13°_15_05_2013_ pompe_di_calore_fotovoltaico_solare_a_concentrazione

A+++, Analisi, Apprendimento e Azione per l’Effi cienza

e il Risparmio EnergeticoSEnti nelLE dell’eNErgia(Gruppo SELENE) A+++

15/05/2013 Tredicesimo Incontro, Comune di Pesaro, Sala Rossa,

Piazza del Popolo 1

13° INCONTRO: POMPE DI CALORE, FOTOVOLTAICO

E SOLARE TERMODINAMICO

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Indice (1/2)

• Le pompe di calore;– Principio di funzionamento;– Tecnologie disponibili;

• Il fotovoltaico:– Il principio di funzionamento di un impianto fotovoltaico;– La situazione delle rinnovabili in Italia;– Quanta energia ci offre il sole?

• Studio del WWF;• Calcoli di Carlo Rubbia;

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Indice (2/2)

• «Pannelli solari gratis»• Il solare termodinamico;

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POMPE DI CALOREPrincipio di funzionamento e soluzioni esistenti

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Principio di funzionamento… (1/2)

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Coefficienti di prestazione

• L’EER (Energy Efficieny Ratio) è pari al rapporto tra la potenza frigorifera fornita all’ambiente climatizzato e l’energia elettrica assorbita:

EER = Q0 (kW)/L(kW)

• Il COP (Coefficient of Performance) rappresenta il rapporto fra potenza termica fornita all’ambiente climatizzato e l’energia elettrica assorbita:

COP = Qt (kW) /L (kW)

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In arrivo la guida di QualEnergia

http://qualenergia.it/speciali/20130430-guida-agli-scaldacqua-a-pompa-di-calore

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FONTE DI CALORE

• Pompe aerotermiche (fonte ARIA)

• Pompe idrotermiche (fonte ACQUA)

• Pompe geotermiche (fonte SUOLO)

http://www.youtube.com/watch?v=3bVeajfJcM4

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…Principio di funzionamento (2/2)

http://www.youtube.com/watch?v=3bVeajfJcM4

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e il Risparmio EnergeticoSEnti nelLE dell’eNErgia(Gruppo SELENE) A+++

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Link scaricabile

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Pompe di calore aria-acqua o aria-aria

La sorgente di calore è l’aria esterna; Per il progetto: si fa riferimento alla zona climatica di appartenenza, a ciascuna delle quali corrisponde un periodo diverso di esercizio dell’impianto di riscaldamento.

Questa suddivisione è fatta in base ai «gradi giorno», parametro dato dalla somma di tutte le differenza positive giornaliere, fra la temperatura ambiente, fissata convenzionalmente a 20° C e la temperatura esterna giornaliera.Non richiedono alcun iter autorizzativo.

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Pompe geotermiche e idrotermiche

http://www.youtube.com/watch?v=q4TnwZM4Zxo

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Pompe di calore acqua – acqua

Acqua di falda:• 10-15 °C in condizioni normali;• 15-25°C in zone adiacenti aLocalità termali• E’ necessaria un’analisi geologica a cura di uno specialista;• Circuito aperto (pozzi per la captazione

dell’acqua) o circuito chiuso;• Portata per 1 kWth ≈ 150 – 200 l/h • Necessaria autorizzazione;

Possono impiegare:

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Pompe di calore acqua – acqua

Acque superficiali (mari, fiumi, bacini):- Maggiore variabilità termica

(nonostante capacità termica);- Problemi di corrosione o di

filtraggio materiali;- Circuito diretto o indiretto;- Portata per 1 kWth ≈ 250 – 400 l/h;- Necessaria autorizzazione;

Possono impiegare:

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Pompe di calore suolo – acqua

Sorgente geotermica:- D’inverno preleva il caldo dal

terreno;- D’estate traferisco calore al terreno;Terreno come serbatoio di prelievo e stoccaggio;- Estrazione tramite sonde;

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Pompe di calore suolo – acqua

Impianti geotermici con pozzi verticali:- Più sonde verticali di profondità limitata

(100 m);- Indagini preventive (umidità, conducibilità

termica, densità…);- Sonde con tubi di piccolo diametro in PE o

PE reticolato.- Configurazioni ad U e a doppio U;- Materiale di riempimento (buona

conducibilità, bassa solubilità e buona elasticità).

