Appunti riassuntivi - Rinnovabili

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University: Politecnico di Milano
Degree programme: Energy Engineering
Subject: Sistemi energetici e impiatto ambientale
Material language: Italian
Lecturer: Lozza
Classification: Notes · Other
Original format: PDF
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Energie Rinnovabili Riassunto — Sistemi Energetici ed Impatto Ambientale Sintesi della sezione «Energie rinnovabili» — dall'energia solare termica fino all'analisi fotovoltaica. Per ciascuna tecnologia sono evidenziati pro, contro e ore equivalenti di utilizzo. 1. Energia solare — analisi termica (Solare termico e CSP) Generalità Il Sole genera energia tramite fusione nucleare (idrogeno→elio). Alla Terra arrivano circa 1373 W/m² di radiazione extraterrestre, che a causa delle attenuazioni atmosferiche scendono a circa 1000 W/m² al suolo. La radiazione si distingue in diretta (83÷33%) e diffusa (5÷26%); il parametro chiave per la localizzazione degli impianti è il DNI (Direct Normal Irradiance). L'energia totale che colpisce la Terra (~174.800 TW) è enorme rispetto al consumo mondiale (~3 TW), ma è poco concentrata: serve circa 1 m² per 1 kW. Rendimento del collettore e concentrazione Il rendimento di un collettore è il rapporto tra potenza termica utile ceduta al fluido e potenza solare incidente, al netto delle perdite ottiche e termiche. Più alto è il fattore di concentrazione FC = Acoll/Aric, maggiore è il rendimento e la temperatura raggiungibile. Il solare termico (FC≈1) raggiunge 50÷80°C (punte 110÷120°C); per la conversione termodinamica (>300°C) servono i sistemi a concentrazione CSP (Concentrated Solar Power), che usano solo la radiazione diretta. I CSP si distinguono in concentratori lineari (inseguono il sole su 1 asse) e puntuali (2 assi, FC molto elevati, es. centrali a torre con specchi/eliostati attorno a una torre centrale). Come fluido termovettore (HTF) si usano oli (stabili fino a 350÷400°C) o sali fusi: i sali raggiungono temperature elevatissime ma congelano a 220°C e vanno mantenuti caldi. Accumulo termico e Duck Curve Il grande vantaggio dei CSP…

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Per i CSP l'accumulo si misura in ore equivalenti (ore a piena ORE potenza senza sole). Esempio: la centrale Andasol (Spagna) dispone EQUIVALENTI di un accumulo da 7,5 ore equivalenti (per 50 MWel = ~25.700 t di sali, ~13.500 m³). 2. Energia eolica Il vento nasce dalla distribuzione non uniforme delle temperature: fenomeni locali (brezze, ΔT regionali e variabili) e fenomeni globali (alisei, più costanti). La velocità cresce con l'altezza (strato limite, ostacoli). La potenza ha una fortissima dipendenza dalla velocità: P/S ≈ 0,6·v³ (a 10 m/s ≈600 W/m², a 5 m/s ≈75 W/m²). Il teorema di Betz (1920) fissa il massimo coefficiente di prestazione teorico Cp = 0,593 (con v3/v1 = 1/3). Le turbine si distinguono per principio (DRAG/LIFT) e asse: ad asse verticale (Savonius, Darrieus, H-bar) o orizzontale (HAWT, quasi tutto il mercato, fino a oltre 10 MW). Ogni turbina ha una velocità minima di avvio (~3 m/s) e una massima (pale «a bandiera»); nella zona di lavoro la potenza è mantenuta costante regolando l'angolo delle pale. Le wind farm devono evitare l'effetto scia. Installazioni On-shore (limiti di impatto paesaggistico e rumore) e Off-shore (vento costante, lontano dalle persone, ma più complesse e costose all'aumentare della profondità del fondale, con corrosione salina). LCOE: on-shore 0,025÷0,12 USD/kWh, off-shore 0,07÷0,12 USD/kWh (fossile 0,049÷0,174 USD/kWh). ✓ PRO ✗ CONTRO • LCOE competitivo, soprattutto on-shore • Fortissima dipendenza dalla velocità del • Off-shore: vento costante e non perturbato, vento (P∝v³) lontano dalle persone • Non programmabile (non si accende/spegne a • Tecnologia matura e in crescita dimensionale comando) (turbine fino a 26 MW) • On-shore: impatto paesaggistico e rumore • Off-shore: costi/complessità con la profondità, corrosione salina…

