guida alle energie rinnovabili

Regione Puglia

Guida per l’applicazione delle Energie Rinnovabili

Realizzata dall’I.T.I.S. “A. Pacinotti” di Taranto nell’ambito del progetto “L’EcoSostenibiltà nasce nella Scuola”

Realizzato con contributo Regione Puglia “Piano Educazione Sostenibilità 2011 – 2012”.

Premessa Secondo modelli, ritenuti generalmente validi, sembra che il petrolio sia in fase di esaurimento. Se ciò si rivelasse vero, provocherebbe delle ripercussioni enormi (alcuni parlano di ripercussioni catastrofiche) sull’economia, lo sviluppo e il sostentamento dell’umanità nei prossimi decenni (in particolare del mondo industrializzato, che maggiormente utilizza queste fonti), in quanto estremamente dipendenti dal petrolio. Una via indicata da molti per non incappare in questi eventi, è l’emancipazione dall’utilizzo del petrolio come fonte energetica, investendo risorse, ricerca e fondi nello sviluppo di fonti alternative di energia, che attualmente ricoprono una percentuale pari a circa il 20% della produzione energetica mondiale.

Non esiste una definizione univoca dell'insieme delle fonti rinnovabili, esistendo in diversi ambiti diverse opinioni sull'inclusione o meno di una o più fonti nel gruppo delle "rinnovabili"; possono comunque considerarsi energie rinnovabili quelle “forme di energia generate da fonti il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future o che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono esauribili nella scala dei tempi umani”.

Le energie rinnovabili possono essere classificate in: Energia solare (termica e fotovoltaica) Energia idroelettrica Energia eolica Energia geotermica Energia da biomasse

Fotovoltaico Un impianto fotovoltaico è un impianto elettrico che sfrutta l'energia solare per produrre energia elettrica mediante un processo denominato "effetto fotovoltaico".

Gli impianti fotovoltaici possono essere distinti in due grandi famiglie: impianti ad isola "stand-alone" e impianti connessi ad una rete di distribuzione esistente gestita da terzi "grid-connect".

Negli impianti fotovoltaici "stand-alone" le utenze elettriche sono isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in corrente alternata e si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente Gli impianti fotovoltaici connessi alla rete sono i più diffusi e riguarda quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale in AC, ma che immettono in rete la produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete. A seconda della tipologia di contratto previsto dal Conto Energia questa energia elettrica verrà solamente "appoggiata" perché autoconsumata (come se la rete fosse un accumulatore comune) o utilizzata per la immissione in rete (scambio sul posto e vendita).

I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete sono: 1. I moduli fotovoltaici convertono l’energia solare in energia elettrica in continua 2. L’inverter trasforma l’energia elettrica da continua in alternata 3. Il contatore Conto Energia conteggia tutta l’energia prodotta dall’impianto. Tale energia viene incentivata dal contributo statale 4. Il contatore bidirezionale conteggia sia l’energia in entrata, prelevata dalla rete, che quella in uscita, prodotta dall’impianto 5. Le utenze elettriche domestiche usano sia l’energia fotovoltaica (giorno) che quella prelevata dalla rete (notte) 6. La rete nazionale di distribuzione viene utilizzata come un’enorme batteria per accumulare l’energia prodotta dall’impianto (scambio sul posto) o per immettere l’energia in rete (vendita energia)

Come utilizzare l'energia prodotta?

Ci sono 3 casi da distinguere riguardanti l’uso dell’energia prodotta: Copertura dei propri consumi >>> Scambio Sul Posto Vendita con autoconsumo >>> Ritiro Dedicato Vendita Totale dell’energia Scambio Sul Posto: E’ la scelta ideale per le famiglie o comunque per chi installa un impianto fotovoltaico per coprire il proprio fabbisogno energetico.

Con questa soluzione il cliente può drasticamente abbassare il costo della bolletta elettrica poiché auto consuma tutta l’energia prodotta dall’impianto.

