Intervento del Prof. Arturo DE RISI Facoltà di ingegneria Università

Workshop
ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI:
TRA PROFITTO E SOSTENIBILITA’
Incentivi, procedure, tecnologie e modalità di finanziamento.
Camera di Commercio di Lecce – Venerdì 22 febbraio 2008
Intervento del
PROF. ARTURO DE RISI
Professore di Sistemi energetici e dell’Ambiente
Facoltà di Ingegneria - Università del Salento
Estratto da www.promem.it
Energie Rinnovabili: Ricerca e Sviluppo
Prof. ing. Arturo de Risi
Facoltà di Ingegneria
Università del Salento
• Assicurare energia in quantità sufficiente e in maniera
affidabile a 6.5 miliardi di persone:
– 1/3 popolazione non usa energia elettrica ed un altro 1/3 ha accesso
limitato
– 4-5 miliardi di persone puntano ad uno standard di vita migliore
• In maniera sostenibile per l’ambiente:
• 90% dell’inquinamento di oceano e aria è legato all’energia
• Se non si risponde con urgenza a queste sfide la
situazione non può che peggiorare:
– Scontro sociale e conflitti per le risorse
– Questione sicurezza
2
GJ / pro capite
350
U.S.
300
Australia
250
200
• +15k / pro capite:
i servizi cominciano
a crescere
• $10k / pro capite:
•industrializzazione
quasi completa
EU
150
Korea
100
China
India
50
0
• $25k / pro capite:
industrializzazione e
la mobilità decolla
Japan
Mexico
Brazil
• $5k / pro capite:
serve poca energia
Thailand
0
5
10
15
20
PIL / pro capite (k$)
25
30
35
Source: IMF, BP
Per ridurre l’attuale vulnerabilità del sistema energetico, e per intraprendere la
strada della sostenibilità ambientale dei consumi di energia:
• diversificare maggiormente le fonti energetiche primarie (ridurre
dipendenza dall’estero e dalle fluttuazioni dei prezzi degli
idrocarburi);
• diversificare maggiormente le aree di approvvigionamento,
(riduzione i rischi dall’instabilità politica e geoeconomica di quei
Paesi esteri);
• perseguire una maggiore efficienza energetica (riduzione
consumi);
• dare slancio allo sviluppo delle forme di energia ricavate da fonti
rinnovabili, (riduzione delle emissioni previsti dal protocollo di
Kyoto).
Fonti primarie rinnovabili
Solare
Eolica
Idrica
Biomasse
Geotermica
Le fonti di energia rinnovabile non dipendono da combustibili le cui
riserve sono limitate. La fonte di energia rinnovabile più sfruttata è
l’energia idroelettrica; altre fonti rinnovabili sono l’energia da biomassa,
l’energia solare, l’energia dalle maree, l’energia dalle onde e l’energia
eolica. L’energia da biomassa non esclude il pericolo dell’effetto serra
A tale proposito si deve ricordare che il 99% dell’energia presente sul
nostro pianeta proviene dall’esterno e soprattutto dal sole, sottoforma di
radiazione, il resto è dato dall’energia derivante dall’attrazione
gravitazionale della luna; il modesto 1% di energia prodotta dal nostro
pianeta nasce dal suo interno e si manifesta come vulcanismo, geotermia
ed energia nucleare.
ENERGIA SOLARE
•Energia irraggiata dal sole annualmente sulla
Terra: 19.000 miliardi TEP
[TEP (tonnellata equiv.petrolio = 11.700 kWh)].
•Domanda mondiale annua di energia: ~10
miliardi di TEP
•Domanda italiana annua di energia: ~165
milioni di TEP
Perchè Investire nel Solare Termico
¾ La radiazione solare è abbondante sulla superficie della terra (dallo
0.1%della superficie, e con η=20%, si soddisfano I consumi annuali
mondiali)
¾ L’energia solare è illimitata
¾ Nessun particolare governo, o individuo, possiede l’energia solare
¾ L’utilizzo dell’energia solare è eco-compatibile
¾ Nella fascia solare terrestre l’energia solare è ben distribuita
¾ Il solare termico è una tecnologia provata e dimostrata (nella sola
California, più di 9 miliardi di kWh solari sono stati immessi nella
rete)
¾ Il solare termico ha costi attuali stimati di 0.15-0.20 €/kWh e costi
stimati a medio-lungo termine di 0.05-0.10 €/kWh
¾ Il solare termico è pronto per altre applicazioni se una penetrazione
sul mercato inizia immediatamente
¾ Nuovi progetti portano a ulteriore innovazione e riduzione dei costi
ENERGIA SOLARE (SISTEMI
TERMOSOLARI)
Una soluzione per ogni esigenza: tutti gli edifici con
uno spazio soleggiato possono dotarsi di impianti
solari
L’energia solare può essere “catturata” in modi
diversi e utilizzata per varie necessità energeti-che.
I pannelli solari sono
in genere composti da
una cella termicamente
isolata.
Lo Stato dell’Arte
/
Elevati costi di impianto
Gestione sistemi di accumulo
Impatto ambientale
10 MWe a Barstow, California
(Fonte: Ren. Ener. World, 2000)
Nuovi Fluidi Vettori Termici
La necessità di sostituire i Sali Fusi
impone lo sviluppo di soluzioni
alternative compatibili con la
generazione diffusa.
Studi preliminari hanno dimostrato
che è possibile aumentare la
conducibilità termica di un fluido
disperdendo
in
esso
nanoparticelle.
Ad oggi non sono ancora noti gli
effetti
dovuti
a
dispersione
dimensionale,
morfologia
e
proprietà
ottiche
delle
nanoparticelle.
ENERGIA SOLARE
(SISTEMI FOTOVOLTAICI)
ENERGIA SOLARE (SISTEMI
FOTOVOLTAICI)
– Limiti : tecnologia sofisticata; costi molto elevati (10 volte
l’eolica); bassa efficienza (~ 10% per i moduli commerciali); area
estesa dei pannelli
– Vantaggi: energia pulita, rinnovabile, materia prima a costo
zero, possibilità di utilizzo senza accedere alla rete elettrica
Installazioni :
- In Italia sono installate una dozzina di centrali FV con potenza
variabile da 30 kW a 3,3 MW (Serre-SA).
- In Europa sono installati solo 20 MW, nonostante gli sforzi di
promozione e gli incentivi
- In Germania, leader europeo nel FV, sarà installato il più grande e
potente impianto del mondo: superficie 45.000 m2 e potenza di 5
MW
CELLE FOTOVOLTAICHE INNOVATIVE
CELLE FOTOVOLTAICHE
MULTIGIUNZIONE
Differenti materiali semiconduttori disposti a
strati, uno sull'altro, e che permettono alle
differenti porzioni di spettro solare di essere
convertite in elettricità a differenti profondità,
aumentando con ciò l'efficienza totale di
conversione della luce incidente
Materiali Utilizzati: arsenuro di gallio (GaAs), il
rame indio diselenide (CuInSe2), il tellururo di
cadmio(CdTe), fosfuro di indio-gallio (GaInP2),
l'alluminio-gallio-arseniuro (AlGaAs), gallioarseniuro (GaAs).
CELLE FOTOVOLTAICHE INNOVATIVE
CELLE ORGANICHE
Utilizzano come elemento attivo non più un semiconduttore inorganico
come il silicio, bensì una serie di materiali organici (polimeri o piccole
molecole).
ANDAMENTO DELL’EFFICIENZA
DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE
Solare PV: Trends
Source: Sinke, ECN, 2001
• Focus su building-integrated PV (Tetti, facciate)
• Tariffe Agevolate: Aumento del mercato
• Silicio ancora dominante, thin films inizio fase
commerciale
• Ambientalisti forti sostenitori del PV
• Energy payback time: 3 a 6 anni; sono necessari
sforzi tecnologici per ridurlo a 1-2 anni
Uno Sguardo al Futuro dell’Energia Solare:
Le Nano-Rectenne
Nikola Tesla (1856-1943)
La Storia:
Nel 1899 a Wardenclyffe Tesla accese
delle lampade a 25 miglia di distanza
con rete wireless;
Nel 1964 William C. Brown dimostrò che
una rectenna poteva convertire
microonde in elettricità;
Schema Funzionale di una Rectenna
PV building integration:
Fire station in Houten, NL
Copyright: Novem - Hans Pattist
Parcheggio “Integrato” a Zwolle (Netherlands) nel 2003 con moduli FV opachi di
“prima generazione” della RWE Schott Solar
La copertura di un parcheggio d’interscambio si arricchisce di nuovi significati:
non più solo riparo per l’auto ma anche elemento di percorso pedonale e,
soprattutto, generatore fotovoltaico per la ricarica di veicoli elettrici
BIOMASSE
Tipologie più importanti: residui forestali, scarti
dell’industria del legno, scarti delle aziende
zootecniche, alghe e colture acquatiche, rifiuti
solidi urbani.
