipo di un impianto include: una riserva dacqua, unopera di presa; una condotta forzata che convoglia lacqua fino alle turbine nella centrale. Impianti ad accumulazione per pompaggio Traggono origine dal fatto che una centrale ad acqua fluente utilizza mediamente solo una parte della portata del corso dacqua. Disponendo di un impianto a serbatoio nelle vicinanze, per la carente interconnessione delle reti e sotto opportune condizioni risultava già in passato conveniente pompare in questo, allo scopo di conservarla per un successivo impiego, la portata altrimenti sfiorata. Le turbine della centrale possono così sfruttare sempre, fino al valore massimo per esse ammissibile, la piena portata del corso dacqua.

12 Energia geotermica Sfruttamento dellacqua iuvenile calda e del vapore nelle aree di attività vulcanica e tettonica; Sfruttamento dellacqua iuvenile calda e del vapore nelle aree di attività vulcanica e tettonica; in alcune zone, dove i giacimenti di rocce calde, aride intrusive ed ignee sono situate vicino alla superficie, lenergia geotermica può essere sfruttata praticando dei fori nelle aree calde ed iniettando dellacqua per creare vapore che può quindi essere utilizzato per generare elettricità mediante macchine a vapore. in alcune zone, dove i giacimenti di rocce calde, aride intrusive ed ignee sono situate vicino alla superficie, lenergia geotermica può essere sfruttata praticando dei fori nelle aree calde ed iniettando dellacqua per creare vapore che può quindi essere utilizzato per generare elettricità mediante macchine a vapore. Sistema geotermico

13 Energia geotermica Sistemi a vapore secco o a vapore dominante Sistemi a vapore secco o a vapore dominante Sistemi a vapore umido o ad acqua dominante Sistemi a vapore umido o ad acqua dominante Sistemi ad acqua calda (T<100°C) Sistemi ad acqua calda (T<100°C) Sistemi in rocce calde secche Sistemi in rocce calde secche Sistemi magmatici Sistemi magmatici Sistemi geopressurizzati Sistemi geopressurizzati Classificazione in riferimento ai fluidi erogati Numero di impianti geotermici in Italia – Anni Potenza istallata > 800 MWe

14 Energia solare Solare termico Lenergia della radiazione solare incidente sulla Terra:l = 0,3 ÷ 2,5 mm Picco massimo denergia:l = 0,5 mm Sfruttamento: Costante solare:1400 W/m 2 Valore massimo misurato sulla superficie terrestre:1000 W/m 2 Solare fotovoltaico Solare fotovoltaico Distribuzione spettrale dellenergia raggiante solare esternamente allatmosfera terrestre

15 Energia solare Solare termico Lenergia della radiazione solare incidente sulla Terra:l = 0,3 ÷ 2,5 mm Picco massimo denergia:l = 0,5 mm Sfruttamento: Costante solare:1400 W/m 2 Valore massimo misurato sulla superficie terrestre:1000 W/m 2 Solare fotovoltaico Produzione di acqua calda per usi idrico sanitari; Produzione di acqua calda per usi idrico sanitari; Riscaldamento degli edifici (sistemi attivi o passivi); Riscaldamento degli edifici (sistemi attivi o passivi); Principali applicazioni ad alta temperatura Produzione di energia elettrica (solare termodinamico); Produzione di energia elettrica (solare termodinamico); Alimentazione di processi chimici e termofisici; Alimentazione di processi chimici e termofisici; Principali applicazioni a bassa temperatura

16 Andamento delle vendite dei collettori solari in Italia dal 1977 al 2001 Alzamento dei prezzi dei combustibili Shock petrolifero del 1979 Campagna dellENEL Acqua dal sole

17 Solare fotovoltaico Impianto solare fotovoltaico sul tetto di un abitazione Capacità di produrre energia elettrica in modo modulare;Capacità di produrre energia elettrica in modo modulare; Richiesta di manutenzione molto contenuta: non vi sono parti in movimento, il processo di conversione dellenergia avviene a temperatura ambiente e non vengono bruciati combustibili;Richiesta di manutenzione molto contenuta: non vi sono parti in movimento, il processo di conversione dellenergia avviene a temperatura ambiente e non vengono bruciati combustibili; rendimenti massimi del 30%.rendimenti massimi del 30%. Impianti di grossa taglia con potenze nominali comprese tra le centinaia e le migliaia di kW Impianti per lalimentazione di utenze isolate, sia nel campo residenziale, sia in quello industriale Linee di sviluppo per i sistemi di produzione

18 Energia eolica Schema di un aerogeneratore Lenergia cinetica dellaria in movimento può essere convertita direttamente da un motore eolico, o aeromotore, in energia meccanica disponibile su di un albero rotante per lazionamento di mulini, pompe e generatori elettrici. Piccola taglia potenza < 100 kW Media taglia 100 kW < potenza < 1000 kW Grande taglia potenza > 1000 kW Dimensioni dei rotori delle turbine comprese tra 1 e 112 metri Soglia minima di inserimento: 3 m/s (tipica di ciascuna macchina) Velocità del vento nominale:12-15 m/s Aerogeneratore è posto fuori servizio> 25 m/s per velocità del vento:

