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Energie rinnovabili

Piercarlo Romagnoni - Università IUAV di Venezia (I)

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Art. 3(Obiettivi nazionali)1. La quota complessiva di energia da fonti rinnovabili

sul consumo finale lordo di energia da conseguire nel2020 è pari a 17 per cento.

2. Nell’ambito dell’obiettivo di cui al comma 1, la quota dienergia da fonti rinnovabili in tutte le forme di trasportodovrà essere nel 2020 pari almeno al 10 per cento delconsumo finale di energia nel settore dei trasporti nelconsumo finale di energia nel settore dei trasporti nelmedesimo anno.

3. Gli obiettivi di cui ai commi 1 e 2 sono perseguiti conuna progressione temporale coerente con le indicazionidei Piani di azione nazionali per le energie rinnovabilipredisposti ai sensi dell’articolo 4 della direttiva2009/28/CE.

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D. Lgs. 28 marzo 2011 n°28

Art. 2

1. Ai fini del presente decreto legislativo si applicano le definizionidella direttiva 2003/54/CE del Parlamento Europeo e del Consigliodel 26 Giugno 2003. Si applicano inoltre le seguenti definizioni:a) «energia da fonti rinnovabili»: energia proveniente da fontirinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica,geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas didiscarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas;b) «energia aerotermica»: energia accumulata nell'aria ambientesotto forma di calore;b) «energia aerotermica»: energia accumulata nell'aria ambientesotto forma di calore;c) «energia geotermica»: energia immagazzinata sotto forma dicalore nella crosta terrestre;d) «energia idrotermica»: energia immagazzinata nelle acquesuperficiali sotto forma di calore;e) «biomassa»: la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti eresidui di origine biologica provenienti dall'agricoltura(comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalleindustrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e lepotature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la partebiodegradabile dei rifiuti industriali e urbani;

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Produzione energia elettrica in Italia

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Energia dall’acqua

(fiumi e laghi)

Effetti di inquinamento praticamente nulli

Forti effetti di impatto ambientale

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L’idroelettrico

Le turbine convertono l’energia potenziale dell’acqua, valutata in base al carico idraulico disponibile Hstat , in energia elettrica.

Il principio di funzionamento si basa nel rendere l’albero della macchina rotante a velocità angolare w rotante a velocità angolare w elevata.

P = MR ω

MR = momento torcente al rotore

ω dipende dalla disposizione delle pale

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Principio fisico

La potenza P ottenibile è pari a:

P = Q [Hg ρ g + ½ ρ (w2out – w2

in)]

Q = portata di acqua [m3/s]

Hg = salto [m]

In realtà devo considerare il rendimento dell’impianto η:

P = Q [Hg ρ g + ½ ρ (w2out – w2

in)] ηg out in

η comprende il rendimento della turbina, del trasformatore, del moltiplicatore di giri

Tipicamente: η = 0,6 ÷ 0,9

Melegnano (MI) H = 4,8 m Q = 3000 l/s P = 127 kW Kaplan

Citeroni (AP) H = 110m Q = 40 l/s P = 43,14 kW Francis

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Produzione energia idroelettrica in Italia [GWh]

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Turbine FRANCIS a flusso centripetosalto idraulico fino a circa 500 m rendimento oltre il 90% per carico oltre il 60% del massimovelocità fino 1000 – 1200 giri/min

Turbina PELTONa flusso tangenzialesalto idraulico oltre i 500 mrendimento oltre 85% per carico oltre il 30% del massimorendimento oltre 85% per carico oltre il 30% del massimonon presenta cavitazione

Turbina KAPLANbasse cadute idraulichepale regolabilielevate portateottimi rendimenti ai bassi carichi

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Impianti a bacino (a deflusso regolato)Sono impianti a bacino idrico naturale (laghi) o artificiale, come nel caso di

molti serbatoi, a volte sono bacini naturali nei quali si aumenta la capienza

con sbarramenti, in molti casi gli sbarramenti consistono in dighe alte molte

decine di metri.

