a.a 2007-2008
Corso di Laurea in Ingegneria
Meccanica
Fonti Energetiche Alternative
(3 cfu)
Prof. Francesco Asdrubali
Programma del corso
(disponibile on-line)
Contenuti:
Generalità, consumi, riserve e previsioni: Caratteri di interdisciplinarietà dei problemi
energetici. Definizione delle grandezze e degli indici energetici. Consumi, riserve e
previsioni: il panorama energetico mondiale, la situazione energetica italiana, con
particolare riferimento alle fonti rinnovabili.
Energia idroelettrica: Stima delle risorse idriche, classificazione, schemi di impianto,
soluzioni tecnologiche, rendimenti, dimensionamento, impatto ambientale.
Energia solare: Caratteristiche dell'energia solare, stima della disponibilità di energia
solare per un sito, sistemi di captazione, impieghi termici dell’energia solare, la
conversione fotovoltaica, impianti fotovoltaici, valutazioni tecnico-economiche.
Energia eolica: Caratteristiche dell’energia eolica, stima della disponibilità di energia
eolica per un sito, aerogeneratori e centrali eoliche, impatto ambientale, valutazioni
tecnicoeconomiche.
Energia dalle biomasse e dai rifiuti: Classificazione delle biomasse, impieghi termici
ed elettrici, biocombustibili, schemi di impianti, termovalorizzazione RSU, impatto
ambientale, valutazioni tecnico-economiche.
Energia geotermica: Caratterizzazione e classificazione della risorsa, schemi di
impianti, rendimenti, impatto ambientale.
Testo consigliato
:

F.Asdrubali, Fonti Energetiche Rinnovabili,
Morlacchi Editore, Perugia 2006

Testi integrativi:
1. C. MANNA (a cura di), Rapporto energia
ambiente 2006, ENEA, aprile 2007
3. P. MENNA, L’energia pulita, Il Mulino, 2003


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.
Classificazione delle fonti rinnovabili
Un’altra classificazione è quella fornita dall’ISES (International
Solar Energy Society), che si differenzia da quella fornita
dall’IEA in quanto non considera come rinnovabile l’energia
ottenibile dai rifiuti:
La classificazione a cui si farà riferimento
è quella indicata dall’ENEA (Ente per le
Nuove Tecnologie, l’Energia e l’Ambiente),
 Energia eolica;
ancora più ampia in quanto, oltre alle
 Energia solare: termico e fotovoltaico;
tipologie
di risorse
rinnovabili
 Energia idraulica:
smallenergetiche
hydro;
 Biomasse: biomassa solida, prodotti animali,
elencate
dall’IEA,
include,
tra
le
biomasse,
gas/liquidi da biomassa, legna, biodiesel;
tutte
le frazioni
dei rifiuti solidi urbani e
 Energia
geotermica;
 Energia
delle onde e
delle maree.
la categoria
“legna
e assimilati”
Biomasse
Caratteristiche chimico fisiche e possibili usi energetici
Biomasse
Le alternative più valide per l’utilizzazione energetica delle biomasse,
tenuto conto del grado di maturità e dell’effettiva applicabilità delle
relative tecnologie, sono sostanzialmente le seguenti:





