La presentazione affronta i principi di funzionamento di pompe di calore, fotovoltaico e solare termodinamico. Offre anche indicazioni sull'ampia disponibilità di energia da fonti rinnovabili nel mondo e sul cambiamento del panorama elettrico italiano.
2. A+++
15/05/2013 Tredicesimo Incontro,
Comune di Pesaro, Sala Rossa,
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Indice (1/2)
• Le pompe di calore;
– Principio di funzionamento;
– Tecnologie disponibili;
• Il fotovoltaico:
– Il principio di funzionamento di un impianto fotovoltaico;
– La situazione delle rinnovabili in Italia;
– Quanta energia ci offre il sole?
• Studio del WWF;
• Calcoli di Carlo Rubbia;
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Coefficienti di prestazione
• L’EER (Energy Efficieny
Ratio) è pari al
rapporto tra la potenza
frigorifera fornita
all’ambiente
climatizzato e l’energia
elettrica assorbita:
EER = Q0 (kW)/L(kW)
• Il COP (Coefficient of
Performance)
rappresenta il rapporto
fra potenza termica
fornita all’ambiente
climatizzato e l’energia
elettrica assorbita:
COP = Qt (kW) /L (kW)
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In arrivo la guida di
QualEnergia
http://qualenergia.it/speciali/20130430-guida-agli-scaldacqua-a-pompa-di-calore
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FONTE DI CALORE
• Pompe
aerotermiche
(fonte ARIA)
• Pompe
idrotermiche
(fonte ACQUA)
• Pompe
geotermiche
(fonte SUOLO) http://www.youtube.com/watch?v=3bVeajfJcM4
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Pompe di calore aria-acqua o
aria-aria
La sorgente di calore è l’aria esterna;
Per il progetto: si fa riferimento alla zona climatica
di appartenenza, a ciascuna delle quali corrisponde
un periodo diverso di esercizio dell’impianto di
riscaldamento.
Questa suddivisione è fatta in base ai «gradi
giorno», parametro dato dalla somma di tutte le
differenza positive giornaliere, fra la temperatura
ambiente, fissata convenzionalmente a 20° C e la
temperatura esterna giornaliera.
Non richiedono alcun iter autorizzativo.
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Pompe di calore
acqua – acqua
Acqua di falda:
• 10-15 °C in condizioni
normali;
• 15-25°C in zone adiacenti a
Località termali
• E’ necessaria un’analisi
geologica a cura di uno specialista;
• Circuito aperto (pozzi per la captazione
dell’acqua) o circuito chiuso;
• Portata per 1 kWth ≈ 150 – 200 l/h
• Necessaria autorizzazione;
Possono impiegare:
14. A+++
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Pompe di calore
acqua – acqua
Acque superficiali (mari, fiumi,
bacini):
- Maggiore variabilità termica
(nonostante capacità termica);
- Problemi di corrosione o di
filtraggio materiali;
- Circuito diretto o indiretto;
- Portata per 1 kWth ≈ 250 – 400 l/h;
- Necessaria autorizzazione;
Possono impiegare:
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Pompe di calore
suolo – acqua
Sorgente geotermica:
- D’inverno preleva il caldo dal
terreno;
- D’estate traferisco calore al terreno;
Terreno come serbatoio di prelievo e
stoccaggio;
- Estrazione tramite sonde;
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Pompe di calore
suolo – acqua
Impianti geotermici con pozzi verticali:
- Più sonde verticali di profondità limitata
(100 m);
- Indagini preventive (umidità, conducibilità
termica, densità…);
- Sonde con tubi di piccolo diametro in PE o
PE reticolato.
- Configurazioni ad U e a doppio U;
- Materiale di riempimento (buona
conducibilità, bassa solubilità e buona
elasticità).
- Fluido termovettore (acqua e antigelo);
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Pompe di calore
suolo – acqua
Impianti geotermici con sonde orizzontali:
- Minori investimenti iniziali per le spese di
perforazione;
- Meno efficiente strati superficiali del
terreno variazioni climatiche esterne;
- Superfici di terreno molto ampie (fino a due
volte la superficie da climatizzare);
- Tubi in PE o PE reticolato ad alta pressione;
- Profondità massima di 1 o 2 m;
- Influenza importante sulla temperatura del
terreno;
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Celle fotovoltaiche
• Silicio monocristallino:
– 12% < η > 19 %;
– Più costosi;
– Maggiore sfruttamento della radiazione
diffusa;
• Silicio policristallino:
– Maggiore tolleranza alle alte temperature;
– Minore efficienza maggiore impiego di
superficie;
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Celle fotovoltaiche
Film sottile:
• Film sottile al silicio amorfo
(a –Si);
• Tellururo di Cadmio (Cd- Te);
• Seleniuro di Cadmio, Indio e Rame
(CIGS);
• Celle fotovoltaiche organiche
(OPC);
• La maggior parte ancora non in commercio;
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Silicio Amorfo
• Sottile pellicola di silicio (1-2 μm);
• In genere più economiche;
• Flessibile e leggero;
• Reagiscono meglio in caso di
copertura parziale;
• 6% <η<12%
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QUANTA ENERGIA CI OFFRE
IL SOLE?
