Energia rinnovabile - Guida rapida

Renewable energyè un termine usato per riferirsi a forme di energia che sono naturalmente ottenute dall'ambiente e da fonti che possono essere reintegrate naturalmente. Questi includono l'energia solare, l'energia eolica, l'energia geotermica, l'energia idroelettrica e la biomassa.

Il termine energia rinnovabile non deve essere confuso con energia alternativa, che descrive fonti di energia al di fuori delle forme regolari come la benzina che sono considerate più rispettose dell'ambiente o meno dannose.

Vantaggi dell'energia rinnovabile

I vantaggi dell'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili sono:

Meno costi di manutenzione in quanto la maggior parte delle fonti comporta poche o nessuna parte in movimento, quindi meno danni meccanici.
Sono economici e possono ridurre i costi spesi per i combustibili fossili.
Emettono pochi o nessun rifiuto nell'ambiente.
Le fonti energetiche rinnovabili non si esauriscono. Pertanto, questi hanno una migliore prospettiva per il futuro.

Fonti di energia solare

Questo tutorial spiega cinque principali fonti di energia rinnovabile. Ciascuna fonte sarà brevemente esaminata, anche se una discussione dettagliata verrà fornita nei capitoli successivi.

Solar energy- L'energia del sole è indicata come energia solare. L'energia solare potrebbe essere utilizzata come solare attivo o solare passivo. Il solare attivo viene consumato direttamente in attività come asciugare i vestiti e riscaldare l'aria. La tecnologia ha fornito diversi modi per utilizzare questa abbondante risorsa.
Geothermal energy- Si riferisce all'energia termica immagazzinata sotto terra per milioni di anni attraverso la formazione della terra. Utilizza un ricco accumulo di energia termica non utilizzata che esiste sotto la crosta terrestre.
Hydro-power - Questa è una delle principali fonti di energia rinnovabile utilizzata oggi in tutto il mondo per produrre elettricità.
Wind energy - Nei tempi antichi, l'energia eolica veniva utilizzata per spostare le navi impattando sulle vele.
Biomass energy - Nella generazione di energia, si riferisce agli impianti di scarico utilizzati per generare energia mediante combustione.

L'energia solare è l'energia ottenuta catturando calore e luce dal sole. L'energia del sole è indicata come energia solare. La tecnologia ha fornito diversi modi per utilizzare questa abbondante risorsa. È considerata una tecnologia verde perché non emette gas serra. L'energia solare è abbondantemente disponibile ed è stata utilizzata da molto tempo sia come elettricità che come fonte di calore.

La tecnologia solare può essere ampiamente classificata come:

Active Solar- Le tecniche solari attive includono l'uso di sistemi fotovoltaici, energia solare concentrata e riscaldamento solare dell'acqua per sfruttare l'energia. Il solare attivo viene consumato direttamente in attività come asciugare i vestiti e riscaldare l'aria.
Passive Solar - Le tecniche solari passive includono l'orientamento di un edificio verso il sole, la selezione di materiali con massa termica favorevole o proprietà di dispersione della luce e la progettazione di spazi che facciano circolare l'aria in modo naturale.

Conversione dell'energia solare

L'energia solare è l'energia ottenuta catturando calore e luce dal sole. Il metodo per ottenere elettricità dalla luce solare è indicato come metodo fotovoltaico. Ciò si ottiene utilizzando un materiale semiconduttore.

L'altra forma per ottenere energia solare è attraverso le tecnologie termiche, che danno due forme di metodi di sfruttamento dell'energia.

Il primo è la concentrazione solare, che concentra l'energia solare per azionare le turbine termiche.
Il secondo metodo è il riscaldamento e il raffreddamento dei sistemi utilizzati rispettivamente nel riscaldamento solare dell'acqua e nel condizionamento dell'aria.

Di seguito è riportato il processo di conversione dell'energia solare in elettricità in modo da utilizzare la sua energia nelle attività quotidiane:

Assorbimento di particelle che trasportano energia nei raggi solari chiamati fotoni.
Conversione fotovoltaica, all'interno delle celle solari.
Combinazione di corrente da parecchie celle. Questo passaggio è necessario poiché una singola cella ha una tensione inferiore a 0,5 V.
Conversione della DC risultante in AC.

Nel prossimo capitolo impareremo il metodo fotovoltaico per convertire l'energia solare in elettricità.

È essenziale avere una conoscenza di base delle giunzioni PN prima di passare all'apprendimento del concetto di effetto fotovoltaico.

La giunzione PN

Il PN Junction è stato inventato dai laboratori Russell of Bell negli Stati Uniti. Si riferisce a una giunzione tra due semiconduttori, ovvero di tipo P e di tipo N. Russell ha scoperto che i due semiconduttori hanno un comportamento interessante alla giunzione che causa la conduzione in una sola direzione.

Un semiconduttore di tipo P ha buchi (assenza di elettroni) come portatori di carica maggioritari. Un semiconduttore Ntype ha elettroni come portatori di carica maggioritari.

Nello schema sopra riportato, all'incrocio -

Le cariche extra si diffondono attraverso le giunzioni opposte in modo tale che il positivo sul lato p acquisisca cariche negative e le neutralizzi.
Allo stesso modo, i negativi sul lato N ottengono cariche positive e le neutralizzano.
Questo forma un margine (m) su entrambi i lati dove si esauriscono le cariche extra per rendere questa regione neutra e in uno stato di equilibrio. Questa regione è indicata comedepletion layer e nessuna carica da entrambi i lati incrocia.
Lo strato di esaurimento offre una potenziale barriera e quindi richiede una tensione esterna per superarlo. Questo processo è chiamatobiasing.
Per condurre, in forward biasing, la tensione applicata dovrebbe pompare elettroni (negativi) dalla giunzione n verso il lato p della giunzione. Il flusso continuo di corrente garantisce un movimento costante degli elettroni per riempire i buchi, quindi la conduzione attraverso lo strato di esaurimento.
Inversione della tensione applicata, in un processo chiamato reverse biasing, fa sì che i buchi e gli elettroni si allontanino, aumentando lo strato di esaurimento.
Un carico esterno è collegato a una cella solare con terminale positivo collegato ai wafer sul lato N e terminale negativo ai wafer sul lato P. Una potenziale differenza viene creata daphotovoltaic effetto.

La corrente ottenuta dagli elettroni spostati dai fotoni non è sufficiente a fornire una differenza di potenziale significativa. La corrente è quindi contenuta per causare ulteriori collisioni e rilasciare più elettroni.

Effetto fotovoltaico

Una cella solare utilizza il concetto di una giunzione pn per catturare l'energia solare. La figura seguente mostra il livello di fermi di un semiconduttore.

Affinché un semiconduttore conduca, gli elettroni devono attraversare il gap di energia dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questi elettroni richiedono un po 'di energia per spostarsi e spostarsi attraverso il divario di valenza. Nelle celle solari, i fotoni emessi dal Sole forniscono l'energia necessaria per superare il divario.

