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Fonti Energetiche Rinnovabili Niccolò Aste Politecnico di Milano
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Fonti Energetiche Rinnovabili
Niccolò Aste Politecnico di Milano
DEFINIZIONE NORMATIVA
Per la definizione normativa di fonte energetica rinnovabile (FER) si può
fare riferimento, a livello nazionale, all’articolo 2, comma 1, lettera a) del
Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387:
“fonti energetiche rinnovabili o fonti rinnovabili: le fonti energetiche
rinnovabili non fossili (eolica, solare , geotermica, del moto ondoso,
maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai
processi di depurazione e biogas). In particolare per biomasse si
intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti
dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali e dalla
silvicoltura e dalle industrie connesse, nonchè la parte biodegradabile dei
rifiuti industriali e urbani.)”
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4 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
La tecnologia fotovoltaica consente di convertire in elettricità l’energia solare secondo una logica
distribuita e/o con impatti ambientali estremamente limitati. Ai fini del soddisfacimento di
fabbisogni di varia natura, questi fattori si dimostrano di importanza strategica.
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Cella in silicio cristallino
Cella in silicio amorfo
STANDARD TEST CONDITIONS
temperatura alla giunzione 25°C
irradianza 1.000 W/m² (incidenza normale rispetto al
piano della cella)
spettro solare AM 1,5
cellaSTC
cellacella
AI
P η
CELLA CRISTALLINA 15 x 15 cm2
efficienza: 18%;
corrente generata: 8 A;
voltaggio: 0,5-0,55 Vcc;
potenza erogata: 4 W.
P=VI
CELLA FOTOVOLTAICA (1)
Il dispositivo di base del processo fotovoltaico è la cella, generalmente composta da un sottile
strato di materiale semiconduttore, rivestito anteriormente da un trattamento antiriflesso e dotato
di contatti elettrici sulle due facce.
6 CELLA FOTOVOLTAICA (2)
La cella fotovoltaica può essere realizzata con diversi materiali (principalmente silicio cristallino
ed amorfo) e con differenti finiture superficiali.
7 MODULO FOTOVOLTAICO (1)
L’unità funzionale di un impianto fotovoltaico è rappresentata dal modulo, che si realizza tramite
l’aggregazione di più celle in un’unica struttura maneggevole e resistente, con caratteristiche
elettriche adeguate ad un impiego di media e larga scala.
Modulo al silicio monocristallino Modulo al silicio policristallino
Modulo al silicio amorfo Modulo flessibile al silicio amorfo
8 MODULO FOTOVOLTAICO (2)
Il modulo fotovoltaico deve offrire garanzie di piena prestazionalità per almeno 20 anni.
Generalmente è costituito da un laminato vetro-celle-tedlar, irrigidito da una cornice perimetrale
in alluminio anodizzato.
9 MODULO FOTOVOLTAICO (3)
Oltre ai modelli di tipo standard, esistono sul mercato numerose varianti, atte ad impieghi
particolari.
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Le caratteristiche prestazionali del modulo vengono riferite alla situazione STC. In condizioni
operative bisogna tenere conto dello scostamento dovuto al variare dei parametri al contorno
(irradiazione solare, temperatura, ecc.).
MODULO FOTOVOLTAICO (4)
modSTC
modmod
AI
P η
ηeff = ηmod × kγ × kθ × kλ
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La produttività di un modulo fotovoltaico, esattamente come accade per la singola cella, è
influenzata dal suo livello termico secondo uno specifico coefficiente γ, espresso in percentuale.
MODULO FOTOVOLTAICO (5)
100
25t100k c
I
8,0
20NOCTtt ac
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L’insieme dei moduli, generalmente connessi in serie (stringhe) collegate tra loro in parallelo,
costituisce il generatore. La potenza complessiva dell’impianto fotovoltaico è uguale alla
sommatoria di quelle nominali dei singoli moduli.
GENERATORE FOTOVOLTAICO
13 INVERTER
L’inverter è un convertitore corrente continua-corrente alternata, atto a trasformare l’energia
proveniente dai moduli fotovoltaici in maniera tale da ottenere energia utile alla tensione ed alla
frequenza desiderate.