Ritiro Dedicato: Adatto a chi sceglie di sovra-dimensionare l’impianto producendo più energia di quelli sono i propri consumi. In questo caso l’utente utilizza l’energia prodotta dall’impianto solo se la consuma in concomitanza alla sua produzione. L’energia immessa in rete viene conteggiata e retribuita dal GSE (Gestore Servizi Elettrici) in base al prezzo zonale orario stabilito dall’AEEG. Vendita Totale: Adatto ad impianti industriali installati a scopo di lucro. In questo caso l’impianto immette in rete tutta l’energia prodotta senza possibilità di utilizzo della stessa. L’energia viene poi conteggiata e acquistata dal GSE.

Solare termico per acqua calda sanitaria e riscaldamento Un impianto solare termico è un sistema che consente di scaldare acqua per uso sanitario o come contributo parziale o totale per il riscaldamento invernale mediante l'utilizzo di un sistema di captazione dell'energia solare mediante collettori.

Il "collettore solare" o pannello solare è il dispositivo base su cui si basa questa tecnologia. I collettori sono attraversati da un fluido termovettore incanalato in un circuito solare che lo porterà ad un accumulatore. L'accumulatore ha la funzione di immagazzinare più energia termica possibile al fine di poterla usare successivamente al momento del bisogno.

Ne esistono di vari tipi, i più recenti sono i tubi sottovuoto che hanno un alto rendimento ma sono più soggetti a rotture.

Classificazione degli impianti solari Gli impianti si possono classificare in base al principio di funzionamento in:

Impianti a circolazione naturale

Impianti a circolazione forzata

Impianti a circolazione naturale: Sono gli impianti che sfruttano il principio naturale secondo cui un fluido più caldo tende a spostarsi verso l’alto, mentre un fluido più freddo tende a scendere verso il basso. In questo caso il serbatoio di accumulo termico è posto al di sopra del collettore. Il fluido termovettore, una volta riscaldato nel collettore solare (modulo o pannello) dalla radiazione solare, sale direttamente per moto convettivo nel serbatoio e trasferisce il suo calore all’acqua in esso contenuta.

Gli impianti a circolazione naturale presentano un rendimento complessivo elevato, grazie al risparmio del consumo elettrico del circolatore. Tuttavia in inverno le dispersioni termiche dell'accumulo sono elevate, dato che lo stesso si trova esposto alla temperatura esterna. Inoltre questa tecnologia di pannelli risulta di difficile integrazione nella copertura.

Tali impianti risultano i più semplici possibili in quanto privi di: circolatore,centralina di regolazione e relativi accessori.

Target: Buona soluzione in termini di economia d’impianto e di semplicità installativa per abitazioni monofamiliari (2-5 persone).

Impianti a circolazione forzata: Il principio di funzionamento di un impianto a circolazione forzata differisce da quello a circolazione naturale per il fatto che il fluido, contenuto nel collettore solare, scorre nel circuito chiuso per effetto della spinta fornita da una pompa comandata da una centralina termostato attivata, a sua volta, da sonde poste sul collettore e nel serbatoio. In questa tipologia impiantistica il serbatoio può esser posto in qualsiasi altro locale dell’edifìcio.

Gli impianti a circolazione forzata presentano il vantaggio di essere

completamente integrabili nel tetto. possono produrre acqua calda anche con temperature esterne basse e possono avere accumuli anche molto grandi.

Tuttavia il circolatore impegna una potenza elettrica che può variare dai 50 ai 100 Watt.

Gli elementi costitutivi sono: Collettori solari Serbatoio di accumulo Termostato differenziale o centralina Sonde di temperatura Pompa di circolazione Vaso di espansione Scambiatore di calore Valvole Circuito idraulico

Target: Abitazioni monofamiliari con elevate esigenze in termini di prestazioni (acqua calda sanitaria ed eventualmente riscaldamento).

Necessità di integrazione architettonica (il sistema di accumulo si può posizionare ad un livello più basso del collettore).

Strutture quali alberghi, impianti sportivi, scuole, camping, aziende.

Eolico L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia (elettrica o meccanica) e il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi distinti in funzione del tipo di modulo base adoperato definito generatore eolico: • Generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento; • Generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore va orientato (attivamente o passivamente) perpendicolarmente alla direzione di provenienza del vento.