- Fluido termovettore (acqua e antigelo);

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Pompe di calore suolo – acqua

Impianti geotermici con sonde orizzontali:- Minori investimenti iniziali per le spese di

perforazione;- Meno efficiente strati superficiali del

terreno variazioni climatiche esterne;- Superfici di terreno molto ampie (fino a due

volte la superficie da climatizzare);- Tubi in PE o PE reticolato ad alta pressione;- Profondità massima di 1 o 2 m;- Influenza importante sulla temperatura del

terreno;

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Riscaldamento e ACS

http://www.youtube.com/watch?v=jRkGa-SNFwQ

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LA CELLA FOTOVOLTAICA: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

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L’effetto Fotovoltaico

http://www.youtube.com/watch?v=PnlPzNj_dSw

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Celle fotovoltaiche

• Silicio monocristallino:– 12% < η > 19 %;– Più costosi;– Maggiore sfruttamento della radiazione

diffusa;

• Silicio policristallino:– Maggiore tolleranza alle alte

temperature;– Minore efficienza maggiore impiego di

superficie;

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Celle fotovoltaiche

Film sottile:• Film sottile al silicio amorfo(a –Si);• Tellururo di Cadmio (Cd- Te);• Seleniuro di Cadmio, Indio e Rame

(CIGS);• Celle fotovoltaiche organiche (OPC);• La maggior parte ancora non in commercio;

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Silicio Amorfo

• Sottile pellicola di silicio (1-2 μm);

• In genere più economiche;

• Flessibile e leggero;

• Reagiscono meglio in caso di copertura parziale;

• 6% <η<12%

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QUANTA ENERGIA CI OFFRE IL SOLE?

Studi relativi al fabbisogno di superficie coperta da impianti fotovoltaici o da solare a concentrazione per soddisfare il fabbisogno di energia mondiale o italiano

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La radiazione solare

• La radiazione solare copre le lunghezze d’onda comprese fra 0,2 μm (UV) e 2,5 μm (IR);

• Gran parte della radiazione ultravioletta è trattenuta a 25 km dallo strato di ozono, le radiazioni infrarosse sono trattenute dal vapor d’acqua e dall’anidride carbonica;

• Parte della radiazione è poi riflessa dall’atmosfera o trattenuta dalle nubi;• Il 47% dell’energia solare arriva sulla superficie terrestre;• Parte della radiazione viene diffusa dall’atmosfera terrestre;

luce visibile 0,38 – 0,78 μm

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La radiazione solare

• Oltre che dal tipo di cella solare utilizzata, la capacità di una cella di convertire l’energia solare in elettricità dipende anche dall’intensità e dalla composizione spettrale della radiazione incidente; per le celle al silicio, la banda di sensibilità è compresa tra 0,4 μm e 1,1 μm;

• Il rendimento medio di una cella fotovoltaica dipende dalla località scelta per l’installazione dell’impianto e dalle relative condizioni atmosferiche;

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La radianza

• L’energia che incide nell’unità di tempo su di una superficie unitaria normale alla radiazione solare (radianza) fuori dall’atmosfera terrestre alla distanza media della Terra dal Sole viene definita «costante solare» (G0) e vale 1367 W/m2.

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La radianza

• Il valore massimo della costante solare, misurato sulla superficie terrestre in presenza di una giornata limpida e soleggiata è di circa 1000 W/m2.

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Le componenti della radiazione solare

• Le componenti della radiazione solare raccolta al suolo su una superficie inclinata rispetto al piano orizzontale sono:

– La radiazione diretta (unico e preciso angolo di incidenza);

– La radiazione diffusa raggiunge il suolo da tutte le direzioni (scattering atmosferico della radiazione incidente);

– La radiazione riflessa (terreno, specchi d’acqua…) o componente di albedo;

La radiazione diffusa è molto importante per i dispositivi fotovoltaici che operano anche in presenza di un ostacolo che impedisce la radiazione diretta;

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Le componenti della radiazione solare

• Se il cielo è nuvolo abbiamo solo radiazione diffusa; • In caso di clima sereno e secco, prevale la

componente diffusa (90% della radiazione totale);• La radiazione ottimale si ha quando la superficie di

raccolta è orientata a sud (angolo di azimut) con un angolo di tilt (inclinazione del pannello rispetto al piano) di valore simile alla latitudine in cui ci si trova;

• Variazioni di φ di una decina di gradi modificano l’energia totale catturata di qualche unità percentuale;

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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno mondiale di energia al

2050?http://awsassets.panda.org/downloads/solar_atlas__low_res__final_8_jan_2013__1_.pdf

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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno mondiale di energia al

2050?

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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno mondiale di energia al

2050?

• FV oggi: 0,1% fabbisogno energetico mondiale;• Crescita media del 40% dal 2000;• Rapporto WWF: ATLAS con domanda di energia in 7

distinte regioni e calcola la superficie necessaria per soddisfarla;

• In ciascun caso, è richiesta meno dell’1% della superficie per soddisfare le proiezioni di fabbisogno energetico al 2050;

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Quanto fotovoltaico per il fabbisogno mondiale di energia al

2050?

• Stime prudenziali;• Studio conservativo

impossibile soddisfare tutta la domanda con il fotovoltaico (anche altre rinnovabili);

• Diverse sfide per l’adeguamento della rete elettrica;

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Es. Madagascar

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Il Sole, Energia in Abbondanza…

http://www.youtube.com/watch?v=LeCWJvwghnA

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LA SITUAZIONE DELLE RINNOVABILI IN ITALIA

L’evoluzione del mercato dell’energia

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La questione energetica (dati Terna e GSE - 2011)

GSE, «Rapporto Statistico 2011 Impianti a fonte rinnovabile»

16,6 GW18,1 GW = x 1,09

0,087 GW

12,77 GW = x 15,4

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La concorrenza delle rinnovabili e l’evoluzione del mercato elettrico

http://qualenergia.it/articoli/20130414-mercato-elettrico-il-PUN-in-altalena-e-lo-zampino-delle-energie-rinnovabili

[…] In certe ore, inoltre, il prezzo minimo pagatoIn certe zone d’Italia scende addirittura a zero,Trascinando il PUN nazionale, macontemporaneamente resta molto alto in altre.

