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Quale energia per il futuro?

Il programma ENEA per il solare ad alta temperatura

Grande Progetto Solare Termodinamico

M. VignoliniM. Vignolini

L’energia è necessaria● L’energia è una componente essenziale della civiltà umana.

● Nel corso della storia dell’umanità, il consumo procapite è aumentato di un fattore 100. Per i paesi più sviluppati, è circa pari a 0,9 GJ/giorno, equivalente all’energia prodotta da

32 kg di carbone.

● La produzione di energia relativa all’intero pianeta è equivalente a quella di un “motore” di 10 TWatt (104 GWatt) funzionante in modo continuo, ed è in media aumentata annualmente del 2,3% negli ultimi 150 anni. Per confronto :

Il calore geotermico proveniente dal nucleo terrestre corrisponde ad una potenza di 16 TWatt .

La civiltà umana è sul punto di raddoppiare lapotenza energetica endogena del pianeta Terra !


Effetti delle attività umane sul pianeta

1850 1900 1950 2000 1850 1900 1950 2000

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Population

CO2 Concentration ∆T

Emissions


Quale energia per il futuro?Quale energia per il futuro?

Grande Progetto Solare TermodinamicoTJ

x 1

06

1 TJ ∼ 24 t petrolio

Energia e povertà

● Circa 1.6 miliardi di persone – un quarto della popolazione mondiale – sono prive di elettricità. L’assenza di elettricità impedisce la maggior parte delle attività industriali.

● La maggioranza (4/5) di questa popolazione vive in paesi in via di sviluppo, soprattutto in Asia e in Africa, dove è presente una forte insolazione, che potrà diventare una fonte primaria di energia.

● Circa 2.6 miliardi di persone utilizzano quasi esclusivamente biomassatradizionale come fonte primaria di energia.

Cina

Africa

Asia

Senza elettricità

Solamente bio-massa


La produzione di elettricità : gli investimenti

● Il consumo mondiale di elettricità raddoppierà tra il 2000 e il 2030, principalmente a causa dei paesi in via di sviluppo.

● Malgrado l’aumento dell’uso di gas naturale, il carbone resterà la fonte principale per la produzione di energia elettrica fino al 2030.

Per una data produzione di energia elettrica a partire dal carbone, le emissioni di CO2 sono 2.5 volte maggiori rispetto al gas naturale.

Investimenti:4.200

Miliardi di €


Potenza elettrica installata

nel mondo

(fonte IEA)

Lo sviluppo energetico è « sostenibile » ● Tutte le previsioni a medio termine precedenti sono basate sull’ipotesi

“business as usual”. In queste condizioni:

Un evidente cambiamento climatico è inevitabile, con risultati particolarmente gravi per i paesi in via di sviluppo, poco attrezzati per far fronte alle conseguenze.Lo sviluppo durevole planetario potrà essere ostacolato dalla mancanza

di sicurezza negli approvvigionamenti energetici.Il problema della povertà mondiale sarà ulteriormente amplificato, a causa

dell’inevitabile aumento del prezzo dell’energia, dovuto all’aumento della domanda e alla necessità di enormi investimenti.

● È necessario dare una forte accelerazione allo sviluppo di tecnologie realmente innovative, con un aumento degli investimenti in R&D, paragonabile a quello delle altre tecnologie “High Tech”.


A medio termine, l’aumento delle emissioni di CO2 è legato in modo indissolubile alla crescita economica

(1) Il PIL dovrà crescere linearmente nel futuro(2) L’intensità energetica (kW/€) migliorerà, in particolare grazie alle misure governative

(3) Ciononostante, i consumi energetici, dati dal prodotto [PIL] x [intensità], continueranno ad aumentare

(4) Con l’utilizzo delle tecnologie attuali, il tasso di emissione è legato in modo indissolubile ai consumi energetici

Un tale circolo vizioso non può essere spezzato senza l’aiuto di tecnologie innovative


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EUROPE-30

Source:European Environment Energy, 1999

● In Europa, il 94% delle emissioni di CO2 sono dovute al settore energetico.● Circa il 90 % della crescita prevista delle emissioni di CO2 è dovuta al settore dei

trasporti (+50% d’aumento 1990 2010)I trasporti su strada sono dominanti (84%) a causa della scarsa efficienza dei

motori (≈ 17%) [un’auto in media produce annualmente una quantità di CO2 pari a 4 volte il suo peso]

projection –com

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L’uscita dal nucleare sarà equivalente all’aggiunta di ~ 80 milioni di auto sulle strade

L’uscita dal nucleare sarà equivalente all’aggiunta di ~ 80 milioni di auto sulle strade

