Risorse energetiche rinnovabili nelle terre di collettivo godimento e loro utilizzazione

di Francesco Giusiano* - 13/12/2005

Fonte: Francesco Giusiano

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*Università di Parma

Introduzione
Particolare riferimento alle aree montane.
Perchè:
Alta incidenza nel nostro Paese;
Risorse rinnovabili solari secondarie e solari primarie
disponibili contemporaneamente;
Loro utilizzazione sinergica particolarmente conveniente;
Proprietà condivisa più diffusa che in altri territori.
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Risorse energetiche rinnovabili
• Solari secondarie:
• Biomassa legnosa
• Biomassa da deiezioni animali
• Energia idraulica
• Energia eolica
• Solare primaria:
• Radiazione solare
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Risorse energetiche rinnovabili
Da queste risorse si possono ottenere:
• Potenza termica da sola
• Potenza elettrica da sola
• Potenza elettrica e termica insieme
(cogenerazione)
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Biomassa legnosa:filiera del
“chippato”
Materia prima:
• prodotto della gestione del bosco
• scarto da coltivazioni arboree
Disponibilità: resa per unità di superficie variabile e <SRF
Raccolta: tipicamente difficile per caratteristiche del territorio;
macchine operatrici e mezzi di trasporto affidabili disponibili
commercialmente
Prospettiva futuribile:trazione elettrica con pile a combustibile
alimentate a metanolo
Combustione : Possibile alimentazione automatica
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Biomassa legnosa:filiera del “pellet”
Materia prima:
Scarto di lavorazione del legno (può anche essere bruciato
“tal quale”)
Disponibilità:
Dipende dall’attività degli impianti (difficoltà di previsione)
Facilmente trasportato a distanza e fornito a terzi
Combustione:
Possibile alimentazione automatica
 Le due filiere possono sovrapporsi
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Biomassa legnosa:filiera del
“tronchetto”
Materia prima:
gestione del bosco (solo materiale selezionato)
Disponibilità:
Minore che per il “chippato”
Approvvigionamento:
Più difficoltose lavorazione e trasporto
Combustione:
Impossibile alimentazione automatica
8 Tecnologia per biomasse:generazione
di sola potenza termica
Caldaie individuali: Pt ≈101 kW
Buon rendimento energetico:R>0.8
Ridotte emissioni inquinanti: CO, NOx,SO2 polveri,
diossina(?)
Alimentabili con prodotti di qualunque filiera (con diversi
gradi di automazione)
Caldaie condominiali: Pt ≈102 - 103 kW
Solo alimentazione automatica (no tronchetti)
Caldaie per impianti di T.R. : Pt ≈103 - 104 kW
9 Tecnologia per biomasse:generazione
di sola potenza termica
• Qualche numero:
1 kW = 1kJ/s = 860 kcal/h
PCI legno ≈ 3000 kcal/kg ≈ 12500 kJ/kg
Per avere
Pt =10 kW, con R=0.8 serve Pc= 10/0.8=12.5 kW
• Quindi la portata di legna di alimentazione vale
p= (12.5kJ/s)/ (12500 kJ/kg) = 0.001 Kg/s= 3.6 kg/h
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Tecnologia per biomasse:impianti
convenzionali di cogenerazione
Cogenerazione “leggera”:
Privilegia generazione elettrica
Necessaria taglia tale che Pe>10 MW , per cui Pt>40
MW, per avere resa elettrica accettabile (R>0.25)
Problemi di:
• approvvigionamento
– disponibilità locale
– trasporto
Impatto ambientale complessivo elevato
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Tecnologia per biomasse:impianti
convenzionali di cogenerazione
Cogenerazione “pesante”:
Valorizza anche potenza termica
Accettabili anche piccole taglie (Pt < 10 MW)
Esempi di valorizzazione della potenza termica:
Periodo freddo: Teleriscaldamento di ambienti a uso civile
e/o produttivo (serre), refrigerazione con macchine ad
assorbimento.
Altri periodi: Essiccatoi per prodotti agricoli e del sottobosco,
refrigerazione con macchine ad assorbimento, altre
lavorazioni stagionali.
12 Tecnologia per biomasse:impianti
avanzati di cogenerazione
• Effettuano la gassificazione della biomassa
prima della combustione.
• Il combustibile ottenuto (syngas) può
essere usato in microturbine o in motori
alternativi con resa elettrica più elevata
degli impianti convenzionali
• La tecnologia non è ancora ben
affermata, almeno nel nostro paese.