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Criticità: presenza di gas incondensabili (CO2 1÷10%, H2S) da estrarre con compressori, e acqua acida corrosiva. Nei cicli diretti la turbina può durare meno di 10 anni (contro 30–50 anni); per questo gli impianti geotermici non sono a impatto zero e in certi casi emettono CO2 simile a un impianto a gas. Investimento 2÷5 M€/MW, LCOE 0,050÷0,075 €/kWh (costi operativi molto bassi). ✓ PRO ✗ CONTRO • Disponibilità costante e continua, • Localizzazione limitata a zone ad alto indipendente dal meteo gradiente • Capacity factor molto alto (80÷90%) • Alti costi di investimento (esplorazione, • Costi operativi molto bassi perforazione) • Versatilità: integrabile in impianti ibridi • Gas incondensabili: emissioni non nulle (talora ~gas naturale) • Corrosione/acidità: usura turbine nei cicli diretti (<10 anni) Capacity factor 80÷90%, pari a 7000÷8000 ore equivalenti/anno ORE — il valore più alto tra le rinnovabili (sfruttabile fino a ~8000 EQUIVALENTI h/anno). 4. Energia idroelettrica Una delle forme più antiche di generazione. In Italia è ampiamente sfruttata e satura: i siti idonei sono già stati individuati e la produzione è stabile dagli anni '50. L'impianto più grande al mondo è la Diga delle Tre Gole (22.500 MW). Margini di crescita: nuovi impianti di pompaggio, revamping degli esistenti e mini-idroelettrico (molti siti, impatto modesto). Si distinguono impianti ad accumulo (variano rapidamente il carico, riserva per i picchi: preziosi per il load-following) e ad acqua fluente (su fiume, non fermabili, con elevato numero di ore equivalenti). Gli impianti di pompaggio (Pumped Storage Hydro) stoccano energia ricaricando i bacini nelle ore di bassa domanda, con round trip efficiency 70÷75% (le batterie 85÷90% ma molto più costose). Regola generale: alta caduta (>100 m)…

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o animale (letame, scarti di macellazione/caseari). Alla base c'è la fotosintesi (n·CO2 + n·H2O → (CH2O)n + n·O2), con LHV di 15÷19 MJ/kg (carbone 20÷30 MJ/kg). Conversione termochimica: combustione (ossidazione completa, combustori a griglia anche per rifiuti urbani; la camera adiabatica ad alta T distrugge inquinanti come le diossine da cloro), pirolisi (riscaldamento fino a 900°C in assenza di ossigeno → syngas, tar/olio, char), gassificazione (ossidazione parziale sub-stechiometrica → syngas), liquefazione. Conversione biochimica: biogas da digestione anaerobica (prevalentemente CH4; dopo upgrading diventa biometano immettibile in rete; il digestato è fertilizzante). La produzione di potenza avviene con cicli a vapore (impianti piccoli, 2÷20 MWe, a 450°C/70 bar per limitare la corrosione) o cicli ORC. ✓ PRO ✗ CONTRO • Rinnovabili e con provenienza diversificata • Competizione con l'uso alimentare del suolo • Emissioni di CO2 quasi nulle (ciclo del (aumento prezzi cibo) carbonio) • Grande impatto sull'ecosistema • Facilmente stoccabili e prodotte ovunque • Impatto ambientale del trasporto • Rivalutano gli scarti, danno reddito • Stagionalità delle colture; biogas: tempi all'agricoltura e tutelano le foreste lunghi (30÷50 gg), reattori grandi, potenza limitata 6. Energia solare — analisi fotovoltaica Il fotovoltaico converte direttamente la radiazione solare in elettricità in corrente continua (poi resa alternata da inverter), sfruttando l'effetto fotovoltaico (non il fotoelettrico). La cella (~120×120 mm) è scalabile fino a impianti da centinaia di MW senza effetti di scala. Efficienza di conversione ~20% (~200 W/m²); vita utile ~25 anni con calo all'85% dopo 20 anni. I pannelli sono in genere fissi (non inseguono il sole) e sfruttano radiazione diretta e diffusa.…

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Quadro di sintesi — Ore equivalenti e LCOE Tecnologia Ore equivalenti LCOE indicativo Solare termico / CSP Accumulo: 7,5 h eq. (Andasol) CSP poco competitivo ≥ ~2000 h/anno conveniente; On 0,025÷0,12 — Off 0,07÷0,12 Eolico ~1711 h/anno (50% impianti, 2021) USD/kWh Geotermico 7000÷8000 h/anno (CF 80÷90%) 0,050÷0,075 €/kWh Idroelettrico > 4000 h/anno Costi op. molto bassi Biomasse Variabile (impianti 2÷20 MW) Investimento specifico elevato Fotovoltaico ~1400 h/anno ~0,049 USD/kWh Nota: le ore equivalenti indicano per quante ore l'anno l'impianto produrrebbe alla potenza nominale; per il solare a concentrazione il valore citato si riferisce alla capacità di accumulo termico. Energie rinnovabili — Sistemi Energetici ed Impatto Ambientale Pag. 5

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