Valutazione del bilancio energetico nella produzione di energia da fonti rinnovabili - Cap 4 Efficienze energetiche a confronto

In questo capitolo stimiamo le efficienze energetiche delle tre tecnologie approfondite in questa tesi: centrale biogas, centrale a olio combustibile e fotovoltaico con accumulazione ad idrogeno. Per efficienza energetica intendiamo l’efficienza di conversione dell’energia solare in energia elettrica.

Anche le centrali a biogas e biomassa sono sostanzialmente dei convertitore di energia solare in energia elettrica. Infatti l’apporto più significativo di energia fornita all’impianto di produzione è sicuramente l’energia solare che serve per la crescita delle piantagioni dalle quali si ricava il combustibile per la centrale.

Queste tecnologie convertono energia solare in energia elettrica attraverso due fasi: la prima converte energia solare in materia organica per mezzo della fotosintesi, la seconda è una fase di trasformazione della pianta in combustibile.

Il fotovoltaico invece converte direttamente energia solare in energia elettrica. Il fatto che la conversione in questo caso sia diretta dovrebbe suggerire la possibilità di avere un’efficienza maggiore rispetto alle tecnologie della biomassa. Il modello di fotovoltaico qui considerato si compone però di un accumulatore all’idrogeno e questo incide con una parziale diminuzione dell’efficienza, in quanto stiamo introducendo un passaggio intermedio.

Presentiamo nelle sezioni che seguono le valutazioni delle efficienze per ciascuna tecnologia e le confrontiamo fra di loro. Per evidenziare il confronto fra le tre tecnologie e per mantenere coerenza con le valutazioni fatte nei capitoli precedenti prendiamo come riferimento centrali che producano nell’arco della giornata media una energia integrata di 24 MWh, dimensionate quindi per soddisfare il fabbisogno di una comunità che richiede la stessa quantità di energia nell’arco del giorno.

4.1 Energia solare

Per valutare le efficienze di conversione dobbiamo anzitutto conoscere l’energia solare fornita al sistema di produzione. Pe quanto riguarda il sistema fotovoltaico l’energia solare da considerare sarà quella di tutto l’anno, mentre per gli impianti a biomassa considereremo sia l’energia solare integrata nell’anno sia quella integrata nel corso dei mesi estivi durante i quali si sviluppano le piantagioni.

Analogamente a quanto studiato nel capitolo sul fotovoltaico, prendiamo in considerazione l’andamento della radiazione visibile media nell’arco dell’anno valutando gli andamenti mensili medi. Quindi ogni mese sarà caratterizzato da un andamento giornaliero della radiazione visibile media ottenuto dalla media degli andamenti giornalieri di quel mese per gli anni dal 2005 al 2009. Riportiamo in Fig.4.1 l’andamento caratteristico della radiazione visibile media incidente su una superficie orizzontale di 1 m² ottenuto dai dati Dexter [].

Fig. 4.1 - Andamento medio giornaliero RVM nell'arco dell'anno

Dai dati utilizzati per lo studio dell’andamento medio della RVM su Ferrara possiamo stimare l’energia solare totale che incide su una superficie di 1 m2 nell’arco di un intero anno (E^sole_anno) e nell’arco dei mesi estivi (E^sole_estate)¹, intesi da Giugno a Settembre²

E^sole_anno = 1430kWh=m² (4.1)

E^sole_estate = 720kWh=m² (4.2)

Note:

¹Avendo utilizzato valori riferiti al giorno medio per ogni mese, il calcolo è stato eseguito considerando tutti mesi dell’anno di 30 giorni. ²Sono stati considerati i quattro mesi estivi che possono essere più significativi per la crescita delle piantagioni.

I valori qui riportati sono consistenti con i calcoli eseguiti con il servizio Atlante Solare Italiano di Enea [50], i quali riportano rispettivamente 1428 kWh=m² e 680 kWh=m². Conoscendo l’energia solare per unità di superficie siamo in grado di calcolare l’energia solare fornita agli impianti di produzione energetica.

4.2 Efficienze di conversione dell’energia solare

Per il calcolo e il confronto delle efficienze fra le tre tecnologie in esame, prendiamo in considerazione una centrale a biogas e una a olio vegetale entrambe da 1 MW di potenza. Ai fini della valutazione del fabbisogno di terreni, considerare questa potenza è consistente con il fatto che stiamo ipotizzando un fabbisogno energetico di 24 MWh giornalieri, che può essere soddisfatto da una potenza costante di 1 MW.

È ovvio che una centrale da 1 MW non può praticamente soddisfare una comunità da 24 MWh giornalieri, in quanto vi sono dei picchi di potenza richiesta che la centrale non potrebbe soddisfare. Ma è anche chiaro che se considerassimo una centrale con potenza maggiore, questa non lavorerebbe tutto il giorno a regime, di conseguenza il fabbisogno di combustibile non sarebbe quello realmente previsto per la potenza di regime.

È quindi ragionevole³ ipotizzare un fabbisogno di combustibile equivalente a quello di una centrale da 1MW di potenza.

Note:

³Per il teorema del valor medio, l’integrale del valor medio nel giorno è uguale all’integrale del fabbisogno nel giorno.

Dal Cap.2 abbiamo le estensioni dei terreni coltivabili che servono per soddisfare il fabbisogno di una centrale a biogas e di una a olio combustibile da 1 MW, che sono rispettivamente:

S_biogas = 420ha (4.3) S_olio = 1063ha (4.4)

Le rispettive efficienze di conversione, considerando solamente l’energia solare estiva, risultano:

Queste sono le efficienze reali di conversione, ma è ragionevole considerare un’efficienza effettiva valutando l’energia solare che incide sui terreni nell’arco di tutto l’anno, in quanto comunque durante l’inverno il terreno non è utilizzato, ma prenotato per la stagione adatta.

Le rispettive efficienze in questo caso risultano:

Per quanto riguarda invece l’efficienza dell’impianto fotovoltaico con accumulo di idrogeno utilizziamo la superficie pari a circa 15 ha, come calcolata nel Cap.3, la quale si riferisce ad un impianto dimensionato per soddisfare il fabbisogno di 24 MWh giornalieri.

Considerando quindi gli andamenti annuali otteniamo la seguente efficienza:

Riassumiamo le stime di efficienza nella Tab.4.1 e in Fig.4.2.

Tabella 4.1: Efficienze di conversione dell’energia solare in energia elettrica per le tecnologie a fotovoltaico+idrogeno, centrale a biogas e centrale a olio vegetale. Per le centrali a biomassa sono state calcolate due efficienze: una reale che considera la reale energia solare impiegata per la crescita delle piantagioni; una effettiva che considera l’energia solare nell’arco di un intero anno.