fonti rinnovabili: l'energia del sole

FONTI RINNOVABILI: L’ENERGIA DEL SOLE

13 maggio 2011

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Un problema globale

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Le cause del fenomeno

Alcuni dei gas presenti nell’aria, detti "gas serra", hanno la capacità di assorbire il calore di quella quota di radiazioni solari che una volta "rimbalzate" sulla superficie terrestre sfuggirebbero poi verso lo spazio: più cresce la loro concentrazione, più aumenta la quantità di calore intrappolata nell’atmosfera e dunque, tendenzialmente, la temperatura sul nostro pianeta. Sono "gas serra” l’anidride carbonica (C02), i clorofluorocarburi (CFC), il metano (CH4), l’ossido di azoto (N20), l’ozono troposferico (03): gas la cui concentrazione aumenta sempre di più per cause legate ad attività umane.

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Le cause del fenomeno

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I rimedi – Il protocollo di Kyoto

Il protocollo di Kyōto è un trattato internazionale in materia

ambientale riguardante il riscaldamento globale sottoscritto nell’omonima città giapponese l'11 dicembre 1997 da più di 160 paesi in occasione della Conferenza COP3 della Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (UNFCCC). Il trattato è entrato in vigore il 16 febbraio 2005, e prevede l'obbligo in capo ai paesi industrializzati di operare una riduzione delle emissioni di elementi inquinanti (biossido di carbonio ed altri cinque gas serra, ovvero metano, ossido di diazoto, idrofluorocarburi, perfluorocarburi ed esafluoruro di zolfo) in una misura non inferiore al 5% rispetto alle emissioni registrate nel 1990 — considerato come anno base — nel periodo 2008-2012.

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20 – 20 - 20

Il pacchetto del "20-20-20" prevede per l'Unione Europea una riduzione, entro il 2020, almeno del 20% le emissioni di gas serra, rispetto ai livelli del 1990, e un aumento non inferiore al 20% della quota di energie rinnovabili nel consumo totale di energia dell'Unione. Il piano dà poi più spazio ai biocombustibili, promuove gli aiuti di Stato per stimolare la crescita delle rinnovabili, che in Italia dovrebbero raddoppiare rispetto all'attuale 8%, e favorisce la nuova tecnologia del carbone con la cattura dell'anidride carbonica.

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L’energia della natura

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Le fonti rinnovabili

Perché alcune fonti energetiche vengono definite “rinnovabili”?

Per capirlo bisogna riflettere sul loro funzionamento.

Analizziamo tre tipi di fonti rinnovabili molto utilizzate in Italia: idroelettrica, eolica e solare

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Idroelettrico

La centrale idroelettrica trasforma l'energia idraulica di un corso d'acqua, naturale o artificiale, in energia elettrica. In linea generale lo schema funzionale comprende l’opera di sbarramento, una diga o una traversa , che intercetta il corso d’acqua creando un invaso che può essere un serbatoio, o un bacino, dove viene tenuto un livello pressoché costante dell’acqua.

Attraverso opere di adduzione, canali e gallerie di derivazione l’acqua viene poi convogliata in vasche di carico e, mediante condotte forzate, nelle turbine attraverso valvole di immissione (di sicurezza) e organi di regolazione della portata (distributori) secondo la domanda d'energia. L'acqua, che mette in azione le turbine, ne esce finendo poi nel canale di scarico attraverso il quale viene restituita al fiume.

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Idroelettrico

L’alternatore , direttamente collegato alla turbina, viene montato secondo una disposizione ad asse verticale o ad asse orizzontale. Si tratta in sostanza di una macchina elettrica rotante in grado di trasformare in energia elettrica l’energia meccanica ricevuta dalla turbina.

L’energia elettrica così ottenuta deve essere trasformata per poter essere trasmessa a grande distanza.Pertanto prima di essere convogliata nelle linee di trasmissione, l’energia elettrica passa attraverso il trasformatore che abbassa l'intensità della corrente prodotta dall'alternatore, elevandone però la tensione a migliaia di Volts. Giunta sul luogo di impiego, prima di essere utilizzata, l’energia passa di nuovo in un trasformatore che questa volta, alza l'intensità di corrente ed abbassa la tensione così da renderla adatta agli usi domestici.

