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LEZIONE 20: ENERGIA IDROELETTRICA E SOLARE
ENERGIA IDROELETTRICA:
L’idroelettrico in italia è la prima fonte di energia rinnovabile
nel 2021:
47,5% della produzione da fonte idraulica complessiva è stata generata dagli impianti idroelettrici ad acqua fluente, per quanto questi rappresentino solo il 32% della potenza complessiva installata in impianti idroelettrici
27,2% della produzione dagli impianti a bacino, a fronte del 25,7% della potenza installata
25,3% della produzione dagli impianti a serbatoio, che hanno la maggiore dimensione media per impianto e rappresentano il 42,3% della potenza installata
Nel 2021 la produzione è diminuita sensibilmente per le tipologie di impianto ad acqua fluente e bacino, rispettivamente del -7,6% e -3,3%; gli impianti a bacino, invece, registrano una produzione pressoché invariata
I fattori meteorologici rappresentano la ragione principale della variabilità della produzione idroelettrica
Mentre la potenza degli impianti è cresciuta lievemente e gradualmente, nel periodo dal 2005 al 2023 la produzione ha invece subito variazioni molto significative.
CALCOLO DELLA PRODUZIONE NORMALIZZATA (direttiva europea 2009/28/CE):
la produzione normalizzata è funzione della produzione osservata e della potenza installata negli ultimi 15 anni, distinguendo tra impianti da apporti naturali e impianti di pompaggio misto, seguendo la formula SLIDE 5
ORE DI UTILIZZAZIONE MEDIE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI:
2 491 h nel 2020
2 449 h nel 2019
2 369 h nel 2021
2 576 h nel 2018
COSTI DI PRODUZIONE:
Per calcolare il costo finale del kWh, in generale, si tiene conto di tre gruppi principali di costi:
COSTI OPERATIVI E COSTI DI MANUTENZIONE
costi di connessione alla rete di trasmissione
costi di manodopera
costi di assicurazione
costi amministrativi
costi per l'utilizzo del terreno
altri costi e varie
COSTI PER IL COMBUSTIBILE
COSTI DI INVESTIMENTO
costi di sviluppo e autorizzazione
costi per gli impianti
costi finanziari
costi di impiantistica accessoria
studio di fattibilità
altri costi
Il costo di produzione attualizzato del kWh dipende dai valori assunti dai seguenti fattori:
tasso di attualizzazione
vita utile dell'impianto
costo annuo unitario di OeM (Operativi Manutenzione)
fattore di carico
valore residuo dell'impianto a fine vita
costo unitario del combustibile
costo specifico dell'investimento
consumo specifico del combustibile
FATTORE DI CARICO:
formula:
Fattore di disponibilità x fattore di utilizzo
fattore di disponibilità:
= t totale di vita – (t manutenzione + t incidenti + t ricarica combustibile/disponibilità fonte rinnovabile)
fattore di utilizzo:
P erogata/ P teorica
COSTI DI PRODUZIONE DEL KWh DA IMPIANTO IDROELETTRICO:
L'INVESTIMENTO INIZIALE:
necessario per la costruzione di un impianto idroelettrico è solitamente elevato perché oltre i macchinari elettromeccanici necessari per la produzione di energia elettrica, un impianto idroelettrico comprende diverse opere civili e idrauliche
In tutti gli impianti idroelettrici è possibile identificare le opere civili e idrauliche,ma l’importanza di queste opere dipende molto dalla taglia dell’impianto
impianti di piccola taglia: costo non supera il 30/40% costo complessivo
impianti di grande taglia: il costo è del 60/70% del costo complessivo
Andamento del costo totale medio ponderato di installazione di nuovi impianti di energia idroelettrica tra il 2010 e il 2022 nel mondo
IN CRESCITA SPECIALMENTE NEGLI UTLIMI ANNI 2018-202O
È cambiata la percezione dell’acqua come elemento necessario per la vita, perciò si inzia a essere più scettici ad utilizzare l’acqua per fare energia, in quanto si vanno a creare degli sbarramenti a grandi fiumi per prelevare l’acqua togliendola ad altri posti a livello globale