I valori di tensione e frequenza in uscita dal dispositivo devono essere compatibili con la rete
elettrica cui il sistema fotovoltaico è collegato.
in
outinverter
P
P
14 IMPIANTO FOTOVOLTAICO
L’impianto fotovoltaico è composto dal generatore e dal BOS (balance of system), che
comprende tutti i componenti non fotovoltaici (inverter, quadri, cablaggi).
15 CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE
Gli impianti fotovoltaici possono essere raggruppati in 3 tipologie fondamentali: isolati (stand
alone), connessi alla rete (grid connected) e ad utilizzo diretto.
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STC
PVPVI
HPRPE
INVWBIkkkkkPR
STIMA DELLA PRODUTTIVITÀ
In prima approssimazione, la produttività elettrica di un impianto fotovoltaico può essere stimata
in funzione della sua potenza nominale, del coefficiente di prestazione PR e della radiazione
incidente.
Le applicazioni più diffuse della tecnologia eliotermica nel settore civile sono rappresentate da
impianti per la produzione di ACS, che (raramente) possono essere anche impiegati per il
riscaldamento ambientale.
Tipicamente, un sistema eliotermico per la produzione di ACS è composto dai seguenti
componenti :
- uno o più dispositivi di captazione della radiazione solare (collettori), generalmente
rappresentati da pannelli di dimensioni contenute;
- un serbatoio collegato ad uno scambiatore di calore, che, insieme ai primi, collabora nel
riscaldamento dell’acqua e serve a conservarla fino al momento dell’utilizzo;
- rete idraulica di circolazione;
- apparecchiature di controllo e regolazione.
18 TECNOLOGIA ELIOTERMICA
19 COLLETTORI SOLARI All’interno del collettore solare, l’effetto serra provocato dal vetro di chiusura/rivestimento
consente di trasferire l’energia termica della radiazione solare al fluido termovettore.
I collettori più diffusi sono piani o a tubi evacuati.
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Serbatoi di
accumulo con
scambiatori termici
Tubazioni coibentate Circolatori Centraline di controllo
ACCUMULO, CIRCOLAZIONE E CONTROLLO Il funzionamento dell’impianto eliotermico è basato su una logica di flusso ciclico controllato del
fluido termovettore tra collettori ed accumulo.
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Distribuzione del fabbisogno
85%
15%
riscaldamento
ACS
Distribuzione del fabbisogno
100%0%
riscaldamento
ACS
Produzione Acqua Calda Sanitaria (ACS) ed
integrazione al riscaldamento
Produzione Acqua Calda Sanitaria (ACS)
CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE
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Il dimensionamento ottimale dal punto di vista tecnico-economico di un impianto solare
termico prevede una copertura del fabbisogno di ACS pari a circa 60-70% su base annua.
Ciò corrisponde, indicativamente, a circa 0,5-1 m2 di collettori piani per persona, a seconda
del contesto climatico e dell’utenza servita.
Il volume di accumulo può invece essere posto mediamente pari a circa 50-75 litri/m2 di
collettore.
Il risparmio di energia primaria ottenibile ed i conseguenti benefici economici legati
all’installazione di un impianto solare termico dipendono anche dalla tipologia e
dall’efficienza del sistema ausiliario integrato (boiler elettrico, caldaia a gas metano ecc.).
DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA
L’energia termica utile fornita da un impianto solare dipende da molti fattori, come ad esempio
l’efficienza dei collettori, il loro posizionamento, il volume d’accumulo dell’impianto ed il tipo di
utenza servita
Il metodo f-chart (UNI 8477) basato su correlazioni semiempiriche consente, attraverso la
definizione di 2 parametri adimensionali X e Y, di calcolare il fattore f, definito frazione solare, che
esprime il rapporto, su base mensile, tra l’energia termica fornita dall’impianto solare ed il
fabbisogno termico dell’utenza.
