La utilizzazione dell’ energia solare Paolo Di Marco Dipartimento di Energetica, Università di Pisa
[email protected] 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: • chilovattora, kWh 3.6 MJ • caloria, kcal 4 kJ • tonnellata equivalente di petrolio, tep 40 GJ • british thermal unit, btu 1 kJ
James P. Joule 1818-1889
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
Quindi, più propriamente: PRODURRE ENERGIA CONSUMARE ENERGIA
Albert Einstein 1879-1955
> CONVERTIRE ENERGIA > DEGRADARE ENERGIA
L’efficienza di conversione "Non si dà cultura là dove si sappia tutto della guerra dei trent'anni e niente del secondo principio della termodinamica" (Elio Vittorini)
energia entrante
MACCHINA
energia utile
energia dissipata
Sadi Carnot 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 • maree
rinnovabile non rinnovabile
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 …
Consumo pro-capite, tep
9
9 Gtep
Amérique du Nord 6
La superficie dei rettangoli rappresenta il consumo di energia primaria
Australie Japon Russie-PECO 3
Amérique Moyenlatine Orient Chine … 0 0
Europe de l’Ouest
2
Afrique
4
Asie du Sud
Popolazione mondiale, miliardi
Source : « World Energy Assessment », 2001
6
Fabbisogno mondiale - proiezione Amérique Nord
9du
… nel 2050
Consumo pro-capite, tep
20 Gtep 6
Australie Japon Russie Amérique latine Moyen-Orient
3
Chine … Afrique
0 0
Europe de l’Ouest
2
4
6
Popolazione mondiale, miliardi
Source : « World Energy Assessment », 2001
Asie du Sud
8
10
Il 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 Mt
L’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).
Acidificazione [mg/kWh]
va
b.
e
/C bo n
e
lo C ar
/C ic
ic
co
lo
m
ar le G as
N uc
ol ov Fo t
om
ta ic
e as s
o ic rm
te
Bi
a e ar So l
G eo
co nc
en tr.
co le ttr i
Id r
oe
Eo lic
CO2-Equivalente [g/kWh]
o
p.
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 o
Emissioni per kWh
“From cradle to grave” (dalla culla alla tomba)
(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
W/m
2
800 600 400 200 0 0
3
6
9
12 ora
15
18
21
24
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 esercizio).
Svantaggi: • • • •
Intermittente (giorno-notte). Variabile (ora, nuvolosità). Elevati costi di installazione. Elevata superficie occupata.
(in
L’utilizzo dell’energia solare • Solare termico: • Alta temperatura (a concentrazione). • Bassa temperatura.
Solare fotovoltaico: • Stand Alone. • Grid connected.
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%<η<17% con risultati sperimentali di η=39% Limite teorico di Shockley – Queisser per celle solari a singolo gap: ~ 44% Limite termodinamico per la conversione elettrica dell'energia solare: 86%
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
550 °C
Progetto Archimede (ENEA): Specchi parabolici orientabili riscaldano dei sali fusi alla temperatura 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 solare Wirr [W]
acqua calda
o te
rm
ic
o
ui d liq is
ol a
nt e
na le ca
ve tr o
pr
ot et tiv o
radiazione riemessa (infrarosso)
acqua fredda m [kg/s]
Wirr = m cp (Tin-Tout)
Principali caratteristiche circolazione: naturale o forzata. • efficienza: energia perduta per scambio termico con l’ambiente (convezione/irraggiamento) • vernice selettiva: assorbe molto nel visibile, emette poco nell’infrarosso • vetro protettivo: riduce le perdite termiche convettive e radiative • tubi sottovuoto: (opzionali) riducono ulteriormente le perdite radiative. • altre perdite termiche: nelle tubazioni e nel boiler. 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 Sartori
Fabbisogno 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
30
Superficie 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 m2
Inclinazione/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 estetici
Altri parametri VOLUME BOLLITORE: - ca. 100 litri/persona SUPERFICIE SCAMBIATORE: - se bassa non trasferisce il calore (v.tabella) DIAMETRO TUBAZIONI : VOLUME VASO DI ESPANSIONE:
(circa 0.2-0.3 m2 per m2 di collettore) - velocità del fluido 2-3 m/s - più grandi sono meglio è (ma costano di più!). - almeno il 10% del volume dell’impianto
tratto da: I PANNELLI SOLARI AUTOCOSTRUITI - LA PROGETTAZIONE DELL’IMPIANTO A cura dell’Ing. Natale Sartori
Andamento 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 Sartori
Grazie 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…….
