Uso ragionato dell’energia e
dell’acqua
Con il patrocinio della provincia di Pisa
e dei comuni di
Pisa , Cascina e Pontedera
e la collaborazione di
ENEL spa
Larderello 22 Marzo 2007
Dal sole e dal vento
un’antica energia per un nuovo futuro
Edmondo Amendola
Rotary Club Cascina
Dal sole e dal vento
l’energia del sole:



Sostiene tutti i processi vitali;
Determina i cicli stagionali e climatici;
E’ l’origine delle fonti energetiche derivate ed accumulate
in ere geologiche - combustibili fossili
La potenza trasmessa dal sole è circa 1,74 * 10^17 w
rapportata all’intera superficie del pianeta equivale ad una
densità media pari a 342 w/m^2
Dal sole e dal vento
Quali sono le fonti di energia di uso comune nel
mondo moderno ?
• I combustibili fossili : carbone, petrolio e gas naturale
• Rinnovabili – acqua, vento, sole, geotermia, biomasse ecc.
• Nucleare da fissione del nucleo di uranio
• Quali gli usi finali più diffusi ?
• Calore, lavoro meccanico, elettricità
Dal sole e dal vento
I consumi delle risorse primarie nel 2005
carbone
petrolio
Gas
naturale
28%
36%
23%
Rinnovabili Nucleare
7%
6%
Il totale dei consumi ammonta a 10,6 miliardi di tep
Tonnellate equivalenti di petrolio = tep
1 tep = 41,8 Gj
Dal sole e dal vento
Quali problemi emergono da questa realtà odierna ?
•
La salute ambientale è minacciata a livello locale dalla diffusione di
microinquinanti.
•
Ed a livello globale per il riscaldamento dell’atmosfera e le
conseguenti alterazioni climatiche ( effetto serra)*
•
La conservazione di risorse non rinnovabili ( combustibili fossili ) per
le generazioni future
* prevale, nell’ambito della comunità scientifica, l’attribuzione alle attività umane
Dal sole e dal vento
E il riscaldamento dell’atmosfera
Fonte IEA
Dal sole e dal vento
Il trattato di Kyoto



Per contrastare il progressivo riscaldamento del nostro pianeta
160 paesi ( 55/% di emissioni di gas serra ) hanno sottoscritto
un trattato che prevede la riduzione del 5% delle loro emissioni
riferite ai livelli del 1990 !
I paesi EU 25 hanno sottoscritto un contributo pari a 8% !
La scadenza prevista dal trattato è:
 2008 – 2012
 Questo è l’intervallo di tempo previsto per la valutazione dei
risultati raggiunti
Dal sole e dal vento
Italia a confronto
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
Emissioni CO2 al
1990
0,40
EU = 3790 Mton
Italy = 388 Mton
0,20
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
ITALIA a CONFRONTO
Italy
European Union
2001
2002
2003
2004
Dal sole e dal vento
Come pensare il futuro dell’energia ?
Per correggere le attuali linee di tendenza occorreranno
molteplici azioni volte a :
•
Determinare mutamenti nei comportamenti di vita delle
collettività attraverso il risparmio energetico;
•
Ridurre il consumo dei combustibili fossili a vantaggio di
altre forme di energia : alternative e rinnovabili
Dal sole e dal vento
Energia elettrica da fonti rinnovabili in
valori in % - Europa - 2004
BIOMASSE
16%
SOLARE
0%
GEO
1%
ER 14 % del totale
EOLICO
13%
IDRO
70%
Dal sole e dal vento
energia dal sole
Un flusso di energia solare di 1000 W/m^ 2 potrebbe:

generare 600 W sotto forma di calore introdotto in un edificio attraverso una
superficie vetrata di 1 m^2;

Trasmettere circa 300 W ad un collettore solare per riscaldare acqua ad uso
domestico

Produrre 150 W di energia elettrica con una cella fotovoltaica
l’energia del sole si presta ad usi diversi mediante l’uso di differenti tecnologie
Dal sole e dal vento
L’effetto fotovoltaico:
L’effetto fotovoltaico distingue un processo fisico attraverso il quale l’energia
di un raggio di luce solare è convertita in elettricità;
•
le celle fotovoltaiche sono costituite da materiale semiconduttore (silicio
mono o policristallino, amorfo );
•
l’energia assorbita libera elettroni appartenenti agli atomi del materiale
semiconduttore della cella FV ;
•
una f.e.m , interna alla cella, fornisce la differenza di tensione ( volt ) che
genera una corrente ( ampere ) in un circuito elettrico chiuso su un carico
utile;
•
la scoperte dell’effetto fotoelettrico risale al 1839
Edmond Becquerel
Dal sole e dal vento
la rappresentazione schematica della cella FV
1 Luce (fotoni)
4 Strato isolante
2 Contatto
5 Strato positivo
3 Strato negativo
6 Contatto
Dal sole e dal vento
Quanta energia ci perviene ?