Studi relativi al fabbisogno di superficie coperta da impianti
fotovoltaici o da solare a concentrazione per soddisfare il
fabbisogno di energia mondiale o italiano
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La radiazione solare
• La radiazione solare copre le lunghezze d’onda comprese fra 0,2 μm
(UV) e 2,5 μm (IR);
• Gran parte della radiazione ultravioletta è trattenuta a 25 km dallo
strato di ozono, le radiazioni infrarosse sono trattenute dal vapor
d’acqua e dall’anidride carbonica;
• Parte della radiazione è poi riflessa dall’atmosfera o trattenuta dalle
nubi;
• Il 47% dell’energia solare arriva sulla superficie terrestre;
• Parte della radiazione viene diffusa dall’atmosfera terrestre;
luce visibile 0,38 – 0,78 μm
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La radiazione solare
• Oltre che dal tipo di cella solare utilizzata, la capacità di
una cella di convertire l’energia solare in elettricità
dipende anche dall’intensità e dalla composizione
spettrale della radiazione incidente; per le celle al
silicio, la banda di sensibilità è compresa tra 0,4 μm e
1,1 μm;
• Il rendimento medio di una cella fotovoltaica dipende
dalla località scelta per l’installazione dell’impianto e
dalle relative condizioni atmosferiche;
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La radianza
• L’energia che incide nell’unità di tempo su di
una superficie unitaria normale alla radiazione
solare (radianza) fuori dall’atmosfera terrestre
alla distanza media della Terra dal Sole viene
definita «costante solare» (G0) e vale 1367
W/m2.
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La radianza
• Il valore massimo della costante solare,
misurato sulla superficie terrestre in presenza
di una giornata limpida e soleggiata è di circa
1000 W/m2.
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Le componenti della radiazione
solare
• Le componenti della radiazione
solare raccolta al suolo su una
superficie inclinata rispetto al
piano orizzontale sono:
– La radiazione diretta (unico e
preciso angolo di incidenza);
– La radiazione diffusa raggiunge
il suolo da tutte le direzioni
(scattering atmosferico della
radiazione incidente);
– La radiazione riflessa (terreno,
specchi d’acqua…) o
componente di albedo;
La radiazione diffusa è molto
importante per i dispositivi
fotovoltaici che operano anche in
presenza di un ostacolo che
impedisce la radiazione diretta;
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Le componenti della radiazione
solare
• Se il cielo è nuvolo abbiamo solo radiazione diffusa;
• In caso di clima sereno e secco, prevale la
componente diffusa (90% della radiazione totale);
• La radiazione ottimale si ha quando la superficie di
raccolta è orientata a sud (angolo di azimut) con un
angolo di tilt (inclinazione del pannello rispetto al
piano) di valore simile alla latitudine in cui ci si trova;
• Variazioni di φ di una decina di gradi modificano
l’energia totale catturata di qualche unità
percentuale;
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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno
mondiale di energia al 2050?
http://awsassets.panda.org/downloads/solar_atlas__low_res__final_8_jan_2013__1_.pdf
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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno
mondiale di energia al 2050?
• FV oggi: 0,1% fabbisogno energetico mondiale;
• Crescita media del 40% dal 2000;
• Rapporto WWF: ATLAS con domanda di energia in
7 distinte regioni e calcola la superficie necessaria
per soddisfarla;
• In ciascun caso, è richiesta meno dell’1% della
superficie per soddisfare le proiezioni di
fabbisogno energetico al 2050;
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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno
mondiale di energia al 2050?
• Stime prudenziali;
• Studio conservativo
impossibile soddisfare
tutta la domanda con il
fotovoltaico (anche altre
rinnovabili);
• Diverse sfide per
l’adeguamento della rete
elettrica;
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La questione energetica (dati
Terna e GSE - 2011)
GSE, «Rapporto Statistico 2011 Impianti a fonte rinnovabile»
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La concorrenza delle rinnovabili e
l’evoluzione del mercato elettrico
http://qualenergia.it/articoli/20130414-mercato-elettrico-
il-PUN-in-altalena-e-lo-zampino-delle-energie-rinnovabili
[…] In certe ore, inoltre, il prezzo minimo pagato
In certe zone d’Italia scende addirittura a zero,
Trascinando il PUN nazionale, ma
contemporaneamente resta molto alto in altre.