23 STIMA DELLA PRODUTTIVITÀ
Carico giornaliero
0
2
4
6
8
10
12
1 3 5 7 9
11
13
15
17
19
21
23
ora
%
f = 1,029Y – 0,065X – 0,245Y2 + 0,0018X2 + 0,0215Y3
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L
)tt(U'AFX arLr
L
NH)('AFY r
A è la superficie di captazione dei collettori [m2];
Fr’ indica il fattore di rimozione del calore dai collettori, corretto per la presenza dello
scambiatore tra collettori ed accumulo;
UL rappresenta il coefficiente complessivo di dispersione termica dei collettori [W/m2K];
per i prodotti più diffusi varia generalmente tra 3 e 6;
tr indica una temperatura di riferimento, fissata a 100 °C;
ta indica la temperatura media mensile dell’aria esterna nel sito considerato;
esprime il numero di secondi del mese;
L è il carico termico mensile dell’utenza collegata all’impianto [J];
H rappresenta l’irradiazione giornaliera media mensile incidente sull’unità di superficie
dei collettori [J/m2 giorno];
N è il numero dei giorni del mese;
è il valore medio del prodotto del coefficiente di trasmissione del vetro e del
coefficiente di assorbimento della piastra, corretto per l’effetto della variazione
d’inclinazione dei raggi solari rispetto alla superficie del collettore; può essere stimato
intorno a 0,85
a
amw
c t- 100
) t2,32 - t3,86 t1,18 (11,6 X X
PARAMETRI ADIMENSIONALI
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L’energia eliotermica può essere sfruttata anche per scopi di raffrescamento. La tecnologia del
solar cooling permette di produrre freddo, sotto forma di acqua refrigerata, connettendo il
serbatoio (sorgente di calore) ad un frigorifero ad assorbimento.
SOLAR COOLING
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Alta entalpia, per calore ad
alta temperatura:
generazione elettrica
Bassa entalpia, per calore a
bassa temperatura:
generazione termica
L’espressione energia geotermica è generalmente usata per indicare quella parte del calore
terrestre che può essere estratta dal sottosuolo e sfruttata dall’uomo ai fini energetici.
Si definisce gradiente geotermico la misura dell’aumento di temperatura con la profondità. Sino
alle profondità raggiungibili con le moderne tecniche di perforazione il gradiente medio è 2,5–3°
C per ogni 100 m. A profondità superiori a 20 metri la temperatura del terreno può ritenersi
praticamente costante durante tutto l’arco dell’anno.
La due definizioni di energia geotermica, rispettivamente a bassa ed ad alta entalpia
corrispondono a differenti tipi d’uso.
ENERGIA GEOTERMICA
La geotermia a bassa entalpia sfrutta gli strati superficiali del terreno (entro i 200 m di
profondità), per sottrarre o cedere energia termica.
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I meccanismi per scambiare il calore con il
terreno possono essere differenti. É necessario
l’uso di un fluido termovettore e di un elemento
che permetta lo scambio termico tra il terreno ed
il fluido.
Le soluzioni possibili sono, tipicamente, le
seguenti:
- sonde geotermiche verticali;
- sonde geotermiche orizzontali.
- pozzi di emungimento e reimmissione (acqua
di falda o acque superficiali).
Nel primo e secondo caso il circuito del fluido
termovettore (acqua+glicole) è un circuito
chiuso, mentre nel terzo caso è un circuito
aperto con prelievo e reimmissione del fluido
(acqua di falda).
MECCANISMI DI SCAMBIO TERMICO
Dal punto di vista del bilancio energetico, l’energia sottratta alla sorgente termica rappresenta la
quota parte di energia rinnovabile che, per poter essere utilizzata, richiede l’impiego di una
tecnologia apposita, la pompa di calore, la quale compie un ciclo termodinamico tra un ambiente
a temperatura inferiore (sorgente rinnovabile) e un ambiente a temperatura superiore (utenza).
29 POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
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Scambio con il terreno:
Scambio con acqua:
1 kW termico 150-200 litri/ora
DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA
La potenza termica ottenibile dallo scambio con il terreno può essere stimata sulla base del
tipo di terreno, e quindi della relativa conducibilità, o della portata di acqua di falda estraibile.
