Energia rinnovabile

Piercarlo Romagnoni - Università IUAV di Venezia (I)

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;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;

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 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.

D.Lgs. 28/ 2011Allegato 3 (art. 11, comma 11)Obblighi per i nuovi edifici o gli edifici sottoposti aristrutturazioni rilevanti

Nel caso di edifici nuovi o edifici sottoposti a ristrutturazioni rilevanti,gli impianti di produzione di energia termica devono essereprogettati e realizzati in modo da garantire il contemporaneo rispettodella copertura, tramite il ricorso ad energia prodotta da impiantialimentati da fonti rinnovabili, del 50% dei consumi previsti perl’acqua calda sanitaria e delle seguenti percentuali della sommadei consumi previsti per l’acqua calda sanitaria, il riscaldamento e ilraffrescamento:a)…..;

b) il 35 % quando la richiesta del pertinente titolo edilizio èpresentata dal 1° gennaio 2014 al 31 dicembre 2016;

c) il 50 % quando la richiesta del pertinente titolo edilizio è rilasciatodal 1° gennaio 2017.

GSE (fonte: Rapporto Statistico 2016)

Applicando le definizioni e i criteri di calcolo previsti dalla Direttiva2009/28/CE ai fini del monitoraggio degli obiettivi UE sulle FER (adesempio normalizzazione delle produzioni idroelettrica ed eolica econtabilizzazione dei soli bioliquidi e biocarburanti sostenibili), nel2016 i Consumi Finali Lordi (CFL) di energia da FER in Italiarisultano pari a 21,1 Mtep, in lieve flessione (circa 200 ktep)rispetto al 2015 (-1%).

Tale flessione interessa il settore Termico (-1,4%) e il settoreTrasporti (-10,7%), mentre mostra una lieve crescita il settoreElettrico (+0,7%).

Guardando gli andamenti delle singole fonti, in particolare, lacrescita osservata per il settore eolico, pur rilevante (oltre 100ktep incrementali), non ha compensato le riduzioni degli impieghi dibioenergie nel settore termico (il clima meno rigido ha comportatouna riduzione di quasi 200 ktep dei consumi di legna da ardere epellet), di biocarburanti (circa 125 ktep in meno in termini dienergia, principalmente per un deciso incremento dell’immissione inconsumo di biocarburanti double counting da parte dei soggettiobbligati) e della produzione elettrica da solare fotovoltaico (per laprima volta, il dato scende rispetto all’anno precedente - circa 70ktep in meno - principalmente a causa di peggiori condizioni diirraggiamento).

Per quanto riguarda il settore Elettrico, i dati - prodotti da Terna eGSE per il fotovoltaico e da Terna per le altre fonti - indicano che il37,3% della produzione lorda nazionale proviene da fontirinnovabili.

Più in dettaglio, gli oltre 742.000 impianti alimentati da FER (peruna potenza complessiva di 52,3 GW) hanno generato nel 2016 unaproduzione effettiva di energia elettrica di 108 TWh che aumentanoa 110,5 TWh (9,5 Mtep, il 34% del Consumo Interno Lordo dienergia elettrica) applicando le regole di calcolo previste dallaDirettiva 2009/28/CE.

La fonte rinnovabile che nel 2016 ha fornito il contributo piùimportante alla produzione elettrica effettiva è quella idraulica(39% della produzione elettrica da FER), seguita dalla fonte solare(20%), dalle bioenergie (18%), dalla fonte eolica (16%, peraltroquella con crescita maggiore rispetto al 2015) e da quellageotermica (6%).

Per quanto riguarda invece il settore Termico, il 19% circa deiconsumi energetici proviene da fonti rinnovabili. In particolare,nel 2016 sono stati consumati circa 10,5 Mtep di energia da FER,di cui poco più di 9,6 Mtep in modo diretto (attraverso caldaieindividuali, stufe, camini, pannelli solari, pompe di calore, impiantidi sfruttamento del calore geotermico) e circa 0,93 Mtep sottoforma di consumi di calore derivato (ad esempio attraversosistemi di teleriscaldamento alimentati da biomasse).

La fonte rinnovabile più utilizzata per i consumi termici è labiomassa solida (poco meno di 7,3 Mtep, considerando anche lafrazione biodegradabile dei rifiuti), utilizzata soprattutto nelsettore domestico in forma di legna da ardere e pellet. Assumonogrande rilievo anche le pompe di calore (2,6 Mtep), mentre sonoancora limitati i contributi della fonte geotermica e di quellasolare.

