Exploring Solar Energy: A Sustainable Power Source
Solar energy is a renewable and abundant source of power that has the potential to meet our energy needs sustainably. By harnessing the energy of the sun through technologies like solar thermal and photovoltaic systems, we can reduce our dependence on fossil fuels and lower environmental impact. The operation of solar cells involves converting solar radiation into electricity, demonstrating the efficiency of this clean energy source. With the vast amount of solar energy available, it is a promising solution for a greener future.
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Presentation Transcript
Energy Is a physical quantity that measures the ability of a body or a physical system to do work (regardless of whether this work is or can actually be done)
Sources of energy and environmental impact Generated over millions of years, they are transformed into heat through combustion processes and then into other forms of energy (mechanical, electrical, chemical ...). Fonti fossili exhaustible Consume O2 They produce CO2 Average-low returns Fonti rinnovabili Forms of energy that are regenerated in a short time when compared with the times of human history endless Convertible directly into electricity They do not involve the emission of CO2 (or emit it within a closed cycle)
Renewable Eolic Solar Geotermic Idroelettric
The energy of the sun that reaches the atmosphere of the Earth in 7 hours is higher than a year's overall energy consumption. The amount of solar energy that reaches the surface of the Earth in a year is higher than all the energy that can ever be obtained from all the non-renewable sources present on our planet (coal, oil, natural gas and uranium).
Solar thermal Solar thermal for home use Infrared, thermal effects of solar radiation Concentrating solar power plants
Solar photovoltaic Photovoltaic: direct conversion of solar radiation into electricity
Operation of a solar cell Part of the solar radiation strikes the semiconductor material An electron is promoted in conduction band and a gap is created in valence band Electrons and holes separate and travel in the opposite direction The charges are collected on the electrodes, an electric current has been created
From the cell to the photovoltaic system Photovoltaic panel Photovoltaic cell Photovoltaic module Photovoltaic system for domestic use or for power generation
Diffusion of photovoltaic technologies Monocrystalline silicon Polycrystalline silicon Global production of PV modules by Type, 2013 (MW) Thin Film
Photovoltaic: Considerations and evolutionary tendencies Grid parity already reached in several countries, but further reduction in cost is the main goal Silicon will retain its dominant position in the next ten years Improvement of electronic systems and components. Reduction of installation costs of the plant (the module represents about 50% of the cost of a complete system). It expects the confirmation of the growth trend of the photovoltaic power installed in the world. Electrification emerging countries. For the medium to long term we study new technologies (OPV, DSSC, LSC, perovskites) potentially at lower cost and with broader scope of application. Luminescent Solar concentrators (LSC) Graetzel cells (DSSC) Organic Photovoltaic (OPV)
Wind power Energia eolica
The Wind Aria fredda Aria calda
Energia del vento 1 1 1 Avt)v = ( Atv [Joule] E = mv = 2 2 3 c 2 2 2 3.000.000 TWh anno Ec =1 Av3[W] P = c 2 t
Performance Caratteristica del sito Caratteristica della turbina Potenza prodotta Fattore di capacit = Potenza nominale
Evoluzione tecnologica Aumento delle dimensioni degli aerogeneratori per aumentare la potenza nominale
Leolico: considerazioni e tendenze evolutive L energia eolica ha raggiunto un elevato grado di maturit tecnologica ed spesso competitiva in termini di costi con le fonti fossili. Sono attese ulteriori riduzioni del costo delle istallazioni (sono attese riduzioni del 30% nel 2020 e del 50% nel 2030) La diffusa disponibilit del vento permette una significativa crescita della produzione di energia da fonte eolica. Non vi sono particolari controindicazioni all uso dell energia eolica (l impatto ambientale piuttosto limitato cos come l occupazione del suolo) Le principali evoluzioni della tecnologie sono attese negli ambiti: Aumento delle dimensioni delle macchine per incrementare la potenza nominale e ridurre i costi macchina Sviluppo di soluzioni tecnologiche per turbine da installare offshore, con l obiettivo di ampliare la consistenza della risorsa primaria a cui attingere Miglioramento di affidabilit , fattore di capacit Miglioramento della stima dei venti in fase di design e pianificazione Minore impatto ambientale
