POR CALABRIA 2000/2006 - ASSE III – RISORSE UMANE MISURA 3.9 SVILUPPO
DELLA COMPETITIVITÀ DELLE IMPRESE PUBBLICHE E PRIVATE CON PRIORITÀ
ALLE PMI
GESTIONE SOSTENIBILE DELLE RISORSE ENERGETICHE NEI
SETTORI DELL’EDILIZIA E DEGLI IMPIANTI
Modulo n°2 La dimensione energetica dello sviluppo
sostenibile
Unità Didattica: 2.4
LE FONTI ALTERNATIVE DI ENERGIA E LA
SOSTENIBILITA’ DEI LORO IMPIEGHI
A cura di
Arch. Martino Milardi
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LE FONTI RINNOVABILI SECONDO LA NORMATIVA ITALIANA
«...il sole, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la
trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici...»
D.L .16 marzo 1999, n.79, art. 2,15
energia mareomotrice
ENERGIA IDROELETTRICA
ENERGIA GEOTERMICA
energia del moto ondoso
energia talassotermica
termica
ENERGIA SOLARE
fotovoltaica
ENERGIA EOLICA
Biogas
Olii vegetali
ENERGIA DA BIOMASSE
Biodiesel
Cippato
TERMOVALORIZZAZIONE DI CDR
ENERGIA IDROELETTRICA
Si intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia
cinetica e quindi, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, l'energia elettrica.
Viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate.
ENERGIA MAREOMOTRICE
È ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in alcune zone del pianeta
raggiungono i 20 metri di ampiezza verticale
ENERGIA GEOTERMICA
È generata per mezzo di fonti geologiche di calore. La geotermia consiste nel convogliare i
vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla
produzione di energia elettrica e riutilizzando il vapore acqueo per il riscaldamento, le
coltivazioni in serra e il termalismo.
BIOMASSA
Sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale, non fossili, che possono essere
usate come combustibili per la produzione di energia. Alcune fonti come la legna non
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necessitano di subire trattamenti altre come gli scarti vegetali o i rifiuti urbani devono essere
processate in un digestore.
-
Biogas: Miscela di vari tipi di gas (per la maggior parte metano) prodotto dal
fermentazione batterica in anaerobiosi (assenza di ossigeno) dei residui organici
provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza.
-
Biodiesel: È biocombustibile liquido, trasparente e di colore ambrato, ottenuto da olio
vegetale (colza, girasole o altri). Non
è un olio vegetale puro e semplice, bensì il
risultato di un processo chimico a partire da questi o altri componenti biologici
-
Cippato: È legno ridotto in scaglie con dimensioni di alcuni millimetri, prodotto a partire
da tronchi e ramaglie. Esistono coltivazioni legnose a corta rotazione destinate alla
produzione di cippato pertanto si può considerare come fonte di energia rinnovabile.
TERMOVALORIZZAZIONE DEI CDR
L’energia viene prodotta dalla combustione di rifiuti solidi urbani. Poiché questi sono prodotti
anche con materie prime fossili o prodotti sintetici non biodegradabili viene da alcuni
considerata una fonte energetica non rinnovabile
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Arriva il Rifiuto
I rifiuti conferiti all'impianto
vengono scaricati in una vasca
dalla quale un sistema di
aspirazione impedisce l'uscita di
cattivi odori. I rifiuti vengono
quindi depositati da una gru sul
forno a griglia mobile, dove inizia
la combustione.
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Il vapore
I fumi caldi
generati dalla
combustione
portano in
ebollizione una
caldaia che
produce vapore.
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L'energia
Il vapore prodotto
nella caldaia viene
trasformato in
energia elettrica,
per mezzo di una
turbina, e l'energia
generata è quindi
immessa nella rete
elettrica nazionale
Trattamento
dei fumi
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I fumi, vengono
convogliati in un
sistema di
trattamento a più
stadi che sottrae
loro le ceneri
volanti e riduce le
altre sostanze in
esse contenute.
S
Controllo delle
emissioni
Le principali emissioni gassose
sono costantemente controllate e
regolate automaticamente.
Eventuali scostamenti dai valori
consentiti sono immediatamente
segnalati da allarmi che portano
alla fermata parziale o totale
dell'impianto.
S
Riduzione
delle
sostanze
inquinanti
Le sostanze
inquinanti vengono
ridotte già in fase di
combustione,
mediante il controllo
di temperatura e aria
di combustione, si
contiene la
formazione di ossido
di carbonio e altri
incombusti.