Sono ad oggi gli impianti idroelettrici più potenti e più sfruttati, hanno però un

notevole impatto ambientale, possono essere usati come "accumulatori" di

energia da utilizzare nelle ore di punta pompando acqua da valle a monte

nelle ore notturnenelle ore notturne

sono provvisti di una capacità di invaso alla presa del corso d'acqua atta a

modificare il regime delle portate utilizzate dalla centrale, in genere queste

centrali sono superiori ai 10 MW di potenza e arrivano a potenze enormi

come ad esempio nell'impianto di Itaipu in Brasile, ha un bacino con

un'estensione di 1460 km2 (4 volte il lago di Garda) e una potenza di circa

13.000 MW. In Cina sono in via di completamento i lavori per la centrale delle

Tre Gole, sul fiume Yang-Tze, che una volta ultimati renderanno disponibile

una potenza di oltre 17.000 MW.

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Sistemi ad acqua fluenteQuesto tipo di impianti era molto più usato all'inizio del secolo scorso,

sopratutto per azionare macchine utensili in piccoli laboratori, oggi il

potenziale di questi impianti è sotto utilizzato, l'impatto ambientale può

essere contenuto e limitato.

Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la

portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d'acqua (a meno di

una quota detta deflusso minimo vitale, necessaria per salvaguardare

l'ecosistema); quindi la turbina produce con modi e tempi totalmentel'ecosistema); quindi la turbina produce con modi e tempi totalmente

dipendenti dalla disponibilità del corso d'acqua, data la loro facilità di arresto-

avvio sono utilizzati per regolare il sistema della rete di trasmissione

dell'energia elettrica, questo però determina una considerevole dissipazione

di energia.

In Svizzera le centrali ad acqua fluente coprono il fabbisogno elettrico di

base

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Micro idroelettrico

Il micro-idro è una fonte rinnovabile ancora ampiamente da sfruttare,comprende gli impianti inferiori ai 100kW di potenza e fino a pochi kW.

E' sufficiente avere salti di 7/20 metri con poca o pochissima portata opiccoli salti con buona e costante portata d'acqua, è possibile sfruttareanche la corrente dei corsi d'acqua: agli inizi del secolo scorso moltilaboratori artigiani utilizzavano semplici canali per azionare macchineutensili con piccole pale/mulini accoppiati a pulegge tramite cinghie diutensili con piccole pale/mulini accoppiati a pulegge tramite cinghie ditrasmissione

Inoltre esistono in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, apartire da 0,2 kW di potenza, facilmente installabili in moltissimesituazioni con salti e portate minime

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Il vantaggio di questi piccolissimi sistemi è la non necessaria autorizzazione al

prelievo delle acque e un inesistente impatto ambientale, naturalmente devono

essere applicati con un minimo di buon senso per evitare comunque uno spreco

di acqua potabile che rimane una fonte preziosa.

Il potenziale di questi piccoli sistemi è completamente ignorato e quindi non

esistono ricerche ufficiali in tal senso ma una valutazione empirica fatta da

tecnici e liberi professionisti del settore rivela un potenziale tutt'altro che

trascurabile.

www.ultraflexgroup.it

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Energia dall’acqua (mare)

Principio della colonna d'acqua oscillante (OWC) o energia dalle onde

energia dalle correnti marine (solo prototipi)

energia dal gradiente termico (prototipo –Hawaii)

energia dalle mareeAberdeen (Scozia)

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Energia dal vento

1,2

M

wa

ttForti effetti di impatto ambientaleNecessità di venti a velocità costante

1,6

Mw

att

1 M

wa

tt

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L’eolico

“… quando soffia un forte vento, alcuni

costruiscono muri, altri mulini a vento.”

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Turbine ad asse verticaleTurbine ad asse verticale

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Tipologie Componenti

Asse orizzontale A) struttura di sostegno

Asse verticale B) struttura di alloggiamento

Ibridi C) sottosistema di orientamento

D) sottosistema di protezione esterna

E) Rotore - moltiplicatore di giri- generatore elettrico- sistema di regolazione- sistema di attuazione- freno

F) sistema di controllo macchina

G) sistema di connessione alla rete

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Sistema rotore

Su di esso sono inserite le pale che possono ruotare a velocità w > 200 km/h

Le pale possono essere in numero diverso

Il tripala ad asse orizzontale è il generatore più affermato per efficienza, affidabilità e semplicità di progetto

Il generatore lavoro a due intervalli di velocità:a – avviamento (w ~ 5 – 7 m/s)a – avviamento (w ~ 5 – 7 m/s)b – livello superiore ( w ~ 20 – 25 m/s)

Potenza estraibile:

P ∝ v3 A ∝ v3 r2

v = velocità del vento A = area ortogonale alla direzione del vento (di raggio r)

