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

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 dell’energia solare, la conversione fotovoltaica, impianti fotovoltaici, valutazioni tecnico-economiche. Energia eolica: Caratteristiche dell’energia 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.

Testo consigliato : F.Asdrubali, Fonti Energetiche Rinnovabili, Morlacchi Editore, Perugia 2006 Testi integrativi: 1. C. MANNA (a cura di), Rapporto energia ambiente 2006, ENEA, aprile 2007 3. P. MENNA, L’energia pulita, Il Mulino, 2003

Classificazione delle fonti rinnovabili Secondo l’IEA (International Energy Agency), le fonti energetiche rinnovabili possono essere raggruppate nelle seguenti categorie: Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti solidi urbani (frazione rinnovabile); 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.

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

Caratteristiche chimico fisiche e possibili usi energetici Biomasse Caratteristiche chimico fisiche e possibili usi energetici

Biomasse Le alternative più valide per l’utilizzazione energetica delle biomasse, tenuto conto del grado di maturità e dell’effettiva applicabilità delle relative tecnologie, sono sostanzialmente le seguenti: 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 trasformazione della biomassa, in assenza di aria, quando il calore necessario al processo viene totalmente fornito dall’esterno, 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 possibilità di produrre biogas mediante fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali.

Biomasse Le biomasse utilizzate per scopi energetici in Italia provengono dal comparto agricolo e forestale, agro-industriale e dai rifiuti solidi urbani. L’utilizzazione 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, l’industria agroalimentare, le comunità montane, le comunità domestico-rurali, particolarmente per quanto riguarda l’autoproduzione e l’autoconsumo.

Gestione dei RSU in Italia nell’anno 2004* Biomasse RSU 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. Gestione dei RSU in Italia nell’anno 2004* * APAT-ONR “Rapporto rifiuti 2001”

Numero di impianti idroelettrici per taglia Energia Idraulica Small hydro < 10 MW Large hydro > 10 MW Tipologia impiantistica Impianti ad acqua fluente Impianti a deflusso regolato o a bacino Impianti ad accumulazione per pompaggio Numero di impianti idroelettrici per taglia Anni 1992-2003

Energia Idraulica Impianti ad accumulazione per pompaggio Traggono origine dal fatto che una centrale ad acqua fluente utilizza mediamente solo una parte della portata del corso d’acqua. 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 d’acqua. 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 d’acqua, un’opera di presa; una condotta forzata che convoglia l’acqua fino alle turbine nella centrale. Impianti ad acqua fluente Privi di capacità di regolazione (portata utilizzata è pari alla quantità d’acqua disponibile nel fiume, fino al limite consentito dalle opere di presa); Flussi elevati e bassa caduta; Sistema di sbarramento che intercetta il corso d’acqua nella zona prescelta ed una centrale di produzione elettrica situata sulla traversa stessa o nelle immediate vicinanze

Energia geotermica Sfruttamento dell’acqua 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, l’energia geotermica può essere sfruttata praticando dei fori nelle aree calde ed iniettando dell’acqua per creare vapore che può quindi essere utilizzato per generare elettricità mediante macchine a vapore. Sistema geotermico

Energia geotermica Classificazione in riferimento ai fluidi erogati Sistemi a vapore secco o “a vapore dominante” Sistemi a vapore umido o “ad acqua dominante” Sistemi ad acqua calda (T<100°C) Sistemi in rocce calde secche Sistemi magmatici Sistemi geopressurizzati Potenza istallata > 800 MWe Numero di impianti geotermici in Italia – Anni 1992-2003

Energia solare Sfruttamento: Solare termico Solare fotovoltaico Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solare esternamente all’atmosfera terrestre L’energia della radiazione solare incidente sulla Terra: l = 0,3 ÷ 2,5 mm Picco massimo d’energia: l = 0,5 mm Costante solare: 1400 W/m2 Valore massimo misurato sulla superficie terrestre: 1000 W/m2 Sfruttamento: Solare termico Solare fotovoltaico