[…] PUN. E’ il risultato di aste, che coprono la richiesta di energia prevista, ora per ora, conL’elettricità offerta dai vari operatori. Nelle aste Si accetta, cioè si dispaccia, prima l’offerta più economica e poi, via via, i «pacchetti» più cari, fino a coprire tutto il fabbisogno […] a determinare il prezzo orario che si applica a tutti gli impianti è la fonte più cara selezionata, […] Le rinnovabili non programmabili, come solare ed eolico, sono offerte a prezzo zero […] Il loro effetto è quindi quello di far scendere il prezzo dei gruppi di offerte orarie in cui entrano.

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La concorrenza delle rinnovabili e l’evoluzione del mercato elettrico

http://qualenergia.it/articoli/20120503-boom-rinnovabili-e-il-prezzo-del-kwh-tocca-lo-zero

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L’adattamento della rete: linee di trasmissione e sistemi di

accumuloa

http://www.terna.it/Default.aspx?tabid=6367 http://www.qualenergia.it/articoli/20121112-un-accumulo-per-il-futuro-intervista-a-del-pizzo-di-terna

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«PANNELLI SOLARI GRATIS»

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Un preventivo di impianto

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IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL SOLARE TERMODINAMICO

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Schema del Processo

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• sistemi puntuali, capaci di spingersi alle più elevate temperature del fluido termovettore

• sistemi lineari, tecnologicamente più semplici, ma con un più basso fattore di concentrazione

Tipi di Impianti Solari Termodinamici CSP

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• Olio sintetico ---> temp max 400 C° ---> rischio di impatto ambientale ---> non idoneo per accumulo termico

• Sali fusi ---> 550 C° ---> non tossici (NaNO3, KNO3) ---> economici

• Acqua ---> temperature ancora più elevate ---> generazione di vapore all’ interno dei collettori

Fluido Termovettore

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Gli eliostati concentrano la radiazione solare su un singolo ricevitore posto sulla sommità della torre:

• l’ energia termica così concentrata trasferisce calore al fluido contenuto nel ricevitore

• il fluido viene trasportato ad un generatore di vapore che è collegato ad una turbina

• il vapore prodotto aziona la turbina

• la turbina trasferisce la sua energia meccanica all’ alternatore, che la converte in energia elettrica.

Sistemi a torre

Rendimento 18-20%

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Sono costituiti da pannelli riflettenti di forma parabolica che inseguono il movimento del disco solare attraverso un meccanismo di spostamento biassiale, e concentrano la radiazione incidente su un ricevitore posizionato nel punto focale.

Il calore ad alta temperatura viene trasferito ad un fluido e convertito in energia elettrica grazie ad un motore posizionato al di sopra del ricevitore.

Concentratori a disco parabolico

Rendimento 30%• diametro max 15m• potenza elettrica 25-30kW

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Il Solare a Concentrazione

http://webtv.sede.enea.it/index.php?page=listafilmcat2&idfilm=2&idcat=1

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Questo tipo di impianto è formato da specchi parabolici - che ruotano su un solo asse - che riflettono e concentrano la luce diretta del sole su un tubo ricevitore posto nel fuoco del paraboloide.

Concentratori parabolici lineari

Rendimento 10%tecnologia più economica

e più matura

Vantaggi dei sistemi CSP

• produzione di elettricità più uniforme rispetto al fotovoltaico• più veloce e più economica da riparare rispetto ad una comune

centrale a turbogas• sono in grado di fornire potenze elettriche da alcuni kW fino a

centinaia di MW

Svantaggi dei sistemi CSP• notevoli superfici libere da occupare in rapporto alla

produzione elettrica• tecnologia relativamente nuova

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Andasol 1 Guadix (Granada)

Dicembre 2008≈ 50 MW

≈ 510 ha di specchi3644 ore/anno

Alcuni Impianti operativi

Archimede

Priolo Gargallo (Sr)

Luglio 2010

≈ 5 MW

30 ha di specchi

3000 ore/annoLink notizia Corriere della Sera

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Gemmasolar Fuentes de Andalucia (Siviglia)

In completamento≈ 19,9 MW

≈ 185 ha di specchi6500 ore/anno

Alcuni Impianti operativi

Andasol 2

Guadix (Granada)

Marzo 2009

≈ 50 MW

≈ 510 ha di specchi

3644 ore/anno

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Altri ImpiantiEuropean Solar Thermal Electricity Association

http://www.estelasolar.eu/index.php?id=19

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE