Ambiente, Risparmio Energetico Ed Energie Alternative

222 Pages·2013·4.62 MB·Italian

Progetto Obiettivo
”Ambiente, Risparmio Energetico Ed
Energie Alternative”
G.A.I.A.

“Scenario tecnico ed economico sulla
produzione di energia da Fonti Rinnovabili”

Realizzato da:
Fabiola Simi
Relatore Ing. Francesco Matera

1
Indice
Introduzione 7

Capitolo 1: Il Solare Termico e Termodinamico 8

1.1 Generazione elettrica da fonti rinnovabili 8
1.2 La radiazione solare 11
1.3 Aspetti fondamentali della concentrazione 14
1.4 Impianti Solari Termodinamici per la produzione combinata
di energia termica ed elettrica 18
1.5 Collettore a Disco Parabolico 21
1.6 Collettore Parabolico Lineare 22
1.7 Sistema a Torre Centrale 25
1.8 Impianto Solare Termico per utenza residenziale 26
1.8.1 Dove può essere installato un impianto solare termico 28
1.8.2 Come si dimensiona un impianto solare termico 29
1.9 Il costo e gli incentivi 30
1.10 Il progetto Archimede 33
1.10.1 Nascita del progetto 34
1.10.2 Caratterizzazione del sito e risorsa solare disponibile 36
1.10.3 Schema generale di funzionamento 41
1.10.4 Progettazione e soluzioni innovative 43
1.10.5 Bilanci energetici e prestazioni 44
1.11 Enea, al via il progetto di solare termodinamico in Egitto 46

Capitolo 2: Il Fotovoltaico 48
2.1 L’effetto fotovoltaico 48
2.2 I semiconduttori 49
2.3 Proprietà del silicio 49
2.4 Proprietà ottiche 56
2.5 Generazione-ricombinazione 56
2.6 Il drogaggio 58
2.7 Parametri caratteristici delle celle solari 62
2
2.8 Limiti per l’efficienza delle celle solari 65
2.9 I moduli 66
2.10 I sistemi 67
2.11 Tipologie di celle fotovoltaiche 69
2.11.1 Celle fotovoltaiche in silicio monocristallino 69
2.11.2 Celle fotovoltaiche in silicio policristallino 70
2.11.3 Celle fotovoltaiche in silicio amorfo 71
2.11.4 Celle fotovoltaiche in film sottile 73
2.11.5 Celle fotovoltaiche microcristalline e microamorfe 74
2.11.6 Celle fotovoltaiche CdTem (Telluriuro di Cadmio) 75
2.11.7 Celle fotovoltaiche CIS (Copper Indium Seleneide) al diseleniuro di
rame e di indio 76
2.11.8 Celle ibride in cristallino/amorfo (HIT – Heterojunction with
Intrinsic Thin layer) 76
2.12 Applicazioni del fotovoltaico 77
2.12.1 Illuminazione stradale 77
2.12.2 Regolamentazione del traffico 77
2.12.3 Rete elettrica 78
2.13 Convenienza economica 79
2.14 Smaltimento e riciclaggio 79
2.15 Costo e produzione del fotovoltaico 81
2.16 Tipologia di impianto fotovoltaico 82
2.17 Come funzionano gli incentivi statali 83
2.18 Come si realizza un impianto 85
2.19 Calcolo dei preventivi 88
2.19.1 Impianto a Milano con i vecchi incentivi 88
2.19.2 Impianto a Milano con i nuovi incentivi 90
2.19.3 Impianto a Milano senza incentivi 92
2.19.4 Impianto a Roma con i vecchi incentivi 94
2.19.5 Impianto a Roma con i nuovi incentivi 96
2.19.6 Impianto a Roma senza incentivi 98
2.19.7 Impianto a Trapani con i vecchi incentivi 100
2.19.8 Impianto a Trapani con i nuovi incentivi 101
2.19.9 Impianto a Trapani senza incentivi 103
2.20 Confronto solare termodinamico vs fotovoltaico 105
3
Appendice: Incentivi “Quarto Conto Energia” 106

Capitolo 3: L’eolico 122
3.1 L’energia eolica 122
3.2 Tipologia di generatori 126
3.2.1 I generatori eolici ad asse verticale 127
3.2.2 I generatori eolici ad asse orizzontale 128
3.3 Come funziona un impianto eolico 130
3.4 Le wind farm 131
3.5 Gli impianti off shore 132
3.6 Classificazione degli impianti 134
3.7 Dove installare un impianto e come si forma il vento 134
3.8 Come reagisce un impianto alle sollecitazioni del vento 137
3.9 Quanta energia è contenuta nel vento 140
3.10 Quanta potenza può produrre un generatore eolico 141
3.11 Aspetti positivi 142
3.12 Aspetti negativi 143
3.13 Costi 144
3.14 Il micro eolico 146
3.15 Gli incentivi previsti 146
3.15.1 La tariffa fissa omnicomprensiva 146
3.15.2 Lo scambio sul posto 147
3.15.3 I certificati verdi per impianti di taglia superiore ai 200 KW 148
3.16 Gli strumenti di finanziamento e assicurazione 149
3.17 Quali autorizzazioni occorrono 150
3.18 Esempio di impianto da 3 KW 150