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Eolico

Il funzionamento delle pale eolichenon è diverso da quello dei tradizionali mulini a vento: il principio su cui si basano è lo stesso, sfruttare la forza del vento per produrre movimento, di una macina nelcaso dei mulini, di un rotore per le pale eoliche.

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Eolico

Un impianto eolico è costituito da un insieme di aerogeneratori di media (600-900 kW) o grande (>1MW) taglia distribuiti sul territorio e connessi tra loro attraverso un cavidotto interrato. All'impianto eolico, inoltre, è associata una cabina-stazione di consegna che, a sua volta è connessa alla rete elettrica nazionale.

Gli aerogeneratori sono costituiti principalmente da una navicella o gondola, sostenuta da una struttura metallica, a cui è connesso un rotore, formato da pale fissate su di un mozzo e progettate per sottrarre al vento parte della sua energia cinetica per trasformarla in energia meccanica.

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Eolico

Al soffiare del vento il rotore gira e aziona a sua volta il generatore elettrico, tramite un moltiplicatore di giri , che ha la funzione di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica.

Dal rotore, l’energia cinetica del vento viene trasmessa a un generatore di corrente collegato ai sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione di elettricità e l’eventuale allacciamento in rete.

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Fotovoltaico

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici in grado di captare e convertire l’energia solare disponibile in energia elettrica. Ciò avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico: la capacità che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati di generare elettricità se esposti alla radiazione luminosa.

Quando i fotoni (particelle di energia del sole) colpiscono una cella fotovoltaica , una parte di energia è assorbita dal materiale ed alcuni elettroni, scalzati dalla posizione che occupano nella struttura atomica, scorrono attraverso il materiale semiconduttore opportunamente trattato, producendo una corrente continua che può essere raccolta sulle superfici della cella.

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Fotovoltaico

Per formare un modulo, che rappresenta il componente base di ogni impianto fotovoltaico, è necessario che più celle siano collegate tra loro in serie o in parallelo ed impachettate.

Il collegamento di più moduli consentirà infine di realizzare impianti di produzione di energia elettrica della potenza desiderata.

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L’energia solare

L’energia solare che cade sulle sole

terre emerse ogni 40 minuti è

pari alla somma di tutti i consumi

energetici mondiali nell’anno.

La energia solare misurata in

Wh/mq, che raggiunge la superficie

terrestre, si distingue in diretta,

diffusa e riflessa.

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La centrale fotovoltaica di Montalto di Castro (Viterbo), con 6 MW di potenza installata, è attualmente la più grande d'Italia e tra le più grandi in Europa. Ha un’estensione di poco inferiore ai 10 ettari ed è in grado di produrre oltre 7 milioni di chilowattora l’anno, pari al fabbisogno di 2.700 famiglie.

L’energia prodotta dal sole a Montalto consentirà di evitare ogni anno l’emissione in atmosfera di quasi 5.000 tonnellate di anidride carbonica (CO2).

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Ora che abbiamo visto come funzionano le fonti rinnovabili, sappiamo anche perché vengono definite così:

Il loro utilizzo non comporta il loro esaurimento La loro disponibilità è garantita per un periodo di tempo che potrebbe essere illimitato

Tuttavia da sole le fonti rinnovabili non bastano a garantire il nostro fabbisogno energetico, per diverse ragioni:

L’energia non si può accumulare se non in piccole quantità Non ci sono sempre le condizioni in cui sole e vento possono produrre energia, e i livelli

di disponibilità dell’acqua sono variabili: abbiamo detto che sono fonti disponibili, ma non in maniera immediata

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la sfida per il futuro è rendere sempre più efficienti le fonti rinnovabili, aumentando il loro contributo al mix energetico.

Il settore fotovoltaico negli ultimi anni ha registrato una enorme crescita in termini di installazioni private su tutto il territorio nazionale.

Approfondiamo questa fonte energetica sempre più diffusa: come funziona un impianto fotovoltaico? Quanta energia produce e quanto spazio è necessario utilizzare? Come è possibile integrarlo con il territorio riducendo al minimo l’impatto estetico senza perdere in efficienza?

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Che cos’è la tecnologia solare fotovoltaica?

È la tecnologia che permette la trasformazione diretta di energia

solare in energia elettrica.