Immettendo urea si
abbatte il livello
degli ossidi di azoto
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La combustione
I rifiuti vengono rivoltati in
continuazione sulla griglia in
movimento. Una corrente d'aria
forzata tiene viva la combustione
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L'estrazione delle scorie
Le sostanze più pesanti che
"resistono" alla combustione (ad
esempio i minerali come il
ferro,l'acciaio,ecc.), cadono in una
vasca piena di acqua, posta al di sotto
della griglia. Qui raffredddate,
vengono estratte ed inviate in
discariche.
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L'inertizzazione
Le ceneri volanti prodotte dalla combustione
vengono inviata all'inertizzatore che,
mescolandole a cemento ed acqua, ne
modifica la composizione chimica. Le ceneri
vengono cosi trasformate in materiale solido
inerte, sarà trasportato in discarica.
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L’ENERGIA EOLICA
Una turbina eolica in grado di utilizzare una forza del vento che va da 3 m/s a 30 m/s può
produrre mediamente 860 kWh all'anno per ogni m2 di corrente d'aria intercettata, un rotore
eolico può avere una potenza nominale di 0,3-0,5 kW/m2 ,
EOLICO: I COMPONENTI DELLE MACCHINE
ROTORE: I rotori degli attuali aerogeneratori hanno due o tre pale. I rotori a due pale sono
meno costosi e girano a velocità più elevate, mentre quelli a tre pale presentano migliori
proprietà dinamiche, poiché forniscono una coppia motrice più uniforme, e hanno una resa
energetica leggermente superiore
NAVICELLA (O GONDOLA): È l’elemento,
montato alla sommità della torre, a cui è
collegato il rotore e che contiene al suo interno
il moltiplicatore di giri (non necessariamente), il
generatore di corrente, il sistema di controllo ed
il sistema di imbardata.
MOZZO OSCILLANTE: Consente al rotore di
oscillare di alcuni gradi perpendicolarmente al
piano di rotazione. Questo grado di libertà
riduce gli sforzi al piede della pala dovuti alle
raffiche, allo strato limite e all'effetto torre.
TRASMISSIONE DEL MOTO: La trasmissione del moto dal rotore al generatore elettrico
avviene attraverso un moltiplicatore di giri il cui rapporto è, in genere, tanto più elevato quanto
maggiore è il diametro del rotore.
SISTEMI DI GENERAZIONE: È possibile accoppiare all'aeromotore un generatore a corrente
continua o un generatore a corrente alternata a seconda delle esigenze dell'utenza da
alimentare.
REGOLAZIONE DELL’ALLINEAMENTO DEL ROTORE: E' importante mantenere nel tempo
un allineamento quanto più continuo possibile tra l'asse del rotore e la direzione del vento per
garantire la massima producibilità della macchina. Nei piccoli aerogeneratori è frequente, con
rotori sopravvento, l'impiego di una semplice pinna direzionale; con rotori sottovento, si tende
spesso a realizzare un auto-orientamento spontaneo di tipo aerodinamico.
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QUADRI DI CONTROLLO: Il controllo si realizza mediante apparati più o meno sofisticati che
misurano la tensione, l'intensità e la frequenza della corrente, l'energia prodotta dal generatore,
il fattore di potenza. Tali dispositivi controllano il funzionamento della macchina, la proteggono,
la mettono in parallelo con la rete, la staccano dalla stessa in caso di guasto o la fermano in
caso di eccessiva velocità del vento.
TRASFORMATORE: È quell'elemento che si interpone tra la centrale e la rete elettrica; ha la
funzione di variare la tensione della corrente in uscita dall'alternatore, in particolare di portare la
corrente dalla tensione di uscita del generatore a quella della linea elettrica.
TORRE: Le macchine possono differire anche per il tipo di torre, che può essere tubolare, a
traliccio o a palo strillato.
FONDAZIONI: Alla base della torre sono necessarie, delle fondazioni, cioè delle strutture che
trasferiscono a terra i carichi che agiscono sulla macchina eolica: peso proprio, spinta del vento
ed azioni sismiche.
DIMENSIONE
MACCHINE
POTENZA
DIAMETRO
ROTORE
ALTEZZA MOZZO
Piccola taglia
5-100 kW
3-20 metri
10-20 metri
Media taglia
100-800 kW
25-50 metri
25-50 metri
Grande taglia
800-2500 kW
55-70 metri
60-80 metri
IL SOLARE TERMICO
COLLETTORE: Viene esposto alla luce solare e installato sulle falde del tetto o su appositi
supporti, in giardino o sulle terrazze
ASSORBITORE: Ha la funzione di assorbire la radiazione solare incidente e di trasformarla in
calore; normalmente è realizzato da una piastra di metallo termicamente conduttivo,
solitamente il rame, verniciato o trattato per essere completamente opaco alla luce (nero).