19 Impiego delle fonti rinnovabili nel mondo Ripartizione tra le fonti della produzione mondiale denergia primaria nel 2003

20 Contributo relativo delle varie fonti rinnovabili alla produzione di energia primaria nel 2003

21 Consumi globali denergia da fonti rinnovabili per settori nel 2000 Produzione di energia elettrica dalle varie fonti nel 2000 Produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nel 2003

22 Andamento dei consumi lordi di energia primaria per fonte in Unione Europea Proiezione al 2010 del Libro Bianco

23 LUnione Europea a 27 presenta attualmente una dipendenza dalle importazioni denergia per oltre il 50% del suo fabbisogno; LUnione Europea a 27 presenta attualmente una dipendenza dalle importazioni denergia per oltre il 50% del suo fabbisogno; QUADRO ENERGETICO EUROPEO ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007) LO STATO ATTUALE

24 Ripartizione tra le varie fonti della produzione di energia elettrica del 2000 in Unione Europea

25 Ripartizione tra le varie fonti dei consumi lordi di energia primaria in Italia

26 ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007) LO STATO ATTUALE IN ITALIA

27 ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007) LO STATO ATTUALE IN ITALIA QUADRO ENERGETICO

28 ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007) LO STATO ATTUALE IN ITALIA

29 GSE – Gestore Sistema Elettrico (Aprile 2007)

30 Produzione annuale di energia da fonti rinnovabili in Italia in equivalente fossile sostituito (ktep) Idroelettrica Eolica Fotovoltaico34444 Solare termico Geotermia Rifiuti Legna Biocombustibili Biogas Totale

31 Andamento nel tempo della produzione di energia primaria da fonti rinnovabili in Italia

32 Ripartizione tra le diverse fonti della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nel Idroelettrico > 10 MW Idroelettrico < 10 MW Eolico Solare fotovoltaico Geotermoelettrico Incenerimento RSU Legna Biogas A - Totale B – Consumo interno lordo [TWh]278,9300,5307,7320,9327,4335,9 A/B [%]14,915,616,916,016,814,6

33 – PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA

34

35 – ENERGIA EOLICA

36 – ENERGIA GEOTERMICA

37 – ENERGIA SOLARE

38 – ENERGIA DA RIFIUTI Nel 2004 la raccolta differenziata nazionale di carta e cartone ha superato il consumo di macero delle cartiere, leccesso viene esportato in Germania, Turchia e Cina.

39 – PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA

40 LO STATO ATTUALE La continua variazione del costo del barile di petrolio ha modificato drasticamente i flussi di investimento sulle fonti energetiche rinnovabili. Lindice di Borsa settoriale: il Bloomberg world alternative source index ha segnato da inizio 2007 un + 22,6%. Oggi le società specializzate nel settore delle energie rinnovabili producono il 3% dellenergia mondiale. QUADRO ECONOMICO MONDIALE

41 QUADRO ECONOMICO EUROPEO LO STATO ATTUALE

42 QUADRO ECONOMICO EUROPEO LO STATO ATTUALE

43 lautunno 2006 è stato in Italia lautunno più caldo degli ultimi 80 anni. Dal 1961 al 2003 il livello del mare è aumentato di 1,3 mm, si prevede entro il 2100 un aumento dello stesso compreso tra i +18 e +59 cm. Aumento del PH marino dovuto alla maggiore concentrazione di CO 2 disciolta (PH+0,14) QUADRO AMBIENTALE LO STATO ATTUALE

44 1- Scenario Stabile Emissioni costanti pari a quelle emesse nel Tecnologie pulite Scenario con crescita demografica zero e sviluppo economia e servizi e impiego di tecnologie pulite 3 – Mix di fonti energetiche Rapida crescita demografica ed economica, impiego di tecnologie più efficienti e pulite, equilibrio nell impiego fra diverse fonti energetiche 4. Differenziazione tra le regioni 4. Differenziazione tra le regioni Drastica differenziazione tra lo sviluppo demografico ed economico delle diverse regioni SCENARI FUTURI - RISCALDAMENTO GLOBALE

45 LE CAUSE DELL EFFETTO SERRA

46 QUADRO AMBIENTALE LO STATO ATTUALE

47 Nazionale, produzione energia elettrica da rinnovabili pari a 22% entro il 2010 (oggi 16%) Nazionale, produzione energia elettrica da rinnovabili pari a 22% entro il 2010 (oggi 16%) Europeo, copertura dei consumi da fonti rinnovabili pari al 20% entro il 2020 e che i biocarburanti muovano almeno il 10% dei trasporti Europeo, copertura dei consumi da fonti rinnovabili pari al 20% entro il 2020 e che i biocarburanti muovano almeno il 10% dei trasporti OBIETTIVI Posti occupazionali per TWh di energia prodotta PetrolioCarboneNucleareIdroelettrico Etanol o EolicoFotovoltaico


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