Pro

> Non inquina durante la generazione

> Risparmio combustibili fossili

> È molto affidabile (vita >25 anni)

> Modularità del sistema

> Non richiede parti in movimento (bassi costi manutenzione)

Contro

> Il costo è ancora piuttosto elevato

> Richiede l’utilizzo di ampie superfici

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Alla base della tecnologia fw: la cella fotovoltaica

La cella fotovoltaica è un dispositivo capace di convertire l’energia luminosa, su di essa incidente, direttamente in energia elettrica.

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Alla base della tecnologia fw: la cella fotovoltaica

Celle monocristallineVengono prodotte tagliando un lingotto con atomi di silicio disposti a formare unico cristallo. Il vantaggio principale è un’alta efficienza (fino al 18%). Questo tipo di celle è costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un’omogenea colorazione blu scuro.

Celle poli (multi-) cristallineGli atomi di silicio sono comunque ordinati, ma a costituire molti cristalli uniti fra loro. L’efficienza è minore (10-14%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle è riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenutivi).

Celle amorfeVengono prodotte mediante spruzzamento catodico di atomi di silicio su una superficie. Questo tipo di cella ha un’efficienza minore (ca. 4-8%), ma si adatta anche al caso di irradiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse).

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Alla base della tecnologia fw: l’energia solare

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Il modulo fotovoltaico

Le celle fotovoltaiche vengono

generalmente vendute già

assemblate in gruppi. L’insieme

delle celle e della struttura che

contiene le celle prende ill nome di

modulo fotovoltaico.

Cella

Modulo

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Il modulo fotovoltaico

Più stringhe possono poi essereconnesse in parallelo (campo)fino a raggiungere la potenzanominale dell’impianto

I moduli fotovoltaici possono poiessere connessi elettricamente inserie a formare delle stringhe perraggiungere la tensioneottimale di lavoro

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Impianto Connesso alla ReteSchema

Utenze

INVERTER

Controllo isolamento

Ponte DC/AC

Protezione di interfaccia

Sistemi di Misura

RETE

stringa Qu

ad

ro d

i p

ara

llelo

stringa

stringa

GENERATORE FOTOVOLTAICO

stringa

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Spazio occupato da un impianto fotovoltaico

La superficie di pannelli FV è di circa 8 mq per Kw di potenza nominale

I moduli possono essere montati su tetti e superfici piane, tetti a falda,

integrati architettonicamente, etc.

Nel caso tipico di installazione su superficie piana, i moduli vengono

tipicamente montati in modo fisso, a file, su apposite strutture di

sostegno.

Le file vanno quindi opportunamente distanziate tra loro al fine di

trovare il giusto compromesso tra occupazione di spazio ed esigenza di

rendere massima la produzione.

La superficie complessiva dell’impianto, in tal caso, può essere

sensibilmente superiore, per limitare gli effetti dell’ombreggiamento

tra file di moduli ( es. 13 mq).

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Strutture di sostegno dei moduli fotovoltaici

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I principi della conversione fotolvoltaicaPosizionamento dei moduli

La posizione ottimale dei moduli si ha

quando la superficie captante degli

stessi è orientata a SUD.

L’inclinazione dei moduli sul piano

orizzontale che massimizza l’energia su

base annuale è alle nostre latitudini

pari a circa 30°-35° (tipicamente la

latitudine – 10°)

Una variazione di pochi gradi (+/-15°),

rispetto alle condizioni ottimali di

orientamento e inclinazione determina

perdite dell’energia raccolta (e quindi

prodotta dall’impianto fotovoltaico) di

pochi percento.

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I principi della conversione fotovoltaicaValutazione dell’energia solare incidente su una superficie: irraggiamento

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I principi della conversione fotovoltaicaValutazione dell’energia solare incidente su una superficie: ore equivalenti

Si adoperano specifici software per ricavare l’energia solare incidente media annua giornaliera locale su moduli, rapportandola a un numero di ore equivalenti di irraggiamento a 1000 W/m2

Andamento della radiazione giornaliera incidente su superfici di diversa inclinazione durante l’anno

Rad

iazi

on

e s

ola

re g

iorn

aliera

(K

Wh

/mq

)

Dic Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

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Irraggiamento=> Producibilità esempi:

Posizione geografica: Potenza

Orientamento: Sud

Inclinazione 30°

Ore equivalenti 4,64 giorno (media annua) => Irraggiamento (1693 ore anno equiv.)