l’energia dipende dall’intensità
locale dell’irraggiamento
(Mj/m^2*giorno)
Il flusso istantaneo della
radiazione solare è definito come
radianza (W/m^2)
L’entità dell’irraggiamento è
influenzata dalle condizioni
meteorologiche e dalla latitudine
del luogo
Localizzazione
Radianza media
W/m^2
regioni
settentrionali
300
Regioni centrali
390
Regioni meridionali
460
Dati medi annuali per l’ Italia
Dal sole e dal vento


Da un impianto fotovoltaico si
ottiene energia elettrica in
quantità nettamente inferiore a
quella ricevuta dal sole!
Questa entità varia fra il 6% ed il
15% rispettivamente per celle
prodotte con silicio amorfo o
monocristallino ;
Localizzazione
Wh/m^2 giorno
Regioni
settentrionali
216 - 542
Regioni centrali
283 - 708
Regioni meridionali
330 - 833
Valori medi giornalieri dell’energia elettrica
ricavabile
da un pannello FV di un m^2
Dal sole e dal vento
Lo schema rappresenta i componenti principali di un impianto FV
Dal sole e dal vento
Un pannello fotovoltaico è composto da :




Celle costituite da sottili ( micron ) fette di materiale
semiconduttore ( S = 100 cm^2) ;
Soggette ad una radianza pari a 1 kW/m^2 forniscono energia
elettrica con : 0,5 V e 3 A ( circa 1,5 Wp);
Un insieme di celle collegate in serie forma un modulo ;
Un insieme di moduli forma un pannello;
E’ così possibile ottenere combinazioni diverse per fornire
l’energia necessaria.
Dal sole e dal vento
Radiazione solare e potenza generata
La conoscenza della relazione radianza/ potenza elettrica
( W/m^2) è fondamentale per ogni valutazione di merito
dell’energia FV.



latitudine del luogo, moti di rotazione e rivoluzione terrestre;
condizioni meteorologiche ed atmosferiche;
efficienza di conversione energetica della cella;
Sono in sintesi i principali fattori che condizionano la validità
industriale e/o economica della tecnologia FV
Dal sole e dal vento
Guardiamo come si distribuisce la radiazione solare sulla terra
I valori di picco
E quelli medi
Dal sole e dal vento
I diagrammi si riferiscono alla pianura emiliana
Luglio 2003
Febbraio 2003
Dal sole e dal vento
Cosa sono i dati di targa di una cella FV ?
Per determinare e confrontare le potenze nominali delle celle fotovoltaiche,
esse vengono sottoposte ad appositi test da effettuare in condizioni
standard.
 Radianza della sorgente luminosa ( input ) pari a 1000 W/m^2;
 Spettro di riferimento che definisce la temperatura di colore della luce.
( vedi norme ASTM e IEC – CEI 60904 -1 ) ;
 Temperatura della cella mantenuta a 25 ° C.
Nelle condizioni riferite viene determinata la potenza nominale in
watt di picco (Wp) della cella solare.
Dal sole e dal vento
Quale futuro nel fotovoltaico?
La risposta è nella riduzione dei costi e nel miglioramento
dell’efficienza


Concentrazione, con dispositivi ottici, dell’irraggiamento solare sulle
superfici attive di conversione;
adozione di meccanismi automatici di inseguimento della posizione del
sole;
Queste idee hanno condotto allo sviluppo di tecnologie già adottate
dalla NASA in satelliti inviati nello spazio
Dal sole e dal vento
Le più diffuse applicazioni delle celle fotovoltaiche




integrate con batterie per l’alimentazione di utenze isolate;
collegate stabilmente alla rete per fornire elettricità a piccoli
edifici ad uso civile;
ancora collegati alla rete ma incorporate in elementi strutturali di
edifici civili e industriali;
impiegate per realizzare vere e proprie centrali di produzione di
energia elettrica ( qualche MW );

Ma la loro fama discende dalle applicazioni
aerospaziali !
Dal sole e dal vento
Punti di forza

Modularità e flessibilità di dimensionamento;
 Strutture leggere e semplicità di installazione;
 Nessuna parte in movimento, bassa usura e minimi oneri di
manutenzione;
 Si presta ad una produzione dell’elettricità distribuita sul territorio.
e …di debolezza