IMPATTO AMBIENTALE:
i problemi ambientali sono dovuti soprattutto alle centrali a bacino
si possono elencare i seguenti impatti:
IMPATTO VISIVO
IMPATTO SULLA FAUNA SELVATICA
OCCUPAZIONE TERRITORIO
CAMBIAMENTO CLIMATICO
PRELIEVO IDRICO
ALTERAZIONI MICROCLIMA LOCALE
Infine da citare i rischi di terremoti indotti associati al peso dell’acqua accumulata negli invasi dei grandi impianti come quello cinese delle TRE GOLE, o quello di Itaipu al confine tra Brasile e Paraguay
ENERGIA SOLARE:
FLUSSO DI ENERGIA SOLARE:
25% ASSORBITA NELL'ATMOSFERA
27% DIRETTAMENTE ASSORBITA
18% DIFFUSA NELL'ATMOSFERA
5% RIFLESSA DAL TERRENO
25% RIFLESSA DALL'ATMOSFERA
COSTANTE SOLARE FUORI ATMOSFERA: 1,37 KW/m^2
POTENZA AL SUOLO: 1 KW/M^2
DENSITà DI POTENZA AL SUOLO:
condizioni metereologiche
presenza di superfici circostanti riflettenti o assorbenti
inclinazione dei raggi solari
inclinazione della superficie di captazione
spessore d'atmosfera attraversato
IRRAGGIAMENTO MEDIO ANNUO IN ITALIA:
CENTRO-SUD
4,7 kWh/m2 giorno
SICILIA
5,4 kWh/m2 giorno
NORD
3,6 kWh/m2 giorno
VANTAGGI E LIMITI:
VANTAGGI:
PULITA
ABBONDANTE
INESAURIBILE
NON COSTA
LIMITI:
DISCONTINUA
DILUITA
RECUPERO:
recupero di tipo diretto:
celle fotovoltaiche
forni solari
pannelli solari piani
sistemi passivi
recupero di tipo indiretto:
stagni solari
otec
eolica
centrali solari termiche
biogas
idroelettrica
biomasse
Principali tecnologie per l’utilizzo dell’energia solare da recupero diretto:
produzione di calore ad alta temperatura
TECNOLOGIE SOLARI A CONCENTRAZIONE O SOLARE TERMODINAMICO:
Impianti con collettori parabolici lineari
Sistemi a torre con ricevitore centrale
Impianti con collettore a disco parabolico
Collettori lineari di Fresnel
conversione fotovoltaica
IMPIANTI FOTOVOLTAICI:
L'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta da Alexandre Edmond Bequerel nel 1839, costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde elettromagnetiche
La teoria fisica che spiega l’effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico ne rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il premio Nobel
POTENZA DI PICCO (Wp):
energia erogata dal sistema in condizioni standard
radiazione incidente: 1000 W/m^2
temperatura cella: 25°C
La temperatura del contesto va ad influenzare la produzione degli impianti, troppo calore può bloccare l’impianto
LE CELLE FOTOVOLTAICHE:
SICILIO MONOCRISTALLINO:
efficienza del modulo dal 15% al 17%
generalmente le celle hanno forma circolare con diametro di 10-12 cm o ottagonale, ed uno spessore che varia tra i 0,2 - 0,3 mm, sono di colore blu scuro e uniforme
affidabilità garantita dalle aziende produttrici garantita per oltre 25 anni (anche se la loro vita media può superare anche i 30 anni)
SICILIO POLICRISTALLINO:
efficienza del modulo va dal 12% al 14%
si realizzano riciclando componenti elettronici scartati, ossia il cosiddetto "scraps di silicio" il quale viene rifuso per ottenere un agglomerato di piccoli cristalli denominati grani
Questi scarti di silicio vengono fusi all’interno di un crogiolo in modo da creare un composto omogeneo che poi viene raffreddato in modo tale da generare una cristallizzazione che si sviluppa in verticale
Si ottiene così un pane di circa 150-200 kg che poi viene tagliato verticalmente in lingotti di forma parallelepipeda
Con un altro taglio, questa volta orizzontale, si ricavano delle fette di spessore simile ai wafer del monocristallo
SILICIO AMORFO:
efficienza che va dal 6% all'8%
la vita media di un sistema fotovoltaico in silicio amorfo è di circa 10 anni
non subiscono sensibili variazioni dell'efficienza all'aumento delle temperature di esercizio
La produzione si realizza mediante un processo di deposizione di uno strato di 1-2 mm di silicio cristallino su di una superficie di vetro o plastica. Non si parla più di celle in quanto possono essere ricoperte superfici anche consistenti in modo continuo