Principio di funzionamento Un corpo posto ad una altezza h rispetto a un riferimento mgh possiede una energia potenziale proporzionale alla sua altezza Per effetto della forza di gravit il corpo pu cadere acquistando velocit Un corpo in movimento possiede una energia cinetica 1mv2 2 proporzionale al quadrato della sua velocit Le centrali idroelettriche convertono in energia elettrica l energia cinetica dell acqua
Principio di funzionamento Una turbina collegata a un alternatore converte l energia cinetica di una massa d acqua in movimento in energia elettrica
Tipologie di centrale idroelettrica A bacino Ad acqua fluente Possibilit di utilizzare il serbatoio come storage pompando acqua nelle ore di minore richiesta energetica(centrali reversibili) A seconda della potenza generata, gli impianti si suddividono in: microcentrali (<100 kW) minicentrali (<1 MW) piccole centrali (<10 MW) grandi centrali idroelettriche (>10 MW)
La turbina Turbina Francis Turbina Pelton Turbina Kaplan
Idroelettrico: considerazioni e tendenze evolutive Tecnologia consolidata e gi largamente diffusa in diverse aree geografiche (Europa, USA) Energia non intermittente e con possibilit di essere usata come riserva Non si attendono significativi miglioramenti sul piano della tecnologia Miglioramenti incrementali sono attesi nella: Massimizzazione dei rendimenti, incremento della flessibilit e riduzione dei costi. Riduzione dell impatto ambientale delle opere. L ampliamento dell energia idroelettrica prodotta globalmente potrebbe venire da: Recupero e ammodernamento di piccoli impianti (Europa). Nuova potenza installata in paesi in via di sviluppo dove maggiori sono le risorse ancora disponibili e minori sono i vincoli ambientali (Africa, Sud America, ecc.). Installazione di impianti mini idroelettrici. Sviluppo di impianti combinati con fonti rinnovabili non programmabili (idroelettrico utilizzato come sistema di accumulo energetico).
Le biomasse In campo energetico, il termine biomassa indica diversi prodotti di origine principalmente vegetale, e solo in misura minore animale, utilizzati per produrre energia: residui agricoli e forestali scarti dell industria del legno, come trucioli e segatura "coltivazioni energetiche" (ovvero piante espressamente coltivate per scopi energetici) scarti delle aziende zootecniche residui agro-alimentari (residui delle coltivazioni destinate all alimentazione umana o animale come la paglia) Nel 2012 le biomasse hanno coperto circa il 10% del fabbisogno di energia nel mondo e rappresentano la principale fonte di energia per molti paesi in via di sviluppo. Le biomasse sono una delle fonti rinnovabili maggiormente disponibili sul nostro pianeta e sono la prima fonte ad essere stata usata dall essere umano.
Possibili usi della biomassa Calore Energia elettrica Biomassa Energia elettrica Centrale elettrica Gas Biocarburanti Liquido Bio raffineria
Biocarburanti, evoluzione I generazione Competizione con l alimentazione (e.g. grano, canna da zucchero) II generazione Scarti lignocellulosici: da foreste, agricoltura, frazione organica di rifiuti urbani, ecc. (non in competizione con l alimentazione) III generazione Biomasse non in competizione con il cibo, n con l utilizzo di terreno coltivabile (e.g. alghe) Avanzati
Attuale produzione di biocarburanti (Mt) 3 Bioethanol Biodiesel 43 Tot: 11 Grano 8 3 Tot: 46 Tot: 5 5 2 3 19 Tot: 24 Palma Cannada Zucchero Colza Al momento la maggior parte dei biocarburanti appartiene alla prima generazione Fonte: http://www.eia.gov/
Dalla biomassa al biocarburante Conversione biochimica Conversione termochimica mediata dall uso di microorganismi Utilizzo di processi chimici che richiedono fornitura di calore (funghi, batteri, enzimi, etc.) Saccarificazione / Fermentazione Pirolisi Liquefazione Digestione anerobica Gasificazione Processi fotosintetici Hydrotreating Microorganismi (funghi, batteri, enzimi, etc.)