Capitolo 4: L’Idroelettrico 151
4.1 L’energia idroelettrica 151
4.2 Un po’ di storia 153
4.3 Funzionamento 153
4.4 Tipologie di centrali 156
4.4.1 Centrali a serbatoio 156
4.4.2 Centrali di pompaggio 157
4
4.4.3 Centrali ad acqua fluente 157
4.5 La fisica di un impianto idroelettrico 158
4.6 Classificazione 159
4.7 Impianti mini-idro 160
4.8 impianti micro-idro 162
4.9 Le turbine per il micro-idro 162
4.9.1 Microturbina Pelton 162
4.9.2 Microturbina Turgo 163
4.9.1 Microturbina a flusso radiale o incrociato 164
4.9.1 Microturbina Francis 164
4.10 Gli svantaggi dell’idroelettrico 165
4.11 Potenzialità mini idroelettrico in Italia 169
4.12 Costo di un impianto mini idroelettrico 171
4.13 Ricavi da incentivi e valorizzazione dell’energia 171
4.13.1 I Certificati Verdi per l’idroelettrico 172
4.13.2 L’alternativa Tariffa Omnicomprensiva 172
4.13.3 Chi è il Gestore dei Servizi Energetici (GSE) 173
Appendice:Incentivi per l’idroelettrico 174

Capitolo 5: Le Biomasse 176
5.1 L’energia da biomasse 176
5.2 Differenza tra biomasse e termovalorizzatore 178
5.3 Le biomasse emettono gas serra? 178
5.4 Biomasse e il problema del trasporto 179
5.5 Biomasse e teleriscaldamento 179
5.6 Gli impianti a biomasse in Italia 181
5.7 Impatto economico 182

Capitolo 6: Confronti con il nucleare 185
6.1 Introduzione 185
6.2 Energia nucleare nel mondo 187
6.3 Storia del nucleare 192
6.4 Funzionamento di una centrale nucleare 193
6.5 Centrali a fissione nucleare 194
5
6.6 Scorie nucleari 196
6.7 Costi energia nucleare 197
6.8 Deficit energetico ed energia nucleare 199
6.9 Vantaggi e svantaggi del nucleare 199
6.10 Incidenti nucleari 201
6.11 Il rischio della sicurezza 203
6.12 Evoluzione del nucleare 204

Capitolo 7: Lo scenario attuale delle fonti rinnovabili 206
7.1 Il contributo delle rinnovabili alla riduzione delle emissioni 206
7.2 Lo scenario mondiale 208
7.3 Lo scenario europeo 212
7.4 Obiettivi 213

Bibliografia 220

Ringraziamenti 222

6
Introduzione
La trattazione seguente ha lo scopo di illustrare il confronto tra le energie rinnovabili sia dal
punto di vista tecnico, sia dal punto di vista economico. Per ciascuna fonte energetica
rinnovabile se ne illustreranno le caratteristiche, il principio di funzionamento, il costo e gli
eventuali incentivi statali ad essa rivolti.

Nel capitolo 1 e 2 abbiamo effettuato un’analisi tecnica approfondita rispettivamente sul solare
termodinamico e sul fotovoltaico mettendo in evidenza i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno.
Per quanto riguarda il fotovoltaico in particolare si è considerato un preventivo per un impianto
per utenza residenziale valutando i possibili guadagni ottenibili nel corso della durata
dell’impianto stesso con e senza incentivi statali.

Nel capitolo 3 si è invece illustrata un’altra importante fonte rinnovabile per la produzione di
energia, l’eolico, facendo particolare attenzione al principio di funzionamento e alle varie
tipologie di impianti installate.

Nel capitolo 4 viene analizzata la produzione di energia idroelettrica, che rappresenta una delle
rinnovabili più sviluppate nel mondo, con una panoramica sui possibili impianti e la valutazione
dei vantaggi da una parte e dei possibili danni ambientali dall’altra.

Nel capitolo 5 si parla dell’ultima energia rinnovabile considerata, ossia quella ottenuta da
biomasse con uno sguardo agli impianti attivi in Italia e all’impatto economico.

Infine per confronto, nel capitolo 6, abbiamo analizzato la forma più discussa di energia non
rinnovabile, cioè il nucleare. Dopo una breve descrizione del processo di produzione si sono
analizzati i problemi che tutti si pongono sullo smaltimento delle scorie radioattive, della
sicurezza, dei rischi futuri etc..

A conclusione nel capitolo 7 viene mostrato un confronto sulle emissioni di CO a livello
2
mondiale da tutte le possibili fonti di energia rinnovabili e non rinnovabili (dati riportati
dall’IEA, International Energy nel Agency Renewables Information 2009).
Seguono quindi una serie di grafici sulla percentuale di energia rinnovabile consumata e prodotta
a livello mondiale, ma anche a livello europeo, ed infine una previsione sulle aspettative future.