Richiede l’abbinamento a sistemi di accumulo dell’energia o di
collegamento alla rete elettrica per garantire la continuità di erogazione;
Allo stato attuale rappresenta una soluzione molto costosa per la
fornitura di energia elettrica *
Dal sole e dal vento
Energia dal vento
Correnti d’aria possiedono energia in ragione della velocità e della
massa in movimento ( energia cinetica ); l’origine di questo moto è
riconducibile all’attività solare.
 Questa forma di energia è conosciuta dall’uomo fin dai periodi più
lontani della sua storia.
 Oggi rivolgiamo ad essa una nuova attenzione – grazie ai nuovi
sviluppi della tecnologia costruttiva - come utile fonte di produzione di
energia elettrica “ pulita”.
 Oggi – in Europa – la quota di produzione di energia elettrica
rinnovabile da fonte eolica è di circa 13%; ma in alcuni paesi ( vedi
Danimarca con 65% e Germania con 43%) ha raggiunto livelli che
ormai rappresentano una assoluta rilevanza.

Dal sole e dal vento
Vista di un campo eolico
Dal sole e dal vento
Una semplice relazione per descrivere le prestazioni di un generatore
eolico:

Pe = 1/2 x Cp x ρ x A x V^3
La potenza generata dipende dunque:



dalla densità ρ e dalla velocità V della corrente d’aria;
dalla superficie circolare che intercetta il flusso di aria ( A = П /4xD^2);
dal coefficiente Cp;
Cp rappresenta l’efficienza con la quale si converte l’energia cinetica della corrente
d’aria in energia elettrica (20 – 50 %) !
Occorre ricordare che il valore di Cp - massimo teorico – è di 0,59 e corrisponde alla
soglia di Betz
Dal sole e dal vento
le principali applicazioni
Tipo
velocità
Coppia
Cp
uso
multi pale
bassa
moderata
elevata
0,20
0,40
Lavoro
meccanico
tri pale
alta
bassa
0,50
Energia
elettrica
Dal sole e dal vento
Una immagine moderna
parti principali
Rotore
Navicella
Torre
Cabina ausiliari
Dal sole e dal vento
Quali sono i fattori che guidano la scelta di un generatore eolico?

i regimi del vento nella località in studio ;

La orografia del luogo per la sua incidenza sulla regolarità del flusso;

La prossimità o meno alla rete elettrica cui connettersi o in alternativa
ai potenziali fruitori dell’energia;

L’impatto ambientale della installazione del generatore e/o del campo
eolico;
Dal sole e dal vento
la conoscenza della distribuzione in durata dei regimi anemometrici di un
sito è fondamentale per il corretto dimensionamento del generatore e/o
del campo eolico
Esempio di distribuzione statistica della durata dei regimi ventosi
e della relativa distribuzione in energia
Dal sole e dal vento
la scelta del generatore eolico
1.
2.
3.
4.
Lo studio del territorio e dell’ anemologia del sito per stimare la
possibile produzione di energia;
Le caratteristiche potenza/diametro per individuare il generatore
utile;
La distribuzione della velocità del vento ed il tipo di generatore per
determinare la probabile produzione annua di energia;
La conoscenza del tipo di generatore e della probabile produzione
consente di risalire all’entità dell’investimento ed a quello dei ricavi
annui.
Dal sole e dal vento
I grandi insediamenti ( windfarms )
La potenza unitaria dei maggior generatori eolici odierni si aggira
intorno ai 3 – 4 MW.
Potenze complessive dell’ordine di alcune decine di MW si realizzano
moltiplicando il numero dei generatori;
 Per limitare ogni interferenza aerodinamica, i generatori vanno disposti
in schiera rispettando congrue distanze in senso trasversale e
longitudinale rispetto alla direzione del vento ( 5 D e 10 D );
 Questi insediamenti impegnano grandi estensioni di territorio pur non
pregiudicandone utilizzi alternativi;
 Un esempio di campo eolico con 6 generatori di D = 80 m e P = 1,5
MW richiede un’area di circa 1 km^2.

Dal sole e dal vento
i punti di forza






La risorsa vento è estesamente diffusa per applicazioni terrestri e
marine (near shore e off shore)
è disponibile una tecnologia matura e vicina alla competitività
economica con quelle convenzionali;
La gamma di capacità di generazione disponibili ( anche a partire da
pochi kW) si presta per applicazioni distribuite.
e …. quelli di debolezza
La variabilità ed imprevedibiltà della produzione di energia;
La notevole estensione territoriale richiesta da insediamenti di elevata
potenza ( molti MW , molti generatori)
L’impatto ambientale – prevalentemente estetico – in siti terrestri o in
mare prossimi alle coste
Dal sole e dal vento
La realtà dei costi
L’ energia da fonti rinnovabili è oggi più costosa rispetto a quella
da fonti tradizionali.
In merito si può osservare che :