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Tecnologia per biomasse:impianti
avanzati di cogenerazione
• Producono energia elettrica non con un ciclo a
vapore convenzionale ma con con un ORC (Organic
Rankine Cycle).
• Si ottiene rendimento elettrico compreso fra 15% e
20% per potenza elettrica intorno a 1 MW,mentre con
un ciclo convenzionale si sarebbe a poco più di 11%.
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Risorsa Biogas
Il biogas è una miscela di CH4 (max 80%) , CO2 e
piccole percentuali di impurezze varie (H2S,…)
ottenuta per fermentazione anaerobica di biomasse
varie.
Prodotti da avviare alla fermentazione anaerobica:
Deiezioni animali
Frazione umida RSU
Residui di lavorazioni ( prodotti agricoli, carni,…)
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Risorsa Biogas
Tecnologie per la produzione:
Impianti di piccole dimensioni (aziendali):problemi
soprattutto di gestione tecnica
Impianti di grandi dimensioni (consortili):problemi
di gestione complessiva (approvvigionamento e
trasporto della materia prima, impatto sul
territorio,…)
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Risorsa Biogas
Tecnologie per l’uso:
• Caldaie per la combustione tal quale in loco
• Motori e microturbine per cogenerazione dopo
purificazione (eliminazione impurezze nocive per
combustione)
• Impianti per “upgrading” (eliminazione impurezze,
aumento concentrazione CH4 fino a 96% ) e
immissione nella rete di distribuzione
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Risorsa idroelettrica
Tecnologia idroelettrica ( la più vecchia da fonte rinnovabile):
• Estremamente matura e diversificata; disponibili turbine per ogni
situazione:
– Piccola portata e grande dislivello
– Grande portata e piccolo dislivello
– Piccola e grande taglia (ora anche “nanoturbine”, con potenza <1 kW)
Impianti: ad acqua fluente;a bacino con condotta forzata ( ripompaggio)
Possibilità di telecontrollo computerizzato (ritornano convenienti impianti
che non lo erano più con gestione convenzionale)
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Risorsa idroelettrica
Impatto ambientale:
• Bacino idroelettrico sottrae territorio ad altri usi
• Eventuale rottura diga può provocare catastrofe
• Conflitto fra usi della risorsa acqua ( agricolo,
idroelettrico, turistico- ricreativo )
Possibili azioni di mitigazione:
• Garantire sempre il deflusso minimo vitale
• Per decidere fare bilancio complessivo
• Perseguire gestione locale completa della risorsa acqua
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Risorsa eolica
• Tecnologia per generazione elettrica:
– Disponibile ampio ventaglio di aeromotori
• ad asse orizzontale:tipicamente tripala; potenze nominali da
pochi kW ad alcuni MW; Pmax ≈ 5MW (altezza torre≈ 100 m,
lunghezza pale ≈60m)
• ad asse verticale: varie configurazioni;Pmax nettamente più
bassa (<100kW).
• Utilizzazione predominante in “parchi eolici”, costituiti da
parecchi aeromotori
• Zone montane italiane: risorsa eolica disponibile
tipicamente sui crinali; velocità medie del vento inferiori a
quelle di pianure e mari del nord-Europa
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Risorsa eolica
Impatto ambientale:
• Singoli aeromotori e soprattutto parchi eolici
sottraggono territorio ad altri usi
• Emettono rumore
• Hanno impatto sull’avifauna
• Hanno impatto visivo che rende problematica la
loro accettazione da parte delle comunità
interessate. E’fondamentale il coinvolgimento e la
costruzione graduale di un consenso informato.
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Risorsa solare:generazione di
potenza termica
• Un dispositivo senza parti in movimento
(collettore) riceve radiazione solare e la converte
in potenza termica ceduta ad un fluido
termovettore (tipicamente acqua o aria).
• Rendimento tipico medio R≈ 50%.
• Energia solare incidente in un anno su 1 m2 di
superficie orizzontale ≈1400 kWh (valore medio
per l’Italia; in Trentino ≈1100 kWh, in Sicilia
≈1700 kWh
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Risorsa solare:generazione di
potenza termica
• Tecnologia disponibile:collettori piani vetrati
• Impianto per sola ACS:in pianura padana tipicamente ≈4
m2 di collettori con accumulo di ≈300 litri copre al 60%
nell’anno e al 100% da aprile a ottobre le esigenze di una
famiglia di 4 persone.