Energia solare Principali applicazioni a bassa temperatura L’energia della radiazione solare incidente sulla Terra: l = 0,3 ÷ 2,5 mm Produzione di acqua calda per usi idrico sanitari; Riscaldamento degli edifici (sistemi attivi o passivi); Principali applicazioni ad alta temperatura Produzione di energia elettrica (solare termodinamico); Alimentazione di processi chimici e termofisici; Picco massimo d’energia: l = 0,5 mm Costante solare: 1400 W/m2 Valore massimo misurato sulla superficie terrestre: 1000 W/m2 Sfruttamento: Solare termico Solare fotovoltaico

Alzamento dei prezzi dei combustibili Andamento delle vendite dei collettori solari in Italia dal 1977 al 2001 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 Alzamento dei prezzi dei combustibili Shock petrolifero del 1979 Campagna dell’ENEL “Acqua dal sole”

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

Energia eolica L’energia cinetica dell’aria in movimento può essere convertita direttamente da un motore eolico, o aeromotore, in energia meccanica disponibile su di un albero rotante per l’azionamento 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 Schema di un aerogeneratore 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:

Impiego delle fonti rinnovabili nel mondo Ripartizione tra le fonti della produzione mondiale d’energia primaria nel 2003

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

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

Andamento dei consumi lordi di energia primaria per fonte in Unione Europea 1995 2000 Proiezione al 2010 del Libro Bianco

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

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

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

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

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

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

GSE – Gestore Sistema Elettrico (Aprile 2007)

Produzione annuale di energia da fonti rinnovabili in Italia in equivalente fossile sostituito (ktep) 1995 1999 2000 2001 2002 Idroelettrica 8312 9979 9725 10298 8694 Eolica 2 89 124 259 309 Fotovoltaico 3 4 Solare termico 7 10 11 14 Geotermia 969 1182 1248 1204 1239 Rifiuti 97 374 461 721 818 Legna 4635 4824 4807 4833 5008 Biocombustibili 65 38 66 87 94 Biogas 29 167 162 196 270 Totale 14119 16667 16608 17613 16450

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

B – Consumo interno lordo [TWh] Andamento nel tempo della produzione di energia primaria da fonti rinnovabili in Italia 1995 1998 1999 2000 2001 2002 Idroelettrico > 10 MW 30341 32893 36756 36088 38154 31472 Idroelettrico < 10 MW 7440 8320 8602 8117 8657 8048 Eolico 10 231 403 563 1179 1404 Solare fotovoltaico 14 16 17 18 Geotermoelettrico 3436 4214 4403 4705 4507 4662 Incenerimento RSU 168 464 653 804 1259 1428 Legna 116 271 587 537 644 1052 Biogas 103 494 583 566 684 943 A - Totale 41628 46903 52003 51397 55100 49026 B – Consumo interno lordo [TWh] 278,9 300,5 307,7 320,9 327,4 335,9 A/B [%] 14,9 15,6 16,9 16,0 16,8 14,6 Ripartizione tra le diverse fonti della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nel 2002

– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA

– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA

– ENERGIA EOLICA

– ENERGIA GEOTERMICA

– ENERGIA SOLARE

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

– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA

QUADRO ECONOMICO MONDIALE LO STATO ATTUALE QUADRO ECONOMICO MONDIALE La continua variazione del costo del barile di petrolio ha modificato drasticamente i flussi di investimento sulle fonti energetiche rinnovabili. L’indice 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% dell’energia mondiale.

LO STATO ATTUALE QUADRO ECONOMICO EUROPEO

LO STATO ATTUALE QUADRO ECONOMICO EUROPEO

LO STATO ATTUALE QUADRO AMBIENTALE l’autunno 2006 è stato in Italia l’autunno 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 CO2 disciolta (PH+0,14)

SCENARI FUTURI - RISCALDAMENTO GLOBALE 1- Scenario Stabile Emissioni costanti pari a quelle emesse nel 2000 2- 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 Drastica differenziazione tra lo sviluppo demografico ed economico delle diverse regioni

LE CAUSE DELL’ EFFETTO SERRA

LO STATO ATTUALE QUADRO AMBIENTALE

Posti occupazionali per TWh di energia prodotta OBIETTIVI 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 Posti occupazionali per TWh di energia prodotta Petrolio Carbone Nucleare Idroelettrico Etanolo Eolico Fotovoltaico 260 370 75 250 918 76.000