N.B. Rendimento complessivo del sistema è pari al 75% (minimo)Producibilità (minimo): 1.270 KWh/anno <=per ciascun kWp installato*1

Posizione geografica: Milano

Orientamento: Sud

Inclinazione 30°

Ore equivalenti 3,93 giorno (media annua) => Irraggiamento (1434 ore anno equiv.)

Rendimento complessivo del sistema è pari al 75% (minimo)Producibilità (minimo): 1.076 KWh /anno <=per ciascun kWp installato*1

Un impianto FV a Potenza produce circa il 15 % in più di un analogo a Milano.

*1 la potenza di picco di un modulo è la potenza espressa dal modulo in un test con le seguenti condizioni: =>T 25° => irraggiamento 1000W/mq => densità aria 1,5

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Dimensionamento e aspetti realizzativi Calcolo della distanza tra file di moduli su superficie piana

Individuazione della minima distanza tra le file in funzione della lunghezza dei moduli

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Sistemi ad inseguimento solare (Solar tracking)

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Sistemi ad inseguimento solare (Solar Tracking)

• I sistemi ad inseguimento solare consentono di incrementare la produzione di energia elettrica da parte dell’impianto fotovoltaico rispetto a una soluzione fissa.

Pro: Maggiore produzione

• Tali sistemi sono caratterizzati da una struttura portante mobile che movimenta i moduli FV inseguendo la traiettoria apparente del sole sia nel senso dell’orientamento est-ovest che dell’inclinazione rispetto al sole.

• In questo modo si sfrutta meglio la radiazione solare sia durante il giorno che durante tutto l’arco dell’anno – La produzione si incrementa di un 25%-35% rispetto ad un sistema fisso.

Ci sono due tipologie di inseguitori in commercio: sistemi di orientamento su due assi sistemi di orientamento est-ovest (l’angolo

di elevazione viene variato manualmente)

Contro: Parti movimento, costi più elevati rispetto a una

struttura fissa

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Sistemi ad inseguimento solare (Solar tracking)

Sistema di inseguimento a un solo asse

Sistema di inseguimento a due assi

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Applicazioni del fotovoltaicoUTENZE REMOTE

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Applicazioni del fotovoltaicoCENTRALI DI PRODUZIONE DA FONTI RINNOVABILI

L’impianto FV da 3300 kW di Serre (SA)

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Applicazioni del fotovoltaicoPICCOLE RETI ISOLATE

Stromboli: l’impianto per il villaggio di Ginostra.Sistema isolato da 100 kWp realizzato da Enel in soli sette mesi grazie a un finanziamento erogato dalla Regione Sicilia.

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L’integrazione del FV nel tessuto urbano

Houses in Amersfoort (NL)

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Houses in Amersfoort (NL)

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L’Università di NorthumbriaInghilterra del Nord

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Quartiere residenziale in Olanda

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La facciata del JRC di Ispra (Varese)

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Impianto a facciata da 9,7 kW (St. Moritz)

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Impianto su tetto a shed

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Copertura a botte e frangisole (Petten - NL)

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Esempi di impianti realizzati da Enel.siImpianto da 40kWp con moduli FV Thin Film

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Esempi di impianti realizzati da Enel.siImpianto su pensilina di un parcheggio

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Esempi di impianti realizzati da Enel.siImpianto da 32kWp con Inseguitori

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I componenti principali di un impianto FV Grid Connected

Utenze

Rete

Contatore bidirezionale

MisuratoreInterfaccia di rete

Stringhe di moduli

Inverter

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Esempi di impianti realizzati da Enel.siImpianto da 50kWp con moduli policristallini

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Esempi di impianti realizzati da Enel.siImpianto da 32kWp con Inseguitori

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Applicazioni del fotovoltaicoGENERAZIONE DISTRIBUITA

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Istituto per il Marketing (Austria)

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Impianto a facciata da 9,7 kW (St. Moritz)

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Impianto da 41 kW su tettoia per auto realizzata da Enel.si nel maggio 2005 presso l’Hotel Paradiso (Cefalù - PA)

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Impianto FV utilizzato come barriera frangirumore

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Servizi Enel.si legati alle fonti rinnovabili

FotovoltaicoFotovoltaico

I servizi relativi all’energia rinnovabile ed al risparmio energetico offerti da Enel.si possono sintetizzarsi in:

EolicoEolico

Solare Termico Solare Termico

CogenerazioneCogenerazione

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