LIQUIDO VETTORE: Il calore sviluppato nell'assorbitore, viene trasferito ad un liquido vettore
che fluisce in appositi tubi di rame posti a contatto con lo stesso.
VETRO POSTO DI FRONTE ALL’ASSORBITORE: Ha lo scopo di mantenere intrappolato il
calore all'interno permettendo nel contempo l'esposizione
alla luce dell'assorbitore. Nei
moderni collettori l' assorbitore non e' semplicemente verniciato ma è trattato da un cosiddetto
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strato selettivo che determina un alto grado di assorbimento unito ad una bassissima emissività
della radiazione termica
COIBENTAZIONE LATERALE E POSTERIORE ALL’ASSORBITORE: Ha lo scopo limitare il
più possibile la dispersione di calore.
ACCUMULATORE: Rappresentabile come un grosso serbatoio di acqua coibentato che ha lo
scopo di immagazzinare il calore ceduto dai collettori.
IL SOLARE TERMICO: LE TECNOLOGIE
AD ALTA TEMPERATURA
Si realizzano attraverso l'utilizzo di concentratori solari parabolici lineari o puntuali, che
sono in grado di raccogliere l'energia solare di un'ampia superficie e di concentrarla in
uno spazio relativamente ridotto, al fine di aumentarne considerevolmente la
temperatura.
A MEDIA TEMPERATURA
A BASSA TEMPERATURA
Utilizzabile con successo per la produzione di calore per il riscaldamento dell'acqua
sanitaria e per il riscaldamento di ambienti:
- tecnologia semplice e collaudata,
- ampia disponibilità sul mercato di prodotti affidabili ed economici,
- semplicità di installazione e manutenzione.
L’ORIENTAMENTO E INCLINAZIONE
ORIENTAMENTO
INCLINAZIONE
RISULTATO
SUD
30°
SITUAZIONE OTTIMALE – RENDIMENTO
MASSIMO SU BASE ANNUALE
SUD 10-20° OVEST
0° (PANNELLO PIANO)
RISULTATI MIGLIORI NELLO sfruttamento dei
pannelli solari termici piani
ECCESSIVA
ROTAZIONE A OVEST
0° (PANNELLO PIANO)
impianto che funziona molto male in inverno
SUD
< 60°
IMPIANTI PROGETTATI PER INTEGRARE ANCHE
IL RISCALDAMENTO – COSTANZA DELLA
RADIAZIONE D’ESTATE ED INVERNO
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SOLARE TERMICO: IMPIANTI A CIRCOLAZIONE NATURALE
L’acqua riscaldata nel pannello solare si espande e sale nel serbatoio d’accumulo, venendo
sostituita dall’acqua fredda che scende nel serbatoio.
1. Il serbatoio coibentato accumula il calore
necessario
2. Il calore viene trasportato dal fluido vettore
fino al serbatoio attraverso un circuito
specifico, il fluido non viene mai a contatto
con l’acqua sanitaria.
3. Il fluido nei pannelli, riscaldandosi con le
radiazioni solari, diventa più leggero e sale
nel serbatoio dove trasferisce il suo calore
all’acqua
sanitaria
attraverso
le
pareti
metalliche di uno scambiatore, perdendo
calore il fluido si raffredda e torna verso il
basso.
SOLARE TERMICO: IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA
E’ necessario installare un sistema a circolazione forzata laddove il serbatoio di accumulo
dell'acqua non può essere posizionato ad un livello più alto rispetto ai pannelli solari
1. Con il sole la temperatura del fluido in
uscita dai collettori supera quella del
bollitore e la centralina attiva la pompa
che mette in circolo il fluido termovettore
trasferendo il calore dai collettori all'acqua
nel bollitore
2. Se il calore solare non è sufficiente la
pompa si spegne per riaccendersi in
condizioni più favorevoli, al tramonto il
fluido all'uscita dei collettori si raffredda e
la
pompa
si
immagazzinata
ferma.
nel
L'acqua
boiler
calda
rimane
in
temperatura disponibile all'utenza per alcuni giorni.
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I VANTAGGI AMBIENTALI DEL IL SOLARE TERMICO
Per quantificare tali vantaggi è possibile valutare la quantità di biossido di carbonio (CO2)
emessa nell’atmosfera dai diversi modi comunemente utilizzati per produrre acqua calda
(scaldabagno elettrico, caldaia a metano, pannelli solari).
