di  -  martedì 28 febbraio 2012

Per il post odierno riprendiamo un argomento trattato parecchio tempo (estate 2009) fa nella rubrica Energia e Futuro, ovvero l’Energia dal Sole, per integrarlo con alcune considerazioni alla luce del sempre crescente caos dell’informazione, in modo da comprendere meglio quali sono le reali potenzialità di questa fonte evitando di cadere in valutazioni erronee.

ENERGIA DAL SOLE – RICHIAMI SU COSTANTE SOLARE ED ALTRI PARAMETRI

L’energia che il sole irraggia ammonta a circa 20.000 miliardi di TEP (tonnellate equivalenti di petrolio) all’anno, ovvero un quantitativo circa 2000 volte superiore al fabbisogno annuale di energia sempre valutato in TEP.

Tale differenza tra fabbisogno e disponibilità rende evidente quale sia il livello di interesse verso le tecnologie di sfruttamento dell’energia solare, interesse che merita sicuramente di venire stimolato, ma che troppo spesso porta ad una informazione deviata, basata più sulle convinzioni od interessi personali che sull’effettiva analisi tecnico-scientifica della risorsa e dei mezzi per sfruttarla.

Trattandosi di un argomento ampiamente esposto in passato, la gran parte delle equazioni che caratterizzano questo argomento non verranno esposte approfonditamente, ma verranno linkati (ed invito a leggerli) i post nei quali si possono trovare maggiori dettagli, pertanto in tale post andiamo a sviluppare alcune valutazione che permetteranno di ragionare su questa fonte così importante e dibattuta con maggiore consapevolezza e criterio.

L’energia che il Sole irraggia viene valutata mediante una costante, chiamata per l’appunto Costante Solare, la quale rappresenta l’energia media specifica irraggiata dal Sole per unità di tempo, fissata pari a 1367 W/m2 ed indicata con ICS.

Tale valore varia in funzione della distanza tra la Terra ed il Sole di un valore dell’ordine di ±3.3%, e si può valutare sulla base di semplici calcoli di geometria astronomica (per approfondimenti vedere il post Energia dal Sole – quadro generale ed irraggiamento extraterrestre).

E’ inoltre utile definire un sistema di riferimento che ci permetta di individuare la posizione del Sole rispetto ad un osservatore sulla Terra mediante due semplici parametri:

  • l’altezza solare α
  • la posizione rispetto alla direzione sud (angolo azimutale) γ

Il calcolo di questi due parametri si trova sempre nel post precedentemente linkato.

Poiché un eventuale dispositivo che sfrutti l’energia solare si trova all’interno dell’atmosfera, ed in particolare su una superficie più o meno collocata in corrispondenza del suolo terrestre (salvo applicazioni extratterrestri, delle quali si era parlato in questo post di Eleonora, od ancora precedentemente nel racconto “Essere razionale” del 1941 tratto dalla raccolta di Isaac AsimovTutti i miei robot“), pertanto bisognerà tenere in considerazione l’influenza di essa sulla quantità di energia effettivamente disponibile al suolo.

Facendo riferimento a quanto esposto nel post Energia dal Sole: radiazione al suolo e su un pannello inclinato, si può valutare tale influenza ricordando che una quota della radiazione viene nuovamente riflessa nello spazio, una quota viene assorbita dall’atmosfera stessa ed una quota viene diffusa dall’atmosfera secondo il fenomeno dello scattering:

img04.jpg

Tale assorbimento è legato allo spessore di atmosfera attraversata, pertanto funzione dell’angolo effettivo α, ed in condizioni ottimali si può ottenere un valore dell’ordine dei 1000W/m2, valore sensibilmente variabile in funzione delle condizioni atmosferiche.