Il coefficiente di proporzionalità si attesta su 0,42 – 0,45 (massima resa)

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Teorema di Betz

Ipotesi: fluido incomprimibile (ρ = cost.), flusso stazionario, assenza di vortici, assenza di attrito

Pmax = 0,25 ρ A1 w03 (1 – f2) (1 + f)

A1 = sezione palew0 = velocità ventof = frazione della velocità iniziale cui si porta il vento all’uscita del generatore eolicofmax = 1/3fmax = 1/3

Il massimo rendimento ottenibile è pari a 59,3%

Se utilizziamo generatori che sfruttano la resistenza dell’aria, il massimo rendimento scende al 20%, poiché occorre riferirsi ad un coefficiente di resistenza cr. La potenza risulta:

Pmax = 0,5 ρ Ac wv3 cr (1 – f2) f

f = frazione della velocità del vento wv cui si riduce la velocità del corpo resistente.

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PrestazioniLa potenza prodotta dal rotore varia in funzione del parametro λ rapporto tra la velocità di punta e la velocità del vento:

mentre la potenza P è indicata in funzione della resa Cp:

P = 0,5 C ρ π r2 w 3

vw

rωλ =

P = 0,5 Cp ρ π r2 wv3

Al variare della velocità del vento ci sono diversi punti di funzionamento della macchina.

Avere più generatori elettrici (o più avvolgimenti) consente di scegliere la potenza più adatta alla velocità del vento che agisce.

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Un generatore eolico ad asseverticale (VAWT, in inglese VerticalAxis Wind Turbines) è un tipo dimacchina eolica contraddistinta dauna ridotta quantità di parti mobilinella sua struttura, il che leconferisce un'alta resistenza alleforti raffiche di vento, e lapossibilità di sfruttare qualsiasidirezione del vento senza doversiriorientare continuamente.È una macchina molto versatile,È una macchina molto versatile,adatta all'uso domestico come allaproduzione centralizzata di energiaelettrica nell'ordine del MW.

I requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono diipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze ditorre maggiori di 180 metri.

Queste dimensioni riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Le macchine on-shore più grandi hanno diametri di rotore di 70metri e altezze di torre di 130 metri.

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L’energia ricavata viene trasferita attraverso un cavo dal generatore amagneti permanenti all’utente. Il regolatore elettronico di carico, labatteria ed il convertitore trovano posto nella struttura portantedell’impianto eolico.Da qui la tensione a 24 V in CC viene convertita in una tensione a 220 V50 Hz in CA.

Il convertitore viene utilizzato per l’alimentazione delle diverseapparecchiature.

A seconda dell’intensità del vento l’utente riceve una certa quantità dicorrente direttamente dal vento (tramite il regolatore) ed il resto, senecessario, dalle batterie o viceversa.necessario, dalle batterie o viceversa.

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Potenza max in uscita Wp : 400 Tensione in uscita V : 12V o versione a 24VVelocità del vento minima: 3,13 m/s Diametro rotore mm : 1150 Peso kg : 5,85

Prezzo 1300 €

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Energia da biomassaS'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante

direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.

Sfruttamento “naturale” di una

discarica

Funzionamento di un Funzionamento di un “digestore” anaerobico per la produzione di biogas (metano)

Lo sfruttamento delle biomasse potrebbe rappresentare in futuro un modo intelligente per riciclare tutti gli scarti organici (nei rifiuti, nelle lavorazioni, …..)

La produzione di gas metano da biomasse non risolve il problema dell’aumento in atmosfera di gas serra (CO2, CH4) e di altri inquinanti come NOx.

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Biomasse

Materiali organici non fossili che posseggono un intrinseco contenuto dienergia chimica.Biomassa è ogni sostanza organica derivante direttamente oindirettamente dalla fotosintesi clorofilliana

L’energia solare è raccolta e stoccata tramite la fotosintesi clorofilliana

CO2 + H2 O + luce + clorofilla � (CH2O) + O22 2 2 2

Il carboidrato (CH2O) è il principale prodotto organico

Ogni grammomole (gmol) di Carbonio fissato rappresenta 470 kJ

L’efficienza della cattura dell’energia solare è di quasi 1%

Alcuni studiosi stimano che la possibile produzione energetica dallebiomasse presenti consenta di produrre energia pari a 100 volte l’attualefabbisogno mondiale.

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Quanta CO2 assorbe un albero?