Biomasse: considerazioni e tendenze evolutive Risorse largamente diffuse e sostenibili Fonte rinnovabile Esistono politiche (ad esempio in Europa) che impongono l uso di biocarburanti a parziale sostituzione dei carburanti da fonti fossili Possibile competizione con la produzione di cibo e con l utilizzo dei terreni per altre coltivazioni Possibilit di avere elevati impatti ambientali se non si provvede a rimpiazzare le piante utilizzati per la produzione energetica Processi termochimici richiedono energia, il bilancio energetico per la produzione di biocarburanti ne deve tenere conto Necessario sviluppo di tecnologie in grado di passare da biocarburanti di prima generazione a quelli di seconda e terza generazione
La geotermia Gli impianti geotermici sfruttano il calore presente all interno della terra, residuo del suo processo di formazione e dovuto in parte anche al decadimento di isotopi radioattivi. La temperatura aumenta di circa 2-3 C ogni 100 m di profondit . Il gradiente termico varia da zona a zona in un range di circa 1-5 C/100m L acqua che dalla superficie si infiltra nel sottosuolo viene riscaldata fino a trasformarsi in certi casi anche in vapore e pu riaffiorare sotto forma di sorgenti calde, soffioni, fumarole e geyser. La geotermia sfrutta il calore presente nel sottosuolo come fonte energetica primaria o per generare energia elettrica mediante centrali termiche.
La tecnologia Fluido geotermico estratto dal sottosuolo, utilizzato per produrre energia e re iniettato a circuito chiuso. L impianto di produzione simile ai cicli a vapore che si impiegano nelle centrali termoelettriche. Due possibili configurazioni: Ciclo diretto: il fluido geotermico espanso direttamente in turbina. Ciclo binario: Il fluido Geotermico cede calore a un fluido vettore in uno scambiatore, il fluido Vettore viene usato per generare energia.
Uso domestico Il calore proveniente dalla terra pu essere utilizzato anche per usi domestici. Mediante l uso di pompe di calore la geotermia pu fornire riscaldamento nei mesi freddi e raffreddamento in quelli estivi .
Geotermico: considerazioni e tendenze evolutive La geotermia consente una produzione continua e programmabile, essendo una fonte non intermittente. I principali limiti alla sua diffusione sono la localizzazione delle aree sfruttabili e l impatto ambientale delle istallazioni (perforazione, possibilit di inquinamento delle falde acquifere, ecc.). Le potenzialit della geotermia sono legate all ampliamento della disponibilit delle risorse da cui poter trarre energia e alla riduzione dei costi. La IEA (Agenzia Internazionale dell Energia) stima che al 2050 sia possibile raggiungere una produzione di 1400 TWh con Asia e Nord America come aree di maggiore sviluppo. Sono in fase di studio tecnologie per sfruttare sistemi geotermici non convenzionali (es rocce calde secche, fluidi magmatici, sistemi geo pressurizzati, ecc.).
Conclusioni Le energie rinnovabili rappresentano una preziosa fonte di energia per costruire un futuro energetico pi sostenibile e sono distribuite in modo piuttosto omogeneo in tutto il pianeta Molte delle fonti soffrono di alcuni limiti legati all intermittenza della fonte stessa, ma tali limiti possono essere in parte superati mediante un mix equilibrato di diverse fonti e un ammodernamento delle infrastrutture (smart grid). Il costo dell energia prodotto da fonti rinnovabili spesso gi confrontabile con quello delle fonti fossili, un ulteriore riduzione attesa dal progresso tecnologico e dall economia di scala. La diffusione delle fonti rinnovabili in tutto il mondo destinata a crescere nei prossimi decenni. Opportune politiche di sostegno potrebbero accelerare il processo di diffusione.