• Impianto “Combi” per un contributo significativo al
riscaldamento di ambienti, con integrazione da impianto
convenzionale:tipicamente da 10 a 15 m2 , però risulta
molto sovradimensionato per la sola ACS estiva.(Il
riscaldamento potrebbe essere totalmente solare se fosse
disponibile tecnologia per accumulo stagionale efficiente e
compatto).
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Risorsa solare:generazione di
potenza termica
• Tecnologia disponibile:
• Collettori piani senza copertura trasparente, per
uso solo stagionale (acqua calda per piscine,
stabilimenti balneari…)in località con clima mite.
• Collettori solari sotto vuoto (tipicamente
tubolari):In climi freddi consentono di avere buoni
rendimenti a bassa temperatura, mentre in climi
temperati o caldi permettono di produrre vapore di
processo a T>100°C.
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Risorsa solare:generazione di
potenza termica
Costo dell’impianto installato, IVA inclusa:
• Tipicamente ≈1000€/m2 di collettore piano vetrato
• Tempi di ritorno: pochi anni, anche senza incentivi
Utenze particolarmente adatte:impianti sportivi e
ricreativi,campeggi, alberghi, soprattutto se l’uso è
soprattutto estivo, per cui richiesta di potenza termica e
disponibilità di potenza solare sono in fase.
Particolarmente valida ambientalmente, e conveniente in zone
montane, l’integrazione con caldaie a biomassa.
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Risorsa solare:generazione di
potenza elettrica FotoVoltaica
Dispositivo senza parti in movimento (collettore, o
pannello) assorbe potenza solare e genera potenza elettrica
in corrente continua (il valore dipende ovviamente
dall’intensità della radiazione solare incidente).
Rendimento massimo di conversione varia secondo il tipo
di collettore:come valore indicativo si può prendere
R≈15%. Il collettore è costituito da un certo numero di
dispositivi elementari (celle FV) collegate in serie in modo
da fornire una tensione elettrica adeguata.
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Risorsa solare:generazione di potenza
elettrica FotoVoltaica
• Tecnologie disponibili: Tipi di celle
– Silicio monocristallino
(Rmax≈25%)
– Silicio policristallino
(Rmax≈20%)
– Silicio amorfo come film sottile
(Rmax≈10%)
– Semiconduttori binari o ternari
(Rmax≈40%)
– Altri film sottili
(Rmax≈15%)
• Moduli commerciali hanno rendimento
complessivo minore:
– m-Si e p-Si :R attorno a 15%
– a-Si : R attorno a 7%
– Altri film sottili: R attorno a 10%
– S.C. binari e ternari: R attorno a 30%;
usi spaziali,concentrazione
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
m-Si e p-Si a-Si Altri film
sottili
S.C. binari e
ternari
Rendimento di vari tipi di moduli FV
Rendimento
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Risorsa solare:generazione di potenza
elettrica FotoVoltaica
•Tipi di moduli commerciali:
– Flessibili (quelli a film sottile) o rigidi (tutti gli altri)
– Con cornice metallica o senza
– Opachi o semitrasparenti
– Colorati
•Dimensioni e caratteristiche non standardizzate
•Tempo di ritorno energetico: fra tre e cinque anni, secondo il tipo di
modulo e la disponibilità di radiazione solare.
•Durata tipica dei moduli: circa 30 anni
•Garanzie del costruttore: 1-2 anni per difetti di fabbricazione; 20-25
anni per rendimento non minore dell’80% di quello iniziale
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Risorsa solare:generazione di potenza
elettrica FotoVoltaica
Per completare l’impianto serve quanto indicato con la sigla
BOS (balance of system):
• Regolatore di carica: la potenza istantanea della radiazione
solare cambia nel tempo, bisogna inseguire il “punto di
massimo” della potenza elettrica erogata.
• Sistema di accumulo nel caso che si tratti di impianto
isolato:tipicamente realizzato con batterie al Piombo.
• Inverter, cioè dispositivo che converte la potenza da
corrente continua a corrente alternata, nel caso di impianto
collegato alla rete elettrica.
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Risorsa solare:generazione di potenza
elettrica FotoVoltaica
L’impianto è caratterizzato da:
• Potenza di picco, misurata in condizioni STC ( 1kW/m2 di intensità
della radiazione solare, 25°C di temperatura del modulo, spettro
AM1.5)
• Energia elettrica effettivamente prodotta durante un certo intervallo di
tempo (giorno, mese, anno…)
• Resa energetica: rapporto fra l’energia elettrica prodotta e l’energia
solare intercettata dai pannelli durante un certo tempo.Per impianti
attuali , è compresa fra 5% e 15%.