Il peso del contenuto di carbonio è in genere circa il 45-50% diquello totale della biomassa secca e, quindi, vale l'equivalenza:

1 g sostanza secca = 0,5 g C = 1,83 g CO2

dove per passare da g C a g CO2 si è tenuto conto che il pesoatomico del carbonio è 12 e quello dell'ossigeno 16 (quindi 12atomico del carbonio è 12 e quello dell'ossigeno 16 (quindi 12g C = (12+16 x 2) g CO2 ovvero 1 g C = 3,67 g CO2)

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L'accumulo di biomassa non è costante durante la vita di una pianta,ma dipende dall'età

La relazione che lega biomassa ed età è del tipo

B(t) = B∞ x (1 - e-αt)

dove B(t) è la biomassa della pianta all'istante t, B∞ e α sonoparametri che dipendono dalla specie, dalle condizioni climatiche edalle caratteristiche di fertilità del terreno.

In termini matematici, B∞ indica l'asintoto orizzontale della curva,cioè la biomassa massima accumulabile, e α la sua pendenzanell'origine. Per il pioppo euroamericano (Populus euroamericana)B∞ e α assumono i seguenti valori:

α = 0,082 (anni-1)B∞ = 1151 (kg ss x albero-1)

Il pioppo euroamericano è una specie ad accrescimento molto rapidoe ciò la rende preferibile rispetto ad altre perché permette una piùveloce compensazione delle emissioni di CO2.

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Ora, nota l'emissione E in termini di kg di CO2, si può esprimerel'emissione in termini di biomassa di albero (kg ss, ovvero kg disostanza secca) necessaria a contenere la quantità E di anidridecarbonica, ovvero: Ess = E / 1,83 poiché 1 kg ss corrisponde a 1,83 kgdi CO2;

occorrerà quindi fissare la specie arborea da piantumare e l'orizzontetemporale t ovvero il numero di anni entro cui voler compensarel'emissione.

All'aumentare dell'orizzonte temporale, occorrerà piantare meno alberiperchè l'incremento di biomassa sarà maggiore; la biomassa cheperchè l'incremento di biomassa sarà maggiore; la biomassa checiascun albero raggiungerà all'età t (pari all'orizzonte temporale) puòessere calcolata tramite l'equazione B(t) = B∞ (1 - e-αt) vista sopra;

E’ possibile infine calcolare il numero di pioppi da piantumare percompensare la propria emissione E in questo modo:

N°pioppi = Ess / B(t) = Ess / [B∞ (1 - e-αt)]

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Potere calorifico di biomasse riferito alla sostanza secca

Biomassa [kcal/kg] Biomassa [kcal/kg]

Corteccia 4350 Paglia 4100

Robinia 4300 Lolla 3600

Pioppo 4200 Stocchi di girasole 4300

Salice 4200 Eucalipto 4150

Sorgo 4200 Rifiuti solidi urbani 2500

1 kcal = 4186 J

Il tenore di umidità generalmente varia dal 30% al 50% in peso

La formula chimica con cui vengono indicate è Cx Hy Oz

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2003 in Italia:

su 17 Mtep prodotti dalle fonti rinnovabili9,5 Mtep idroelettrico5,3 Mtep biomasse

Bassi livelli di efficienza termica (circa il 20%)

Potere calorifero medio ≈ 16,7 MJ/ kg (0,4 Mtep/t)

Biomasse da forestestima 18 Mm3/annoequivalenti a 4 Mtep/anno

Biomasse da residui agricolistima 7 Mm3/anno

Biomasse da rifiutipotenziale 8 Mtep/ anno

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La biomassa viene convertita in energia elettrica o in calore tramite processi di:

- combustione;

- gassificazione;

- digestione anaerobica;

oppure trasformata in combustibile liquido

Combustione

C6H10O5 + 6O2 � 6CO2 + 5H2O + 17,5 MJ/kgC6H10O5 + 6O2 � 6CO2 + 5H2O + 17,5 MJ/kg

Bruciatori oltre i 50 MW

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Gassificazione

La gassificazione di una biomassa è un’ossidazione inparziale difetto di O2 a temperatura elevata (oltre 900°C).

Dalla gassificazione si ottiene un gas combustibilecomposto da H2, CO, CO2, H2O, CH4, CmHn (idrocarburivari) e N2.