Il fatto che lo spessore di silicio depositato sia molto ridotto permette un grande risparmio sul materiale, inoltre è possibile riciclare il materiale di scarto della tecnologia cristallina
Costi molto competitivi ma il processo produttivo non ha ancora raggiunto una diffusione su vasta scala tale da permettere risultati economici interessanti
Celle CIS (Copper Indium Diselinide) e CIGS (Copper Indium Gallium Diselinide):
efficienza che va dal 10% al 18%
basso costo e il processo di produzione facilmente automatizzabile
Celle a film sottile in CdTe (Telloruro di Cadmio):
Sono costituite da un materiale semiconduttore con caratteristiche simili a quelle dell’arseniuro di Gallio (GaAs) ma sono meno costose
Il processo produttivo detto di “sublimazione in spazio chiuso” risulta tecnologicamente semplice e permette la produzione di celle con efficienze del 15% e con buone caratteristiche di resistenza agli sbalzi termici
La cella risulta comunque di spessore ridotto in modo da contenere i costi, attualmente si arriva a spessori di 5-10 μm
L’efficienza massima arriva al 16% per singole celle e nonostante esistano diversi metodi di produzione questo record non è stato ancora superato, inoltre tale valore di efficienza non viene raggiunto nei moduli formati dall’insieme di celle
IMPIANTI FOTOVOLTAICI A CONCENTRAZIONE:
Impianto di produzione di energia elettrica mediante conversione diretta della radiazione solare, tramite l'effetto fotovoltaico
è composto principalmente da un insieme di moduli in cui la luce solare è concentrata, tramite sistemi ottici (lenti o specchi), su celle fotovoltaiche avanzate, le cosiddette celle a multigiunzione (MJ) (realizzate con una combinazione di diversi materiali semiconduttori di elevata qualità cristallografica che raccolgono porzioni complementari dello spettro solare)
CELLA SOLARE MULTICONGIUNZIONE:
Si tratta di una nuova tecnologia detta di terza generazione, nata inizialmente per l'applicazione in ambito aerospaziale ma diventata, negli ultimi anni, un elemento fondante per la tecnologia di impianti fotovoltaici a concentrazione
Ogni cella, composta da quattro sottocelle, può raggiungere un rendimento energetico del 44,7%
E’ prodotta con una procedura di fabbricazione, costosa e complessa, chiamata "wafer bonding’’
La composizione interna è molto diversa dalle celle tradizionali:
sia per il tipo di materiale, non c’è il silicio ma composti metallici diversi
sia per la struttura che non è lineare ma composta da veri e propri strati di materiali molto sottili sovrapposti gli uni sugli altri
produzione di calore a bassa temperatura
COLLETTORI SOLARI
dimensionamento della superficie dei collettori:
valori di riferimento per dimensionare la superficie del collettore con orientamento ideale (sud, inclinazione 30°) in relazione al fabbisogno giornaliero di acqua calda
per zone in italia:
Centro 1,0 m^2/(50l/giorno)
Sud: 0,8 m^2/(50l/giorno)
Nord: 1,2 m^2/ (50l/giorno)
Questi valori di dimensionamento permettono di coprire completamente il fabbisogno durante i mesi estivi, cioè in estate tutta l’acqua calda sanitaria viene riscaldata dall’impianto solare
Calcolato su tutto l’anno, il risparmio energetico ottenuto è di circa 50 - 80 %.
i valori sopra riportati devono essere ridotti del 25% nel caso in cui usino collettori a tubi sottovuoto
ANALISI DEL FABBISOGNO DI ACQUA CALDA:
Consumo giornaliero pro capite di acqua calda a 45 °C :
comfort medio 50 l/(persona/giorno)
comfort alto 75 l/(persona/giorno)
comfort basso 35 l/(persona/giorno)
Nel caso si vogliano collegare all’impianto solare anche la lavatrice e la lavastoviglie (difficili da trovare!), il fabbisogno deve essere aumentato di:
20 l/giorno lavatrice 1 lavaggio al giorno
20 l/giorno lavastoviglie 1 lavaggio al giorno