7
Capitolo 1
Il solare termodinamico

1.1 Generazione elettrica da fonti rinnovabili
Benché i consumi energetici mondiali siano cresciuti negli ultimi 150 anni a un tasso medio
annuo intorno al 2,3%, ancora oggi un quarto della popolazione mondiale non ha a disposizione
l’energia elettrica e oltre un terzo, in gran parte concentrato nei paesi in via di sviluppo, fa
ricorso quasi esclusivamente alla biomassa quale fonte di energia primaria.

Figura 1
Centrale elettrica

D’altra parte, molti di questi paesi si trovano in zone dove la radiazione solare è considerevole e,
se fosse possibile sfruttarla con tecnologie semplici ed economiche, potrebbe fornire un
contributo determinante al loro crescente fabbisogno energetico. Si prevede infatti, per il solo
settore dell’energia elettrica, un raddoppio dei consumi mondiali nei prossimi 30 anni,
principalmente dovuto al forte aumento della domanda che si avrà nei paesi in via di sviluppo e
in quelli emergenti; questo settore rappresenta attualmente circa un terzo dell’intero fabbisogno
energetico mondiale, la cui crescita è prevista, nello stesso periodo, intorno al 75%. È evidente
che, per far fronte a questo notevole incremento della domanda, nei prossimi decenni non si
potrà più fare affidamento sulle sole fonti energetiche primarie tradizionali (principalmente
carbone, petrolio e gas naturale). Andranno quindi utilizzate al meglio tutte le risorse energetiche
disponibili, con particolare attenzione a quelle rinnovabili che, per la loro natura, non presentano
il problema del progressivo esaurimento dei giacimenti in corso di sfruttamento. La Figura 2
8
mostra i contributi energetici teoricamente disponibili e quelli tecnicamente sfruttabili che le
principali fonti rinnovabili potrebbero fornire a livello mondiale.

Figura 2
Potenzialità delle principali fonti di energia rinnovabili (Solar Millennium AG, 2003)

Queste considerazioni, unite alla maggiore consapevolezza delle conseguenze per i mutamenti
climatici indotti su scala planetaria dalle emissioni di un numero crescente di impianti industriali,
hanno determinato un rinnovato interesse per gli impianti termoelettrici solari da parte dei paesi
più industrializzati, come pure da parte delle istituzioni internazionali che devono promuovere e
sostenere lo sviluppo nei paesi tecnologicamente più arretrati. In tali impianti di generazione, la
radiazione solare, per poter essere sfruttata adeguatamente, va convertita in energia termica ad
alta temperatura; perché questa conversione sia possibile, la radiazione che arriva al suolo deve
prima essere concentrata. Per concentrazione e conversione dell’energia solare si intende
l’insieme delle tecnologie, dei sistemi e degli impianti che utilizzano questa energia come fonte
di energia termica ad alta temperatura mediante la focalizzazione della radiazione solare su
appositi ricevitori. Ciò comporta lo sfruttamento della sola componente diretta della radiazione e
la perdita della sua componente diffusa. Pertanto le regioni della Terra da prendere in
considerazione, al fine di un adeguato sfruttamento dell’energia solare negli impianti
termoelettrici, sono quelle in cui la radiazione diretta che arriva al suolo ha una potenza media
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annua almeno pari a 200 W/m2, corrispondente a una energia annua di 1.750 kWh/m2; nei siti
ottimali si può anche arrivare a una potenza media di 320 W/m2, corrispondente a una energia
annua di 2.800 kWh/m2.
Come mostra la Figura 3, le aree dove è possibile sfruttare la fonte solare mediante impianti a
concentrazione si trovano in gran parte nei paesi emergenti o in via di sviluppo. In queste
regioni, utilizzando le tecnologie solari a concentrazione oggi disponibili, ogni chilometro
quadrato di superficie captante potrebbe consentire mediamente l’immissione nella rete elettrica
di un’energia intorno a 300 GWh/a, equivalente alla produzione annua di un impianto
termoelettrico tradizionale da 50 MW funzionante per circa 6.000 h/a. Si potrebbe così ottenere
un risparmio annuo di combustibile di quasi 500.000 barili di petrolio e inoltre una riduzione
delle emissioni di CO2 mediamente pari a 200.000 t/a. Lo sfruttamento di meno dell’1% del
potenziale energetico reso disponibile dalla tecnologia solare a concentrazione sarebbe
sufficiente a soddisfare le raccomandazioni dell’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate
Change) per la stabilizzazione a lungo termine del clima planetario. Allo stesso tempo, lo
sfruttamento dell’energia solare diventerebbe economicamente competitivo rispetto a quello dei
combustibili fossili.

Figura 3
Mappa dell’irraggiamento solare diretto (Solar Millennium AG, 2003)

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