Esempio: gassificazione di gusci di riso per produrre unEsempio: gassificazione di gusci di riso per produrre ungas a basso valore energetico che in una turbina puòprodurre energia elettrica

C6H10O5 + 0,5 O2 � 6CO + 5H2 + 1,85 MJ/kg

Pirolisi (temp. 300 ÷ 500°C) si ottiene Char, bio-oil e gas(potere calorifico > 15 MJ/Nm3)

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Digestione anaerobicaSi usano bio-solidi per produrre gas (biogas) ad elevato contenuto di metano a

potere calorifico medio

C6H10O5 + H2O � 3CO2 + 3CH4

Il biogas prodotto da rifiuti zootecnici possiede la seguente composizione

volumetrica:

CH4 = 50% ÷ 80%CH4 = 50% ÷ 80%

CO2 = 20% ÷ 50%

N2, H2, NH3, H2S < 1%

Si introduce aria nel digestore per ridurre il contenuto di H2S (altamente corrosivo)

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Produzione da rifiuti

La produzione pro capite è P = 1,5 kg/day

Fermentazione del materiale organico da microrganismi

Gli impianti hanno taglia inferiore a 5 MW (in genere tra 500 kW e 1 MW)

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Una piccola sorpresa: i biocarburanti

Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le tecnologie standard per ettaro di coltura:

Canna da zucchero: 7tonnellate

Mais: 3 tonnellate

Barbabietola da zucchero: 4 tonnellate

Patate: 3 tonnellate

Il bioetanolo

Volvo

Mercedes

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Il biodiesel

Le materie primenecessarie sono olii vegetali, anche usati, aspetto questo che rende molto interessante l' utilizzo del biodiesel.biodiesel.

La sua produzione è del tutto ecologica, poiché non presuppone la generazione di residui, o scarti di lavorazione. La reazione di transesterificazione prevede la generazione di glicerina quale “sottoprodotto” nobile dall’elevato valore aggiunto, della quale sono noti oltre 800 diversi utilizzi.

L'utilizzo può essere diretto poiché non richiede alcun tipo d’intervento sulla produzione dei sistemi che lo utilizzano (motori e bruciatori).• Nell’autotrazione (motori diesel) sia puro che miscelato con il normale gasolio.• Nel riscaldamento.

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Il biodiesel può essere usato dai motori tipo Diesel miscelato con gasolio da

idrocarburo o puro.

L’uso diretto degli oli vegetali nei motori è da evitare a causa della loro elevata

viscosità e per l’alta percentuale di residui carboniosi.

Vantaggi: emissioni CO2 nulle, ridotte quelle di CO ed HC, basse quelle di

SO2, NOx dipende dal carico e dal tipo di motore;

è facilmente degradabile;

punto di infiammabilità più elevato (facilità di stoccaggio)

Proprietà Gasolio Olio di colza BioestereProprietà Gasolio Olio di colza Bioestere

Viscosità a 20°C 5,1 77,8 7,5

Densità [kg/m3] 0,835 0,916 0,88

PCI [MJ/kg] 42,4 37,4 37,6

Numero di cetano > 0,45 44 ÷ 51 52 ÷ 56

Residui carboniosi 0,15 0,25 0,02

Residuo in zolfo 0,005 0,0001 0,002

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Energia geotermica o geotermia

Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" ed il significato letterale è "calore della Terra ".

Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 Watt per metro quadrato.

Oltre alla produzione di energia elettrica, a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili svariati impieghi:acquicoltura (al massimo 38 °C), serricoltura (38 - 80 °C), teleriscaldamento (80 - 100 °C), usi industriali (almeno 150 °C).

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Islanda, USA (Yellowstone-Park), New Zeland, Australia, Kenya

Le centrali geo-termoelettriche

Impianti geotermici in funzione ad Orbetello

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Consiste nell'usare il fluido geotermico per scaldare direttamente, tramite degli scambiatori di calore, l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o

Impianti geotermici per teleriscaldamento

Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).

(radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.

Schema di impianto di teleriscaldamento tipicamente utilizzato in assenza di acqua calda o vapore

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Il teleriscaldamento da fonti geotermiche

Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldare l'acqua

circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti)

dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.