Per quanto riguarda infine il settore Trasporti, nel 2016 sono statiimmessi in consumo circa 1,2 milioni di tonnellate di biocarburanti(contenuto energetico pari a 1,04 Mtep), in larghissima partecostituiti da biodiesel.

Nel 2016 i Consumi Finali Lordi complessivi di energia inItalia si sono attestati intorno a 121,1 Mtep, un datoappena inferiore a quello del 2015 (121,5 Mtep).

La quota coperta da FER nel 2016 è pertanto pari a17,41%: un valore che, pur in lieve flessione rispettoall’anno precedente (17,53%), resta superiore al targetassegnato all’Italia dalla Direttiva 2009/28/CE per il2020 (17,0%).

Il grafico A mostra l’andamento dei Consumi Finali Lordi (CFL)complessivi di energia rilevati in Italia nel periodo 2005-2016confrontato con le traiettorie previste dal Piano d’Azione Nazionale perle energie rinnovabili (PAN).Nel 2016 i CFL del Paese ammontano a 121,1 Mtep, un dato più bassodi oltre 11 Mtep rispetto alle previsioni PAN. A partire dal 2011 i CFLrilevati risultano nettamente inferiori alle attese.

https://www.slamp.com/italia-ecologica/

L’energia elettrica da fonti rinnovabili effettivamente prodotta nel2016 è pari a 108.022 GWh, mentre quella utile ai fini delraggiungimento dell’obiettivo di utilizzo di fonti rinnovabili rispettoai consumi totali, calcolata applicando i criteri fissati dallaDirettiva 2009/28/CE, è pari a 110.528 GWh.

Nel 2016 le rinnovabili hanno contribuito per il 37,3% allaproduzione lorda complessiva, in diminuzione rispetto al valoreregistrato nel 2015.

Un parametro spesso utilizzato per indicare la performance produttiva diun impianto o di un parco di impianti è costituito dalle ore diutilizzazione equivalenti, ottenute dal rapporto tra la produzione lordagenerata in un anno e la potenza efficiente lorda installata.

Un analogo indicatore è il fattore di capacità, che si ricava dividendo laproduzione generata in un anno per la produzione che l’impianto avrebbepotuto generare se avesse operato continuativamente alla piena potenza,calcolabile anche come rapporto tra le ore di utilizzazione equivalenti e leore dell’anno (8.760).

La fonte rinnovabile più produttiva è quella geotermica. Nel 2016 gliimpianti geotermoelettrici hanno registrato mediamente 7.720 oreequivalenti (fattore di capacità dell’88%).

Gli impianti alimentati con le bioenergie hanno prodotto mediamente per4.668 ore equivalenti, con un decremento rispetto all’anno precedentedello -0,8%.Gli impianti idroelettrici, eolici e fotovoltaici sono invece più condizionatida fattori esogeni di carattere climatico.

Il fattore di capacità degli impianti idroelettrici è stato nel 2016 pari al25,6% (2.245 ore equivalenti), registrando un decremento rispettoall’anno precedente pari al -8,9%. Le ore di utilizzazione equivalentidegli impianti eolici nel 2016 sono state pari a 1.916, con un fattore dicapacità pari al 21,9%, in notevole aumento rispetto al 2015 in cui siera registrata una media di 1.683 ore. Infine, le ore di utilizzazione degliimpianti fotovoltaici nel 2016 sono state più alte di quelle del 2015:rispettivamente 1.158 e 1.225.

Energia dall’acqua

(fiumi e laghi)

Effetti di inquinamento praticamente nulli

Forti effetti di impatto ambientale

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 elevata.

P = MR w

MR = momento torcente al rotore

w dipende dalla disposizione delle pale

Escludendo gli impianti di pompaggio puro, alla fine del 2016risultano in esercizio in Italia 3.920 impianti idroelettrici; nellamaggior parte dei casi si tratta di impianti di piccole dimensioni, conpotenza complessiva inferiore a 1 MW. D’altra parte, dei 18.641 MWinstallati in Italia alla fine del 2016, la grande maggioranza siconcentra in impianti con potenza maggiore di 10 MW.Nel corso del 2016 la produzione da fonte idraulica è stata ammonta a42.432 GWh, pari al 39% della produzione totale da fonti rinnovabili.Il 75% dell’elettricità generata dagli impianti idroelettrici è stataprodotta da impianti di potenza superiore a 10 MW, il 19% da quelli dipotenza compresa tra 1 e 10 MW e il restante 6% da impianti dipiccola dimensione (inferiore a 1 MW).

