Fonti di energia

Fonti non rinnovabilicombustibili fossili energia nucleare

non rinnovabili = destinate ad esaurirsi

Fonti rinnovabili Soleacqua geotermiabiomassavento

presenti in natura in quantità illimitata e rigenerabile nel tempo, provengono tutte (tranne la geotermia) dal Sole

Fonti di energia

Energia solare

Si definisce solare l’energia raggiante sprigionata dal Sole per effetto di reazioni nucleari (fusione dell’idrogeno) e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica.

Energia solare

Le radiazioni elettromagnetiche sono costituite da fotoni.

Il fotone è la particella elettricamente neutra che si propaga nel vuoto alla velocità di 300.000 Km al secondo.

L’intensità delle radiazioni solari che arrivano sulla superficie terrestre ogni anno equivale a 80.000 miliardi di tonnellate di petrolio equivalenti (TEP).

La domanda mondiale di energia è pari a 8 miliardi di TEP all’anno.

Energia solare

E’ una delle principali fonti di energia rinnovabili.

Per motivi di ordine tecnico ed economico, questa enorme potenzialità può essere sfruttata solo in minima parte.

Costituisce in assoluto la fonte primaria di energia sulla Terra, la piùdiffusa, disponibile ovunque e in modo gratuito, in quantità superiore al fabbisogno dell'intera umanità.

Energia solare: la storia

III secolo a.C. - con i leggendari "specchi ustori" si racconta che Archimede incendiò le navi romane che assediavano la città di Siracusa

1772 - il francese Antoine-Laurent Lavoisier costruì un sistema di lenti cave, riempite di alcool etilico, con le quali riuscì a concentrare i raggi solari, ottenendo temperature sufficienti a fondere alcuni metalli

1882 - all'Esposizione universale di Parigi Mouchot presentò una macchina da stampa azionata da un motore solare

Energia solare: la storia

1839 - Edmond Becquerel presentò all’ Accademia delle Scienze di Parigi la sua scoperta sugli effetti elettrici dei raggi solari (effetto fotovoltaico), avvenuta casualmente mentre effettuava esperimenti su una cella elettrolitica (con una soluzione liquida), in cui erano immersi due elettrodi di platino.

1876 – Smith, Adams e Day effettuarono esperimenti simili con dispositivi allo stato solido (selenio).

1954 – Person, Fuller e Chapin realizzarono nei Laboratori Bell la prima cella solare commerciale in silicio.

Centrali solari

La centrale solare è un tipo di centrale energetica che utilizza l’energia emessa dal sole sotto forma di radiazioni e la trasforma in corrente elettrica.

Le radiazioni solari possono essere utilizzate in due modi:

a)luce = per produrre elettricità

b)calore = per produrre vapore acqueo e quindi elettricitàoppure semplicemente per la produzione di acqua calda

Centrali solari

Esistono due tipologie diverse di centrali solari:

1) centrali solari termiche

2) centrali fotovoltaiche

Il solare termico

Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di catturare l’energia solare, immagazzinarla e utilizzarla per scopi termici (riscaldamento o acqua sanitaria calda) o per generare energia elettrica.

Il solare termico

I componenti principali di un impianto solare termico sono:�pannelli solari

�serbatoio per l’accumulo di acqua calda

�centraline di regolazione e pompe di circolazione (negli impianti a circolazione forzata)

Il calore prodotto dai pannelli solari viene trasferito nel punto di accumulo o di utilizzo.

Il vettore di calore è l’acqua, alla quale si aggiunge una soluzione antigelo per evitare il congelamento nei periodi freddi.

Centrali solari termiche

In relazione al metodo utilizzato per riscaldare l’acqua della caldaia, si distinguono:

�centrali a specchi parabolici (termodinamico)

�centrali solari a torre

Centrale solare a specchi parabolici

Nella caldaia della centrale il liquido viene trasformato in vapore, che entra surriscaldato nella turbina. Il vapore aziona la turbina che, a sua volta, tiene in rotazione l’alternatore, un grande magnete cilindrico, che girando genera corrente.

I raggi solari vengono riflessi da numerosi specchi parabolici (fissi o mobili) nel tubo ricevitore, dove circola un liquido che assorbe il calore.

Centrale solare a torre

Nella caldaia l’acqua si surriscalda e mette in moto la turbina che, a sua volta, tiene in rotazione l’alternatore, un grande magnete cilindrico, che girando genera corrente.

E’ una piattaforma coperta da centinaia di eliostati (grandi

specchi piani orientabili), che riflettono i raggi solari concentrandoli verso una grande caldaia, posta in cima a una torre.

Trasformatori ed elettrodotti

Sono presenti in entrambi i tipi di centrali solari.