Un fotone incidente sulla superficie potrebbe essere assorbito, riflesso o trasmesso. Se viene riflesso o trasmesso, non aiuta a rimuovere un elettrone e viene quindi sprecato. Pertanto, un fotone deve essere assorbito per fornire l'energia richiesta per rimuovere e spostare gli elettroni attraverso il gap di valenza.

Se E _ph è l'energia di un fotone e EG è l'energia di soglia per attraversare il divario energetico, i possibili risultati, quando il fotone colpisce la superficie di un semiconduttore sono:

E_ph < E_G - In questo caso, il fotone non raggiunge la soglia e passerà semplicemente attraverso.
E_ph = E_G - Il fotone ha la soglia esatta per rimuovere un elettrone e creare una coppia di elettroni bucata.
E_ph > E_G- L'energia del fotone supera la soglia. Questo crea una coppia elettrone-lacuna, sebbene sia uno spreco, poiché l'elettrone si sposta indietro lungo il divario energetico.

Assorbimento della radiazione solare

Nella maggior parte dei casi, il coefficiente di assorbimento del semiconduttore viene utilizzato per determinare l'efficienza dell'assorbimento di energia dal sole. Basso coefficiente significa scarso assorbimento. Pertanto, la distanza di un fotone è un fattore sia del coefficiente di assorbimento ( α ) che della lunghezza d'onda della radiazione ( λ ).

$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$

Dove, k è il coefficiente di estinzione.

Per costruire un pannello solare, sono necessarie diverse celle solari in silicio drogato come è stato discusso in precedenza. Queste celle sono collegate in serie per sommare la corrente risultante. Ciò fornisce strisce di celle raggruppate chiamate modulo. Un singolo modulo può essere costruito in un pannello solare o combinato con altri nei casi in cui è richiesto un pannello di grandi dimensioni.

Un pannello solare è costituito da diversi strati che racchiudono le celle fotovoltaiche. Questi strati vengono utilizzati per proteggere le cellule fragili.

Di seguito viene fornita un'illustrazione degli strati:

Gli strati sono costituiti dalle seguenti parti:

Cover Glass- Questa è la copertura superiore ed è trasparente per consentire alla luce di entrare. Previene i danni meccanici alle cellule. È realizzato in vetro duro per evitare graffi.
Non-reflective layer- Il silicio può riflettere la maggior parte della luce solare. Pertanto, questo strato viene utilizzato per contrastare questo e garantire il massimo assorbimento dei fotoni. In altre parole, aiuta a massimizzare l'assorbimento.
Contact grid- A questo livello, tutti i contatti che si uniscono dall'alto al basso delle celle sono collegati insieme. Il contatto si estende alle parti esterne del pannello come il regolatore di carica, il combinatore e l'accumulatore di batteria o il sistema di rete.
P and N Silicon plates- Questo strato è in realtà una combinazione di due strati: lo strato di silicio Ndoped e lo strato di silicio drogato P. Questo strato conferisce al pannello solare il suo colore.
Back plate- Questo è uno strato duro per sostenere i pannelli fotovoltaici cristallini. A volte, fibre sintetiche flessibili possono essere utilizzate per pannelli del tipo a film sottile.

Il telaio in alluminio viene utilizzato per incorniciare il pannello e renderlo resistente alle intemperie. I vantaggi sono:

Il telaio fornisce un mezzo per montare il pannello su superfici come i tetti.
Il telaio è sufficientemente stretto per proteggere il pannello da condizioni meteorologiche estreme come i temporali.

Anche il pannello solare dovrebbe essere costantemente curato per evitare che particelle di polvere si appoggino su di esso. Durante il processo di installazione, i pannelli devono essere fissati ad angolo per ricevere la massima luce. Una batteria proporzionale dovrebbe essere installata in caso di non utilizzo diretto, per evitare sprechi.

L'efficienza si riferisce al rapporto tra potenza assorbita e potenza erogata. Nel caso di un fotovoltaico, l'efficienza è il rapporto tra la potenza prodotta in termini di elettricità e l'energia solare incidente sulla cella.

Ora, Potenza in uscita, p _m = Tensione (v) * corrente (I) nel circuito (valore massimo).

Inoltre, potenza in ingresso P _i = Energia incidente G (Wm ^-2 ) * Area della cella, A (m ² ).

Pertanto, l'efficienza viene calcolata come -

$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$

Dove P _m deve essere la potenza massima del circuito. Si ottiene utilizzando la tensione sul circuito aperto (V _oc ) e la corrente sul cortocircuito (I _sc ) e il fattore di riempimento (FF).

$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$

Queste misurazioni devono essere misurate in condizioni standard, ad esempio 25 ° C, massa d'aria di 1,5 g ^-3 ed energia incidente, G di 1000 Wm ^-2 .

I fattori che influenzano la resa di una cella fotovoltaica includono:

La lunghezza d'onda della luce incidente
Ricombinazione di elettroni e lacune
Resistenza elettrica
Temperature
Fattore di riempimento
Fattore di riflessione del materiale

Pertanto, per massimizzare la potenza, la cella dovrebbe essere costruita in modo da avere un riempimento maggiore, ovvero l'area superficiale utilizzata. Anche il posizionamento di una cella solare determina la sua potenza per due motivi. In primo luogo, l'angolo determina il livello di riflessione sulla cella e in secondo luogo il posizionamento determina la quantità di luce solare catturata dalle 9:00 alle 15:00. Per la massima efficienza, è importante evitare qualsiasi ombreggiamento sulle celle.

La tecnologia fotovoltaica utilizza due tecnologie; forma cristallina e silicio amorfo. L'amorfo è ancora una nuova esplorazione e potrebbe richiedere più tempo per ottenere prestazioni ottimali.

Cellule cristalline

La tecnologia del silicio cristallino fornisce due tipi di celle fotovoltaiche:

Mono-crystalline cells- La cella solare monocristallina è costruita da un singolo cilindro di cristallo tagliato per produrre tutti i wafer nella matrice. I wafer sono di forma circolare, anche se a volte possono essere tagliati in altre variazioni di forma per scopi di utilità del cristallo. È caratterizzato da un colore blu uniforme. Altre caratteristiche includono:
- Efficienza relativamente alta, tra tutte le tecnologie fotovoltaiche, oggi disponibili.
- Celle più costose perché sono sviluppate dallo stesso cristallo.
- Le celle sono rigide e devono essere ben posizionate e montate su un supporto rigido.
Poly-crystalline cells- Queste sono anche conosciute come celle maltico-cristalline e sono realizzate colando il silicio in uno stampo quadrato. Il cast risultante viene quindi tagliato in una serie di wafer quadrati. Il blocco quadrato è costituito da diversi cristalli composti da matrici di variazioni blu. Questa è la tecnologia alla base della superficie scintillante simile a una pietra preziosa di alcuni pannelli solari oggi sul mercato. Le celle policristalline hanno caratteristiche distinte, tra cui:
- Leggermente meno efficiente rispetto alle celle monocristalline.
- Più economico del monocristallino.
- Meno spreco di materiale (silicio purificato).
- Dati i pannelli solari della stessa specifica, il pannello policristallino è leggermente più largo della controparte monocristallina.