Per quanto esposto nel secondo dei post linkati, la radiazione si può pertanto suddividere in:

  • diretta
  • diffusa
  • riflessa

Ciascuna di queste componenti contribuisce ad individuare la radiazione totale captata da una superficie orientata tenendo conto anche dei vari fattori di inclinazione, ed i oltre tenendo in considerazione i fattori ambientali (nuvolosità) misurati sul lungo periodo è possibile fare una valutazione media dell’energia effettivamente disponibile in un dato sito, prima ancora di discutere delle tecnologie più opportune da utilizzare.

ENERGIA DAL SOLE – UN ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELLA POTENZIALITÀ

Nel post Energia dal Sole: progetto di un impianto fotovoltaico è stato presentato un esempio di impianto fotovoltaico avente come sito la città di Olbia, pertanto faremo riferimento ai calcoli effettuati in quella sede per valutare l’energia realmente disponibile per unità di superficie.

Valutando il numero di ore/giorno di insolazione (hg) ed individuando l’angolo ottimale di inclinazione del pannello in funzione della posizione del sito si può valutare la Radiazione media (o potenza) complessivamente incidente sul pannello (Gc [W/m2]):

Introducendo l’indice di serenità medio mensile (indicato con K) si può valutare l’effettiva energia mediamente ricevuta giornalmente sul pannello (la tabella è stata riportata nell’ultimo post linkato – il parametro TEXT m.m. rappresenta la temperatura esterna media mensile, qui non utilizzato)

tabella-insolazione.jpg

Da tali dati, moltiplicando Gc (od E se si vuole valutare l’energia) con K si può valutare come mediamente sia disponibile una quota sensibilmente inferiore della radiazione disponibile.

Tali valori rappresentano il limite oltre il quale non si può produrre energia in quanto effettivamente non disponibile, e tutto ciò ancora prima di avere parlato delle soluzioni tecnologiche (con i relativi rendimenti) adatte allo scopo.

A titolo di curiosità invito i lettori a valutare quale sia il rapporto mese per mese (per la località esaminata) tra la radiazione effettivamente disponibile Gc e la costante solare ICS, ed a contribuire con la discussione nei commenti.

Con questo vi saluto e rinnovo l’appuntamento a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre  con la rubrica Energia e Futuro.

18 Commenti »

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  • # 1
    Giampaolo
     scrive: 

    Non centra nulla col post in oggetto (o quasi), ma volevo chiederti se avevi intenzione di parlare delle Batterie a volano (flywheels)in un tuo prossimo intervento, grazie.

  • # 2
    marosini
     scrive: 

    @Giampaolo

    Le batterie con il solare c’entrano sempre :)
    Mi permetto a proposito di segnalare questo articolo di oggi sulla rivista del MIT, che – appunto – parte dal presupposto che, perché il solare possa affermarsi pienamente come fonte, il problema è proprio l’accumulo. (E non l’efficienza di conversione, che è un parametro stra-sopravvalutato).

    http://www.technologyreview.com/energy/39802/?p1=A1

    Qui stiamo parlando di roba tradizionale, solo su una scala inusitata, che è motivata dai numeri dell’India e della Cina, dove non c’è la pervasività di rete che abbiamo noi.
    Poi, ne sono convinto, la svolta la farà l’elettrolisi catalitica.

    Temo invece che il meccanico, per pesi, ingombri e parti in movimento, sia davvero fuori partita (tranne che per i soliti pompaggi, che andranno sempre bene).
    Si parla di dover portare l’efficienza economica sotto i 200 dollari per kWh (su 5000 cicli). Dice che ora sono a 300$ e ci vorrà tanto tempo per arrivare a 200.
    Io scommetto che ci si arriva in 5 anni. :)

  • # 3
    Simone82
     scrive: 

    Anche in questo caso penso sia utile una riflessione sul tema generale del “costo” del fotovoltaico: 2008 un impianto da 3Kw costava intorno ai €20.000, nel 2011 lo stesso impianto è sceso sotto i €10.000. La magia di questo dimezzamento dei costi, secondo uno studio recentemente pubblicato, non starebbe in un improvviso miglioramento dei pannelli ma nel taglio dei contributi statali.
    La nostra civiltà si fonda sull’energia continua, non sull’energia punto: il rinnovabile è energia punto, poiché non è disponibile 24h/7d come i fossili o il nucleare. Senza sistemi di stoccaggio efficienti, quando finirà il petrolio dovremo convertirci al nucleare in maniera forzosa o decidere di spegnere la luce, in assenza di tali sistemi. Al netto degli studi sulla produzione di energia da radiazione infrarossa terrestre (quella sì disponibile 24h/7d fino alla fine dei tempi) che mi paiono molto embrionali ancora, e al di là del discorso sull’efficenza di conversione dei pannelli (inutile se non puoi stoccare l’energia se non per risparmiare spazio, comunque già qualcosa), come si sta muovendo in generale la ricerca scientifica nell’ambito del fotovoltaico? Perché i dati sull’irraggiamento del sole sono utili, ma fino ad un certo punto, ma temo di precorrere eccessivamente i tempi ed attendo le prossime puntate. :)

  • # 4
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Giampaolo

    Dei sistemi di accumulo prima o poi penso che ne parlerò, ma la prossima puntata non sarà su questo o sul solare… di solare ne ho parlato in tutte le salse nella rubrica, e diversi vecchi post sono ripresi anche in questo… questo post voleva portare ad alcune riflessioni non legate alla tecnologia bensì alla fonte energetica… di tutto il resto si trova già parecchio nella rubrica

    @ marosini

    il problema è proprio l’accumulo. (E non l’efficienza di conversione, che è un parametro stra-sopravvalutato).

    che l’efficienza di conversione non debba essere il solo parametro da considerare sono d’accordo, ma non è comunque secondario all’accumulo

    @ Simone82

    Non ci saranno altre puntate sull’argomento perché ho già trattato abbondantemente questo tema in una serie di post consecutivi… al massimo in caso di riflessioni o notizie particolari scriverò dei post appositi, ma per tutto il resto ne ho già parlato (compreso un post spaiato dove ho parlato anche di spettro di emissione)… per ritrovarli facilmente si possono usare i tag

  • # 5
    zephyr83
     scrive: 

    @Simone82

    Il solare non è solo fotovoltaico, c’è anche quello termico e il calore si può accumulare eccome, esistono già centrali solari capaci di funzionare anche in assenza di luce grazie a una soluzione di sali fusi
    http://it.wikipedia.org/wiki/Impianto_solare_termodinamico
    inoltre questi impianti si possono combinare, anche cn le attuali centrali a combustibile fossile.
    Speriamo che per quando ci sarà davvero bisogno di energia nucleare in maniera obbligatoria ci saranno anche altre tecnologie che non faranno uso di uranio e plutonio

  • # 6
    Daniele
     scrive: 

    Personalmente, pur essendo convinto che in futuro, scoperte rivoluzionarie a parte, il solare avrà una continua crescita a tutti i livelli, non posso non pensare che, in un mondo con 7 miliardi di abitanti e popolazione in continua crescita, una densità di energia così bassa presenterà un serissimo problema.

    In ogni caso, mi associo alla richiesta di Giampaolo, e anzi rilancio: ci vorrebbe un post (o ancora meglio, un ciclo) che tratti le varie forme di accumulo di energia, confrontando rendimenti, densità di energia, problematiche economiche e ambientali delle diverse tecnologie (dai pompaggi, ai volani, ai vari tipi di batterie chimiche passando per l’idrogeno + fuel cells ed eventualmente anche altro).

    Personalmente, confido nel fatto che la cara vecchia ruota può dare ancora molto all’umanità ;)

  • # 7
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ zephyr83

    Di termodinamico ne parlai anche io con esempi di impianti reali… ma penso che sia sempre il caso di fare una precisazione quando si dice che !funzionano in assenza di sole”… essi funzionano elaborando in turbina il fluido caldo accumulato e NON sfruttato, pertanto la parte composta dai pannelli NON funziona (perché non è in grado di recuperare un’energia che sostanzialmente non c’è) mentre ciò che funziona è la parte di trasformazione dell’energia (la turbina + alternatore) grazie al calore accumulato e non utilizzato

    @ Daniele

    Primo o poi ne parlerò… ma al momento attuale non vi sono dei sistemi che presentino una maturità (sotto uno qualunque dei parametri che devono possedere) tale da renderli applicabili in contesti estesi

  • # 8
    zephyr83
     scrive: 

    @Simone Serra

    Si ricordo bene quegli articoli! io infatti ho detto che si può accumulare il calore, mica che i pannelli funzionano anche senza luce :)

  • # 9
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ zephyr83

    ovviamente la mia precisazione era generale, perché da ciò che ho avuto modo di vedere tante volte (o meglio leggere e sentire) quando si parla di termodinamico è molto facile non riuscire a comprendere la differenza sostanziale tra le due cose, e pertanto sviluppare convinzioni basate su di esse che ovviamente portano a gravi errori di valutazione

  • # 10
    Simone82
     scrive: 

    Un argomento trattato nel 2009 non poteva avere in oggetto elementi economici del 2011 che contribuiscono in maniera lampante (dimezzamento dei prezzi per l’utente finale) a cambiare le carte in tavola sul fotovoltaico, a prescindere dai dati matematici dovuti al corretto calcolo dell’insolazione… Mentre sul resto non mi pare ci sia stato un grosso aggiornamento tecnologico, quindi è giusto rimandare ai vecchi post. :)

    @zephy83
    Che non fosse solo il Sole in quanto tale siamo d’accordo, ti ringrazio comunque per la puntualizzazione.

  • # 11
    Giampaolo
     scrive: 

    @Simone Serra #4° commento. Si certo, capisco bene che ne hai parlato in lungo e in largo di solare (fotovoltaico e no) ho seguito con avidità tutti i tuoi articoli, come capisco bene che ne hai ormai le tasche piene :-). Infatti spero solo che ci sia in futuro un post su questo argomento, non subito. Come quei bei post sul nucleare che tanto “scandalo” portano.

  • # 12
    joe.vanni
     scrive: 

    Il fotovoltaico sta vivendo sviluppi tumultuosi con grossi abbassamenti di costi (rispetto a 3 anni fa il prezzo del silicio per FV si è abbassato ad un decimo) con una lotta tra le tecnologie silicio e film sottile fatta di colpi di scena che ricorda la rivalità nell’elettroninca tra Intel e AMD, in cui ogni previsione ottimistica su prezzi ed efficienza viene puntualmente superata in meglio.

    Le riduzioni di incentivi statali hanno accelerato la concorrenza e fatto emergere nuove aziende innovative, anche se stanno facendo chiudere aziende importanti.

    I prezzi dei piccoli impianti non potranno ridursi di molto perché nel piccolo incidono di più voci di costo – quali manodopera- che non sono comprimibili. Tra 4 anni spariranno gli incentivi per gli impianti grandi, ma -anche se ridotti di molto- dovranno essere mantenuti per gli impianti piccoli.

    Tra due- tre anni ci aspettano altre belle sorprese- quali il raddoppio della resa e il dimezzamento del costo dei film sottili. In più una sempre maggiore integrazione architettonica del FV nelle pareti degli edifici e nelle superfici vetrate.

    L’accoppiata fotovoltaico – auto elettrica diventa sempre più vicina con batterie che tra due tre anni saranno competitive con i motori a combustione interna.

    http://enviasystems.com/

  • # 13
    marosini
     scrive: 

    Incentivi, tanti disastri.. ma guardando in avanti?

    Simone, approfitto per buttare lì una riflessione. Questi dibattiti post-articolo sono sempre preziosi.
    Daniele dice che l’energia solare è molto diluita, per poter sostenere sette miliardi di abitanti, e tu mi ricordi l’importanza dell’efficienza. E ovviamente hai ragione, quello che intendevo è che se dovessi scegliere fra un raddoppio dell’efficienza e un dimezzamento del costo non ci penserei due volte.
    Il primo mi consente di avere 1kWp in metà spazio, il secondo me lo fa costare la metà. Certo, lo spazio è fondamentale in contesti densi, per ridurre i cablaggi, eccetera.. però non lo vedo davvero come fattore limitante. Il sole è e resterà una fonte diluita, anche avessimo efficienze del 99%.

    Riguardo ai 7 miliardi di Daniele: secondo me è proprio lì che il solare fotovoltaico ha tanto da dire.
    Noi abbiamo la rete, abbiamo impianti industriali che hanno bisogno di grandi potenze, ma il grosso della popolazione umana: India, Bangladesh, Africa.. e via andare, sono nella condizione opposta. Serve accumulo che costi poco e non inquini, per questo sono tanto “fissato”. :)

    Ma la provocazione a cui volevo arrivare era questa. Abbiamo detto – ospitati dalle tue pagine – peste e corna dei conti energia, dei tanti errori commessi, delle scorribande speculative, eccetera.
    Resto convinto di tutto quello che abbiamo detto. Ma oggi guardo il mercato del FV in Italia e mi domando: non è che – nel bene e nel male – siamo arrivati proprio dove si doveva andare?

    È possibile che il FV (principalmente residenziale, ovviamente) stia entrando in una fase di maturità, fatta di piccoli impianti diffusi? l’Italia ha tanta edilizia fuori dalle città che si presta molto bene.
    È possibile, che nel giro di qualche anno il FV possa fare a meno degli incentivi, e addirittura dotarsi di buffer che (vista l’ovvia inefficienza economica degli scambi sul posto) consentano di usare la propria energia per caricare le auto di notte?

    Io a questa cosa comincio a crederci. :)

    grazie mille

  • # 14
    marosini
     scrive: 

    @joe.vanni

    400 Wh/kg, e parlano di 125 $/kWh, MITICO!!

    m.

  • # 15
    joe.vanni
     scrive: 

    @marosini

    La cosa ancor più interessante è che questa tecnologia, in quanto parte di un progetto di ricerca finanziata dal governo USA ( grazie a Obama) e dalle tre grandi case di Detroit (Marchionne compreso) è a disposizione di varie aziende importanti che stanno lavorando a prodotti simili.

    http://www.greencarcongress.com/2012/03/envia-20120306.html

  • # 16
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ marosini

    Credo anche io che si avrà un certo sviluppo di piccoli impianti domestici economici e dimensionati sul reale fabbisogno o sul soddisfacimento parziale di esso, mentre d’altra parte per la produzione massiva di energia non credo sia una fonte particolarmente interessante, benché molti la ritengano tale

  • # 17
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Gianpaolo

    Sicuramente il Sole sarà ancora presente nei miei post, più come integrazione ed aggiornamento di quanto già pubblicato che come “nuovo argomento”, perché in fin dei conti una volta spiegate le basi non c’è molto più da aggiungere se non discutere delle tecnologie e della loro evoluzione

    @ joe.vanni

    di annunci di competitività paragonabili ai motori se ne leggono da anni, forse anche da un paio di decenni, ma ogni volta si sposta di 2-5 anni in avanti il “sorpasso”… prima o poi ci si azzecca, ma forse sarebbe meglio discutere le cose senza annunci fantastici (non parlo di te, ma del modo con il quale in genere vengono lanciate queste notizie)

  • # 18
    Andrea G.
     scrive: 

    @Simone,

    dopo essere stato “sparaflesciato” mi sono ritrovato su questo articolo, e con gioia ho notato la tua citazione di “Essere razionale” di Isaac Asimov, scrittore a cui sono devoto e al quale ho dedicato un modesto sito.

    Complimenti!

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