Spesso nel confronto non si tiene conto di costi non palesi che derivano dalla
applicazione delle attuali tecnologie ( fossili e nucleari);
Tuttavia si deve sottolineare che il riscontro del maggiore costo riguarda anche
le fonti rinnovabili che vantano una lunga storia ( es.. Idroelettrico);
Gli alti costi discendono in modo quasi esclusivo da oneri di capitale e costi di
costruzione.
I costi di esercizio sono viceversa molto competitivi
Dal sole e dal vento
per l ‘energie rinnovabili:


I costi sono proporzionali alla potenza dell’impianto ( € /kW );
I ricavi sono proporzionali all’energia prodotta ( c€ /kWh).
Incidono favorevolmente sul bilancio economico di queste applicazioni ;



vita utile elevata;
contenuti oneri finanziari ;
una elevata produttività ( kWh/anno).
alcune fonti rinnovabili ( geo, idro,) risultano essere già competitive con quelle
derivate dai combustibili fossili ( gas naturale, carbone) altre ( biomasse e eolico) si
stanno avvicinando a tale traguardo.
Dal sole e dal vento
Costi dell'energia elettrica
Costi c€/kh
10 0
10
1
Ciclo
Com binato
Eolico
Geoterm ico Biom asse
Le Tecnologie
Idro
Fotovoltaico
Dal sole e dal vento
costi o prezzi al consumo ?




le fonti rinnovabili hanno il pregio di essere disponibili sul territorio in modo
distribuito e quindi prossimi al consumatore;
in questo caso il confronto più logico è dunque quello aderente al prezzo
dell’energia in “loco”;
nel nostro paese un dato medio riferito all’energia elettrica corrisponde a
0,18 €/kWh (tasse incluse) dunque assai superiore al solo costo di produzione:
a questi livelli le energie derivate da biomasse e vento risulterebbero
competitive ed anche per quella solare la meta potrebbe delinearsi
meno lontana.
Dal sole e dal vento
Il finanziamento delle fonti rinnovabili

Nella fase iniziale dello sviluppo di una nuova tecnologia è quasi sempre
necessario il ricorso a forme di incentivazione economica;

Nel caso in esame si indicano due delle più diffuse forme di incentivazione

Certificati di credito ( anche noti come certificati verdi )che in Italia vengono
emessi dal GSE ai sensi della legge 239 del 23/08/2004 (taglia 50 Mwh).

Conto Energia , specifico per le applicazioni del fotovoltaico, attraverso il quale
viene garantita al produttore una remunerazione in funzione dell’energia
prodotta.
Dal sole e dal vento
Conto Energia
decreto 19/02/2007
Potenza
kWp
Incentivo
€/kWh
Durata
anni
1-3
0,40 – 0,49
20
>3 - < 20
0,38 – 0,46
20
0,36 – 0,44
20

20
Modalità : scambio sul posto o autoconsumo e vendita
Dal sole e dal vento
Dal sole e dal vento
Entrate e Uscite

I fenomeni naturali che distinguono il nostro pianeta, dipendono da un
delicato equilibrio fra l’energia che riceve e quella che restituisce.
 Questo equilibrio, mediamente esistente, lascia tuttavia lo spazio a
trasformazioni di energia che sono essenziali all’esistenza stessa
delle forme di vita .
 Queste trasformazioni sono esempi di accumulo dell’energia:
Calore degli oceani e delle terre, i moti delle masse d’aria;
 L’evaporazione delle acque e la formazione dei sistemi nuvolosi;
 La riproduzione e lo sviluppo del mondo vegetale;

Dal sole e dal vento
- dai moti dell’aria traggono origine i venti, veicoli di energia - dalla condensazione del vapore derivano le acque meteoriche - dal mondo vegetale possiamo trarre utili riserve energetiche –
Queste sono anche sufficienti ?
proviamo a rispondere a questo quesito decisivo tenendo
presente che dovremo fare appello a stime che ci forniranno
indicazioni di larga massima
Dal sole e dal vento
Il serbatoio di energie rinnovabili
Fonte WEC
2006
Consumi odierni pari a circa 10 miliardi tep
Dal sole e dal vento
La scheda precedente suggerisce alcune riflessioni :
La disponibilità annua di energie rinnovabili che hanno origine, diretta o
indiretta, dall’attività solare, è circa un ordine di grandezza superiore
all’attuale consumo energetico mondiale;
Fra tutte le fonti rinnovabili quella derivabile dal sole appare di gran lunga la
più abbondante.
Il delicato equilibrio che regola le attività della natura, sembra
consentirci uno spazio per migliorare l’attuale situazione, senza
tuttavia incorrere in un uso irragionevole di questa preziosa risorsa
Dal sole e dal vento
Efficienza & Risparmio sono la via maestra anche
per il nuovo futuro energetico