La utilizzazione dell' energia solare - Paolo Di Marco Dipartimento di Energetica, Università di Pisa ...
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La utilizzazione
dell’ energia solare
Paolo Di Marco
Dipartimento di Energetica, Università di Pisa
p.dimarco@ing.unipi.it
http://www.ing.unipi.it/~d6600
Sommario Introduzione: Cosa è l’energia, come si misura. Quali leggi fisiche la regolano. Da dove proviene l’energia che usiamo. Di quanta energia abbiamo bisogno. Utilizzazione diretta dell’energia solare: Caratteristiche dell’irraggiamento solare. Solare fotovoltaico. Solare termico ad alta temperatura. Solare termico a bassa temperatura. I pannelli solari termici: Principio di funzionamento. Schema di impianto. Dimensionamento di massima.
Cosa è, come si misura
Energia: la potenzialità di un sistema di
eseguire lavoro, ovvero di spostare il punto
di applicazione di una forza.
L’energia può essere potenziale, cinetica,
chimica, elastica, termica, nucleare …
L’unità di misura internazionale
dell’energia è il joule [J] = 1 Nm
Altre unità tecniche: James P. Joule
• chilovattora, kWh 3.6 MJ 1818-1889
• caloria, kcal 4 kJ
• tonnellata equivalente di petrolio, tep 40 GJ
• british thermal unit, btu 1 kJ
Ad esempio:
fabbisogno energetico umano giornaliero medio
2500 kcal 10 MJ 3 kWh 0.0003 tep
ATTENZIONE! Non confondere l’energia con la potenza (energia per unità
di tempo, che si misura in watt)
Conservazione dell’energia
L’energia si conserva, ovvero non si può
creare nè distruggere ma solo trasformare
(primo principio della termodinamica:
L’energia dell’universo è costante, 1865)
Rudolf Clausius
1822-1888
In seguito, la teoria della relatività
ha stabilito che si può ottenere
energia a spese della massa (e
viceversa) secondo la famosa
equazione E = m c2
Albert Einstein
Quindi, più propriamente: 1879-1955
PRODURRE ENERGIA > CONVERTIRE ENERGIA
CONSUMARE ENERGIA > DEGRADARE ENERGIA
L’efficienza di conversione
"Non si dà cultura
là dove si sappia
tutto della guerra energia entrante
dei trent'anni e
niente del secondo
principio della
termodinamica" MACCHINA
(Elio Vittorini)
energia energia Sadi Carnot
utile dissipata 1796 - 1832
Efficienza di conversione o rendimento: rapporto tra l’energia in
ingresso in una macchina e l’energia utilizzabile prodotta (minore di uno).
Il francese Sadi Carnot dimostrò per primo nel 1824 che se l’energia
entrante è di natura termica il rendimento ha un limite fisico superiore
generalmente abbastanza basso (secondo principio della
termodinamica: non è possibile la conversione integrale di calore in lavoro
nelle macchine).
Energia rinnovabile e non rinnovabile Energia rinnovabile: energia che viene consumata ad un tasso pari a quello con cui viene reintegrata (es. idrolelettrica). Si includono anche le fonti di entità praticamente illimitata, come l’energia geotermica e da fusione nucleare. Energia non rinnovabile: energia che viene consumata ad un tasso superiore a quello con cui viene reintegrata. Tipicamente i combustibili fossili (petrolio, carbone e gas naturale). Sono soggette ad esaurimento.
Origine dell’energia che utilizziamo
Solare
• solare termico e fotovoltaico
• eolico
• idrolettrico
• biomasse
• combustibili fossili (petrolio, gas, carbone)
Nucleare
• fissione – rottura di un nucleo pesante
• fusione – unione di due nuclei leggeri
• energia geotermica
Gravitazionale rinnovabile
non rinnovabile
• maree
I combustibili fossili: problematiche Approvvigionamento: i paesi produttori sono in genere diversi da quelli consumatori. Il costo dei combustibili è soggetto alle tensioni politiche internazionali. Inquinamento: la combustione produce sostanze inquinanti di vario tipo che si disperdono nell’atmosfera assieme ai fumi di scarico. Esaurimento: petrolio e gas naturale vengono consumati in un tempo enormemente inferiore a quello con cui sono stati generati in natura.
I consumi energetici attuali
Nel mondo:
2000: 10 Gtep/anno - 90% da combustione
pari al contenuto di 37000 superpetroliere
pari all’energia solare che raggiunge la terra in 1 ora.