Trasformatori: convertono la tensione della corrente elettrica (generata dall'alternatore), in particolare quella prodotta dalle centrali. La trasformano da 20.000 a 380.000 Volts.

Elettrodotti: servono per trasportare la corrente dalle centrali alle città e sono formati da tralicci e cavi dell'alta tensione.

Il fotovoltaico

Il fotovoltaico (foto = luce e volt = tensione) è una tecnologia che consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica.

Sfrutta il cosiddetto «effetto fotovoltaico», che si basa sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati di generare direttamente energia elettrica quando vengono colpiti dalla radiazione solare, senza l'uso di alcun combustibile.

Cella fotovoltaica

Il dispositivo più elementare capace di trasformare la luce solare in energia elettrica è la cella fotovoltaica.

Nella zona di contatto si forma un campo elettrico dovuto alla diversità dei due materiali. Collegando i due strati con un circuito elettrico esterno, si genera una corrente elettrica continua.

La cella fotovoltaica ècostituita da due sottili strati di silicio (materiale semiconduttore).

Il primo strato (n) tende a raccogliere elettroni (-), il secondo (p) raccoglie le cariche positive (+).

Il silicio

Tra i materiali semiconduttori c’è il silicio, molto diffuso in natura: dopo l’ossigeno, è l’elemento piùdiffuso sulla crosta terrestre (28%).

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Il silicio non esiste in forma pura, ma ècontenuto nella sabbia di rocce silicee e quarzose: viene estratto e purificato mediante processi chimici.

Ci sono due tipi di silicio: policristallino e monocristallino.

Il lingotto di silicio ottenuto per fusione del metallo viene ridotto con operazioni di taglio in wafer dello spessore 250 micron. La cella di silicio policristallino è quadrata, misura 156 x 156 mm e ha una superficie con riflessi cangianti che derivano dalla disposizione casuale dei cristalli.

Effetto fotovoltaico

Le cariche fluiranno attraverso un utilizzatore collegato alle due facce della cella (positivo e negativo): si avrà quindi un flusso di energia elettrica sotto forma di corrente elettrica continua.

Quando la radiazione elettromagnetica colpisce il materiale semiconduttore della cella fotovoltaica, i fotoni trasferiscono la loro energia agli elettrodi del materiale semiconduttore, generando cariche elettriche.

Il generatore fotovoltaico

La cella fotovoltaica è in grado di produrre circa 1/1.5 Watt di potenza, quando è investita da una radiazione di 1000 W/m2 (condizioni standard di irraggiamento).

Molte celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico.

Un modulo fotovoltaico tipo ècostituito da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni ottimali tra 40 e 50 Watt.

Impianti fotovoltaici isolati dalla rete

Non hanno alcun collegamento con la rete elettrica pubblica.

L’energia necessaria viene prodotta dal generatore fotovoltaico e la costanza dell’erogazione viene garantita da un sistema di accumulo (batterie)

Impianti fotovoltaici connessi con una rete

Gli impianti collegati alla rete di distribuzione elettrica possono essere installati in qualsiasi luogo in cui si possa raggiungere una rete elettrica di distribuzione pubblica.

Non hanno sistemi di accumulo.

L’energia prodotta nelle ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica.

Nelle ore di insolazione scarsa o nulla il carico locale viene alimentato dalla rete.

Impianto fotovoltaico residenziale (tetto fotovoltaico)

Il fotovoltaico in Italia

In Italia sono oggi presenti oltre 520.000 impianti sparsi su tutto il territorio nazionale, con una particolare concentrazione in Lombardia, Emilia Romagna e Triveneto.

Sono attivi 526.463 impianti, per una potenza di 17.080.255 kW.

Il mercato italiano si rivolge principalmente al residenziale.

Centrale fotovoltaica

La centrale funziona in media 8 ore al giorno.

L'elettricità viene generata direttamente dalle celle di silicio del pannello fotovoltaico, senza l'uso di turbine e alternatori.

E’ uno spazio aperto con centinaia di pannelli detti celle solari o celle fotovoltaiche, disposti per file parallele. Ogni pannello ha un sostegno e un meccanismo per seguire il movimento del sole durante la giornata, come un girasole.

