Fonti Energetiche Rinnovabili - Niccolò Aste Politecnico di Milano - Si Energia
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Niccolò Aste
Politecnico di Milano
Fonti Energetiche Rinnovabili
DEFINIZIONE NORMATIVA 2 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.)” niccolo.aste@polimi.it
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FOTOVOLTAICO
niccolo.aste@polimi.it
TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA 4 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. niccolo.aste@polimi.it
CELLA FOTOVOLTAICA (1) 5
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.
Cella in silicio cristallino
Pcella
ηcella
ISTC Acella
P=VI
Cella in silicio amorfo
CELLA CRISTALLINA 15 x 15 cm2
STANDARD TEST CONDITIONS efficienza: 18%;
temperatura alla giunzione 25°C corrente generata: 8 A;
irradianza 1.000 W/m² (incidenza normale rispetto al voltaggio: 0,5-0,55 Vcc;
piano della cella) potenza erogata: 4 W.
spettro solare AM 1,5
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CELLA FOTOVOLTAICA (2) 6 La cella fotovoltaica può essere realizzata con diversi materiali (principalmente silicio cristallino ed amorfo) e con differenti finiture superficiali. niccolo.aste@polimi.it
MODULO FOTOVOLTAICO (1) 7
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
niccolo.aste@polimi.it
MODULO FOTOVOLTAICO (2) 8 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. niccolo.aste@polimi.it
MODULO FOTOVOLTAICO (3) 9 Oltre ai modelli di tipo standard, esistono sul mercato numerose varianti, atte ad impieghi particolari. niccolo.aste@polimi.it
MODULO FOTOVOLTAICO (4) 10
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.).
Pmod
η mod
ISTC Amod
ηeff = ηmod × kγ × kθ × kλ
niccolo.aste@polimi.itMODULO FOTOVOLTAICO (5) 11
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.
100 t c 25 NOCT 20
k tc ta I
100 0,8
niccolo.aste@polimi.itGENERATORE FOTOVOLTAICO 12 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. niccolo.aste@polimi.it
INVERTER 13
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.
Pout
inverter
Pin
niccolo.aste@polimi.itIMPIANTO FOTOVOLTAICO 14 L’impianto fotovoltaico è composto dal generatore e dal BOS (balance of system), che comprende tutti i componenti non fotovoltaici (inverter, quadri, cablaggi). niccolo.aste@polimi.it
CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE 15 Gli impianti fotovoltaici possono essere raggruppati in 3 tipologie fondamentali: isolati (stand alone), connessi alla rete (grid connected) e ad utilizzo diretto. niccolo.aste@polimi.it
STIMA DELLA PRODUTTIVITÀ 16
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.
H
E PV PPV PR
ISTC
PR k k k BI k k W INV
niccolo.aste@polimi.it17
SOLARE TERMICO
niccolo.aste@polimi.itTECNOLOGIA ELIOTERMICA 18 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. niccolo.aste@polimi.it
COLLETTORI SOLARI 19 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. niccolo.aste@polimi.it
ACCUMULO, CIRCOLAZIONE E CONTROLLO 20
Il funzionamento dell’impianto eliotermico è basato su una logica di flusso ciclico controllato del
fluido termovettore tra collettori ed accumulo.
Serbatoi di
accumulo con
scambiatori termici
Tubazioni coibentate Circolatori Centraline di controllo
niccolo.aste@polimi.itCONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE 21
Distribuzione del fabbisogno
15%
85%
riscaldamento
ACS
Produzione Acqua Calda Sanitaria (ACS) ed
integrazione al riscaldamento
Distribuzione del fabbisogno
0% 100%
riscaldamento
ACS
Produzione Acqua Calda Sanitaria (ACS)
niccolo.aste@polimi.itDIMENSIONAMENTO DI MASSIMA 22 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.). niccolo.aste@polimi.it
STIMA DELLA PRODUTTIVITÀ 23
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.
Carico giornaliero
12
10
8
%
6
4
2
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
ora
f = 1,029Y – 0,065X – 0,245Y2 + 0,0018X2 + 0,0215Y3
niccolo.aste@polimi.itPARAMETRI ADIMENSIONALI 24
AFr ' U L ( t r t a ) AFr ' ()HN
X Y
L L
X (11,6 1,18 t w 3,86 t m - 2,32 t a )
Xc
100 - t a
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
niccolo.aste@polimi.itSOLAR COOLING 25 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. niccolo.aste@polimi.it
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GEOTERMIA
niccolo.aste@polimi.itENERGIA GEOTERMICA 27
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.
Alta entalpia, per calore ad Bassa entalpia, per calore a
alta temperatura: bassa temperatura:
generazione elettrica generazione termica
niccolo.aste@polimi.itMECCANISMI DI SCAMBIO TERMICO 28 La geotermia a bassa entalpia sfrutta gli strati superficiali del terreno (entro i 200 m di profondità), per sottrarre o cedere energia termica. 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). niccolo.aste@polimi.it
POMPE DI CALORE GEOTERMICHE 29 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). niccolo.aste@polimi.it
DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA 30 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. Scambio con il terreno: Scambio con acqua: 1 kW termico 150-200 litri/ora niccolo.aste@polimi.it
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ENERGIA DA BIOMASSE
niccolo.aste@polimi.itIMPIANTI A BIOMASSA 32 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. niccolo.aste@polimi.it
CALDAIE A BIOMASSA 33 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”. niccolo.aste@polimi.it
BIOGAS E GAS DI DISCARICA 34 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 niccolo.aste@polimi.it
COGENERAZIONE DA BIOMASSA 35 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. niccolo.aste@polimi.it
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EOLICO
niccolo.aste@polimi.itTECNOLOGIA EOLICA 37 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. niccolo.aste@polimi.it
IMPIANTI EOLICI 38
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.
niccolo.aste@polimi.itSTIMA DELLA PRODUTTIVITÀ 39
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
P = Potenza elettrica erogata [W];
α = 0.12 – 0.17;
D = diametro del rotore [m];
v = velocità del vento [m/s].
α = 0.15
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