2020: 11.5 - 15.5 Gtep
(inquinamento - esaurimento delle risorse)
Famiglia italiana media:
circa 10 kWh di energia elettrica al giorno (36 MJ)
sufficiente a sollevare la famiglia ad un’altezza di
12000 m (quota di volo di un aereo).
E = mgh = 36 106 J
E 36 106
h= = 12000 m
m g 300 9.81
Fabbisogno mondiale attuale
Fabbisogno mondiale di energia nel 1990 …
9
Amérique 9 Gtep
du Nord
Consumo pro-capite, tep
6
La superficie dei rettangoli
Australie rappresenta il consumo di
Japon energia primaria
Russie-PECO
3
Amérique Moyen-
latine Orient
Chine … Afrique
Asie du Sud
0
Europe de
0 2 4 6
l’Ouest Popolazione mondiale, miliardi
Source : « World Energy Assessment », 2001Fabbisogno mondiale - proiezione
Amérique
9du
Nord
… nel 2050
20 Gtep
6
Consumo pro-capite, tep
Australie
Japon
Russie
3 Amérique
latine Chine …
Moyen-Orient
Afrique Asie du Sud
0
0 Europe de 2 4 6 8 10
l’Ouest Popolazione mondiale, miliardi
Source : « World Energy Assessment », 2001Il Globalismo Ambientale (1980-2000) Protocollo di Helsinki (1985) - 8 paesi europei concordano una riduzione del 30% rispetto al 1980 nelle proprie emissioni di SO2 e NO2. Uno dei primi esempi di accordi volontari internazionali intesi a porre rimedio a questioni di inquinamento transnazionale Protocollo di Montreal (1988) - 24 paesi industrializzati si accordano per una riduzione nella produzione e emissione di sostanze con effetti sull'ozono e sulla cessazione della produzione di CFC & idrocarburi alogenati (HCFC) entro il 1996 Conferenza mondiale sullo sviluppo Rio de Janeiro (1992): – pone la questione ambientale al centro dell’attenzione – Europa e Giappone assumono un ruolo guida – emerge il ruolo ostruzionistico US (hanno più da perdere …) Protocollo di Kyoto (1997): adottato formalmente da 160 nazioni. I paesi industrializzati si impegnano a ridurre emissioni di gas clima alteranti del 5.2% rispetto al 1990 entro il 2012. Paesi come Cina e India hanno visto in questo un limite alle loro prospettive di crescita economica.
Anni 2000: L’Emergere degli Opposti Radicalismi • Troppo elevata o troppo scarsa considerazione dell’ambiente • L’ambiente DIVIDE: Paesi in via di sviluppo da Paesi sviluppati, Europa da USA
Il fabbisogno italiano e le emissioni di CO2
Fabbisogno energetico totale italiano anno 2005: 195 Mtep
Stima nel 2030: 275 Mtep
Conversione e perdite 51 Mtep
Consumi finali 144 Mtep
di cui: industria 44 Mtep
trasporti 44 Mtep
civile (riscaldamento) 47 Mtep
(1 Mtep = 11.6 TWh = contenuto di 3 superpetroliere)
Fabbisogno elettrico italiano anno 2004: 346.8 TWh
Produzione CO2 anno 2004 in Italia: 477 Mt
Emissioni di CO2 stabilite dal protocollo
di Kyoto per l'Italia entro il 2012: 392 MtL’effetto serra
L’energia solare arriva sulla terra sotto forma di radiazione
visibile e ultravioletta; la terra riemette l’energia verso lo
spazio sotto forma di radiazione infrarossa.
L’equilibrio tra la radiazione ricevuta e qualla riemessa fa sì che
la temperatura della terra e dell’atmosfera si mantengano
costanti.
I gas-serra (principalmente la CO2) sono trasparenti alla
radiazione visibile ma non all’infrarosso. Ostacolano pertanto
la dissipazione di calore e fanno aumentare la temperatura
terrestre.
In completa assenza di gas-serra, la temperatura media terrestre
sarebbe -19°C. L’aumento di concentrazione di gas serra fa
aumentare la temperatura.La riduzione dell’emissione di CO2 Le emissioni di CO2 possono essere ridotte: • Risparmiando energia, razionalizzando i consumi. • Producendo energia con impianti di efficienza maggiore (cioè bruciando meno combustibile a parità di energia prodotta). • Usando fonti di energia che non producono CO2 (solare, eolico, geotermico, idroelettrico, biomassa). • Recuperando la CO2 dai fumi e immagazzinandola in luoghi sicuri (CCS, cattura e sequestro della CO2).