Vantaggi dell’energia solare

assenza di emissioni inquinanti o di gas serra (con l’eccezione di quelle relative al processo di produzione dei moduli)

non occorre estrarre, trasportare, processare combustibili: operazioni complesse, che comportano rischi ambientali e socio-sanitari

fonte energetica pulita assicurata per miliardi di anni e gratuita

sfruttamento dell’energia solare libero e non legato a rapporti commerciali e relazioni internazionali

assenza di scorie da smaltire

processo produttivo relativamente semplice, esente da rischi legati a errori umani o malfunzionamento

la centrale è innocua per gli abitanti nei dintorni e non è bersaglio di eventuali azioni terroristiche

Problemi

dipendenza dalle condizioni atmosferiche (nubi, pioggia), che rende la fonte solare «non programmabile»

necessità di grandi superfici, rispetto ad altri tipi di centrali, a parità di produzione

possibile impatto negativo sul paesaggio degli impianti fotovoltaici che occupano grandi superfici, soprattutto se installati in aree collinari o agricole

costo attualmente non competitivo, anche se in calo

Prospettive per il futuro

La ricerca è rivolta in due direzioni:

costruzione di centrali solari orbitali

già realizzabili con la tecnologia odierna, avrebbero un costo elevatissimo per l'enorme quantità di denaro necessario per mandare in orbita la centrale

alcuni studi sono a buon punto e alcune Nazioni intendono costruire una di queste centrali entro il 2040

perfezionamento delle celle fotovoltaiche

l’ obiettivo è ottenere celle con un'efficienza maggiore di quelle attuali e rendere le celle fotoelettriche ad alta efficienza più economiche per ridurre i costi di costruzione delle centrali elettriche

Centrale solare orbitale

Ipotetica centrale elettrica costituita da uno o più satelliti, che tramite celle fotovoltaiche convertono la luce del sole in corrente elettrica e poi tramite un'antenna trasmettono l'energia ottenuta sotto forma di microonde o laser.

Vantaggi:

illuminazione diretta e costante per il 99% dell'anno (tranne eclissi ed equinozi)

mancanza di condizioni atmosferiche (nubi, pioggia) che riducono l'afflusso di energia verso le celle

Svantaggio principale:

elevato costo del trasporto in orbita dei satelliti e delle relative infrastrutture

Centrale solare orbitale

Composta di tre parti:

1. un grande collettore di energia solare, costruito con celle fotovoltaiche

2. un'antenna per la trasmissione delle microonde verso la Terra

3. un'antenna di elevate dimensioni sulla Terra che riceve le microonde e le converte in energia elettrica

Tecnologicamente semplice: non ha turbine, né circuiti di raffreddamento da regolare, la conversione da energia elettromagnetica a corrente viene eseguita direttamente dalle celle fotovoltaiche che sono componenti che non richiedono praticamente manutenzione. La struttura di questa centrale inoltre potrebbe essere molto leggera dato che nello spazio non bisogna vincere la gravità terrestre.

Grandi centrali solari nel mondo

Dal 13 febbraio 2015 è in funzione la Ivanpah solar electricgenerating system, la più grande centrale solare al mondo.

Si trova a circa 50 chilometri da Las Vegas nel deserto del Mojave, in California.

Grandi centrali solari nel mondo

Per costruirla 3000 persone hanno lavorato complessivamente 8.53milioni di ore, a partire dal 2010.

L’impianto è costato in tutto 2.2 miliardi di dollari.

torre centrale alta 137 metri

superficie del complesso è di 14 Km2

173.500 specchi solari

capacità 392 megawatt

energia per 140 mila abitazioni

evita l'emissione di 400.000 tonnellate

di CO2 (quantità prodotta da 72.000 veicoli)

Grandi centrali solari nel mondo

Ivanpah sotto i raggi del sole

Ivanpah visto dal cielo

A Ouarzazate, alle porte del deserto nel sud del Marocco, entreràin funzione Noor 1, la prima centrale del più grande complesso solare termodinamico al mondo.

Entro il 2020 vedrà una potenza installata totale di 580 megawatt tra solare termodinamico a concentrazione e fotovoltaico .

superficie del complesso 30 Km2

500.000 specchi parabolici alti 12 metri

potenza installata 160 megawatt

energia sufficiente per il fabbisogno di più di un milione di abitanti

Grandi centrali solari nel mondo

Utilizza la tecnologia dei «sali fusi».

Noor 1 è la prima fase di un mega-progetto che porterà alla nascita della più grande centrale solare del mondo a Ouarzazate, con una capacità di 580 megawatt.

Il piano di sviluppo delle energie rinnovabili permetterà di soddisfare il 42% del fabbisogno energetico del Marocco nel 2020.

I raggi del sole vengono concentrati dagli specchi parabolici su tubi in cui scorrono i fluidi termodinamici (sali fusi).

I sali fusi raggiungono temperature poco inferiori a 400°C, vengono immagazzinati in serbatoi, dove sono messi a contatto con l’acqua per creare il vapore.

Il vapore mette in funzione le turbine per generare elettricità.

Grandi centrali solari nel mondo