[…] PUN. E’ il risultato di aste, che coprono la
richiesta di energia prevista, ora per ora, con
L’elettricità offerta dai vari operatori. Nelle aste
Si accetta, cioè si dispaccia, prima l’offerta più
economica e poi, via via, i «pacchetti» più cari, fino a coprire tutto il
fabbisogno […] a determinare il prezzo orario che si applica a tutti
gli impianti è la fonte più cara selezionata, […] Le rinnovabili non
programmabili, come solare ed eolico, sono offerte a prezzo zero […] Il
loro effetto è quindi quello di far scendere il
prezzo dei gruppi di offerte orarie in cui entrano.
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La concorrenza delle rinnovabili e
l’evoluzione del mercato elettrico
http://qual
energia.it/a
rticoli/2012
0503-
boom-
rinnovabili-
e-il-prezzo-
del-kwh-
tocca-lo-
zero
41. A+++
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L’adattamento della rete: linee di
trasmissione e sistemi di accumulo
a
http://www.terna.it/Default.aspx?tabid=6367 http://www.qualenergia.it/articoli/20121112-un-accumulo-per-il-
futuro-intervista-a-del-pizzo-di-terna
46. A+++
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• sistemi puntuali, capaci di spingersi alle più elevate temperature del
fluido termovettore
• sistemi lineari, tecnologicamente più semplici, ma con un più basso
fattore di concentrazione
Tipi di Impianti Solari
Termodinamici CSP
47. A+++
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• Olio sintetico ---> temp max 400 C°
---> rischio di impatto ambientale
---> non idoneo per accumulo termico
• Sali fusi ---> 550 C°
---> non tossici (NaNO3, KNO3)
---> economici
• Acqua ---> temperature ancora più elevate
---> generazione di vapore all’ interno dei collettori
Fluido Termovettore
48. A+++
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Gli eliostati concentrano la radiazione
solare su un singolo ricevitore posto sulla
sommità della torre:
• l’ energia termica così concentrata
trasferisce calore al fluido contenuto
nel ricevitore
• il fluido viene trasportato ad un
generatore di vapore che è collegato
ad una turbina
• il vapore prodotto aziona la turbina
• la turbina trasferisce la sua energia
meccanica all’ alternatore, che la
converte in energia elettrica.
Sistemi a torre
50. A+++
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Sono costituiti da pannelli
riflettenti di forma parabolica che
inseguono il movimento del disco
solare attraverso un meccanismo
di spostamento biassiale, e
concentrano la radiazione
incidente su un ricevitore
posizionato nel punto focale.
Il calore ad alta temperatura viene
trasferito ad un fluido e convertito
in energia elettrica grazie ad un
motore posizionato al di sopra del
ricevitore.
Concentratori a disco
parabolico
52. A+++
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Il Solare a Concentrazione
http://webtv.sede.enea.it/index.php?page=listafilmcat2&idfilm=2&idcat=1
53. A+++
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Questo tipo di impianto
è formato da specchi
parabolici - che ruotano
su un solo asse - che
riflettono e
concentrano la luce
diretta del sole su un
tubo ricevitore posto
nel fuoco del
paraboloide.
Concentratori
parabolici lineari
56. Vantaggi dei sistemi CSP
• produzione di elettricità più uniforme rispetto al fotovoltaico
• più veloce e più economica da riparare rispetto ad una comune
centrale a turbogas
• sono in grado di fornire potenze elettriche da alcuni kW fino a
centinaia di MW
Svantaggi dei sistemi CSP
• notevoli superfici libere da occupare in rapporto alla
produzione elettrica
• tecnologia relativamente nuova
57. A+++
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Andasol 1
Guadix (Granada)
Dicembre 2008
≈ 50 MW
≈ 510 ha di specchi
3644 ore/anno
Alcuni Impianti operativi
Archimede
Priolo Gargallo (Sr)
Luglio 2010
≈ 5 MW
30 ha di specchi
3000 ore/anno
Link notizia Corriere della Sera
58. A+++
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Gemmasolar
Fuentes de Andalucia (Siviglia)
In completamento
≈ 19,9 MW
≈ 185 ha di specchi
6500 ore/anno
Alcuni Impianti operativi
Andasol 2
Guadix (Granada)
Marzo 2009
≈ 50 MW
≈ 510 ha di specchi
3644 ore/anno
59. A+++
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Altri Impianti
European Solar Thermal Electricity Association
http://www.estelasolar.eu/index.php?id=19