“From cradle to grave”
(dalla culla alla tomba)
1000
900
800
Emissioni per kWh
700
600
500
400
300
200
100
0
p.
va
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b.
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So
G
C
CO2-Equivalente [g/kWh] Acidificazione [mg/kWh] (dati DLR, Stoccarda)
Valutazione della emissione di CO2 e altri inquinanti per varie fonti di energia
considerando il ciclo “integrale” (inclusi produzione e smaltimento). Dati DLR,
Stoccarda.Sommario Introduzione: Cosa è l’energia, come si misura. Quali leggi fisiche la regolano. Da dove proviene l’energia che usiamo. Di quanta energia abbiamo bisogno. Utilizzazione diretta dell’energia solare: Caratteristiche dell’irraggiamento solare. Solare fotovoltaico. Solare termico ad alta temperatura. Solare termico a bassa temperatura. I pannelli solari termici: Principio di funzionamento. Schema di impianto. Dimensionamento di massima.
Energia dal sole L’energia solare viene continuamente irradiata verso la terra dal sole con una potenza di picco (al di fuori dell’atmosfera) di 1353 W/m2 (la cosiddetta costante solare). A seconda della latitudine, dell’altitudine e della nuvolosità, su ogni metro quadro di superficie terrestre orizzontale “piovono” in media ogni giorno da 2 a 9 kWh (in Italia la media è intorno a 4 kWh) con una potenza di picco di circa 1 kW.
Potenza irraggiata dal sole
andamento temporale
radiazione giornaliera globale
1200
21/12 (1.1 kWh/d
21/6 (7.8 kWh/d)
1000
800
2
W/m
600
400
200
0
0 3 6 9 12 15 18 21 24
ora
Potenza solare irraggiata su superficie orizzontale, latit. di Pisa
Varia con ora e nuvolosità
(Elaborazione di Marco Mucci)Energia irraggiata dal sole
Vantaggi:
• Rinnovabile.
• Abbondante.
• Basso impatto ambientale.
• Nessuna emissione di CO2 (in
esercizio).
Svantaggi:
• Intermittente (giorno-notte).
• Variabile (ora, nuvolosità).
• Elevati costi di installazione.
• Elevata superficie occupata.L’utilizzo dell’energia solare • Solare termico: Solare fotovoltaico: • Alta temperatura (a • Stand Alone. concentrazione). • Grid connected. • Bassa temperatura.
Energia solare fotovoltaica
L’energia elettrica prodotta dai
pannelli (corrente continua, 15 V)
viene trasformata in corrente
alternata dall’inverter. Una
interfaccia gestisce gli scambi con
la rete ENEL in bassa tensione.
Il rendimento di conversione è
basso (0.1-0.2)
Il costo dei pannelli è ancora
elevato.
L’energia fornita è discontinua
(giorno-notte, nuvole…)Efficienza della cella FV EFFICIENZA: Frazione di energia luminosa incidente trasformata in energia elettrica disponibile. Valori tipici: 12%
Andamento dei costi e dell’efficienza
I costi dei moduli fotovoltaici per Watt di picco installato, sebbene
ancora molto elevati (3000-7000 €/kW), sono suscettibili di riduzione:
Secondo il trend si ha un abbassamento del costo pari al 18% ogni
raddoppio di potenza installata nel mondo.
Si stima che, raggiunta una potenza di 100 GW, si arriverà ad un costo
di 1000 $/kW.
L'andamento dell'efficienza
delle celle solari nel tempo
dimostra chiaramente che:
L'aumento dei rendimenti nel
tempo è riconducibile
all'avvento di nuove tecnologie.
Si prospetta per il futuro il
raggiungimrnto di rendimenti
prossimi a quelli teorici.Energia solare termica ad alta T
Progetto Archimede
(ENEA): Specchi parabolici
orientabili riscaldano dei
sali fusi alla temperatura
550 °C
di 550 °C
I sali riscaldano vapore
acqueo che aziona una
turbina.Energia solare termica ad alta T Torre solare (Sanlucar, Siviglia, Spagna): Progetto PS10: gli specchi orientabili (eliostati) concentrano la radiazione sul ricevitore che invia aria calda al generatore di vapore, che produce vapore per una turbina. Potenza di picco: 11 MW, 624 specchi da 120 m2 (7.5 ha)
Sommario Introduzione: Cosa è l’energia, come si misura. Quali leggi fisiche la regolano. Da dove proviene l’energia che usiamo. Di quanta energia abbiamo bisogno. Utilizzazione diretta dell’energia solare: Caratteristiche dell’irraggiamento solare. Solare fotovoltaico. Solare termico ad alta temperatura. Solare termico a bassa temperatura. I pannelli solari termici: Principio di funzionamento. Schema di impianto. Dimensionamento di massima.