Cellule amorfe

Thin-Film PVs- L'uso della forma amorfa di silicio per realizzare celle fotovoltaiche è una nuova tecnica che gli esperti stanno ancora ricercando per arginare le sfide delle forme cristalline. Le caratteristiche di questa tecnologia includono:

Sono molto più economici di entrambe le forme cristalline.
Sono flessibili. Pertanto, dovrebbero avere un supporto mobile per utilizzare al meglio questa caratteristica. Tuttavia, la forma della superficie dovrebbe accogliere il pannello per motivi di sicurezza.
Meno suscettibile alla perdita di potenza dovuta alla perdita di cellule. Inoltre, sono più potenti in un ambiente scarsamente illuminato.
Meno durevole. Gradualmente degenerano in termini di produzione di energia soprattutto per il primo mese prima di acquisire stabilità.
Meno efficiente nella produzione di energia e quindi copre uno spazio maggiore
La nuova tecnologia permette di montare il pannello su vetri e superfici curve.

Proprietà del circuito fotovoltaico

Di seguito viene fornito un circuito equivalente di una cella fotovoltaica:

Corrente ottenuta, I _ph = Area della cella * Intensità della luce, H * fattore di risposta, ξ.

Dato, perdita dovuta alla resistenza del conduttore = R _p

Perdita dovuta a conduttori non ideali = R _s

Se la cella produce corrente I a una tensione V, allora, la relazione tra I e U di una singola cella è espressa come -

Attuale, $I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}}-1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$

Dove la tensione termica è data da $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$

La temperatura è in Kelvin e K = 1,38 ^-23 (cost di Bowman), e = 1,602e ^-19 .

Ottenendo il massimo I e U, possiamo ottenere la massima potenza.

I _max si ottiene quando V = 0 cioè cortocircuito mentre V _max si ottiene quando I = 0 cioè circuito aperto.

Note - Le celle in parallelo aggiungono corrente mentre le celle in serie aggiungono tensione.

L'energia geotermica si riferisce all'energia termica immagazzinata sotto terra per milioni di anni attraverso la formazione della terra. Utilizza un ricco accumulo di energia termica non utilizzata che esiste sotto la crosta terrestre.

Geothermal energyè specifico per il sito ma può essere molto economico soprattutto se utilizzato per il riscaldamento diretto. È una sfida stimare la potenza da questa fonte poiché si trova sottoterra a temperature estremamente elevate.

La crosta terrestre ha un'immensa energia termica (termica) immagazzinata per milioni di anni. Esiste un'enorme differenza di temperatura tra la crosta terrestre e la superficie. La differenza di temperatura è nota comegeothermal gradient. Questa energia è sufficiente per fondere la roccia. La roccia fusa, chiamata magma, a volte erutta attraverso le crepe sulla superficie terrestre come vulcani. L'energia geotermica viene convertita per produrre elettricità.

La presenza di depositi geotermici sotto forma di fluido geotermico caldo è segno di un buon sito. Il sito dovrebbe avere una falda acquifera poco profonda per consentire l'iniezione di acqua. Il prodotto geotermico intrinseco dovrebbe essere di circa 300o F.

Vantaggi dell'energia geotermica

I principali vantaggi includono:

Nessun combustibile viene bruciato poiché il calore è derivato da un abbondante serbatoio sotterraneo. La fonte di energia rinnovabile potrebbe risolvere il rischio di rimanere senza combustibili fossili.
Non ha emissioni e produce il 10% di anidride carbonica, che è pochissima rispetto alla quantità consumata dalle piante.
A differenza di altre fonti di energia rinnovabile (solare, eolica e idrica), non è influenzata dalla disponibilità e sarà sempre disponibile durante tutto l'anno.
L'energia geotermica è relativamente meno costosa soprattutto se utilizzata direttamente, ad esempio, come fonte di calore nelle serre.

L'unico svantaggio dell'energia geotermica è il rilascio di idrogeno solforato identificato dal caratteristico odore di uova marce.

Fonti geotermiche avanzate (EGS)

In alcune sorgenti geotermiche, l'acqua viene iniettata nei pozzi contenenti depositi geotermici. All'interno di questi depositi, l'acqua si surriscalda e quindi si trasforma in vapore. L'acqua viene pompata ad altissima pressione per spendere le fessure rocciose.

Parte dell'energia geotermica a temperatura inferiore viene utilizzata direttamente come calore. Le serre possono essere fornite con questa energia come regolatore di temperatura. Questa tecnica è utilizzata anche nella pesca e nel recupero dei minerali.

Il principio è quello di utilizzare l'energia termica attraverso il riscaldamento dell'acqua al vapore. L'energia geotermica utilizza temperature elevate al di sotto della crosta terrestre. Il vapore o l'acqua calda riscalda un fluido che a sua volta si espande per trasformare le turbine che generano elettricità.

Ci sono tre forme che vengono utilizzate. Sono i seguenti:

Centrali elettriche a vapore secco

Fondamentalmente, le stazioni di vapore secco utilizzano il vapore che scorre fuori dai geo-depositi per riscaldare un fluido secondario che fa girare le turbine per generare elettricità. Il vapore esce ad una temperatura fino a 150 gradi, abbastanza calda da espandere il fluido nell'impianto geotermico. Questa è una delle più antiche tecniche di elettricità geotermica. L'espansione del fluido secondario produce l'energia meccanica necessaria per far girare le turbine per generare elettricità.

Centrali elettriche a vapore istantaneo

L'acqua nei pozzi ad alta pressione viene aspirata in una regione di pressione inferiore. Questo spostamento di pressione vaporizza l'acqua che emette vapore ad alta temperatura. Questo vapore viene separato dall'acqua e utilizzato per riscaldare il fluido che fa girare le turbine nel generatore. A questa pressione, il gas è a una temperatura molto elevata.

Centrali elettriche a ciclo binario

Lo sfruttamento della differenza dei punti di ebollizione, determinata dalla densità, è il metodo più recente utilizzato. Nel sistema viene utilizzato un fluido con un punto di ebollizione molto più basso dell'acqua. Questo metodo utilizza acqua a temperature di 58 gradi per riscaldare un fluido secondario con un punto di ebollizione inferiore. L'acqua riscalda il fluido e lo fa vaporizzare, a causa del punto di ebollizione più basso, e fa girare le turbine per generare elettricità.

La geofisica è un campo della scienza che si occupa delle proprietà della terra e dei suoi ambienti. È lo studio dei campi magnetici e gravitazionali, delle proprietà interne della terra, dei cicli dell'acqua, della formazione dei depositi minerali e delle relazioni solari terrestri.

La geofisica è specializzata nella ricerca di risorse sotto la crosta terrestre e nella determinazione delle potenziali minacce come i terremoti. Comporta anche analisi qualitative per identificare i migliori siti per l'estrazione mineraria, la perforazione petrolifera e i giacimenti geotermici.