Secondo la direttiva 2009/28/CE, si intende per biomassa “la frazione biodegradabile dei
prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze
vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e
l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.
Le biomasse possono essere utilizzate in ambito civile per la produzione energetica mediante:
• Caldaie;
• Impianti di cogenerazione.
32 IMPIANTI A BIOMASSA
Le principali tipologie di caldaie per la combustione di biomasse sono
fondamentalmente tre, sulla base delle tre principali categorie di combustibili vegetali:
• legna da ardere in ciocchi;
• cippato (legno sminuzzato);
• pellet (pastiglie di legno macinato e pressato).
In tutti i casi la centrale termica deve prevedere un locale/serbatoio di accumulo per la
biomassa, dimensionato con capacità sufficiente a garantire adeguata autonomia
all’impianto.
Ai fini dell’efficienza complessiva del processo, è fondamentale analizzare la disponibilità di
biomassa a livello locale, al fine di favorire la “filiera corta”.
33 CALDAIE A BIOMASSA
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Attraverso processi di fermentazione anaerobica di biomassa e di rifiuti stoccati in discarica in
appositi digestori è possibile produrre miscele gassose combustibili: biogas e gas di discarica.
Il biogas ed il gas di discarica vengono tipicamente utilizzati per la produzione di sola energia
elettrica o di energia elettrica e termica in impianti di cogenerazione basati su motori primi o
turbine a gas.
Per la produzione di biogas si utilizzano generalmente:
•liquami e deiezioni di allevamenti;
•scarti di macellazione;
•residui colturali;
•colture energetiche;
•scarti organici dell’agro-industria.
Per la produzione di gas di discarica si utilizzano:
•frazione organica dei rifiuti urbani (RSU) ed industriali
•fanghi di depurazione
BIOGAS E GAS DI DISCARICA
La cogenerazione da biomassa prevede la produzione combinata di energia elettrica e calore
utilizzando biomassa vegetale allo stato solido, liquido o gassoso.
Tipicamente gli impianti di cogenerazione a biomassa sono collegati a reti di teleriscaldamento
che consentono di distribuire l’energia termica alle utenze ubicate nelle zone circostanti
l’impianto.
Attraverso la gassificazione è possibile inoltre effettuare una conversione termochimica della
biomassa in gas (syngas) e carbone. Il syngas è una miscela a basso potere calorifico ed è
impiegabile come combustibile in motori endotermici per produrre energia elettrica e calore.
35 COGENERAZIONE DA BIOMASSA
L'energia eolica è legata al movimento di masse d'aria che si spostano da aree ad alta pressione
atmosferica verso aree adiacenti di bassa pressione; utilizzare l'energia eolica significa dunque
sfruttare l'energia cinetica derivante dalle masse d'aria in movimento. Il principio di
funzionamento degli aerogeneratori è legato al passaggio dell’aria tra le pale, che, grazie alla
specifica forma, consentono di generare una differenza di pressione tra la parte anteriore e
quella posteriore che ne origina il movimento. L'energia cinetica del vento si trasforma, quindi, in
energia meccanica che viene trasferita ad appositi rotori per poi essere convertita in energia
elettrica.
37 TECNOLOGIA EOLICA
38 IMPIANTI EOLICI
Gli impianti si classificano principalmente per il posizionamento dell’asse di rotazione delle
pale:
• generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore deve essere orientato attivamente o
passivamente (ovvero mediante l'uso di servomotori elettrici o utilizzando la stessa forza
del vento) in modo perpendicolare alla direzione di provenienza del vento;
• generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento.
39 STIMA DELLA PRODUTTIVITÀ
P = Potenza elettrica erogata [W];
α = 0.12 – 0.17;
D = diametro del rotore [m];
v = velocità del vento [m/s].
La produttività elettrica di un generatore eolico dipende dalle relative caratteristiche
dimensionali e tecniche e dalla ventosità del sito (velocità, frequenza, direzione).
Per una turbina eolica ad asse orizzontale si può applicare la seguente formula:
P = α D2 v3
α = 0.15