Per produrre l’acqua calda necessaria al proprio fabbisogno, una famiglia di 4 persone con uno
scaldabagno elettrico utilizza circa 7,7 kWh elettrici al giorno. Per produrre 1kWh con una
centrale termoelettrica si emettono circa 0,7 kg di CO2, uno scaldabagno è, quindi,
responsabile di circa 5,4 kg di CO2 ogni giorno.
Una caldaia a metano utilizza circa 0,9 metri cubi di combustibile al giorno per famiglia. Poiché
nella combustione di metano si producono circa 1,96 kg di CO2 ogni metro cubo, l’emissione
giornaliera è pari a 1.77kg di CO2.
Con i pannelli solari non si ha nessuna emissione di CO2 né di altri inquinanti atmosferici come
le polveri, gli ossidi di azoto e ossidi di zolfo.
In ogni caso i pannelli possono essere usati anche ad integrazione della caldaia gas o dello
scaldabagno con riduzioni delle emissioni del 60%.
IL FOTOVOLTAICO
La conversione della radiazione solare in energia elettrica avviene nella cella fotovoltaica. Essa
è costituita da una sottile fetta di un materiale semiconduttore, molto spesso silicio.
Quando un fotone (RAGGIO DI SOLE) dotato di sufficiente energia viene assorbito nella cella,
nel materiale semiconduttore di cui essa è costituita si crea una coppia di cariche elettriche di
segno opposto, un "elettrone" (cioè una carica di segno negativo) ed una "lacuna" (carica
positiva). Si dice allora che queste cariche sono "disponibili per la conduzione di elettricità".
Per generare effettivamente una corrente elettrica è necessaria una differenza di potenziale, e
questa viene creata grazie all’introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale che
costituisce le celle. Queste impurità, chiamate anche "droganti", sono in grado di modificare
profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore:
Atomi di Fosforo: Si ottiene la formazione di silicio di tipo "n", caratterizzato da una densità di
elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco).
Atomi di Boro: porta al silicio di tipo "p" in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di
segno positivo.
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L’EFFETTO FOTOVOLTAICO
Una cella fotovoltaica richiede il diretto contatto, su una grande superficie, di due strati di silicio
p ed n. Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta "giunzione p-n", si ha la formazione di
un forte campo elettrico. Le cariche elettriche positive e negative generate, per effetto
fotovoltaico, dal bombardamento dei fotoni costituenti la luce solare, nelle vicinanze della
giunzione vengono separate dal campo elettrico. Tali cariche danno luogo a una circolazione di
corrente quando il dispositivo viene connesso ad un carico. La corrente è tanto maggiore
quanto maggiore è la quantità di luce incidente.
GIUNZIONE P- N
IL MODULO FOTOVOLTAICO
Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori
di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi
utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico.
Esse vengono, quindi, assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo
fotovoltaico.
Il processo di fabbricazione dei moduli fotovoltaici
1. Connessione Elettrica: Consiste nel collegare in serie-parallelo le singole celle per
ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati.
2. Incapsulamento: Consiste nell’inglobare le celle fotovoltaiche tra una lastra di vetro e
una di plastica, tramite laminazione a caldo di materiale polimerico. L’incapsulamento,
protegge le celle, deve essere:
-
totalmente trasparente alla radiazione solare;
-
stabile ai raggi ultravioletti e alla temperatura;
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-
deve possedere capacità autopulenti;
-
consentire di mantenere bassa la temperatura delle celle.
-
La vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell’incapsulamento a
determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in 25-30 anni
3. Montaggio della cornice e della scatola di giunzione: Il montaggio della cornice
conferisce al modulo maggiore robustezza e ne consente l’ancoraggio alle strutture di
sostegno.
L’efficienza della cella
La cella può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente. L’energia
sfruttabile dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella: l'efficienza di
conversione, intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica
disponibile per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%.
LE CAUSE DI INEFFICIENZA:
1. non tutti i fotoni posseggono una
energia sufficiente a generare una
coppia elettrone-lacuna;
2. l’eccesso di energia dei fotoni non
genera corrente ma viene dissipata
in calore all’interno della cella;
3. non tutti i fotoni penetrano all’interno
della cella, in parte vengono riflessi;
4. solo una parte dell’energia acquisita
dall’elettrone viene trasformata in
energia elettrica;
5. non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono separate dal campo elettrico di
giunzione, una parte si ricombina all’interno della cella;
6. la corrente generata è soggetta e perdite conseguenti alla presenza di resistenze serie.
L’EFFICIENZA DEI MODULI
EFFICIENZA DI CONVERSIONE
SILICIO MONOCRISTALLINO
13 - 14%
SILICIO POLICRISTALLINO
12%
SILICIO AMORFO
7 - 8%
10