Filiali della geofisica

Vari rami della geofisica sono:

Study of solid earth- Le proprietà delle terre solide vanno dallo studio tettonico all'analisi sismica per i terremoti. Questo ramo studia i giacimenti petroliferi e minerali. I campioni di terreno vengono analizzati per eventuali depositi o consistenze insolite.
Study of water- Questo è lo studio dell'acqua dolce e dell'acqua sotto la superficie terrestre. Lo studio dell'acqua è svolto da idrologi che analizzano i cicli dell'acqua e le falde acquifere. Anche l'oceanografia, lo studio degli oceani e del suolo sottostante, rientra in questa categoria.
Study of air- L'aria è una componente importante della terra. Lo studio dell'aria aiuta a prevedere le condizioni meteorologiche e proteggersi da condizioni estreme come gli uragani.
Life and geophysics- L'interazione degli organismi e la terra è un fattore importante. È importante notare che i depositi di petrolio derivano principalmente dalla materia in decomposizione. Le condizioni sotterranee vengono studiate per valutare il loro effetto sull'esistenza degli organismi.

Acquiferi

Alcune rocce, chiamate falde acquifere, forniscono un buon ambiente per il flusso naturale dell'acqua. Queste rocce sono porose e filtrano l'acqua che scorre attraverso. Gli acquiferi sono i migliori siti in cui vengono perforati i pozzi per fornire un flusso d'acqua costante. Le rocce che creano buone falde acquifere sono sabbia, granito, conglomerato, arenaria e calce fratturata.

Gli acquiferi si trovano al di sotto della falda freatica in modo tale che le precipitazioni reintegrino immediatamente l'acqua pompata dai pozzi. Gli acquiferi sono molto importanti per sostenere il ciclo dell'acqua terrestre. I pozzi vengono perforati in falde acquifere circondate da roccia non porosa. Queste rocce generano una pressione che aiuta a pompare l'acqua. Questi tipi di pozzi sono noti come pozzi artesiani.

Test idrogeologici

L'idrogeologia utilizza diversi test negli acquiferi per catturarne le caratteristiche. Questi test vengono condotti in ambienti controllati chiamati pozzetti di controllo.

I tre test principali sono:

Pumping test- L'acqua viene estratta e pompata nuovamente nel pozzo a intervalli costanti. Il comportamento dei pozzi vicini viene registrato come risultato delle modifiche. Questo test aiuta a determinare la permeabilità delle falde acquifere che circondano il pozzo.
Slug test- Slug significa un rapido cambiamento del livello dell'acqua. In questo test viene misurato l'effetto sui pozzi vicini e la durata necessaria per recuperare il suo livello originale. Ciò potrebbe essere ottenuto attingendo dal lago o l'acqua potrebbe essere pompata nel pozzo per cambiare drasticamente il livello.
Constant-head test- Questo viene fatto utilizzando un pozzetto sperimentale chiamato pozzetto di controllo. In un pozzo di controllo il prelievo termico può essere mantenuto a un livello. L'effetto viene registrato per i pozzi vicini. Prelevare regolarmente dal pozzo può intaccare la falda freatica. Ciò può causare depressione e causare un flusso anormale.

L'energia idroelettrica (HEP) è una delle principali fonti di energia rinnovabile utilizzata oggi in tutto il mondo per produrre elettricità. Utilizza le leggi fondamentali della fisica. L'acqua che cade ad alta pressione ha un'elevata energia cinetica. In una stazione HEP, l'acqua che cade fa girare le turbine. Attraverso l'induzione magnetica, il generatore converte l'energia meccanica delle turbine in elettricità.

Centrale idroelettrica

È la tecnica che utilizza l'acqua della diga che cade dall'alto per far girare le turbine di un generatore. L'energia meccanica viene convertita in forma elettrica e immessa nella rete nazionale. Il diagramma seguente mostra lo schema di una centrale idroelettrica.

La posizione di una centrale idroelettrica deve essere analizzata da un esperto per determinare la prevalenza effettiva per la massima efficienza. I sistemi idraulici vengono utilizzati anche per utilizzare il concetto su flussi d'acqua più lenti e lenti.

Un vantaggio dell'energia idroelettrica è che l'acqua è disponibile per altri usi dopo la generazione. Un fiume con un flusso d'acqua e una prevalenza elevati è una migliore fonte di energia idroelettrica.

La portata indica la velocità alla quale l'acqua passa al secondo in un punto particolare del fiume. La prevalenza si riferisce alla distanza verticale dalla sommità del pendio alla centrale elettrica.

Viene costruita una diga con un grande dislivello per aumentare l'energia potenziale dell'acqua. L'aspirazione è posta in basso dove la pressione è massima. L'acqua scorre quindi per gravità attraverso la condotta forzata. A questo livello, l'energia cinetica è sufficiente per far girare le turbine.

Stima della potenza

La potenza in una diga può essere stimata da due fattori: flusso dell'acqua e prevalenza.

Flowindica il volume che passa attraverso una data sezione di un fiume in un dato momento. La portata è data da m ³ / s.
Head è la distanza verticale attraversata dall'acqua.

Teoricamente, la potenza è direttamente proporzionale ai fattori sopra menzionati, vale a dire

P = Q*H*c

Dove,

P - potenza prevista
Q- la portata in m ³ / s
H - Testa in m
c - costante (densità * gravità)

Pertanto, considerando la densità dell'acqua come 1000 gm ^-3 e la gravità 1,9 -

P = 1000*1.9*Q*H

L'energia è necessaria per far girare le turbine di un generatore per provocare un'induzione elettromagnetica.

Lo stoccaggio con pompaggio è una tecnica utilizzata per riciclare l'acqua dopo che è passata attraverso le turbine. In particolare, lo stoccaggio con pompaggio migliora l'efficienza complessiva della diga.

Una centrale idroelettrica ha tre componenti principali. Sono -

La prima è la diga che crea il battente d'acqua. L'acqua cade dalla base della diga ad alta velocità e fornisce energia cinetica per far girare le turbine.
Il secondo componente è il serbatoio. Il serbatoio dell'acqua è il luogo dietro la diga in cui viene immagazzinata l'acqua. L'acqua nel serbatoio si trova più in alto rispetto al resto della struttura della diga. L'altezza dell'acqua nel serbatoio decide quanta energia potenziale possiede l'acqua. Maggiore è l'altezza dell'acqua, maggiore è la sua energia potenziale.
La terza componente è l'impianto elettrico dove viene prodotta l'energia elettrica e collegata alla rete.

Valutazione delle risorse per piccole installazioni

Prima di installare un impianto mini-idro, è importante identificare la risorsa vicina che può essere sfruttata. Un buon flusso con un flusso abbastanza costante (m ³ / s) è una risorsa che vale la pena sfruttare.

Un fiume con un buon flusso può utilizzare la velocità dell'acqua per far girare la ruota idraulica. I pendii di montagna o collina sono i più adatti per la produzione idroelettrica. Come accennato prima, è necessario considerare sia la prevalenza che la portata del fiume per determinare la potenza di uscita approssimativa.

Conoscendo i parametri, la potenza approssimativa è determinata come segue:

Head in feet * flow in gallons per meter / 10 = power in Watts

La testa potrebbe anche avere le unità di pressione per un fiume uniforme.

Metodo tubo flessibile

Questa tecnica viene utilizzata per determinare la prevalenza in un flusso basso per una turbina sommersa.

I requisiti per un metodo con tubo flessibile includono una tubazione flessibile (preferibilmente un cavallo da giardino), un imbuto e un materiale di misurazione. Il torrente dovrebbe essere abbastanza basso da permetterti di guadare (controlla la profondità del fiume prima di iniziare). La procedura per l'installazione di un metodo con tubo flessibile è descritta di seguito.

Innanzitutto, allungare il tubo dal punto in cui il flusso inizia a scendere. Secondo, solleva l'estremità del tubo finché l'acqua non smette di scorrere. Prendi la distanza verticale e ripeti lo stesso per altre sezioni fino a raggiungere il sito preferito. La figura seguente illustra le varie teste in ciascuna sezione.

Determining head

Determinazione del flusso

Il flusso di un flusso normale per un'energia idroelettrica domestica potrebbe essere determinato dai seguenti due metodi:

Float method- in questa tecnica, un galleggiante del peso misurato viene rilasciato in una parte uniforme del flusso e viene registrato il tempo impiegato per coprire la distanza misurata. La distanza in metri viene divisa per il tempo impiegato in secondi per ottenere la velocità. Vale la pena notare che il galleggiante non deve toccare il suolo. Nel caso sia troppo pesante da toccare il letto del torrente, si può scegliere un galleggiante più piccolo.
Bucket method- Ciò si ottiene arginando il flusso e deviandolo in un secchio. Viene quindi registrata la velocità necessaria per riempirlo. Questo viene fatto in galloni al secondo. Usa un secchio con una misura standard per essere più preciso.

Esistono due ampie classificazioni di turbine, vale a dire le turbine a impulsi e le turbine a reazione. La scelta delle turbine si basa sulla prevalenza e sulla portata. Altri fattori da considerare sono la profondità, il costo e l'efficienza richiesta.

Turbine a impulsi

Nelle turbine a impulso, la velocità dell'acqua colpisce i secchi della ruota della turbina per creare energia meccanica. L'acqua scorre dal fondo della turbina dopo aver girato la ruota.

Nelle turbine a impulso, la velocità dell'acqua colpisce i secchi nella ruota della turbina per creare energia meccanica. L'acqua scorre dal fondo della turbina dopo aver girato la ruota.

Tipi di turbine a impulsi

Le turbine a impulsi sono di due tipi:

Pelton wheel- Questo tipo di ruota ha getti che dirigono l'acqua in uno spazio aerato. L'acqua cade sui secchi del corridore e provoca un momento di svolta. Questa ruota non richiede tubi di pescaggio. È stata sviluppata una variante chiamata turgo-ruota che assomiglia a pale di ventole racchiuse nei bordi. L'acqua scorre semplicemente attraverso i ventilatori e provoca la rotazione. È progettato per una prevalenza elevata e un flusso basso.
Cross-flow- la ruota ha sezione a tamburo con ugello allungato e di forma rettangolare. Le alette di guida di apertura dirigono l'acqua al corridore. L'acqua scorre attraverso le lame due volte mentre entra ed esce.

Turbine a reazione

Nelle turbine a reazione, la potenza viene sviluppata sia dalla pressione che dall'impatto dell'acqua in movimento perché il corridore si trova al centro del flusso. Questi sono per lo più adatti per portate maggiori e prevalenza inferiore. L'acqua colpisce tutte le lame invece che una singola lama alla volta.

Le turbine a reazione sono di tre tipi:

Propeller turbinesavere un corridore con tre o sei lame. L'acqua colpisce tutte le lame costantemente a pressione costante per bilanciare il corridore. Esistono varianti di turbina ad elica, cioè a bulbo, Kaplan, a tubo e straflo.
Francis turbineutilizza un corridore con nove o più secchi fissi. L'acqua può fluire appena sopra la turbina per creare un movimento di rotazione costante.
Free-fallle turbine utilizzano l'energia cinetica dell'acqua e non l'energia potenziale utilizzata dalla maggior parte delle turbine. Ecco perché questi sono comunemente noti comekineticturbine. Operano in ambiente naturale di torrenti e fiumi. Possono anche operare con le maree oceaniche.

L'energia idroelettrica potrebbe essere utilizzata per il consumo domestico quando c'è un flusso d'acqua costante. Nella maggior parte dei casi, il flusso e la caduta non forniscono energia sufficiente per attivare le turbine convenzionali. Per risolvere questo problema, oggi sul mercato sono disponibili piccoli sistemi denominati sistemi micro-idro. Gli impianti sono costituiti da piccoli generatori installati nei fiumi o nei torrenti e funzionano su turbine a impulso. In effetti, la maggior parte usa la ruota Pelton.

Componenti di una centrale idroelettrica

I seguenti sono i componenti principali di una micro centrale idroelettrica:

Intake- La posizione del generatore deve essere vicino a un'aspirazione. Ciò potrebbe essere ottenuto arginando l'acqua per stabilire la prevalenza necessaria e aumentare la pressione.
Penstock- È una regione di caduta gravitazionale dall'assunzione. Per i progetti di micro-idro, i tubi vengono utilizzati dall'aspirazione al canale della turbina.
Turbines- Il tipo di turbina da utilizzare dipende dalle dimensioni del flusso e dalla potenza desiderata. Per la maggior parte dei piccoli hydros, una ruota pelton è efficiente. In caso di bassa prevalenza, possono essere utilizzate turbine a reazione sommergibili, nel qual caso la pressione dell'acqua fa girare le pale.
Controls- I controlli impediscono il sovraccarico della batteria. Lo regolano facendo divergere la potenza in eccesso al carico di scarico.
Dump load- Questa è semplicemente una destinazione alternativa ad alta resistenza utilizzata quando la batteria è completamente ricaricata. Possono includere scaldabagni o anche un sistema di aria condizionata.
Battery- I sistemi micro-idro non producono grandi potenze come i sistemi AC convenzionali. Per poterlo utilizzare per una serie di esigenze energetiche, è necessario accumulare energia. Le batterie forniscono un mezzo per immagazzinare l'energia nella quantità desiderata. Forniscono anche energia durante le interruzioni dell'alimentazione del sistema.
Metering- Questo è importante per monitorare il consumo di energia rispetto all'alimentazione. Ciò può aiutare a comprendere importanti caratteristiche del sistema e identificare i guasti.
Disconnect- In qualsiasi sistema di cablaggio elettrico, dovrebbe esserci una protezione contro un eccesso di alimentazione. Un dispositivo di interruzione del circuito deve essere installato sulla rete elettrica per proteggere da eventuali danni su qualsiasi dispositivo collegato alla rete idrica.

Una pompa a pistone idraulico funziona secondo le leggi fondamentali della fisica per sollevare l'acqua contro l'attrazione gravitazionale ad un'altezza superiore a quella della sorgente. Questa pompa funziona senza alcuna fornitura di energia esterna come la combustione di carburante. L'unica energia è l'energia cinetica dell'acqua pompata. Maggiore è la prevalenza maggiore è la distanza pompata.

Come funziona?

Per capire come funziona la pompa ariete, è importante conoscere il principio del colpo d'ariete.

Fluid hammer- L'effetto del martello del fluido si verifica quando un fluido (in questo caso l'acqua) viene fermato con forza o la sua direzione cambia improvvisamente. Si verifica uno shock di pressione e l'onda viene ricondotta alla sorgente del fluido. Questo potrebbe essere un fenomeno pericoloso che causa lo scoppio o il collasso di pneumatici e tubi.

L'acqua scorre nella pompa attraverso l'ingresso (5) con una certa energia cinetica dalla testa e chiude la valvola (6).
Con 6 chiusi e 3 inizialmente chiusi, l'acqua sviluppa un hummer d'acqua che crea pressione nel tubo e apre la valvola (3) inviando dell'acqua attraverso l'uscita (1).
Poiché il flusso è in salita, l'acqua scorre lentamente e poco dopo ricade nuovamente chiudendosi 3.
Il colpo d'ariete si accumula e si replica indietro attraverso il tubo producendo una forza di aspirazione che apre la valvola di scarico 6.

Il processo viene ripetuto con l'aumento della pressione ogni volta.

L'etichetta 2 è un regolatore di pressione contenente aria. Ammortizza l'ammortizzatore ogni volta che 6 si avvicina e l'acqua viene spinta attraverso 3. Aiuta a proteggere le tubazioni da urti che potrebbero portare allo scoppio e favorisce l'effetto di pompaggio. L'ariete è efficiente dal 60 all'80%. Ciò non riflette direttamente il rapporto tra l'acqua pompata poiché si basa sull'altezza verticale dell'acqua pompata. In altre parole, questa è l'efficienza dell'effetto di pompaggio in energia dall'effetto hummer dell'acqua.

Risolto Esempio 1

Calcola la potenza stimata per una turbina con un'efficienza dell'85%. La portata del fiume è di 80 metri cubi al secondo e la presa dei torrenti è situata a 147 metri dalla posizione delle turbine del generatore.

Solution -

La potenza è data da W = Efficienza * prevalenza * portata * densità * gravità

Convertendo la densità specifica dell'acqua in unità SI, otteniamo 1000kgm ^-3

Sostituendo i valori nella formula -

P = 0,85 * 1000 * 80 * 9,81 * 147

P = 97 Mega Watt

Risolto Esempio 2

Data l'effettiva potenza ricevuta in un determinato giorno è stata di 1.440.000 kWh; calcolare l'efficienza del generatore. Supponiamo che la gravità sia 9,81 ms ^-2 . Densità specifica dell'acqua 1 gcm ^-3 .

Solution -

Dato: fornitura per 1 giorno = 288000 kWh

Potenza = 1440000/24

= 60 mW

Efficienza = Alimentazione / potenza attesa * 100

= 60/97 * 100

Il sistema è efficiente al 66,67%.

Nell'antichità il vento veniva utilizzato per muovere le vele delle navi. In questo capitolo vedremo come l'energia eolica viene utilizzata per generare elettricità.

UN turbineconverte l'energia cinetica del vento in energia meccanica utile. Questa energia potrebbe essere utilizzata in forma meccanica o girare le turbine del generatore e fornire elettricità. Proprio come nei sistemi idroelettrici, l'energia eolica viene sfruttata attraverso la conversione dell'energia cinetica del vento in energia meccanica.

Le turbine eoliche sono in gran parte classificate in due tipi: turbine eoliche ad asse orizzontale e turbine eoliche ad asse verticale. Grandi aree installate con turbine eoliche, cioè, i parchi eolici stanno emergendo sempre più oggi.

Caratteristiche del vento

Ci sono caratteristiche generali del vento mentre altre sono più specifiche del sito. Alcune delle caratteristiche specifiche del sito includono:

Mean wind speed - Questo stima il rendimento del vento annuale sebbene non dia le distribuzioni.
Wind speed distribution- Ci sono tre aspetti: le caratteristiche annuali, diurne e stagionali. Comprendere le variazioni di velocità del vento e la diffusione è necessario quando si sceglie un sito.
Turbulance- Questo è il movimento caotico del vento in schemi imprevedibili. La turbolenza è il risultato di proprietà in continua evoluzione del movimento del vento che influiscono sulla produzione di energia e sulla fatica delle pale.
Long term fluctuation- Il vento irregolare causa un approvvigionamento energetico imprevedibile. Prima di impostare una turbina eolica, l'area dovrebbe essere studiata per un flusso di vento costante.
Distribution of wind direction - Questo è più significativo nel posizionamento delle lame soprattutto per i tipi ad asse orizzontale.
Wind shear - Il taglio è la variazione della direzione del vento, della velocità o dell'altezza alla quale si verifica la velocità massima.

Modelli di velocità del vento

I modelli del vento sono importanti e vengono spesso analizzati utilizzando un file wind spectrum. Un valore elevato dello spettro del vento rappresenta un grande cambiamento nella velocità del vento in un dato intervallo di tempo. Se rappresentati su un grafico, i picchi rappresentano le turbolenze che si verificano nel tempo.

Distribuzione della velocità del vento

Ci sono tre distribuzioni:

Diurnal - Causato dalla differenza tra le temperature diurne e notturne.
Depressions - Si verificano con intervalli di quattro giorni lungo la regione costiera.
Annual - La distribuzione dipende dalla latitudine.

Per comprendere l'energia eolica, ci iscriviamo alla teoria della conservazione della massa e della conservazione dell'energia. Si presume che un condotto mostrato di seguito rappresenti il vento che scorre dentro e fuori le pale della turbina.

La velocità V _un si presume essere la media di V ₁ e V ₂ . L'energia cinetica all'imboccatura del tubo è data da:

KE = 1/2 mV ²

KE di energia modificata = 1/2 mV ₁ 2-1 _/² mV ₂²

1/2 m (V ₁² - V ₂² )

Poiché m = pAV _a allora KE cambia, Pk = 1/2 pAV _a (V ₁² - V ₂² )

Con un'ulteriore semplificazione, l'energia eolica stimata viene fornita come:

KE, pk = 0,5925 * 1 / 2pAV ₁³

Teoria dell'elemento lama

La teoria dell'elemento di pala presume che il flusso in una data parte di una pala di turbina eolica non influenzi le parti adiacenti. Questa suddivisione sulla lama è chiamata anello. Lo slancio è calcolato per ciascunoannulus. Tutti i valori risultanti vengono quindi sommati per rappresentare la pala e quindi l'intera elica.

Su ciascun anello si presume che sia stata indotta una velocità equamente distribuita.

Corrispondenza dinamica

Il modello di afflusso dinamico è stato incorporato per migliorare le stime dalla teoria Blade Element e Momentum. Il concetto di base della teoria del flusso dinamico aiuta a stimare l'effetto della turbolenza della pala. All'area spazzata viene assegnato uno stato dinamico per aiutare a ricavare la velocità media stimata.

La teoria BEM fornisce stime solo con vento costante, ma è ovvio che devono verificarsi turbolenze. Tuttavia, ciò è spiegato dal modello di afflusso dinamico di base per fornire una stima più realistica.

È noto che l'energia eolica prodotta, soprattutto nel tipo ad asse orizzontale, è il prodotto della velocità di punta, del numero totale di pale utilizzate e del rapporto portanza / resistenza del lato con profilo alare. Il riadattamento a un nuovo stato di equilibrio stazionario è ben spiegato dalDynamic Inflow Method (DIM).

Metodo di afflusso dinamico

DIM è anche noto come teoria della scia dinamica e si basa sul flusso indotto, che normalmente non è costante. Calcola l'afflusso verticale al rotore tenendo in considerazione il suo effetto sul flusso dinamico.

Questo prende semplicemente in considerazione l'effetto scia o semplicemente la velocità dell'aria allineata verticalmente ai rotori causata dalla rotazione delle pale. Tuttavia presuppone che la velocità tangenziale sia costante. Questo è indicato come ilWake effect e la sua resistenza riduce l'efficienza di una turbina eolica.

Generazione di elettricità

L'energia cinetica nel vento viene convertita in elettricità dalle turbine eoliche. Usano l'antico concetto utilizzato nei mulini a vento anche se con una tecnologia intrinseca, come i sensori, per rilevare la direzione del vento. Alcune turbine eoliche hanno un sistema di frenatura che si arresta in caso di vento forte per proteggere il rotore e le pale da eventuali danni.

Ci sono ingranaggi collegati all'albero del rotore per accelerare le pale a una velocità adatta al generatore. All'interno del generatore si verifica l'induzione elettromagnetica (il metodo base di conversione dall'energia meccanica all'elettricità). L'albero ruota un magnete cilindrico contro una bobina di filo elettrico.

Tutta l'elettricità delle turbine in una centrale eolica viene assimilata a un sistema di rete e convertita in alta tensione. Questa è in realtà la tecnica convenzionale di trasmissione dell'elettricità nel sistema di rete.

Sono necessarie lame a punta larga, anche se questo dovrebbe essere determinato dal rumore che risulta dalle lame larghe. Un parco eolico può avere fino a 100 generatori, il che si tradurrà in più rumore.

Esistono due ampie classificazioni delle turbine eoliche:

Turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT)
Turbine eoliche ad asse verticale (VAWT)

Discutiamo questi due tipi di turbine eoliche in un piccolo dettaglio.

Turbine eoliche ad asse orizzontale

Si tratta di turbine a vento con la parte superiore dell'albero rivolta verso la direzione del vento. Poiché devono essere puntate verso il vento, le turbine più piccole sono dirette da pale eoliche montate sulla struttura. Le turbine più grandi hanno sensori del vento con servo per girare le turbine.

Sono inoltre dotati di riduttori per accelerare la lenta rotazione per renderla abbastanza forte per le turbine del generatore. Le pale sono abbastanza rigide da evitare rotture o piegamenti dovuti al momento di rotazione del vento.

Questo tipo è montato su una torre; quindi sperimentano venti ad alta velocità. Sono leggermente piegati per ridurre l'area di spazzata. Un'area di spazzamento inferiore riduce la resistenza, che può causare affaticamento e cedimento.

Turbine eoliche ad asse verticale

La radice principale è montata sull'albero verticale. Ciò elimina le difficoltà associate alle turbine eoliche orizzontali. I sottotipi includono:

Turbina eolica Darius

Questa è anche conosciuta come la turbina per sbattere le uova e assomiglia a un enorme frullino per le uova. È efficiente ma può avere più tempi di inattività e quindi meno affidabile. Per migliorare la solidità (area delle pale sopra l'area del rotore) dovrebbero essere utilizzate tre o più lame.

Savonious Turbine Eoliche

Questi tipi hanno una maggiore affidabilità rispetto alle turbine Darius. Il problema è che non possono essere montati in cima alle torri. Pertanto, sono esposti a venti turbolenti e irregolari. Poiché sono turbine di tipo drag, sono meno efficienti rispetto alle HAWT. Il vantaggio è che sono in grado di resistere a turbolenze estreme.

La maggior parte dei VAWT non può avviarsi automaticamente e richiede energia esterna per dare loro una scossa. Per prestazioni ottimali, i VAWT devono essere montati sui tetti. Il tetto incanala il vento nelle pale.

Biomasssignifica organismi viventi e quelli che sono morti di recente. Non include quegli organismi che sono già convertiti in combustibili fossili. Nella generazione di energia, si riferisce agli impianti di scarico che vengono utilizzati per generare energia mediante combustione.

I metodi di conversione in biocarburante sono numerosi e in gran parte classificati come chemical, thermal e biochemical. Questa è la fonte di energia rinnovabile più antica e più diffusa. Ha una varietà di metodi di conversione.

Direct combustionera tradizionalmente praticato utilizzando combustibile di legno. Processi avanzati comepyrolysis(il processo di produzione del carbone), la fermentazione e la digestione anaerobica convertono queste fonti in forme più dense e facili da trasportare come olio ed etanolo. Il carbone è un prodotto del processo di pirolisi, che rinforza la materia bruciandola in assenza di ossigeno.

Bio-fuelè un termine che si riferisce al carburante derivato dalla biomassa. Come accennato in precedenza, la biomassa è qualsiasi materia organica sia viva che morta e varia dalle piante ai rifiuti organici. Nella maggior parte dei casi, la biomassa ricca di petrolio o zucchero è l'ideale per la produzione di energia.

Il termine bio-energysi riferisce all'energia ottenuta da organismi vivi o morti. Questo non include i combustibili fossili. Potremmo classificare i biocarburanti in base alle loro fonti o in base alla generazione.

Classificazione del biocarburante per fonte

Wood fuel- Derivato da alberi, cespugli o arbusti. Esempi di combustibile legnoso includono carbone di legna e legno.
Agro-fuels- Ottenuto dalla biomassa del prodotto agricolo come colture morte o da altre parti di piante come i cereali. Il carburante agricolo è principalmente derivato da coltivazioni di zucchero e olio.
Municipal by-products- Derivato dai rifiuti raccolti dalle principali città. Esistono due categorie di rifiuti urbani. Il biocarburante da rifiuti solidi deriva dalla combustione diretta di rifiuti solidi provenienti da industrie o istituzioni commerciali. Il biocarburante di scarto liquido / gassoso è ottenuto dalla fermentazione dei rifiuti raccolti.

Classificazione del biocarburante per generazione

First generation- Trasformato da zucchero olio vegetale e grassi animali pressati in olio per la combustione nei motori o fermentati e trasformati in etanolo per lo stesso scopo. I prodotti finali sono oli, biodiesel, alcol, syngas, biocarburante solido e biogas.
Second generation- Derivato dalla cellulosa e dai rifiuti (non alimentari). Questi rifiuti derivano da steli di colture e legno, bioidrogeno, bioalcol, dimetilformammide DMF, diesel di legno, alcool misto e bio-dimetil etere DME.
Third generation- Si trova nelle alghe, si ritiene che produca un alto rendimento energetico a basso costo. L'energia delle alghe è nota come oil-gae.

Il materiale organico viene convertito in una forma utilizzabile nota come bioenergia. I materiali utilizzati nel processo di produzione di energia sono definiti materie prime.

Per comprendere meglio la biomassa, esploreremo prima le varie fonti.

La produzione di biomassa si riferisce all'aumento della quantità di materia organica. È l'aggiunta di materia organica in una data area o popolazione. La biomassa è considerata energia rinnovabile perché viene reintegrata con la crescita di piante e animali.

