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CAPITOLO 1
STATO DEL PROBLEMA
1.1 IL PROBLEMA ENERGETICO
1.1.1 Lo scenario
In un contesto tecnologico avanzato ed in continuo e vertiginoso sviluppo,
l’approvvigionamento di energia, indispensabile per qualsiasi attività umana, ha assunto
un’importanza fondamentale.
La domanda di energia infatti ha un incremento medio annuo dell’ 1-2%.
I settori di maggior consumo sono il domestico (riscaldamento e illuminazione degli edifici)
e il terziario (servizi), rappresentando da soli il 41% della richiesta europea.
E’ importante inoltre evidenziare che anche i consumi del settore trasporti sono in sensibile
crescita con un aumento previsto di +2% nei prossimi 10 anni.
Allo stato attuale la produzione di energia nei paesi dell’Unione Europea avviene
principalmente attraverso lo sfruttamento di fonti esauribili, quali petrolio (41,5%), gas
naturale (25,2%) e energia nucleare (15,8%). Solo una minima percentuale deriva da fonti di
energia rinnovabili.
I giacimenti di petrolio sono localizzati solo in alcuni punti della superficie terrestre, questo
comporta una notevole dipendenza dei paesi dell’Unione Europea, forti consumatori, dai
paesi Produttori (Medio Oriente per il petrolio 45%, Russia per il gas naturale 42%). La
dipendenza energetica dell’Ue è in continua crescita ed è destinata a passare dall’ attuale
50% al 70% nel 2030 se non verranno presi degli opportuni provvedimenti.
Oltre ai problemi economici sopraccitati non vanno di trascurati i problemi ambientali
derivanti dalla produzione, dal trasporto e dal emissioni nell’atmosfera derivanti dall’utilizzo.
ξ La lavorazione del greggio e l’utilizzo dei suoi derivati per l’industria e i trasporti
sono tra i principali responsabili dell’inquinamento atmosferico;
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ξ La combustione del carbone rilascia gas dannosi per la salute (CO, SO
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), ceneri e
particolati che avvelenano l’aria e sono responsabili delle piogge acide;
ξ L’anidride carbonica prodotta dalla combustione di idrocarburi contribuisce ad
aumentare il cosiddetto “effetto serra”;
ξ Il trasporto di petrolio e dei suoi derivati comporta possibili rischi ambientali (90%
del petrolio importato e il 25% del gas sono trasportati via mare).
Secondo un studio condotto da Legambiente presentato nel “rapporto sulle rinnovabili 2004”
è emerso che nel decennio 1990-2001 la produzione annua di energia è cresciuta da 8623 a
10038 MTep con un incremento del 16,4%.
Tale incremento coperto principalmente con fonti energetiche tradizionali ha determinato una
crescita delle emissioni di gas serra di oltre 11% raggiungendo la quota di circa 24 miliardi di
tonnellate all’anno.
Se la tendenza si mantenesse costante le emissioni aumenterebbero di un ulteriore 70% nel
2030.
I meccanismi con i quali le emissioni interagiscano con la clima non sono ancora del tutto
chiare, ma è un’ipotesi condivisa dalla stragrande maggioranza del mondo scientifico che la
loro influenza sia rilevante; per questo la crescita della produzione di energia da fonti
“pulite” risulta essere un obiettivo di primaria importanza.
Grafico 1. 1 – Tasso medio di crescita della domanda di
energia e delle emissioni di C0
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Nel panorama europeo l’Italia si colloca in una posizione arretrata; il fabbisogno energetico
viene soddisfatto per il 49% dal greggio e dai suoi derivati (contro un media europea del
40%) e per il 30% dal metano (contro una media europea del 25%); i consumi, dal 1990 al
2001, hanno avuto un incremento del 15%, superiore alla media europea (12%).
Le fonti rinnovabili hanno a stento tenuto il passo di crescita dei consumi; si passa dai 9
MTep prodotti nel 1990 ai 13,9 MTep nel 2001 con un incremento non intorno al 6-7 % del
fabbisogno complessivo.
Questo fatto ha comportato un aumento delle emissioni dei gas serra di 6,5% nel decennio
1990-2001, arrivando a produrne, nel 2001, 453 milioni di tonnellate.
Per far fronte all’aggravarsi del problema ambientali, i paesi industrializzati si sono
impegnati a ridurre tra il 2008 e il 2012 le emissioni dei 6 principali gas clima-alteranti del
5,2% rispetto al 1990 (“Protocollo di Kyoto” Dicembre 1997):
- CO
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(anidride carbonica prodotta dall’impiego dei combustibili fossili in tutti gli usi
energetici);
- CH
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(metano prodotto dai processi zootecnici, agricoli e dalle discariche dei rifiuti);
- N
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O (protossido di azoto emesso dai processi agricoli e da quelli dell’industria
manifatturiera);
- PF (perfluorocarburi impiegati nella refrigerazione);
Grafico 1.2 – Andamento dei consumi
energetici e delle emissioni di CO
2
in Italia
(decennio 1990-2001)
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- HFC (idrofluorocarburi, sostituti dei CFC e HCFC utilizzati per refrigerazione,
condizionamento e antincendio);
- SF
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(esafluoruro di zolfo utilizzato in vari comparti industriali).
In particolare 38 Paesi, tra cui l’Italia, dovranno procedere ad una riduzione delle emissioni
in misura maggiore. Segnatamente per gli Stati membri dell’Unione Europea viene stabilita
una percentuale di riduzione pari all’8% entro il periodo preso in considerazione. Inoltre, il
Protocollo orienta l’azione dei singoli Paesi, individuando misure e specifici settori
d’intervento in cui primariamente procedere ai fini del conseguimento degli obiettivi posti, e
in particolare:
- promozione dell’efficienza energetica in tutti i settori e dell’uso razionale dell’energia;
- sviluppo delle fonti rinnovabili per la produzione di energia e delle tecnologie innovative
per la riduzione delle emissioni.
Nonostante l’impegno assunto non rappresenti una soluzione definitiva al problema, risulta
essere comunque un passo fondamentale perché dimostra una crescente sensibilità per il
problema energetico e perché comporta un taglio delle emissioni di circa il 30% rispetto ai a
valori che si sarebbero raggiunti nel 2010.
1.1.2 Le soluzioni possibili
Lo sviluppo della tecnologia nel settore energetico nel prossimo futuro sarà influenzato da
due principali fattori:
ξ il probabile, anche se non imminente, esaurirsi delle riserve di combustibili fossili, in
particolare degli idrocarburi;
ξ la crescente preoccupazione per la salvaguardia dell’ambiente dall’inquinamento
chimico e per la tutela delle persone.
La ricerca scientifica per questo si orienterà verso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili
(energia eolica, solare, idrica, etc..), le quali offrono una serie di vantaggi: oltre ad avere un
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impatto ambientale bassissimo (per questo sono definite energie pulite), sono inesauribili e
sono mediamente più facilmente reperibili e distribuite in maniera omogenea.
Questo tendenza è già in atto nei paesi dell’Unione Europea; basti pensare al fatto che
contrariamente al settore energetico, nel settore elettrico a fronte di una crescita del 19% dei
consumi, le emissioni di CO
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sono diminuite del 5%, grazie allo sviluppo della tecnologia del
fotovoltaico.
Nel campo della produzione di calore e dei biocarburanti è in atto la stessa dinamica: tra il
1990 e il 2000 la superficie di collettori solari installati è triplicata, passando da 3 a 10
milioni di m
2
.
L’Unione Europea si è posta come obiettivo entro il 2010, quello di passare da un 6% di
produzione di energia da rinnovabili nel 1997
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ad un minimo del 12%.
Le motivazioni che giustificano l’individuazione di questo traguardo sono ascrivibili, non
solo alla necessità di ridurre le emissioni di gas-serra dovute al settore energia, ma anche a
quella di ridurre progressivamente la dipendenza dalle importazioni di energia (trattandosi di
fonti locali) con un aumento contestuale della sicurezza degli approvvigionamenti, e di
favorire la creazione di nuova occupazione a livello locale, nell’ottica di conseguire una
maggiore coesione economica e sociale tra le regioni dell’Unione.
La tabella 1.1 mostra la produzione energetica da rinnovabili nell’Unione Europea nel 1995 e
la quota prevista nel 2010.
1
Il libro Bianco “Energia per il futuro: le fonti energetiche rinnovabili”
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Allo sfruttamento delle fonti rinnovabili deve accompagnarsi però necessariamente lo
sviluppo di tecnologie nuove o rinnovate, nel rispetto dell’ambiente e dell’uomo, che
contribuiranno alla messa in atto di sistemi alternativi per la produzione di energia che
gradualmente dovranno sostituire quelli attualmente in uso.
Le più significative sono:
ξ la turbina a gas ad alta temperatura idonea per cicli combinati di rendimento
crescente;
ξ la gasificazione del carbone e di altri combustibili “pesanti” che permetta l’uso di
ingenti risorse energetiche in maniera compatibile con la salvaguardia dell’ambiente;
ξ le celle a combustibile che promettono un’energia pulita anche su piccola scala, in
particolare per l’autotrazione;
ξ la “de-carbonizzazione” dei combustibili o, in alternativa, la separazione della CO
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dai gas combusti; la messa a punto di tecniche economiche per il suo trasporto e
stoccaggio definitivo;
ξ lo sviluppo di un’energia nucleare compatibile con le esigenze di sicurezza e di
rispetto ambientale;
FONTI DI ENERGIA QUOTA UE 1995 QUOTA PREVISTA
2010
1. Energia eolica 2,5 GW 40 GW
2. Energia idroelettrica 92 GW 105 GW
3. Energia fotovoltaica 0,03 GWp 3 GWp
4. Biomassa 44,8 MTEP 135 MTEP
5. Collettori solari termici 6,5 milioni mq 100 milioni mq
6. Energia solare passiva 35 MTEP
Tabella 1. 1 - Produzione di energia da rinnovabili prevista per il 2010.
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ξ lo sviluppo della generazione distribuita dell’energia per conseguire un maggior
livello di efficienza anche attraverso l’uso del calore di scarto delle trasformazioni
termodinamiche (cogenerazione diffusa);
ξ lo sviluppo della tecnologia dell’idrogeno in vista dell’ottenimento di un vettore di
energia “pulita” al fine di garantire una buona qualità dell’aria nei centri urbani e di
mitigare il problema dell’effetto serra;
ξ lo sviluppo, fino all’economicità, di fonti rinnovabili quali l’energia solare, eolica e
quella ottenibile dalle biomasse.
1.2 LA FONTE ENERGETICA SOLARE
1.2.1 Il moto della Terra intorno al Sole
Il sole è una stella media di raggio pari a 0.7 milioni di km e ha una massa di circa 2x10^30
kg. Irraggia energia da una temperatura effettiva della superficie di circa 5760 K. Dalla
fornace di fusione del Sole, l’energia è trasmessa radialmente; la quota di energia emessa
verso l’esterno come radiazione elettromagnetica è chiamata ‘energia solare’. La quantità di
energia emessa dal sole può essere valutata a partire dalla conoscenza del raggio del sole e
della temperatura superficiale (assumendo il sole come un corpo nero) e ammonta a circa
3.8x10^23 kW.
La terra dista circa 150 milioni di km dal Sole e ha un raggio pari a 6360 km. La superficie
totale della terra è di circa 510 milioni di kmq, dei quali solo il 21% corrisponde a terra
emersa. La terra ruota intorno al sole con un orbita ellittica con una velocità media di circa 30
km/s e allo stesso tempo compie una rivoluzione intorno a se stessa con una velocità di circa
0.5 km/s. L’asse di rotazione della terra è inclinato di 23.45° rispetto alla sua orbita intorno al
sole. L’orientamento è mantenuto dalla terra nel suo movimento orbitale. Questa posizione
inclinata insieme alla sua rotazione giornaliera e rivoluzione annuale è responsabile della
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distribuzione della radiazione solare sulla superficie della terra e del cambio della durata
delle giornate. I componenti dell’atmosfera fino a 100 km sono (per volume) : Azoto
78.08%, Ossigeno 20.95%, Argo 0.93%, vapore acqueo 0.1-2.8%, anidride carbonica
0.0033% e tracce di monossido di carbonio, ossido di Zolfo, ozono, ecc…in base alla zona
(zona industriale, zona agricola, ecc…).
E’ noto che la radiazione solare ricevuta dalla superficie della Terra non è costante. Le cause
di questa variazione possono essere spiegate, almeno in parte, con il concetto di angolo Sole-
Terra. Dal punto di vista terrestre si percepisce come la radiazione solare sulla superficie
della Terra varia:
Durante il giorno (da mattina a mezzogiorno e da mezzogiorno a sera, con il massimo di
solito a mezzogiorno). Questa è chiamata variazione giornaliera. Questo è dovuto al
movimento del sole da est a ovest durante il corso del giorno ed è cosi in tutte le zone;
Giornalmente, per la presenza delle nuvole;
Mensilmente, in base alla zona e alla posizione del sole, e ciò origina la variazione mensile;
Da zona a zona;
In base all’orientamento della superficie, ad esempio se la superficie che riceve la radiazione
è disposta orizzontalmente o se è inclinata rispetto all’orizzontale, ecc…;
In conseguenza della presenza delle nuvole, questo potrebbe essere un fatto naturale
stagionale o anche dipendere dal giorno e varia con la località. Ad esempio certe zone in certi
periodi dell’anno presentano nuvolosità durante il pomeriggio, fatto che riduce la radiazione
solare pomeridiana.
Il primo, il terzo, il quarto e il quinto fattore possono essere spiegati con la conoscenza degli
angoli sole-terra, mentre i restanti fattori verranno discussi più avanti.
La posizione di un luogo sulla superficie della Terra è data dalle coordinate di latitudine e
longitudine. La posizione del sole nel cielo è data dall’angolo orario e dalla declinazione. La
posizione relativa dei due in ogni istante è data dall’altitudine e dagli angoli azimutali.
La latitudine (o latitudine geografica) è la coordinata geografica pari all'altezza del polo
celeste sull'orizzonte. La latitudine è pari all'angolo che la verticale, di un punto sulla
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superficie della Terra (o di un pianeta), forma con il piano equatoriale. Tale angolo viene
misurato in gradi sessagesimali e può assumere valori nell'intervallo da 0 a 90° N e da 0 a
90° S. Con riferimento alla figura 2.0.0 la latitudine è l’angolo fra la linea CH e la proiezione
di CH sul piano equatoriale.
Latitudini nord sono considerate positive mentre quelle sud negative.
La latitudine si calcola con la misura dell'altezza della Stella Polare sull'Orizzonte, in gradi.
Si può utilizzare un sestante per tale operazione. Nell'emisfero australe si deve prendere
come riferimento l'altezza del polo sud celeste, trovato tramite la Croce del Sud,
sull'Orizzonte .
La longitudine è la coordinata geografica che indica la distanza angolare in senso Est o Ovest
dal meridiano fondamentale. Tale angolo viene misurato in gradi sessagesimali su un piano
perpendicolare all'asse terrestre e può assumere valori nell'intervallo da 0 a 180° E e da 0 a
180° W.
Il meridiano zero passa da Greenwich vicino a Londra (situato a 2° 20' 14" da Parigi) ed è
chiamato il primo meridiano secondo un accordo internazionale raggiunto a Washington nel
1885. Le località ad est di Greenwich sono rappresentate da gradi est mentre quelle ad ovest
da gradi ovest. Quindi l’angolo longitudinale può essere definito come l’angolo fra il primo
meridiano e il meridiano passante attraverso la località di interesse. Ad esempio per la
località H la longitudine è indicata con L nella figura 2.0.0.
La misura della longitudine si effettua con un orologio e una meridiana. L'orologio deve
segnare l'ora di Greenwich. Leggendo l'ora locale dalla meridiana e calcolando la differenza
con quella dell'orologio si trova la longitudine (15° per ogni ora).
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Figura 2.0.0: Latitudine e longitudine
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1.2.2 Equazione del Tempo
Le ore locali sono basate sulle longitudini e dipendono dal meridiano di riferimento standard
per ogni Paese. Le differenze di tempo da Greenwich sono note come GMT. La Terra compie
una rotazione completa intorno al suo asse una volta ogni 24 ore muovendosi di 360° di
longitudine. La velocità di rotazione è quindi 4 minuti per meridiano o 15° per ora.
Invece il tempo solare è basato sul giorno solare che è definito come l’intervallo fra due
successivi passaggi del sole attraverso il meridiano dell’osservatore. Principalmente sono due
le ragioni che portano a una differenza tra il tempo solare e l’ora stabilita localmente.
La prima è che l’ora locale dipende dal meridiano standard del Paese in oggetto e quindi ci
possono essere differenze fra la longitudine locale e il meridiano standard, esprimibili con la
seguente espressione :
∆ = 4 (Lst -Llo) minuti (2.1.0)
La seconda dipende dal fatto che le velocità rotazionali ed angolari della Terra non sono
sempre costanti, e ciò è relazionato alla conservazione del momento angolare del percorso
della Terra. Questa correzione è conosciuta come l’equazione del tempo (EOT) e assume
grande rilevanza per la navigazione rispetto al sole o alle stelle. Inoltre è importante
determinare la posizione del sole per le modellazione che hanno come oggetto l'energia
solare e il suo sfruttamento. Esistono diverse formule approssimate per il calcolo
dell'equazione del tempo ( Eqt ) in minuti:
Eqt = -14.2 sin(π(n + 7) / 111) per giorno dell’anno n compreso tra 1 e 106
(2.1.1.a)
Eqt = 4.0 sin(π (n - 106) / 59) per giorno dell’anno n compreso tra 107 and 166
(2.1.1.b)
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Eqt = -6.5 sin(π (n - 166) / 80) per giorno dell’anno n compreso tra 167 and 246
(2.1.1.c)
Eqt = 16.4 sin(π (n - 247) / 113) per giorno dell’anno n compreso tra 247 and 365
(2.1.1.d)
EOT = 0.123 Cos(ε+87) - (1/6) Sin 2(ε+10) ore (2.1.2)
Dove:
ε = 0.938 [N+30.3(M-1)]
N e M rappresentano il numero del giorno nel mese e il numero del mese nell’anno
EOT = 0.258Cosx -7.416Sinx -3.648Cos2x -9.228Sin2x minuti (2.1.3)
Dove:
x = 360(N-1)/365.242 gradi
EOT = 9.87 Sin 2B - 7.53 Cos B - 1.5 Sin B minuti (2.1.4)
Dove:
B = 360 (N-81)/364
N = numero giorno dell’anno
Un’ equazione più precisa per ottenere un tale risultato può essere ricavata con il programma
"Solpos", che tratta la posizione del sole (sito NREL).
La correlazione tra ora solare e ora legale, facendo uso della correzione sulla longitudine
sulle precedenti equazioni è:
T
solar
= T
local
+ Eqt / 60 + (Long
sm
- Long
local
) / 15 (2.1.5)
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Dove:
i valori sono forniti in ore.
Dato che l'equazione contiene le funzioni seno e coseno è concettualmente più agevole
eseguire il calcolo servendosi dell'angolo orario (omega minuscolo) al posto del tempo.
L'equazione che correla l'angolo orario e il tempo é:
ω = π * (12 - T
solar
) / 12 (2.1.6)
Dove:
le unità dell'angolo orario sono i radianti.
Con le seguenti informazioni è possibile calcolare il coseno dell'angolo zenitale:
cos(Z) = sin(λ)sin(δ) + cos(λ)cos(δ)cos(ω) (2.1.7)
Dove:
λ è la latitudine caratteristica della zona oggetto di studio.
La differenza fra il tempo solare (ST) e ora locale (WT) può essere espressa per le località a
est di Greenwich (come Asia, Africa e Australia) con la formula :
Solar Time = Watch Time + EOT - ∆ (2.1.8)
Mentre per le località ad ovest di Greenwich (come l’America) :
ST = WT + EOT + ∆ (2.1.9)
Si noti che il tempo solare è il tempo specificato in tutte le relazioni dell’angolo solare e tutti
i calcoli sull’energia solare sono basati solo sul tempo solare. Inoltre per un osservatore in un
qualsiasi luogo della superficie della Terra il movimento del Sole è simmetrico rispetto al
mezzogiorno solare.
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1.2.3 Angoli Solari
L’angolo orario (ω ) si definisce in letteratura come l’angolo misurato sul piano equatoriale
terrestre fra la proiezione del segmento che unisce il centro della terra e un punto sulla
superficie della Terra e la proiezione della linea che si estende dal centro della terra e il
centro del Sole. In altre parole è la disposizione angolare del sole ad est o ad ovest del
meridiano locale dovuta alla rotazione della Terra intorno al suo asse di 15° all’ora. A
mezzogiorno l’angolo orario assume valore nullo, durante l’arco della mattina è negativo e
nel pomeriggio ha valori positivi.
L’angolo orario può essere calcolato con la seguente espressione :
ω = 15 (t-12) gradi (2.2.0)
Dove: t è il tempo solare in ore
Figura 2.2.0: Concetto di angolo orario ω
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