Minieolico e microeolico Sono piccoli impianti adatti ad un uso domestico o per integrare il consumo elettrico di piccole attività economiche. Solitamente per minieolico si intendono impianti con una potenza nominale fra 20 kW e 200 kW, mentre per microeolico si intendono impianti con potenze nominali inferiori ai 20kW. Per questi impianti di piccole dimensioni il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai 1500-3000 euro per kW installato, in quanto il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato; tra le cause, le normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa non ne sostengono la diffusione, a causa dei problemi di impatto paesaggistico delle turbine eoliche.

Questi impianti possono sfruttare le specifiche condizioni del sito in cui si realizza l'installazione. Sono impianti adattabili, che riescono a sfruttare sia venti

deboli che forti e che riescono ad intercettare le raffiche improvvise tipiche dell'Appennino.

I generatori microeolico hanno un impianto paesaggistico poco diverso da quello di un lampione dell'illuminazione pubblica oppure di un ripetitore della telefonia cellulare I componenti principali di un aerogeneratore sono: Il rotore, costituito da un mozzo su cui sono fissate un certo numero di pale in genere in fibra di vetro. I rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate rispetto a quelli a tre pale, però vibrano di più sono più rumorosi. Esistono anche rotori con una sola pala, equilibrata da un contrappeso, che girano sono ancor più veloci dei bipala e dei tripala, ma hanno rese energetiche leggermente inferiori. Infine per l’azionamento diretto di pompe vengono utilizzati rotori con numerose pale.

Il sistema frenante, indispensabile per controllare la potenza dell’aerogeneratore e per arrestare il rotore in caso di eccessiva velocità del vento è di tipo aerodinamico. Come freno di stazionamento si usa invece un sistema meccanico.

La torre, con struttura tubolare o a traliccio, sostiene la navicella e il rotore. La struttura dell’aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta in cemento armato.

Il moltiplicatore di giri necessario per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità.

Il generatore che trasforma l’energia meccanica della rotazione delle pale in energia elettrica Il sistema di controllo che serve per gestire il funzionamento dell’ aerogeneratore e azionare automaticamente il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell’aerogeneratore in caso di malfunzionamento o di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.

La navicella è la cabina, posizionata in cima alla torre, in cui sono ubicati tutti i componenti sopraccitati ad eccezione del rotore e del mozzo. Al fine di mantenere un costante allineamento tra l’asse del rotore e la

direzione del vento, per massimizzare il rendimento dell’aerogeneratore, la navicella può ruotare di 180° attorno all’asse verticale. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l’allineamento è garantito dal sistema di imbardata costituito da un servomeccanismo che fa ruotare la pala in funzione della direzione del vento rilevata da un sensore (la banderuola) mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l’impiego di una pinna direzionale.

Biomasse Il termine biomassa è stato introdotto per indicare tutti quei materiali di origine organica (vegetale o animale) che non hanno subito alcun processo di fossilizzazione e sono utilizzati per la produzione di energia. Pertanto tutti i combustibili fossili (petrolio, carbone, metano, ecc..) non possono essere considerati come biomassa.

Le biomasse rientrano fra le fonti rinnovabili in quanto la CO2 emessa per la produzione di energia non rappresenta un incremento dell’anidride carbonica

presente nell’ambiente, ma è la medesima che le piante hanno prima assorbito per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell’atmosfera attraverso i normali processi degradativi della sostanza organica.

L’utilizzo delle biomasse quindi accelera il ritorno della CO2 in atmosfera rendendola nuovamente disponibile alle piante. Sostanzialmente queste emissioni rientrano nel normale ciclo del carbonio e sono in equilibrio fra CO2 emessa e assorbita.

S'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. Mediante questo processo le piante assorbono dall'ambiente circostante anidride carbonica (CO2) e acqua, che vengono trasformate, con l'apporto dell'energia solare e di sostanze nutrienti presenti nel terreno, in materiale organico utile alla crescita della pianta.

Le biomasse costituiscono una delle più importanti risorse a disposizione dell'uomo come fonte rinnovabile di alimenti, energia e materie prime.

L'importanza del loro utilizzo è dovuta soprattutto alla riduzione di emissioni di CO2: infatti, questo gas (noto per gli effetti serra) viene assorbito per generare attraverso la fotosintesi nuova biomassa.

La differenza con i combustibili fossili è pertanto molto profonda: il carbonio immesso in atmosfera è carbonio fissato nel sottosuolo che non rientra più nel ciclo del carbonio, ma nel terreno è fissato stabilmente. In questo caso si va a rilasciare in atmosfera vera e propria “nuova” CO2. Il termine è utilizzato per descrivere la produzione di energia in impianti appositi: impianti a biomassa. La valorizzazione energetica dei materiali organici contribuisce alla produzione di energia termica e con impianti di medie o grosse dimensioni può produrre anche energia elettrica, contribuendo a limitare le emissioni di anidride carbonica e quindi gli impegni del Protocollo di Kyoto.

La maggior parte delle biomasse presenti sulla Terra è di origine vegetale, infatti solo circa il 10% è di origine animale. Particolarmente acclamata dalla ricerca è la biomassa di origine vegetale,essa viene prodotta sfruttando l'energia solare tramite il processo di fotosintesi clorofilliana dove le piante assorbono l’anidride carbonica e l’acqua presenti nell’ambiente,che verranno poi trasformate in materiale organico che sarà utile alla crescita della pianta,grazie alle sostanze nutrienti presenti nel terreno e alla energia solare.

In questo modo vengono prodotte circa 2×1011 tonnellate di carbonio all'anno.

Legno: L’energia prodotta dal legno è derivata sia dal legname raccolto e usato poi come combustibile e sia gli scarti del legno.

Pellet : è formato da cilindretti prodotti con polvere di legno ( generalmente segatura ) Cippato : ( dall’inglese chips ) è costituito da pezzettini di legno sminuzzato, ottenuti da materiale non trattato, come i residui si segherie,potature,scarti boschivi,ecc…

Bricchetto : è formato da cilindri prodotti con polvere di legno ( generalmente segatura ) , la quale viene essiccata e passata a caldo. Utilizzando i residui e le polveri grossolane.

Legno

Pellet

Cippato

Bricchetto

Gli oli vegetali: sono gli estratti dai semi di colza e girasole sono, a tutti gli effetti e senza ulteriori modifiche, dei combustibili e, come tali, possono trovare un impiego nel settore energetico analogamente a quanto avviene per i combustibili liquidi di origine fossile. Le attuali applicazioni energetiche degli oli vegetali sono relative all’impiego in motori diesel. L’elevata viscosità esclude, allo stato attuale, l’applicazione degli oli vegetali tal quali per l’autotrazione.

Il biodiesel: la limitazione dell’utilizzo degli oli vegetali in alcune tipologie di motori, e in particolare di quelli per autotrazione, imposta dall’elevata viscosità del combustibile, è superabile mediante la trasformazione degli oli in biodiesel.

Come biocarburante, il biodiesel presenta alcune proprietà simili a quelle del gasolio, quindi i principali impieghi del biodiesel come prodotto energetico prevedono la sostituzione del gasolio per l’autotrazione dei mezzi dotati di motori diesel e per l’alimentazione delle caldaie e dei gruppi elettrogeni.

Il bioetanolo: è un carburante di origine vegetale, ottenuto dalla fermentazione alcolica di zuccheri e carboidrati più complessi, quali l’amido, la cellulosa e l’emicellulosa. Per la produzione di bioetanolo appaiono particolarmente interessanti le opportunità offerte dalla coltivazione dedicata di specie vegetali ad alto contenuto di zuccheri e carboidrati fermentescibili. Il bioetanolo presenta delle caratteristiche chimico-fisiche che lo rendono un carburante affine alla benzina, alla quale può essere miscelato o, in alcuni casi e mediante opportuni accorgimenti, sostituto nell’alimentazione degli autoveicoli.

Olio Vegetale

Biodisel

Bioetanolo

Trasformazione e utilizzazione delle biomasse

Geotermia e gli impianti geotermici La geotermia è una scienza geologica che analizzai fenomeni naturali correlati alla produzione e alla diffusione del calore proveniente dal sottosuolo.

Un impianto geotermico sfrutta il gradiente termico tipico del terreno che sta nel sottosuolo, per trarne energia da utilizzare nelle abitazioni.