la combustione diretta, con conseguente produzione di calore da
utilizzare per il riscaldamento domestico, civile ed industriale o per
la generazione di vapore (forza motrice o produzione di energia
elettrica);
la produzione a partire da legno, residui agricoli o rifiuti solidi
urbani, di gas combustibile, mediante gassificazione, da utilizzare
per la conversione energetica;
la trasformazione della biomassa, in assenza di aria, quando il
calore necessario al processo viene totalmente fornito dall’esterno,
o in presenza di una limitata quantità di agenti ossidanti, nel caso in
cui il calore viene prodotto internamente alla massa mediante la
combustione di una sua parte, in una frazione gassosa, in una
frazione liquida oleosa ed in un prodotto solido mediante il
processo della pirolisi;
la trasformazione in combustibili liquidi di particolari categorie di
biomasse coltivate, con la produzione di biodiesel e di etanolo;
la possibilità di produrre biogas mediante fermentazione
anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali.
Biomasse
Le biomasse utilizzate per scopi energetici in Italia
provengono dal comparto agricolo e forestale, agroindustriale e dai rifiuti solidi urbani.
L’utilizzazione delle biomasse agricole, forestali ed
agro-industriali può essere considerata idonea
soprattutto per la fornitura di energia termica ed
elettrica ad una serie di utenze tipiche delle aree rurali,
quali la zootecnia, l’industria agroalimentare, le
comunità montane, le comunità domestico-rurali,
particolarmente per quanto riguarda l’autoproduzione e
l’autoconsumo.
Biomasse
RSU
I
Compost +
Compost
altro interessano
CDR
rifiuti solidi urbani,
invece,
soprattutto
selezionato
5% che esplicano
10% Incenerimento
4%
aziende municipalizzate
anche un
9%
le
servizio di fornitura di energia elettrica o di
teleriscaldamento.
Tuttavia la stragrande maggioranza dei rifiuti urbani
prodotti in Italia
viene, oggi, smaltito in discarica.
Discarica
72%
Gestione dei RSU in Italia nell’anno 2004*
* APAT-ONR “Rapporto rifiuti 2001”



1649 1668 1687 1666 1633 1681 1705
1800
1614
1595
1523 1519 1563
1600
1400
 Small hydro
< 10 MW
1200
1000
 Large hydro
> 10 MW
800
600
400 285 286 280 281 281 283 284 289 292 293 293 293
200
Tipologia impiantistica
0
Impianti ad acqua fluente
Impianti a deflusso regolato o a bacino
<10 MW >10 MW
Impianti ad accumulazione
per pompaggio
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
n° impianti
Energia Idraulica
Numero di impianti idroelettrici per taglia
Anni 1992-2003
Energia Idraulica
Impianti
adaaccumulazione
peropompaggio
Impianti
deflusso regolato
a bacino
ad acqua
fluente
• Traggono
Provvisti origine
di Impianti
un dal
bacino
con
una
certa capacità
fatto che una centrale
ad acquadi
invaso
inutilizza
modomediamente
da poter regolare
la
quantità
di
fluente
solo
una
parte
della
• flusso
Privi diaddotta
capacità
di regolazione (portata utilizzata è
in
turbina;
portata
delquantità
corso d’acqua.
Disponendo
di
unfiume,
impianto
pari
alla
d’acqua
disponibile
nel
fino
• Tipologia
di
impianto
collocato
principalmente
nei
a
serbatoio
nelle
vicinanze,
per
la
carente
al limite
consentito
dalle opere di presa);
tratti
superiori
dei
fiumi;
interconnessione
reti e sotto opportune
• Flussi
elevati e bassadelle
caduta;
condizioni
risultava
già in che
passato
conveniente
• Sistema
di
sbarramento
intercetta
il corso
Lo
schema
tipo
di
un
impianto
include:
pompare
questo,
scopo di ed
conservarla
per undi
d’acqua in
nella
zonaalloprescelta
una centrale
portatasulla
altrimenti
sfiorata.
Leo
 successivo
una
riservaimpiego,
d’acqua,
produzione
elettricalasituata
traversa
stessa
della
centrale
possono così sfruttare sempre,
 turbine
un’opera
di presa;
nelle immediate
vicinanze
valore massimo
ammissibile,
piena
fino
unaalcondotta
forzata per
che esse
convoglia
l’acqua lafino
alle
del corso d’acqua.
turbine nellaportata
centrale.
Energia geotermica


Sfruttamento dell’acqua iuvenile calda e del vapore nelle
aree di attività vulcanica e tettonica;
in alcune zone, dove i giacimenti di rocce calde, aride
intrusive ed ignee sono situate vicino alla superficie,
l’energia geotermica può essere sfruttata praticando dei
fori nelle aree calde ed iniettando dell’acqua per creare
vapore che può quindi essere utilizzato per generare
elettricità mediante macchine a vapore.
Sistema geotermico
n° impianti
Energia geotermica
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Classificazione in riferimento ai fluidi erogati






Sistemi a vapore secco o “a vapore dominante”
33
32
Sistemi a vapore umido o “ad acqua
dominante”
30
30
28
27 (T<100°C)
Sistemi
acqua
calda
25 25ad 24
24
Sistemi in rocce calde secche
Sistemi magmatici
Potenza istallata > 800 MWe
Sistemi geopressurizzati
34
92 993 994 995 996 997 998 999 000 001 002 003
9
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
Numero di impianti geotermici in Italia – Anni 1992-2003
34
Energia solare
Distribuzione spettrale dell’energia raggiante solare esternamente
all’atmosfera terrestre
L’energia della radiazione solare incidente sulla Terra:
l = 0,3 ÷ 2,5 mm
Picco massimo d’energia:
l = 0,5 mm
Costante solare:
1400 W/m2
Valore massimo misurato sulla superficie terrestre:
1000 W/m2
Sfruttamento:


Solare termico
Solare fotovoltaico
Energia solare
Principali applicazioni a bassa temperatura
L’energia della radiazione solare incidente sulla Terra:
l = 0,3 ÷ 2,5 mm
 Produzione
di acqua
Picco
massimo d’energia:

calda per usi idrico sanitari;
l = 0,5 mm
Riscaldamento degli edifici (sistemi attivi o passivi);
Costante solare:
1400 W/m2
Principali
ad altaterrestre:
temperatura
Valore
massimoapplicazioni
misurato sulla superficie
1000 W/m2


Produzione di energia elettrica (solare termodinamico);
Alimentazione di processi
chimici e termofisici;
Sfruttamento:
Solare termico
Solare fotovoltaico
Andamento delle vendite dei collettori
solari in Italia dal 1977 al 2001
80000
Alzamento dei prezzi dei combustibili
Shock petrolifero del 1979
70000
60000
Campagna dell’ENEL
“Acqua dal sole”
50000
40000
30000
20000
10000
0
1977
1980
1983
1986
1989
1992
1995
1998
2001
2004
Impianto solare fotovoltaico sul tetto di un abitazione
Solare fotovoltaico
•
•
•
Capacità di produrre energia elettrica in modo modulare;
Richiesta di manutenzione molto contenuta: non vi sono parti in
movimento, il processo di conversione dell’energia avviene a temperatura
ambiente e non vengono bruciati combustibili;
rendimenti massimi del 30%.
Linee di sviluppo per i sistemi di produzione
Impianti di grossa taglia
con potenze nominali
comprese tra le
centinaia e le migliaia di
kW
Impianti per
l’alimentazione di
utenze isolate, sia nel
campo residenziale, sia
in quello industriale
Energia eolica
L’energia cinetica dell’aria in movimento può essere convertita direttamente
da un motore eolico, o aeromotore, in energia meccanica disponibile su di un
albero rotante per l’azionamento di mulini, pompe e generatori elettrici.
Piccola taglia
Media taglia
potenza < 100 kW
100 kW < potenza < 1000 kW
Grande taglia
potenza > 1000 kW
Dimensioni dei rotori delle turbine comprese tra 1 e 112 metri
Schema di un aerogeneratore
Soglia minima di inserimento:
(tipica di ciascuna macchina)
≈ 3 m/s
Velocità del vento “nominale”:
12-15 m/s
Aerogeneratore è posto fuori servizio
per velocità del vento:
> 25 m/s
Impiego delle fonti rinnovabili nel mondo
Ripartizione tra le fonti della produzione mondiale d’energia
primaria nel 2003
rinnovabili
gas
13,1%
naturale
nucleare
20,6%
6,5%
petrolio
35,5%
carbone
24,3%
Contributo relativo delle varie fonti
rinnovabili alla produzione di energia
primaria nel 2003
Idraulica
15,70%
Alternative
4,00%
Biomassa,
Biocombustibili,
Rifiuti
80,30%
Geotermico
2,93%
Eolico
0,43%
Solare
0,57%
Maree, Oceani
0,07%
Consumi di
globali
d’energia
da fonti
Produzione
energia
elettrica
da fonti
rinnovabili
per settori
nel 2000
rinnovabili
nel 2003
Geotermoel.
11,13%
RSU
3,78%
Legna
3,43%
Altri settori
Biogas
2,15%
3%
Generazione di elettricità
21%
Solare
Produzione
di energia elettrica dalle varie
fotovoltaico
fonti nel 2000
0,05%
Eolico
3,04%
nucleare
17,0%
biocombustibili, biomassa, rifiuti
Industria
9%
(CWR)
0,9%
carbone
39,0%
Residenziale, commerciale,
pubblico
58%
rinnovabili
19%
Altre trasformazioni di energia
9% idraulica
17,5%
alternative
(o nuove)
Idroelettrico
0,6%
petrolio
8,0%
gas naturale
17,0%
76,42%
Andamento dei consumi lordi di energia
primaria per fonte in Unione Europea
2000
1995
biomasse
3,28%
Fonti non rinnovabili
94,67%
biomasse
3,33%
geotermica
0,18%
Fonti rinnovabili
5%
fotovoltaica
0,00%
solare termica
0,02%
eolica
0,04%
Fonti non rinnovabili
94,43%
Fonti rinnovabili
5,57%
solare termica
0,03%
fotovoltaica
0,00%
idroelettrica
1,82%
idroelettrica
1,85%
Proiezione al 2010 del Libro Bianco
biomasse
8,54%
Fonti non rinnovabili
88,61%
geotermica
0,23%
Fonti rinnovabili
11,39%
geotermica
0,33%
solare termica
0,25%
fotovoltaica
0,02%
eolica
0,44%
idroelettrica
1,82%
eolica
0,13%
LO STATO ATTUALE
QUADRO ENERGETICO EUROPEO