Stato attuale

Nat. Gas (22%)Coal (28%)

Oil (50%)

CO2emissions

(Europe-30)

Electricity & steam (37%)

Transport (other) (4%)

Transport (road) (24%)

Households (14%)Industry (16%)

Services (5%)CO2emissions

(Europe-30)


Le prescrizioni di Kyoto sono insufficienti

Le misure del protocollo di Kyoto, estrapolate al 2100, introducono solo un ritardo di ~ 9 anni al raddoppiamento del livello preindustriale

Le misure del protocollo di Kyoto, estrapolate al 2100, introducono solo un ritardo di ~ 9 anni al raddoppiamento del livello preindustriale

1990

2000

2010

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IS92aIPCC

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Kyoto(-5.2%,2008-2012)Annex 1 Countries

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600

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5

10

15

20

25

Year Year

CO2 EMISSIONS CO2 CONCENTRATIONS

Extended Kyototo 2100

Extended Kyototo 2100

Diff: 2.5 GtC/y≈15%

Pre-Industrial level (275 ppmv)

Twice pre-idustrial level(550 ppmv)

∆T ≈ 9 y 717 ppmv

665 ppmv

Senza KyotoCon Kyoto


Riscaldamento globale : quale strategia ?

● Le prescrizioni di Kyoto potranno produrre solo un debole rallentamento del riscaldamento globale.

● Inoltre, non sarà possibile rispettare gli accordi senza nuovi interventi più significativi.

● Le tasse, gli aiuti statali e la politica restrittiva della domanda male si adattano a fornire risposte esaurienti a questa situazione.

● Il problema non può essere risolto solamente con misure politiche : unarivoluzione tecnologica è necessaria, il che implica lo sviluppo su grande scala di nuove tecnologie.


C’è una via d’uscita ? ● Il problema è urgente, visto che tradizionalmente i tempi caratteristici per

arrivare ad una nuova fonte di energia sono molto lunghi.

● Possiamo allora considerare tre opzioni possibili :

1. Combustione “corretta” del carbone senza alcuna emissione, tramite sequestro di CO2

2. Un nuovo nucleare che ha risolto i problemi della sicurezza e delle scorie

3. Una nuova energia rinnovabile, a basso costo, basata sulla concentrazione della radiazione solare

● In tutte queste opzioni, l’idrogeno dovrà giocare un ruolo fondamentale, quello di vettore energetico, in modo complementare all’energia elettrica, entrambi senza alcuna emissione.


L’opzione solare

● Attualmente, le fonti rinnovabili innovative costituiscono circa il 2% della domanda di energia primaria. Tutte le previsioni energetiche (AIE, DOE, …) indicano che esse potranno raggiungere al massimo il 3% da qui al 2020.

● Le ragioni di una penetrazione così modesta sul mercato sono ben note :Il costo dell’energia prodotta, prima delle sovvenzioni, deve divenire

competitivo rispetto a quello dei fossili: “L’energia migliore è quella più a buon mercato…”Il sistema di produzione dell’energia deve superare il fattore di “variabilità”,

inevitabilmente associato all’energia solare o eolica : “L’energia deve essere disponibile quando il consumatore ne ha bisogno…”



Energia derivata dal soleEnergia derivata dal sole

Utilizzo indirettoUtilizzo indiretto

•• IdroelettricaIdroelettrica





•• EolicaEolica





•• EolicaEolica

•• BiomasseBiomasse





•• EolicaEolica


Utilizzo direttoUtilizzo diretto

•• FotovoltaicoFotovoltaico





•• EolicaEolica




•• Solare termicoSolare termico

•• Bassa temperaturaBassa temperatura




•• EolicaEolica




•• Solare termicoSolare termico

•• Bassa temperaturaBassa temperatura

•• Alta temperaturaAlta temperatura



Quanta energia dal sole?Quanta energia dal sole? ItaliaItaliaEnergia termica annua ∼ 1.750 kWh/m2

= 6,3 GJ/m2

Kg equivalenti di petrolio

Energia annua / Pot. cal petrolio ∼ 150 kg(Pot. cal petrolio = 41.800 kJ/kg)

Più di un barile di petrolio (135 kg)

Come se su ogni m2 di superficie ogni anno piovessero circa 18 cm di petrolio

(densità petrolio = 0,85 kg/m3)

Energia elettrica producibile ∼ 330 kWhe

Rendimento totale di 0,19 (raccolta e produzione)

Riduzione di emissione di CO2 ∼ 230 kg

(∼ 700 g CO2 / kWhe)


Grande Progetto Grande Progetto SolareSolare TermodinamicoTermodinamico

Due principali obiettivi:Due principali obiettivi:

•• Realizzazione di impianti per la generazione di Realizzazione di impianti per la generazione di energia elettrica a partire dall’energia solare energia elettrica a partire dall’energia solare utilizzata come sorgente di calore ad alta utilizzata come sorgente di calore ad alta temperaturatemperatura

•• Sviluppo di tecnologie necessarie per la produzione Sviluppo di tecnologie necessarie per la produzione di idrogeno da energia solaredi idrogeno da energia solare

La grande sostituzioneLa grande sostituzioneNelle applicazioni tradizionali (ad es: produzione di energia elettrica) l’energia chimica di un combustibile fossile è trasformata, per mezzo di un generatore di vapore, in calore ad alta temperatura che viene poi inviato al sistema di generazione.

Per la stessa applicazione l’energia solare, sotto forma di liquido ad alta temperatura, è immagazzinata in un serbatoio di accumulo isolato termicamente. Su richiesta, calore ad alta temperatura è inviato al sistema di generazione per mezzo di uno scambiatore di calore.


Collettori parabolici lineariCollettori parabolici lineari

E’ la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettricaE’ la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettrica su su grande scala.grande scala.

Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti (da 14, (da 14, 30 e 80 30 e 80 MWe)MWe) per una potenza elettrica installata di 354 per una potenza elettrica installata di 354 MWe.MWe.

ImpiantoImpianto di Kramer Junctiondi Kramer Junction



Funzionamento del collettore parabolico lineareFunzionamento del collettore parabolico lineare

La tecnologia ENEALa tecnologia ENEA


Fluido freddo

Fluido caldo

Sistema diproduzione elettrica

Generatoredi vapore

290°C

550°C

Serbatoi diaccumulo

La produzione di idrogeno

● Idrogeno come vettore energetico per il futuro.

● Dissociazione dell’acqua mediante processo termochimico, produzione di idrogeno con zero emissioni.

● La necessità di temperature più elevate porta ai sistemi di concentrazione su due assi.


Costruzione di un impianto pilota per la produzione di idrogeno

Caratteristiche impianto:•Produzione di 2000 Nm3/d di idrogeno (100 Nm3/h);

•Adozione di uno dei cicli termochimici in studio (SI, UT-3, ZnO, ferriti miste) ;

Concentratori parabolici

Accumulo

760 kW

Acqua 40,6 l/h

Idrogeno100,8 Nm3/h

Processo chimico

Ossigeno 50,4 Nm3/h


Sulle rese di reazioneIstituto TecnologiaTokyo

Ferriti

Tecnico-economicaTecnologicaScientifica

Accoppiamento reattore-energia solare

Sviluppo di componenti

Diss. ZnO e separazionegas

Su diss. ZnO e quenching

PSICNRSZnO-Zn

2 l/h (84)Su cinetiche direazione

Univ. TokyoJAERIANLUT3

1 Nl/h (98)50 Nl/h (04)

Su tutte le sezioni del processo

GA JRCJAERIS-I

Sviluppo preind.Scala lab. continuaScala lab. discontinuaVerifica speriment.Studio processo

Stadio di sviluppo del processoProcesso

Processi di dissociazione dell’acqua


Ciclo ZnO

H2 generation step 450°CH2O H2

O2

ZnOZn

O2 releasing step ~ 2000°C


Ciclo Ferriti misteH2 generation step 800°C

H2O H2

MnFe2O4, Na2CO3

O2

O2 releasing step 600°C

Na(Mn1/3Fe2/3)O2, CO2


Ciclo UT-3

H2O H2

O2

CaBr2(s)+H2O(g) →CaO(s)+2HBr(g)

3FeBr2(s)+4H2O(g) →Fe3O4(s)+6HBr(g)+ H2(g)

Fe3O4(s)+8HBr(g) →3FeBr2(s)+4H2O(g)+Br2(g)

CaO(s)+Br2(g) →CaBr2(s)+ ½O2(g)

760°C 560°C

220°C 572°C


H2O H2O2

H2SO4 →H2O+ SO2+0,5 O2

I2+SO2 +2H2O →HI+ H2SO4

2HI →H2+I2

H2SO4 HI

I2SO2

850°C 50°C200-700°C

Ciclo SI


Considerazioni finali

● La produzione di energia comporta aspetti economici, ambientali e di sicurezza nell’approvvigionamento delle fonti.

● Influenza la qualità della vita, la sicurezza della gente, lo sviluppo di un Paese.

● I rifiuti, le scorie, le emissioni gassose prodotte non devono alterare l’equilibrio naturale.

● Il solare può essere una fonte di energia compatibile con l’ambiente.


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