Escludendo gli impianti entrati in esercizio in corso d’anno (che nonhanno avuto la possibilità di produrre per un anno intero), nel 2016 il50% degli impianti idroelettrici ha prodotto per 3.376 ore in diminuzionerispetto alle 4.520 ore del 2014 e alle 3.485 ore del 2015.Le ore di utilizzazione medie sono state 2.245 (erano 2.465 nel2015, 3.183 nel 2014 e 2.881 nel 2013).

Principio fisico

La potenza P ottenibile è pari a:

P = Q [Hg r g + ½ r (w2out – w2

in)]

Q = portata di acqua [m3/s]Hg = salto [m]

In realtà devo considerare il rendimento dell’impianto h:

P = Q [Hg r g + ½ r (w2out – w2

in)] h

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

Tipicamente: h = 0,6 ÷ 0,9

Melegnano (MI) H = 4,8 m Q = 3000 l/s P = 127 kW KaplanCiteroni (AP) H = 110m Q = 40 l/s P = 43,14 kW Francis

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 massimonon presenta cavitazione

Turbina KAPLANbasse cadute idraulichepale regolabilielevate portateottimi rendimenti ai bassi carichi

Impianti a bacino (a deflusso regolato)Sono impianti a bacino idrico naturale (laghi) o artificiale, come nel caso dimolti serbatoi, a volte sono bacini naturali nei quali si aumenta la capienzacon sbarramenti, in molti casi gli sbarramenti consistono in dighe alte moltedecine di metri.

Sono ad oggi gli impianti idroelettrici più potenti e più sfruttati, hanno però unnotevole impatto ambientale, possono essere usati come "accumulatori" dienergia da utilizzare nelle ore di punta pompando acqua da valle a montenelle ore notturne

sono provvisti di una capacità di invaso alla presa del corso d'acqua atta amodificare il regime delle portate utilizzate dalla centrale, in genere questecentrali sono superiori ai 10 MW di potenza e arrivano a potenze enormicome ad esempio nell'impianto di Itaipu in Brasile, ha un bacino conun'estensione di 1460 km2 (4 volte il lago di Garda) e una potenza di circa13.000 MW. In Cina sono in via di completamento i lavori per la centrale delleTre Gole, sul fiume Yang-Tze, che una volta ultimati renderanno disponibileuna potenza di oltre 17.000 MW.

Sistemi ad acqua fluenteQuesto tipo di impianti era molto più usato all'inizio del secolo scorso,soprattutto per azionare macchine utensili in piccoli laboratori, oggi ilpotenziale di questi impianti è sotto utilizzato, l'impatto ambientale puòessere contenuto e limitato.

Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui laportata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d'acqua (a meno diuna quota detta deflusso minimo vitale, necessaria per salvaguardarel'ecosistema); quindi la turbina produce con modi e tempi totalmentedipendenti dalla disponibilità del corso d'acqua, data la loro facilità di arresto-avvio sono utilizzati per regolare il sistema della rete di trasmissionedell'energia elettrica, questo però determina una considerevole dissipazionedi energia.

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

L’impianto ad acqua fluente richiede di operare drastiche modifiche al corsod’acqua intercettandolo e canalizzandolo in modo da inviare l’acqua alla turbinariducendo al minimo le perdite di carico, che nel caso di un uso diretto del corsod’acqua sarebbero state elevate a causa della scabrezza del greto del corsod’acqua.

Il corso d’acqua non viene completamente intercettato, ma si lascia quello cheviene definito come il “deflusso minimo vitale” (in genere il 10%) necessario asalvaguardare (almeno in parte) le condizioni ambientali del corso d’acqua e diquanto dipende da esso nel tratto compreso tra l’opera di presa e lo scarico dellaturbina.

Dimensionare la turbina in funzione della portata massima avrebbe comeconseguenza una turbina che opererebbe a basso rendimento e conconseguente minore produzione elettrica di quanta se ne avrebbe con unaturbina più piccola, oltre che una spesa maggiore in quanto il costo dellamacchina è strettamente correlato alle sue dimensioni.

Dall’altra parte una turbina dimensionata per la portata minima presenterebbeproblemi simili, pertanto la scelta ottimale è dettata dall’individuazione del giustoequilibrio tra diversi parametri.