• Costi (chiavi in mano) ≈6000€/kWp.Costo previsto per grande
impianto in Germania da 10MWp:40 M€ (4000€/kWp).
• Tempo di ritorno economico:per essere <10 anni ha bisogno di
incentivazione
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Risorsa solare:generazione di potenza
elettrica FotoVoltaica
Impatto ambientale:
• Non particolarmente elevato per ciclo di vita dei moduli
• Necessario smaltimento delle batterie ( con durata media di circa
4-5 anni) nel caso di impianti isolati.
• Possibile elevato consumo di territorio
• Impatto visivo dei moduli se non integrati correttamente
• Per compatibilità ambientale necessaria sempre integrazione:
• Negli edifici (BIPV):tetti, facciate, frangisole,…
• Nell’ambiente urbano (UIPV):coperture FV di aree di
parcheggio, pensiline di stazioni ferroviarie e fermate di
autobus,…
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Esempi di impianti isolati a
FER
• Rifugi montani: FV ed eolico ( ad asse verticale) per generazione
elettrica (gruppo elettrogeno di emergenza);impianto solare termico,
assistito da pompa di calore, per riscaldamento e produzione di ACS.
Miglior qualità ambientale rispetto ad uso solo di gruppo elettrogeno.
• Malghe isolate: Come sopra, con plausibile aggiunta di impianto
nanoidraulico e caldaia a biomassa.
Con elettricità e calore si salvano attività produttive (filiera del latte e formaggi)
condannate dal mancato rispetto di norme igieniche di lavorazione e
conservazione.
• Campeggi isolati:come nel caso delle malghe.
Acqua calda disponibile in abbondanza a costi contenuti permette di offrire
migliori servizi con bonus ambientale aggiunto.
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Problemi gestionali posti da impianti
elettrici a FER
• Idroelettrici: nessun problema particolare legato
all’intermittenza.Indisponibilità prevedibile con grande
anticipo (mesi, o almeno settimane).
• A biomassa:nessun problema se non si sbagliano
grossolanamente le stime di disponibilità del combustibile.
• Eolici: problemi di intermittenza.Indisponibilità
prevedibile con anticipo di qualche giorno, ma non con
certezza.
• Fotovoltaici: Problemi di intermittenza su varie scale
temporali:passaggio di nuvole, ritmo giornaliero, ritmo
stagionale.
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Problemi gestionali posti da
impianti elettrici a FER
• La realizzazione di impianti isolati ibridi e il collegamento
in rete servono proprio a superare il problema legato
all’intermittenza.
• Ovviamente la gestione della rete elettrica diventa più
complicata, ma attualmente il problema è risolubile, per la
disponibilità sia di hardware(elettronica di potenza) che di
software (per la gestione in tempo reale del
dispacciamento).
• Anzi la tendenza alla generazione distribuita riguarda
anche gli impianti a combustibili fossili, perché abbassa le
perdite di distribuzione.
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Impianti di cogenerazione a
FER
• Attualmente solo centrali a biomassa vegetale o biogas.Di solito si
privilegia la produzione elettrica, ma non è sempre la strategia
migliore.Se si privilegia la produzione termica, la produzione elettrica
diminuisce ma può aumentare il rendimento complessivo.
• Si stanno sperimentando moduli FV che producono anche potenza
termica. La temperatura di uscita del fluido non può essere >45°C,
altrimenti si penalizza troppo il rendimento elettrico.Siccome si stanno
diffondendo gli impianti di riscaldamento a bassa temperatura (T
≈30°C), questi moduli potranno diventare molto interessanti una volta
resi affidabili e commercializzati.
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Ostacoli non tecnici né finanziari alla
diffusione di impianti a FER
•Conflitto d’interessi nell’uso di una o più risorse: acqua, suolo, bosco,
vento, sole…
•Leggi e regolamenti restrittivi (urbanistici, edilizi,…)
•Resistenze dovuti a motivi estetici, preoccupazioni per possibili effetti
negativi sulla salute, percezione di situazioni di ingiusto vantaggio per
qualcuno e di svantaggio per altri da parte delle popolazioni interessate.
In questo caso l’esistenza di situazioni di proprietà
condivisa potrebbe semplificare i processi decisionali ed
autorizzativi.