Energie rinnovabili, sostenibilità e sviluppo - D. Vincenzi Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
D. Vincenzi
Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica
Energie rinnovabili,
sostenibilità e sviluppo
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Laboratorio
Semiconduttori e Sensori
Prof. Giuliano Martinelli
Prof. Vincenzo Guidi
Maria Cristina Carotta
Cesare Malagù
Marco Stefancich 200 m
Stefano Baricordi Federico Gualdi
Alan Cervi Alessio Giberti
Joice Sophia Andrea Mazzolari
Sandro Gherardi Ilaria Neri
Enrico Bagli Beatrice Vendemiati
Matteo Pasquini Donato Vincenzi
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Fonti di energia rinnovabili
e non rinnovabili
Che cosa sono le fonti rinnovabili ?
L‟energia nucleare: Viene utilizzato uranio, un
materiale che non viene prodotto né sulla terra né
all’interno del sole.
L‟energia solare: Il sole ha una riserva di idrogeno
sufficiente per bruciare per altri 5 miliardi di anni,
dopo di che “si spegnerà”.
L‟energia geotermica: Deriva dai processi nucleari
all’interno del nucleo terrestre.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Fonti di energia rinnovabili
e non rinnovabili
I combustibili fossili sono fonti energetiche
rinnovabili ???
SI, ma i tempi con cui si rinnova sono
dell’ordine dei milioni di anni.
L’incremento demografico e la crescente necessità di
energia (per riscaldare le case, per trasformare le
materia e per il trasporto) ha rotto l’equilibrio che si
era mantenuto prima dell’inurbamento.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Le energie rinnovabili
Sono da considerarsi
energie rinnovabili
quelle forme di energia
generate da fonti il cui
utilizzo non pregiudica
le risorse naturali o che
per loro caratteristica
intrinseca si rigenerano
o non sono "esauribili"
nella scala dei tempi
"umani".
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Classificazione delle fonti rinnovabili
Secondo l’IEA (International Energy Agency), le
fonti energetiche rinnovabili possono essere
raggruppate nelle seguenti categorie:
Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida,
prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti
solidi urbani (frazione rinnovabile)
Energia idraulica: large & small hydro
Fonti alternative o nuove: energia geotermica,
energia solare (termico e fotovoltaico), energia
eolica, energia delle maree, delle onde e degli
oceani.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sviluppo e sostenibilità
lo Sviluppo sostenibile è uno sviluppo che soddisfa i
bisogni del presente senza compromettere la possibilità
delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sviluppo e sostenibilità : un secondo parere
Nel 1991 le Nazioni Unite
e il WWF definiscono lo
sviluppo sostenibile
come:
Un miglioramento della
qualità della vita, senza
eccedere la capacità di
carico degli ecosistemi di
supporto, dai quali essa
dipende
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Lo sviluppo e le sue conseguenze
Il miglioramento
della qualità della
vita ( cibo , igiene,
cure mediche ) ha
comportato un
incremento della
popolazione
mondiale.
Nel 2040 ci saranno
9 miliardi di persone.
Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno
(dati U.S. PRB)
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Lo sviluppo e le sue conseguenze
Lo sviluppo della
società è finora
legato
all‟incremento dei
consumi
Fonte:
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Gli aspetti della sostenibilità
Sostenibilità
Ambientale Energetica
Economica
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Riserve disponibili : petrolio
Riserve disponibili
1 350 000 milioni di barili
Ritmo di consumo attuale
31 000 milioni di barili/anno
Autonomia
43 anni
Fonte:
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Riserve disponibili : carbone
Riserve disponibili
2 600 000 milioni di ton
Ritmo di consumo attuale
4 500 milioni di ton/anno
Autonomia
570 anni
Fonte:
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Riserve disponibili : gas naturale
Riserve disponibili
135 000 000 milioni di m3
Ritmo di consumo attuale
2 450 000 milioni di
m3/anno
Autonomia
55 anni
Fonte:
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Aspetti ambientali della sostenibilità
L’utilizzo di combustibili fossili libera anidride carbonica
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Roger Revelle e le misurazioni di CO2
Le misurazioni della concentrazione di CO2 a largo di
Mauna Loa (Hawaii) hanno evidenziato un incremento
costante dal 1958 ad oggi
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il ciclo della CO2 Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il clima sta davvero cambiando ?
Ghiacciaio Upsala
1928 Patagonia (Argentina)
2008
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il clima sta davvero cambiando ?
1963 1973
1987 2001
Lago
Chad
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il clima sta davvero cambiando ?
Le misurazioni della CO2
presente nei ghiacciai
permettono di stabilire
l’andamento storico della
concentrazione in
atmosfera .
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Prospettive di sviluppo delle fonti
rinnovabili
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il concetto di “densità di potenza”
La densità di potenza è la potenza generata o
utilizzata per unità di superficie.
SOLE PANNELLI SOLARI FIAT PANDA
1000 W/m2 150 W/m2 8000 W/m2
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica
La causa dei venti è il differente
riscaldamento di varie zone
della superficie terrestre
Circa il 1-2% dell‟energia solare
viene convertita in vento
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica
Piccola taglia potenza < 100 kW
Media taglia 100 kW < potenza < 1000 kW
Grande taglia potenza > 1000 kW
Dimensioni dei rotori delle turbine comprese tra 1 e 112 metri
Soglia minima di inserimento: 3 m/s
(tipica di ciascuna macchina)
Velocità del vento “nominale”: 12-15 m/s
Aerogeneratore è posto fuori servizio >
per velocità del vento: 25 m/s
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica
La legge di Betz
dice che è possibile
convertire
solamente il 59%
dell„energia cinetica
contenuta nel vento
Una turbina eolica devia il vento già prima che arriva alla turbina
stessa.
Questo significa che non sarà mai possibile sfruttare tutta l‟energia
del vento.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica : curva di potenza
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica : tipologia di pale
Asse verticale: fino 10 kW Asse orizzontale: 0,6 a 2 MW
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica : limitazioni
• Scarsa densità di potenza ( 400-600 W/m2 )
• Potenzialità limitata in alcune regioni
• Accettabilità sociale dovuta all’impatto visivo
• Scarsa adeguatezza del sistema elettrico nazionale
• Presunti danni alla fauna locale o alla quiete (uccelli
migratori , rumore )
Il potenziale eolico in Italia è stimato in circa 16 GW, e la
media delle ore di funzionamento è di 1400 h/a
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica : impatto ambientale
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica :
potenziale
impatto
sull’avifauna
Zone di passo rotte
di migrazione
Fasce ventose
autostrade del cielo
Siti di nidificazione
dei rapaci
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia eolica : discontinuità
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Le centrali idroelettriche
Richiede la presenza di un grosso bacino artificiale
di acqua
Spesso vengono utilizzate per soddisfare alle
richieste energetiche negli orari di punta.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il serbatoio è un bacino
artificiale spesso di tipo
stagionale.
Sono rari quelli ad acqua fluente
L’opera di sbarramento può
essere a gravità o ad arco-
cupola
Le condotte forzate
sono tubi in acciaio
In esse l’acqua acquista l’energia o in cemento
cinetica sufficiente a muovere le armato
turbine
Le turbine possono essere di 3 tipi: Pelton,
Francis e Kaplan, rispettivamente per grandi,
medi e piccoli dislivelli
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Le centrali idroelettriche : limitazioni
• Fortemente dipendente da disponibilità ambientale
• Fatta eccezione per le centrali ad acqua fluente, la
produzione elettrica è discontinua.
• Accettabilità sociale ( impatto visivo , credibilità
delle istituzioni )
• Forte impatto ambientale sulla flora e fauna
Il potenziale idroelettrico mondiale è stimato in circa
3900 GW (contro i circa 700 GW installati)
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010L’energia geotermica
Sfruttamento
dell’acqua iuvenile
calda e del vapore
nelle aree di
attività vulcanica e
tettonica;
In alcune zone l‟energia geotermica può essere sfruttata iniettando
acqua nel sottosuolo per creare vapore che può quindi essere
utilizzato per generare elettricità o teleriscaldamento
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sistema geotermicoL’energia geotermica : classificazione Sistemi a vapore secco o “a vapore dominante” Sistemi a vapore umido o “ad acqua dominante” Sistemi ad acqua calda (T
La geotermia a Ferrara Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
La geotermia a Ferrara
Acqua calda a forte contenuto salino ( 100°C circa )
Il fluido viene pompato verso la superficie dalla profondità
di circa 1000 m attraverso due pozzi di prelievo, e poi,
ceduta l’energia termica al fluido della rete TLR attraverso
uno scambiatore, reiniettato tramite un pozzo di
immissione.
Dati di riferimento :
Portata complessiva 400 m3/h
Temperatura fluido geotermico 100-105 °C
Temperatura fluido TLR in mandata 90-95 °C
Temperatura fluido TLR in ritorno 60-65 °C
Potenza termica nominale 14 MWt
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010La geotermia a Ferrara: un approccio
integrato
• Una sorgente geotermica rinnovabile
• Una sorgente rinnovabile costituita dal
termovalorizzatore RSU (140.000 tons/anno)
• Una sorgente tradizionale costituita da una centrale
integrativa a metano
• Una centrale di pompaggio da cui si rilancia l’acqua
verso la rete cittadina (fino a 3000 m3/h)
• Quattro serbatoi di accumulo da 1.000 m3
• Una centrale termica ubicata presso l’ospedale S.
Anna
• La rete di distribuzione per il teleriscaldamento
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse
Con il termine “biomasse” si intendono sostanze di
origine biologica in forma non fossile:
– materiali e residui di origine agricola e forestale;
– prodotti secondari e scarti dell‟industria agroalimentare;
– reflui di origine zootecnica;
– rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge,
mediamente, il 40 % in peso).
Tra le biomasse vengono inoltre considerate:
Alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente
coltivate per essere destinate alla conversione energetica;
Altre specie vegetali utilizzate per la depurazione di
liquami organici.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse: l’origine nella fotosintesi
Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano
l’apporto energetico dell’irraggiamento solare per convertire
l’anidride carbonica atmosferica e l’acqua nelle complesse molecole
di cui sono costituiti o che compaiono nei loro processi vitali:
carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente
illimitato di prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione
CO2 H 2O energia solare Cn H 2O m O2
Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate
complessivamente circa 21011 tonnellate di carbonio all‟anno, con
un contenuto energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di
petrolio, circa 10 volte l‟attuale fabbisogno energetico mondiale
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse: tipologie
Biomasse
Residui organici Colture energetiche
forestali Trasformazione tecnologica agricoli terrestri acquatiche
di prodotti e consumi
•Alimentari •Animali
• vegetali
•Non alimentari •Vegetali
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse: colture per la produzione
energetica
Coltivazioni energetiche erbacee:
annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf);
perenni (la canna comune ed il miscanto).
Coltivazioni energetiche legnose:
boschi cedui tradizionali;
siepi alberate.
Caratteristiche qualitative della biomassa:
colture oleaginose (ad es. girasole, colza);
alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola, cereali);
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse: considerazioni
Le biomasse si possono considerare risorse primarie
rinnovabili purché vengano impiegate ad un ritmo
complessivamente non superiore alle capacità di
rinnovamento biologico.
Scarsa densità di potenza: per convertire la centrale di
Porto Tolle a biomasse occorrerebbe il 75 % della
superficie agricola del veneto.
Possono avere un valore strategico nella eliminazione
dei reflui d‟allevamento.
ATTENZIONE AL BILANCIO ENERGETICO !