La scelta della turbina avviene in base a vari parametri come il salto geodeticoe la portata attraverso l’impiego di opportuni diagrammi,

Una turbina di tipo Francis è caratterizzata dal seguente curva di rendimento:

Micro idroelettrico

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

E' sufficiente avere salti di 7/20 metri con poca o pochissima portata o piccoli salticon buona e costante portata d'acqua, è possibile sfruttare anche la corrente deicorsi d'acqua: agli inizi del secolo scorso molti laboratori artigiani utilizzavanosemplici canali per azionare macchine utensili con piccole pale/mulini accoppiati apulegge tramite cinghie di trasmissione

Inoltre esistono in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, a partire da0,2 kW di potenza, facilmente installabili in moltissime situazioni con salti e portateminime

Il vantaggio di questi piccolissimi sistemi è la non necessaria autorizzazione alprelievo delle acque e un inesistente impatto ambientale, naturalmente devonoessere applicati con un minimo di buon senso per evitare comunque uno sprecodi acqua potabile che rimane una fonte preziosa.

Il potenziale di questi piccoli sistemi è completamente ignorato e quindi nonesistono ricerche ufficiali in tal senso ma una valutazione empirica fatta datecnici e liberi professionisti del settore rivela un potenziale tutt'altro chetrascurabile.

www.ultraflexgroup.it

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)

Energia dal vento

Forti effetti di impatto ambientaleNecessità di venti a velocità costante

1,6

Mw

att

1 M

wat

t

1,2

Mw

att

L’eolico

“… quando soffia un forte vento, alcuni costruiscono muri, altri mulini a vento.”

Numerosità e potenza degli impianti eolici

Distribuzione regionale del numero di impianti eolici a fine 2016

Distribuzione regionale della produzione eolica nel 2016

Escludendo gli impianti entrati in esercizio in corso d’anno (che nonhanno avuto la possibilità di produrre per un anno intero), nel 2016 il50% degli impianti eolici è riuscito a produrre per 1.504 oreequivalenti, in aumento rispetto al 2015 (1.395).

Le ore di utilizzazione medie sono state nel 2016 pari a 1.916(erano 1.683 nel 2015, 1.767 nel 2014 e 1.793 nel 2013).

Turbine ad asse verticale

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

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)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)

Teorema di Betz

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

Pmax = 0,25 r 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 = 1/3

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 r Ac wv3 cr (1 – f2) f

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

PrestazioniLa potenza prodotta dal rotore varia in funzione del parametro l 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 Cp r p 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.

vwrwl

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.

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 €

Produzione annua di circa 12megawatt pari a circa 6 kWh.Motore a magneti permanenti a36 poli 3F 220.

Palo o traliccio da 3-6-9-15 m.Garanzia due anni suicomponenti

Fontewww.xeolo.com

Per poter fare una stima realistica della produzioneenergetica annua di un generatore o di un impianto eolico,dobbiamo incrociare la curva di potenza della macchina con idati relativi alle caratteristiche specifiche del vento.

La velocità media annua è un parametro utile, ma chepreso da solo può risultare insufficiente: zonegeografiche con venti dalle caratteristiche molto diversepossono avere valori simili di velocità media del vento.

Ciò che occorre è conoscere le diverse velocità del vento cheinsieme formano la media, per individuare quellepercentualmente più frequenti.

In altre parole, bisogna conoscere la distribuzione dellafrequenza della velocità dei venti, possibilmente su un arcotemporale di almeno un anno.

Velocità del vento

(m/s)

Durata % annua

Durata % annua

cumulata

Ore/anno

Potenza turbina

(kW)

Energia (kWh/anno)

1 10,3 89,7 900 Cut- in 02 9,5 80,2 830 Cut- in 03 17,5 62,7 1530 0,7 10714 21,1 41,6 1850 1 18505 15,1 26,6 1319 1,5 1978,56 10,4 16,1 915 2,6 23797 7,7 8,4 673 4 26928 4,8 3,6 421 6 25269 2,0 1,6 178 8 1424

10 0,5 1,1 40 10 40011 0,2 0,9 20 10,5 21012 0,2 0,7 18 10 18013 0,2 0,5 16 9 14414 0,2 0,3 15 8,3 124,515 0,2 0,2 14 7,8 109,216 0,1 0,1 12 7 8417 0,1 0,0 5 6,3 31,518 0,0 0,0 2 5,9 11,8

19 0,0 0,0 2 Cut-out 0

TOTALE ENERGIA PRODOTTA IN UN ANNO (kWh) 15.215,5

Sommando l'energia prodotta dalla turbina ad ogni intervallo di velocità del vento, si può stimare la producibilità annua del micro generatore eolico.