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Il teleriscaldamento

FerraraGeotermico

Portata complessiva: 400m3/h Temperatura fluido geotermico: 100-105°C Temperatura fluido teleriscaldamento in mandata: 90-95°C Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65°C Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65°C Potenza termica nominale: 14 MWtDisponibilità di utilizzazione: continua Energia termica fornita:

77.490 MWt/anno (il dato è relativo all'anno 2003)

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Il teleriscaldamentoIl calore viene prodotto in un impianto centrale, ad esempio unacentrale termica a legna o un impianto di incenerimento dei rifiuti odei trucioli di legna, e successivamente distribuito agli utentiattraverso una rete di condutture sotto forma di acqua calda destinataal riscaldamento degli edifici e alla produzione di acqua calda.

Con la cogenerazione è possibile produrre contemporaneamenteenergia elettrica e termica.

⇒ un solo camino di emissione controllato in centrale⇒ un solo camino di emissione controllato in centrale

⇒ caldaia dell’impianto alimentata da rifiuti o biomasse

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Il teleriscaldamento da biomasse

La cogenerazione è possibile con combustibili rinnovabili quali il biogas o

biomasse in genere.

Un esempio di centrale per cogenerazione a biomasse è a Tirano, in

Valtellina, trattasi di un impianto tra i migliori 5 in Europa, caratterizzato da

un elevato rendimento (80%) grazie alla contemporanea produzione

d’elettricità e calore, totalmente da fonti rinnovabili.

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Il teleriscaldamento

La reteTubazioni

DN = 50 mm DN = 350 mm

Lunghezza 22 km

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La sottocentrale:scambiatore;filtro;valvola di regolazione;valvola di intercettazione;sfiati;pozzetti di ispezione;scarichi

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Si hanno a disposizione

diversi tipi di motori

alternativi dual fuel (gas e

gasolio)

Cogeneratori di grossa taglia

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Si hanno a disposizione diversi

tipi di turbine a gas o vapore

Cogenerazione di grossa taglia

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Tubazioni acqua caldaTubazioni acqua calda

Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%

Cogenerazione e teleriscaldamento

Combustibile

100 unitàMacchina produzione energia

Caldaia

Recupero

Generatore

Calore + gas di scarico

70 unità

Gas di scarico

15 unitàCalore

55 unità

Energia elett.

30 unità

Carichi

Termici

Carichi

Elettrici

Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%

Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%

Combustibile

100 unitàMacchina produzione energia

Caldaia

Recupero

Generatore

Calore + gas di scarico

70 unità

Gas di scarico

15 unitàCalore

55 unità

Energia elett.

30 unità

Carichi

Termici

Carichi

Elettrici

Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%

Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%

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Uno dei limiti di questo tipo di produzione di energia è lanecessità di un consumo contemporaneo di calore e energiaelettrica.

E’ necessario avere nello stesso edificio o a breve distanza sial’utilizzatore di calore che quello di elettricità.

L’industria (carta, acciaio, alimentare), gli alberghi, gli ospedali ol’aggregazione di un produttore di elettricità e un quartierel’aggregazione di un produttore di elettricità e un quartiereresidenziale sono dei possibili esempi di applicazione.

Un ulteriore problema è legato al fatto che l’utilizzo di calore deveessere presente durante tutto il corso dell’anno. Negli ultimi annisi sono messi a punti sistemi che nel periodo estivo utilizzano ilcalore per far funzionari gruppi di refrigerazione ad assorbimento,realizzando la cosiddetta trigenerazione.

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Uso di RSU (Ferrara)

Capacità nominale dell'impianto di smaltimento: 50.000 t/anno Carico termico nominale della linea di incenerimento: 15,6 Gcal/h (forno a "griglia") Produzione nominale di vapore: 18t/h Sistema depurazione fumi: a semisecco Potenza nominale turboalternatore: 3,3 MWePotenza termica in assetto cogenerativo massimizzato: 6,4 MWtPotenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MWPotenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MWePotenza elettrica in assetto a tutta condensazione: 2,7 MWe

L'impianto, fin dalla sua realizzazione, è stato dotato di uno scambiatore avente una potenzialità di 8,4 MWt che, nel 1999, venne posto in parallelo al turboalternatore.

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Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratori

di piccolissime dimensioni 1-5 kWelettrici, da installare in

singole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini50-100 kWe. Si tratta di turbine, motori alternativi e

celle a combustibile.

La micro-cogenerazione

celle a combustibile 1,5 kWe.

Stirling WhisperGen 5 kWe.

Microturbina Capstone 30 kWe.

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Il motore Stirling

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La microgenerazione

Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati

Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming

Ciclo Stirling

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Microgeneratori

La pila a combustibile e' un generatoreelettrochimico in cui, in linea diprincipio, entrano un combustibile(tipicamente idrogeno) e un ossidante(ossigeno o aria) e da cui si ricavanocorrente elettrica continua, acqua ecalore .calore .