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Biomasse : costi (fonte IEA)
BIOMASSE
Riduzione di
Costo attuale Riduzione di
costo nei
Tecnologia costo negli ultimi
(€/kWh) prossimi dieci
dieci anni (%)
anni (%)
Combustione di
0,02 – 0,14 Costante Crescita continua
rifiuti
Digestione
0,02 – 0,14 5 – 10 5 – 10
anaerobica
Gas di rifiuti 0,04 – 0,06 10 - 15 Costante
0,04 – 0,07
5 – 10 (calore) 10 – 20 (calore)
Biomasse solide (calore)
10 – 15 (en. el.) 40 – 70 (en. el.)
0,08 – 0,1 (en.el.)
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Energia solare : l’origine delle fonti
rinnovabili
Applicazioni a bassa temperatura
Produzione di acqua calda per usi idrico sanitari;
Riscaldamento degli edifici (sistemi attivi o passivi);
Applicazioni fotovoltaiche
Applicazioni ad alta temperatura
Produzione di energia elettrica (solare termodinamico);
Alimentazione di processi chimici e termofisici;
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Quanta energia invia il sole sulla terra ?
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Concentrare la luce del sole per…
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il solare termodinamico: la centrale
SEGS di Kramer Junction (CA)
• Potenza di 350 MW
• Temperatura di esercizio di
380 °C
• Sistema operativo da 20 anni
• Utilizzo di olio minerale come
fluido vettore
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il solare termodinamico: lo schema
tipico dell’impianto
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Il progetto Archimede (ENEA)
• Potenza di 20 MWe
• Area totale 183000 m2
•Temperatura di esercizio
di 290 – 550 °C
• Utilizzo di sali fusi come
fluido vettore: NaNO3
(60%) KNO3 (40%)
• Possibilità di accumulo
termico e di
accoppiamento con una
centrale convenzionale
• Il sale fuso solidifica a
238 °C
• Il coating dei tubi
Installazione a Priolo Gargallo (SR) degenera a 600 °C
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010La conversione fotovoltaica e la
separazione della cariche fotogenerate
E
h
Ec
V EF
x
Ev
n-region p-region
Il sole invia sulla superficie terrestre circa 1000 W/m2, ma le celle
fotovoltaiche convenzionali ne riescono a convertire circa il 15 %
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010La produzione del silicio di grado
elettronico
Quarzite (SiO2)
18 kg
Fornace ad arco
SiO2+2CSi+2CO2
Reazione con H2 (1200 °C) Distillazione
HSiCl3 + H2 Si + 3HCl (200-400 °C) HSiCl3
HSiCl3 HSiCl3 HClDal feedstock ai wafer di Silicio
Crescita Czochralski (1400 °C) Lingotti monocristallini
Tagli, Lappatura, Lucidatura
Wafers (1 kg)Analisi economica dei pannelli PV
Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti
Assemblaggio
Materiale
31
45
23
Lavorazione della cella
Il costo finale del sistema é di circa 3-4 €/W
Il mercato dei pannelli PV piani è attualmente sostenuto da un politica
di incentivi fiscali (CONTO ENERGIA)
Il costo e la reperibilità del Si sono attualmente il limite più
significativo allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica standard
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Produzione annuale di polysilicon
(feedstock) nel 2007:
37.500 ton
CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità di silicio è
appena sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza
complessiva di 3500 MW.
Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero
appena 3.5 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale
fornirebbe meno dell’1% del fabbisogno della sola Italia.
La European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prevede un aumento
della produzione di polysilicon fino a 80.000 ton nel 2010
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Occorrono nuove tecnologie
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Solare fotovoltaico: tecnologia a film sottile
First Solar Advanced Thin-Film PV Modules at the
Tucson Electric Power Array in Arizona.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Solare fotovoltaico: moduli a film sottile
Utilizzatore Metallo
Conduttore
trasparente
Luce solare
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Solare fotovoltaico: moduli a film sottile
Nelle celle solari a film sottili la quantità di
materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella
usata per i moduli cristallini.
