Spring 2004 Fonti rinnovabili II GCM Lecture X

Eolico Energia cinetica trasportata dal vento. La sua potenza (intensità) è proporzionale al CUBO della velocità del vento v Infatti la quantità di aria che colpisce un metro quadro di superficie in un secondo è quella contenuta nel tubo rettangolare di lunghezza v Se la densità dell’aria è  = 1.3 kg/m3 la massa totale contenuta nel tubo sarà v kg L’ energia cinetica totale che incide su un m2 in un sec sarà allora = ½(v)·v2 = ½v3 A.A. 2007/8

Energia eolica Un vento di 10 m/s (36 km/h) ha una intensità di 610 W/m2 Un vento 20 m/s (72 km/h)) ha una intensità di 4880 W/m2 Ma non è possibile estrarre con una ventola tutta la energia perchè il vento non può essere fermato. Tuttavia un forte rallentamento è necessario per estrarre la massima energia possibile. La massima efficienza teorica è del 60% ca. corrispondente ad una riduzione di velocità del 35% ca. A.A. 2007/8

Efficienze Un impianto eolico raggiunge un efficienza massima di 0.4 (ossia 70% del massimo teorico) L’efficienza della conversione della energia meccanica in elettrica è 90% Per cui in conclusione possiamo dire che solo il 36% ca. massimo dell’energia del vento viene traformata in elettricità L’efficienza finale dipende molto dalla struttura delle ventole A.A. 2007/8

Efficienze tipiche A.A. 2007/8

Esempio Un sistema tipico di 15 m di diametro 180 m2 di superficie Con venti di 36 km/h , 40% di efficienza, fornisce ca. 100 kW di potenza che diventano 800 kW a 72 km/h I sistemi tipici sono quotati tra 50 e 600 kW Quanta energia in un anno? 36 km/h  610 W/m2  40%  240 W/m2  24 x365  2000 kWh per anno Ma i venti non sono costanti per cui in realtà si va da 100 a 500 kWh/m2 ca. corrispondenti 10-60 W/m2 medi disponibili. A.A. 2007/8

Carta dei venti negli USA A.A. 2007/8

Comparabile al solare?? I valori della carta sembrano confrontabili con i valori della insolazione solare 150-250 W/m2…e sarebbe una scoperta sensazionale MA: in questo caso i m2 non sono riferiti al suolo ma alla superfice delle pale D’altra parte non si possono mettere i mulini a vento troppo vicini perchè si coprono l’uno con l’altro. Tipicamente i rotori vengono distanziati di ca. 10 diametri in direzione dei venti prevalenti, 5 diametri nella direzione ortogonale. A.A. 2007/8

Biomasse Biomasse sono tutti gli esseri viventi, animali,piante e resti dei medesimi Abbiamo visto che ca. 401012 W dei 1741015 W che incidono dal sole sulla terra finiscono nei processi di Fotosintesi Si tratto dello 0.023% Questo processo è in effetti il carburante per tutte le attività biologiche , la metà delle quali avviene negli oceani. Ricordiamo per cfr. che la generazione globale di potenza dovuta a tutto il genere umano è ca. 131012 W, e che l’attività biologica umana è solo 0.61012 W I combustibili fossili non sono nient’altro che energia da biomasse immagazzinata A.A. 2007/8

Fotosintesi Ogni carboidrato (zucchero) ha una struttura molecolare del tipo : [CH2O]x, con x intero Per es. Il glucosio C6H12O6 ha x=6 La reazione Fotosintetica : xCO2 + xH2O + light  [CH2O]x + xO2 1.47 g 0.6 g 16 kJ 1 g 1.07 g La reazione dei carboidrati (cibi) già vista in precedenza altro non è che la reazione di fotosintesi invertita 16 kJ per grammo sono 4 KCalorie per grammo Dunque la fotosintesi è come una batteria per immagazzinare l’energia solare. A.A. 2007/8

Efficienza della fotosintesi Solo 25% dell’energia solare è utile allo scopo Utilizza la luce rossa e blu (il verde è riflesso), non utilizza IR o UV Però 70% di questa luce viene assorbito dalle foglie e solo 35% della luce assorbita (nelle bande di frequenza utili) viene immagazzinato come energia chimica Il resto è disperso in calore Da confrontare con l’uso parziale dell’energia dei fotoni nel fotovoltaico L’efficienza netta finale si aggira sul 6% A.A. 2007/8

Quanta biomassa è disponibile? Una valutazione mondiale approssimativa è 1017 g/ anno 320 g/ m2 mediati sulla superficie terrestre consistente con i 401012 W di fotosintesi detti prima Ad oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno). L’utilizzo di tale fonte mostra, però, un forte grado di disomogeneità fra i vari Paesi. I Paesi in Via di Sviluppo, nel complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 Mtep/anno), ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del fabbisogno energetico totale, mediante la combustione di legno, paglia e rifiuti animali. Nei Paesi Industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono appena per il 3% agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156 Mtep/anno). In particolare, gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, equivalente a 3,2 milioni di TJ/anno (70 Mtep/anno); l’Europa, complessivamente, il 3,5%, corrispondenti a circa 40 Mtep/anno, con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria, l’Italia, con il 2% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea. A.A. 2007/8

Altre fonti rinnovabili Geotermiche : geyser ecc sfrutta calore interno della terra Potrebbe fornire 1.5 QBtu/yr in 50 anni nel mondo Limitato a pochi siti particolari Bacini idroelettrici oscillanti per le maree Siti specialissimi (Bay of Fundy es.) Max 1 QBtu/anno nel mondo Conversione energia termica degli oceani (OTEC) Usa I gradienti termici per azionare motori Complicato e piccole potenze E per finire Combustibile derivato dai rifiuti (CDR) e dalle biomasse A.A. 2007/8