La conduttività termica è mutevole in base al tipo di roccia o terreno, questo fa si che nel sottosuolo vi sia un gradiente termico ovvero una variazione di temperatura correlata alla profondità ed al tipo di materiale.

Il gradiente geotermico può aumentare in ragione di 1 °C ogni 30 metri dalla superficie sino ad 1 °C ogni 10 – 15 metri nei fondali marini.

Inoltre il sottosuolo ad una certa profondità ha una temperatura costante che non risente degli andamenti stagionali dell’atmosfera.

Un impianto geotermico è un impianto elettrico che sfrutta il calore residuo presente nel terreno che viene recuperato per il riscaldamento invernale e/o per il raffrescamento estivo, utilizzando la cosiddetta geotermia a bassa entalpia che appunto sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore.

Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso, presente negli edifici, viene dato al terreno. Questa operazione è resa possibile dalle pompe di calore, motori che tutti noi conosciamo nella forma più diffusa rappresentata dai frigorifero.

Impianti di questo tipo non necessitano di condizioni ambientali particolari, infatti non sfruttano né le sorgenti naturali d'acqua calda, né le zone in cui il terreno ha temperature più alte della media a causa di una particolare vicinanza con il mantello. Quello che questa tecnologia sfrutta è la temperatura costante che il terreno ha lungo tutto il corso dell'anno.

Normalmente, già ad un metro di profondità, si riescono ad avere circa 10-15 °C. A questo punto si utilizza la pompa di calore che sfrutta la differenza di calore fra il terreno e l'esterno per assorbire calore dal terreno e renderlo disponibile per gli usi umani. Più questa differenza è alta migliore è il rendimento. La pompa di calore necessita di energia elettrica per funzionare, in condizioni medie per ogni Kw elettrico consumato si ottengono 3 kW termici.

Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche: tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo.

Le sonde possono essere di due tipi:

verticali Orizzontali Nel primo caso la sonda scende nel terreno andando verso temperature piÚ elevate e necessitando di macchinari particolari per il carotaggio del terreno; nel secondo caso è necessario un terreno sufficientemente pianeggiante nel quale i tubi vengono posati a seguito di un semplice scavo ad una profondità non elevata. Nel secondo caso le sonde possono essere posizionate anche sul fondo di un lago artificiale o naturale sfruttando, in questo caso il calore dell'acqua.

Micro o mini idroelettrico Un impianto mini o micro idroelettrico è in piccolo, quello che si fa con un impianto idroelettrico ma senza costruire una diga: l'acqua che scende fa girare una turbina che genera energia elettrica.

La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica, tale energia fa girare un alternatore che la trasforma in energia elettrica.

Consente di produrre energia elettrica con potenza installata massima di 100 kW sia per utenze isolate (le aree montane difficilmente raggiungibili o non servite della rete nazionale, piccole comunità locali, fattorie o alberghi isolati) che utenze collegate alla rete.

Un altro settore di applicazione è quello del recupero energetico nelle applicazioni idrauliche. Ogni volta che ci si trova di fronte a sistemi di tipo dissipativo, quali punti di controllo o regolazione della portata con presenza di salti (vasche di sconnessione sfioratori e paratoie), è possibile installare una turbina per il recupero energetico della corrente. Il flusso d'acqua che scende mette in rotazione la turbina producendo energia meccanica; questa energia fa girare un generatore che la trasforma in energia elettrica. Un impianto microidro sfrutta l'energia potenziale posseduta dalla corrente di un corso d'acqua. Per gli impianti di dimensioni molto ridotte (2-3kW), la turbina, che è il componente principale di un impianto, può alloggiare direttamente nel corso d'acqua, mentre per gli impianti di dimensioni più grosse si utilizzano apposite opere civili come canali di adduzione, vasche di carico, condotta forzata ecc., che prelevano parte dell'acqua dalla corrente del corso e dopo che ha attraversato la turbina viene restituita al corso d'acqua in un punto più a valle. Per la realizzazione di un impianto micro-idro si deve disporre di un corso d'acqua con una portata mediamente costante, bisogna conoscere la portata e il salto idraulico di cui si dispone per dimensionare l'impianto.