L’Unione Europea a 27 presenta attualmente una
dipendenza dalle importazioni d’energia per oltre il 50%
del suo fabbisogno;
Trasporti
20%
Elettricità
Energia Termica
31%
49%
ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007)
Ripartizione tra le varie fonti della
produzione di energia elettrica del 2000 in
Unione Europea
idroelettrica (piccoli
impianti: <10MW)
1,6%
Fonti non rinnovabili
85,6%
Fonti rinnovabili
14,4%
idroelettrica (grandi
impianti)
10,7%
fotovoltaica
0,0%
biomasse
1,1%
geotermica
0,2%
eolica
0,8%
Ripartizione tra le varie fonti dei consumi
lordi di energia primaria in Italia
1995
Solidi
7%
2002
Energia
elettrica
(import.)
5%
Solidi
7%
Rinnovabili
8%
Energia
elettrica
(import.)
5%
Rinnovabili
9%
Petrolio
48%
Petrolio
54%
Gas
26%
Gas
30%
LO STATO ATTUALE IN ITALIA
ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007)
LO STATO ATTUALE IN ITALIA
QUADRO ENERGETICO
ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007)
LO STATO ATTUALE IN ITALIA
ENEA: Rapporto Energia e Ambiente (Aprile 2007)
GSE – Gestore Sistema Elettrico (Aprile 2007)
Produzione annuale di energia da fonti
rinnovabili in Italia in equivalente fossile
sostituito (ktep)
1995
1999
2000
2001
2002
Idroelettrica
8312
9979
9725
10298
8694
Eolica
2
89
124
259
309
Fotovoltaico
3
4
4
4
4
Solare termico
7
10
11
11
14
Geotermia
969
1182
1248
1204
1239
Rifiuti
97
374
461
721
818
Legna
4635
4824
4807
4833
5008
Biocombustibili
65
38
66
87
94
Biogas
29
167
162
196
270
Totale
14119
16667
16608
17613
16450
Andamento nel tempo della produzione di
energia primaria da fonti rinnovabili in Italia
Biocombustibili,biomasse e rifiuti
Idraulica
Eolica
Geotermica
Solare
10000
Energia primaria [ktep]
1000
100
10
1
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
anno
1998
1999
2000
2001
2002
Andamento nel tempo della produzione di energia primaria
da fonti rinnovabili in Italia
1995
1998
1999
2000
2001
2002
Idroelettrico > 10 MW
30341
32893
36756
36088
38154
31472
Idroelettrico < 10 MW
7440
8320
8602
8117
8657
8048
Eolico
10
231
403
563
1179
1404
Solare fotovoltaico
14
16
16
17
17
18
Geotermoelettrico
3436
4214
4403
4705
4507
4662
Incenerimento RSU
168
464
653
804
1259
1428
Legna
116
271
587
537
644
1052
Biogas
103
494
583
566
684
943
A - Totale
41628
46903
52003
51397
55100
49026
B – Consumo interno lordo [TWh]
278,9
300,5
307,7
320,9
327,4
335,9
A/B [%]
14,9
15,6
16,9
16,0
16,8
14,6
Ripartizione tra le diverse fonti della produzione di energia
elettrica da fonti rinnovabili nel 2002
Geotermica
10%
RSU
3%
Biomassa
2%
Biogas
2%
Solare
0%
Eolica
3%
Idroelettrica <
10 MW
16%
Idroelettrica >
10 MW
64%
– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA
– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA
– ENERGIA EOLICA
– ENERGIA GEOTERMICA
– ENERGIA SOLARE
– ENERGIA DA RIFIUTI
•Nel 2004 la raccolta differenziata nazionale di carta e cartone ha superato il
consumo di macero delle cartiere, l’eccesso viene esportato in Germania,
Turchia e Cina.
– PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI IN ITALIA
LO STATO ATTUALE
QUADRO ECONOMICO MONDIALE
•La continua variazione del costo del barile di petrolio ha modificato
drasticamente i flussi di investimento sulle fonti energetiche
rinnovabili.
•L’indice di Borsa settoriale: “il Bloomberg world alternative source
index” ha segnato da inizio 2007 un + 22,6% .
•Oggi le società specializzate nel settore delle energie rinnovabili
producono il 3% dell’energia mondiale.
LO STATO ATTUALE
QUADRO ECONOMICO EUROPEO
LO STATO ATTUALE
QUADRO ECONOMICO EUROPEO
LO STATO ATTUALE
QUADRO AMBIENTALE
•l’autunno 2006 è stato in Italia l’autunno più caldo degli
ultimi 80 anni.
•Dal 1961 al 2003 il livello del mare è aumentato di 1,3 mm,
si prevede entro il 2100 un aumento dello stesso
compreso tra i +18 e +59 cm.
•Aumento del PH marino dovuto alla
concentrazione di CO2 disciolta (PH+0,14)
maggiore
SCENARI FUTURI - RISCALDAMENTO GLOBALE
Scenar i f ut ur i
4
1- Scenario Stabile
3,5
Emissioni costanti pari a quelle emesse nel
2000
3
2- Tecnologie pulite
Scenario con crescita demografica zero e
sviluppo economia e servizi e impiego di
tecnologie pulite
2,5
°C
2
3 – Mix di fonti energetiche
Rapida crescita demografica ed economica,
impiego di tecnologie più efficienti e pulite,
equilibrio nell’ impiego fra diverse fonti
energetiche
1,5
1
4. Differenziazione tra le regioni
0,5
Drastica differenziazione tra lo sviluppo
demografico ed economico delle diverse
regioni
0
1900
1950
1
2000
2
2050
3
2100
4
LE CAUSE DELL’ EFFETTO SERRA
100
100
8
90
90
14
Suoli agricoli; 1
80
80
70
70
60
60
50
50
40
77
40
Deforestazione
Cemento
Chmica
30
30
Negozi
N2O
CH4
HFC
CO2
20
20
10
10
Abitazioni
Automobili
0
0
1
1
Aerei
acqua di scarico
discariche
Riso e altro
Bestiame e concime
Suoli agricoli
Energia per agricoltura
Deforestazione
Estrazione altra energia
Estrazione e raffinazione
Miniere di carbone
Altre Industrie
Cemento
Chmica
Carta e Stampa
Macchinari
Metalli
Acciaio
Altre combustioni
Negozi
Abitazioni
Treni e navi
Automobili
LO STATO ATTUALE
QUADRO AMBIENTALE
OBIETTIVI

Nazionale, produzione energia elettrica da rinnovabili pari
a 22% entro il 2010 (oggi 16%)

Europeo, copertura dei consumi da fonti rinnovabili pari al
20% entro il 2020 e che i biocarburanti muovano almeno
il 10% dei trasporti
Posti occupazionali per TWh di energia prodotta
Petrolio
Carbone
Nucleare
Idroelettrico
260
370
75
250
Etanol
o
Eolico
Fotovoltaico
250 918
76.000