Il processo di fabbricazione può essere
completamente automatizzato e una produzione di
un modulo al minuto può essere ottenuta
Il substrato è un vetro comune a basso costo
Un costo di produzione inferiore a 0.5 $/W
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Celle fotovoltaiche a film sottile
attualmente in produzione
1. Silicio amorfo: -Si, efficienza massima 13%
2. CuGaInSe2/CdS, efficienza massima 19.8%
3. CdTe/CdS, efficienza massima 16.5%
La tecnologia CdTe/CdS è la
più scalabile perché si basa su Mo 150 nm
tecniche semplici, veloci e As2Te3 200 nm
facilmente industrializzabili
ZnO 150 nm
ITO 400 nm
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Film sottile: il processo industriale
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Film sottile: limitazioni
Circola una favola messa in giro da persone non
esperte o interessate che dice: i moduli a base di
CdTe/CdS sono pericolosi perché contengono Cd.
La normativa internazionale spesso non è adeguata
L‟efficienza dei moduli a film
sottile è tipicamente attorno al
10 % , contro una efficienza
tipica del 15 % per i moduli in Si
Predisposizione delle banche alle nuove tecnologie.
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Un approccio alternativo ai pannelli
fotovoltaici piani: i sistemi a concentrazione
Utilizzando sistemi a concentrazione a 200 soli
basterebbero solo 1500 ton di polysilicon per
soddisfare il 10% del fabbisogno italiano
L’idea è sostenibile sia per l’impatto ambientale che per
il payback energetico
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Fotovoltaico a concentrazione
Concentratore sviluppato presso i Sandia National Laboratories negli anni1970
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Raffreddamento
Specchi o lenti (elementi Celle: Disegno
di concentrazione): alta particolare,
superficie, resistenza efficienze > 20%.
ambientale
Inseguimento10 cm
Esempi di concentratore solare con superfici riflettenti.
(area di raccolta 2.5 m2, fattore di concentrazione 100x)
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Modulo Fotovoltaico a concentrazione Rondine Installazione di test presso l’Università di Ferrara
Sistemi fotovoltaici a concentrazione
Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA
UC Merced, Merced CA Concentrix Solar GmbH
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010La quantità di silicio viene ridotta in ragione del fattore di
concentrazione.
L’efficienza di conversione del sistema è limitata dal fatto
che ogni materiale semiconduttore ha “gap energetico”
che non gli permette di convertire tutto lo spettro solare.
Una possibile soluzione per aumentare
l’efficienza è rappresentata dalle
Celle solari multigiunzione basate su
semiconduttori composti III-V
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Celle fotovoltaiche multigiunzione
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Efficienze di conversione a confronto
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Limiti delle celle solari multigiunzione
Grande complessità realizzativa.
Se uno strato non funziona
l‟intero dispositivo smette di
produrre energia.
Elevato costo e grande scarsità di
materiale di substrati
monocristallini Ge e GaAs
(altissima concentrazione).
Lo spessore di ciascun film attivo
è calcolato sulla base di
particolare spettro solare
La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore
richiede l‟utilizzo di efficienti sistemi di raffreddamento
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Un solo raggio, ma molte lunghezze d’onda
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Concentratore solare composito
Il concentratore è costituito da due
collettori faccettati con asse ottico
traslato. Il “guscio” esterno è in PMMA
ed è rivestito da un film dicroico
> 650 nm
<
Si
InGaP
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Bilanciamento spettrale del sistema
Occorre prendere in
considerazione anche la
tensione ai capi di cella (Voc
o Vmax)
Grafico dell‟ ”efficienza
monocromatica” per celle in
Si e InGaP
Attraverso la misura della RS,
della tensione Voc e del FF
in condizioni standard (AM
1.5) è possibile stimare
l‟efficienza globale del
sistema a separazione
spettrale
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Concentratore modulare
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Energie rinnovabili: il panorama Italiano
Fonte: GSE
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Energie rinnovabili: il panorama Italiano
Fonte: GSE
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Energia solare: il panorama Italiano
Fonte: GSE
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Energie Rinnovabili: le direttive europee
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010Grazie per l’attenzione
Puoi anche leggere