La conversione di biomasse in combustibili di
vario tipo avviene attraverso due tipi di processi:
• biochimici: processi di fermentazione con il contributo
di enzimi, funghi e micro-organismi ¼ biogas (miscela di
metano e anidride carbonica)
• termochimici: il calore prodotto può essere convertito in
energia elettrica: il rapporto Carbonio /Azoto deve essere
superiore a 30
Radiazione
Solare
Nutrienti
BIOMASSA
Zuccheri, Olii, Amidi, Farine, Proteine
6 CO2 + 6 H2O Æ 6 O2 + C6H12O6 Æ
6 CO2 + 6 H2O + ENERGIA +
Clorofilla
Combustione
Acqua
Ossigeno Glucosio
CENERE
Bioss.di
Carbonio
Calore - Elettricità - Energia
mecc.
BIOMASSE
LOCALIZZAZIONE e POTENZIALE
• Paesi in via di sviluppo: ricavano circa il 38% della
propria energia dalle biomasse (con punte del
90%)
• Paesi industrializzati: ~3%
• Europa: ~3,5% con punte del 18% in Finlandia,
17% in Svezia, 13% in Austria
• Italia: ~2,5% (nonostante l’elevato potenziale
di cui dispone)
Una piccola sorpresa: i biocarburanti
Il bioetanolo
Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le
tecnologie standard per ettaro di coltura:
Canna da zucchero:
7tonnellate
Mais:
3 tonnellate
Barbabietola da zucchero:
4 tonnellate
Patate:
3 tonnellate
Volvo
Mercedes
Vantaggi:
EOLICO
• Assolutamente pulita
• Rinnovabile
• Materia prima a costo zero
Svantaggi:
• Irregolarità dei venti (velocità >4 m/s per
almeno 100 giorni)
• “Presunto” impatto ambientale
Sviluppo delle Turbine Eoliche
660 kW
Æ 1999
1,65 MW
<1 MW
2002
1,75 MW
2,0 MW
2005
2,0-3,0 MW
2006 Æ
4,5-5,0 MW
x,x MW
Technology trends
• da 10 m a 140 m ø (1975-2007)
• da 30 kW to 5-7 MW
• Migliore Elettronica di Potenza
• Velocità Variabile
• da passo fisso a passo variabile
• da linee d’asse classiche a
azionamento diretto del generatore
• Forte riduzione del numero di
componenti
• Tempo di vita tecnico > 20 anni
Il Futuro: offshore
The first near-shore wind plant, Vindeby
(DK)
Constructed in 1991, 11 x 450 kW Turbines
Middelgrunden, DK
(2000)
20x2 MW (89 GWh/yr), 3.5
km from coast, 3-6 m depth
Horns Rev, DK (2002)
80 x 2 = 160 MW, 14 km from shore, 6-12 m depth
Il Futuro: Impianti Off-shore in acque profonde
Energia dall’acqua
(fiumi e laghi)
Effetti di inquinamento praticamente nulli
Forti effetti di impatto ambientale
Fonte: Alessio Bosio - Università degli Studi di Parma
Energia dall’acqua (mare)
Principio della colonna d'acqua oscillante (OWC)
o energia dalle onde
energia dalle correnti marine (solo prototipi)
energia dal gradiente
termico (prototipo – Hawai)
energia dalle mree
Aberdeen (Scozia)
Fonte: Alessio Bosio - Università degli Studi di Parma
Percorsi Sostenibili per la Produzione di H2
Energia
Energia Solare
Solare
Biomassa
Biomassa
Calore
Calore
Energia
Energia Meccanica
Meccanica
Elettricità
Elettricità
Termolisi
Termolisi
Conversione
Conversione
TermoTermoChimica
Chimica &
&
Biologica
Biologica
Elettrolisi
Elettrolisi
Idrogeno
Idrogeno
Fotolisi
Fotolisi
Stato dell’arte: Elettrolisi
• I costi di elettricità sono quelli
più elevati nei processi di
elettrolisi
– 43% per impianto di
quartiere (~20 kg H2/giorno)
• Sono necessari
elettrolizzatori più grandi ed
efficienti per la produzione di
massa dell’Idrogeno prodotto
per esempio da fonte eolica
$6
H2 cost $/kg
• Costi di investimento per
sistemi di piccole dimensioni
$7
Commercial Systems
(54 - 67kWh/kg)
$5
$4
Ideal System
(34 kWh/kg)
Cost-competitive with gasoline
at $1.50-$3.00/kg H2
$3
$2
$0.075/kWh
$1
$0
0.
00
0
0.
01
0
0.
02
0
0.
03
0
0.
04
0
0.
05
0
0.
06
0
0.
07
0
0.
08
0
0.
09
0
0.
10
0
– 80% per una stazione di
riferinmento (~1000 kg
H2/giorno)
Hydrogen costs via electrolysis
(electricity costs only)
Electricity cost $/kWh
Grazie
per
l’attenzione