Pannello solare a bassa temperatura
(principio di funzionamento)
radiazione Principali caratteristiche
solare acqua calda
Wirr [W]
circolazione: naturale o
forzata.
radiazione • efficienza: energia perduta
riemessa
per scambio termico con
o
(infrarosso) tiv
l’ambiente
et
ot
o
(convezione/irraggiamento)
pr
d
ui
o
o
ic
• vernice selettiva: assorbe
liq
tr
rm
ve
le
te
molto nel visibile, emette poco
na
e
ca
nt
nell’infrarosso
a
ol
• vetro protettivo: riduce le
is
perdite termiche convettive e
radiative
• tubi sottovuoto: (opzionali)
acqua fredda riducono ulteriormente le
m [kg/s]
perdite radiative.
• altre perdite termiche:
nelle tubazioni e nel boiler.
Wirr = m cp (Tin-Tout)
Efficienza media 40-55%
(più alta se sottovuoto)Schema di impianto tratto da: I PANNELLI SOLARI AUTOCOSTRUITI - LA PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO A cura dell’Ing. Natale Sartori
Schema di impianto
PRINCIPALI
PARAMETRI DA DIMENSIONARE
(in funzione del fabbisogno):
• superficie dei pannelli
• inclinazione e orientazione
dei pannelli
• volume del serbatoio di
accumulo (boiler)
• volume del vaso di
espansione
• superficie dello scambiatore
• diametro delle tubazioni
tratto da: I PANNELLI SOLARI AUTOCOSTRUITI - LA PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO
A cura dell’Ing. Natale SartoriFabbisogno di acqua
USO FABBISOGNO
(litri/persona giorno)
Abitazione 50
Ostello 35
Campeggio 30
Hotel economico 100
Hotel di lusso 160
Docce sportive 35
Ospedale 60
Casa riposo 40
Caserma 30Superficie dei pannelli
SUPERFICIE MEDIA CONSIGLIATA
(pannelli non sottovuoto) - 1.2 m2 per 50 L acqua calda/giorno
QUINDI, DETTO C IL FABBISOGNO TOTALE DI ACQUA CALDA
A = C*0.024 [m2]
PER PANNELLI SOTTOVUOTO RIDURRE LA SUPERFICIE DI 1/3, QUINDI
A = C*0.017 [m2]
ESEMPIO:
famiglia di 4 persone, acqua calda uso residenziale, pannello non sottovuoto
C = 50*4 = 200 litri acqua/giorno
A = C*0.024 = 4.8 m2Inclinazione/orientazione dei pannelli
ORIENTAMENTO OTTIMALE: verso sud , 30° (in assenza di ombre significative)
INCLINAZIONE OTTIMALE: - perpendicolare al sole (a Pisa 70°-23° sull’orizzonte)
- meglio che captino più di inverno (giornate brevi)
- latitudine + 10°-15° 55°-60°
- a filo tetto (15°-20°) per motivi esteticiAltri parametri
VOLUME BOLLITORE: - ca. 100 litri/persona
SUPERFICIE SCAMBIATORE: - se bassa non trasferisce il calore (v.tabella)
(circa 0.2-0.3 m2 per m2 di collettore)
DIAMETRO TUBAZIONI : - velocità del fluido 2-3 m/s
- più grandi sono meglio è (ma costano di più!).
VOLUME VASO DI
ESPANSIONE: - almeno il 10% del volume dell’impianto
tratto da: I PANNELLI SOLARI AUTOCOSTRUITI - LA PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO
A cura dell’Ing. Natale SartoriAndamento annuale
Nucleo familiare di 4 persone – 7 m2 di pannelli K16 - Bolzano
50 L di acqua a 60°C pro capite 2.5 – 3 kWh/(pers. giorno)
10 kWh/giorno (3650 kWh/anno)
tratto da: I PANNELLI SOLARI AUTOCOSTRUITI - LA PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO
A cura dell’Ing. Natale SartoriGrazie anche a:
• Andrea Di Chiara
• Sandro Paci
• Estelle Iacona
• Natale Sartori
• Marco Mucci
Grazie per l’attenzione… And may we continue to be worthy of consuming an inordinate amount of this planet’s resources…….
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