Il combustibile (idrogeno) e i gasossidanti (ossigeno datosemplicemente dall'aria) lambisconorispettivamente l'anodo e il catodo(sulle facce opposte a quelle incontatto con l'elettrolito).

I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40 - 48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto.

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La cella a combustibile è costituita da un solo elemento formatoessenzialmente da tre componenti: due elettrodi ed un elettrolita.

Durante la scarica dell'elemento voltaico, l'elettrodo positivodenominato catodo (generalmente formato da un ossido) subisce unprocesso di riduzione in cui assorbe ioni positivi dalla soluzione e restain difetto di elettroni;

l'elettrodo negativo, denominato anodo (generalmente formato da unmetallo o da una lega), al contrario, subisce un processo diossidazione in cui immette in soluzione ioni positivi e si trova quindi adavere elettroni in eccesso.avere elettroni in eccesso.

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L’idrogeno viene inserito all’interno della cella mediante l’anodo,mentre l’ossigeno o aria mediante il catodo.

Favorito da un catalizzatore, all’interno dell’anodo l’atomo diidrogeno si suddivide in un protone ed un elettrone.

La corrente separata costituita dagli elettroni può essereutilizzata prima che ritornino al catodo, per essere unitiall’ossigeno in una molecola di acqua.

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Una singola cella produce normalmente circa 0,7 V, quindi per ottenere

la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sono affiancate una

all’altra e collegate elettricamente fra loro in serie a formare il cosiddetto stack.

A seconda, quindi, della potenza richiesta i generatori sono ottenuti da stack assemblati in moduli.

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Emissioni

Il contenuto di CO2 di 1kWh (termico) di metano è circa 200g.

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Tipi di tecnologia Fuel cell

Condizioni operative resaPEM 80 ÷ 100 °C; 1 ÷ 8 atm 36÷38 %(proton exchange membrane)

PAFC 150 ÷ 250 °C; 1 ÷ 8 atm 40 %(phosforic acid)

AFC 80 ÷ 250 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷60 %AFC 80 ÷ 250 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷60 %(alcaline)

MCFC 600 ÷ 700 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷55 %(Molten Carbonate Fuel Cell)

SOFC 800 ÷ 1000 °C; 10 atm 50÷55 %(Solid Oxide Fuel Cell)

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Vantaggi

Alta efficienza: una fuel cell ha un'efficienza molto più alta di un normale motore

a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le

macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima

temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi

parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare

alla massima efficienza;

Rapida risposta al carico: una fuel cell ha una risposta rapidissima alle

variazioni del carico proprie di un veicolo stradale; inoltre è in grado di

autoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massima autoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massima

efficienza;

Bassa temperatura operativa: le fuel cells di tipo PEM operano a temperature

intorno ai 70°C, molto più basse delle temperature operative dei motori a

combustione interna. Questo rende l'impianto e il loro utilizzo sul veicolo molto più

semplice;

Trasformazioni energetiche ridotte: come si vede dalla figura in basso, una fuel

cell opera lo stesso numero di trasformazioni energetiche di un motore a

combustione interna, ma con efficienza maggiore, per cui non c'è un decremento

di rendimento complessivo dovuto a trasformazioni energetiche aggiuntive

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SVANTAGGI

Idrogeno: uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l'idrogeno è un gas

ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni

economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un

gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo

stoccaggio a bordo;

Impurezze: allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali

impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui

è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad

utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto

tramite reforming;

Catalizzatore costoso: attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è

Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo

principali della fuel cell;

Ghiaccio: per l'umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti

più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura,

eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che

a basse temperature c'è il rischio che si formi del ghiaccio all'interno della cella,

danneggiandola;

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Tecnologia nuova: la tecnologia delle fuel cells è stata approfondita soltanto

da pochi anni, pertanto, pur avendo di fronte senza dubbio notevoli passi

avanti da compiere, è ancora allo stato iniziale, e perciò risulta essere (anche

a causa della totale assenza di economie di scala) ancora molto costosa;

Assenza di infrastrutture: un altro problema che frena lo sviluppo di veicoli

ad idrogeno è l'assenza di un'infrastruttura per l'approvvigionamento, che oggi

risulta ancora difficile da realizzare a costi competitivi