Esistono due forme di produzione:

Primary productionsi riferisce alla generazione di energia dalle piante attraverso la fotosintesi. L'energia in eccesso generata viene immagazzinata e si somma alla biomassa totale nell'ecosistema. La produzione primaria potrebbe essere stimata dalla copertura forestale totale in un dato anno.
Secondary productionè l'assorbimento della materia organica come tessuti del corpo da parte degli organismi. Comprende l'ingestione da parte degli animali, cioè l'alimentazione, sia di altri animali che di piante. Coinvolge anche la decomposizione della materia organica da parte di microrganismi. La produzione secondaria potrebbe essere stimata come la carne totale prodotta all'anno.

Sebbene la biomassa possa essere misurata come massa di organismi viventi e morti in un dato ambiente, la produzione è più difficile da stimare. Può essere stimato solo come l'aumento del volume sebbene parte della biomassa aggiuntiva possa essere stata sostituita attraverso processi naturali.

Combustione diretta per il calore

La combustione diretta per il calore è il metodo più antico di conversione della biomassa in energia sin dalle prime civiltà. La conversione termochimica (combustione) potrebbe essere ottenuta in diversi modi utilizzando materie prime diverse.

Combustione autonoma

I generatori a biomassa utilizzano diesel derivato da oli vegetali per alimentare i generatori diesel. I generatori bruciano il diesel organico per produrre energia per produrre elettricità.

È noto che le centrali elettriche ed elettriche combinate cogenerano elettricità ed energia termica utile. Le industrie ceramiche utilizzano il calore per essiccare prodotti come le piastrelle di argilla.
Alcune centrali elettriche utilizzano la biomassa per riscaldare l'acqua e produrre vapore per la generazione di elettricità. La biomassa viene bruciata per produrre abbastanza calore da far bollire l'acqua.
Gli impianti municipali di rifiuti solidi bruciano rifiuti solidi per generare elettricità. Questo tipo è soggetto a critiche poiché i rifiuti solidi contengono principalmente gas tossici da plastica e fibre sintetiche.

Co-combustione di biomasse

Oltre alla combustione autonoma, la biomassa potrebbe essere miscelata con altri combustibili fossili e bruciata per generare energia. Questo si chiama co-combustione.

La biomassa potrebbe essere bruciata direttamente come carbone. Questa viene definita co-combustione diretta.
In altri casi, la biomassa viene prima trasformata in gas e poi convertita in syngas.
Il terzo caso è quando il combustibile fossile viene bruciato in una fornace diversa e l'energia prodotta viene quindi utilizzata per preriscaldare l'acqua in una centrale elettrica a vapore.

Tipi di combustione

I vari tipi di combustione sono:

Fixed bed combustion - Questo è un metodo in cui la biomassa solida viene prima tagliata in piccoli pezzi e poi bruciata su una superficie fissa piana.
Moving bed combustion- In questo metodo, una griglia è impostata per muoversi costantemente e in modo uniforme lasciando la cenere dietro. Il carburante brucia nei livelli di combustione.
Fluid-bed combustion- Il carburante viene fatto bollire ad alta pressione mescolato con sabbia. La sabbia serve a distribuire il calore in modo uniforme.
Burner combustion - In questo metodo, la polvere di legno e la polvere fine vengono poste in un bruciatore simile a quello del combustibile liquido.
Rotary furnace combustion- Un forno a forno viene utilizzato per bruciare materia organica con un alto contenuto di umidità. Tali rifiuti come residui di cibo o altri rifiuti umidi della fattoria vengono bruciati in questo modo.

Pirolisi

Pyrolysisè un'altra forma di trasformazione dei biocarburanti mediante combustione a temperature molto elevate senza ossigeno, che potrebbe causare una combustione completa. Ciò causa cambiamenti fisici e chimici irreversibili. L'assenza di processi di ossidazione o alogenazione si traduce in un biocarburante molto denso che potrebbe essere utilizzato nella combustione, co-combustione o convertito in gas.

Slow pyrolysissi verifica a circa 400oC. È il processo di produzione di carbone solido.
Fast pyrolysissi verifica tra 450 ° C e 600 ° C e produce gas organico, vapore di pirolisi e carbone. Il vapore viene trasformato mediante condensazione in forma liquida come bioolio. Questo deve essere fatto entro 1 secondo per prevenire ulteriori reazioni. Il liquido risultante è un liquido marrone scuro più denso della biomassa legnosa e ha lo stesso contenuto in termini di energia.

Il bio-olio ha una serie di vantaggi. È più facile da trasportare, bruciare e conservare. Molti tipi di materie prime possono essere elaborati attraverso la pirolisi per produrre bioolio.

Il diagramma riportato di seguito spiega il processo di conversione dell'energia in una forma utilizzabile dai biocarburanti attraverso la pirolisi.

Fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica è il processo che converte gli zuccheri in cellulosa. Il processo si traduce in etanolo e anidride carbonica come sottoprodotti. Questo processo è considerato anaerobico poiché avviene in assenza di ossigeno. Oltre alla cottura del pane e alla produzione di bevande alcoliche, questo processo produce carburante alcolico. La formula chimica per la fermentazione alcolica è data da:

$C_{6}H_{12}O_{6}+yeast\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$

La canna da zucchero è la principale materia prima per questo processo, specialmente in ambienti asciutti. I pezzetti di mais o zucchero sono usati nelle zone temperate.

Applicazione dei prodotti

I prodotti hanno le seguenti applicazioni:

Acetone è un prodotto utilizzato per la produzione di additivi alimentari, colle dissolventi, diluizione di vernici, sgrassanti e nei prodotti cosmetici.
Hydrogenè utilizzato come agente di raffreddamento nell'industria energetica. Viene anche utilizzato nelle celle a idrogeno per la produzione di energia.
Butanolfornisce un carburante migliore dell'etanolo. Viene anche utilizzato come ingrediente in vernici, prodotti cosmetici, resine, coloranti, estrazioni di polimeri e nella produzione di fibre sintetiche.
Ethanolè usato come carburante, componente della vernice e additivo negli antisettici. Viene anche utilizzato nelle bevande alcoliche.

Digestione anaerobica di biogas

Anaerobic digestionè il processo biologico mediante il quale la materia organica viene scomposta per produrre biogas in assenza di ossigeno. Microrganismi come batteri acidogenetici e acetogeni convertono la materia biodegradabile in biogas. Oltre ad essere una fonte di energia, è anche un metodo di deposizione dei rifiuti e una tecnica di conservazione ambientale.

L'equazione principale per questa conversione che produce anidride carbonica e metano è la seguente:

$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$

La procedura passo passo è spiegata di seguito:

Step 1- Ripartizione della materia organica in molecole considerevoli per la conversione. Questo processo è noto come idrolisi.
Step 2- Gli acidogeni agiscono sulla materia decomposta convertendola in acidi grassi volatili (VFA) insieme ad ammoniaca, CO2 e idrogeno solforato. Il processo è chiamato acidogenesi.
Step 3 - I VFA vengono ulteriormente scomposti in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno.
Step 4 - La fase finale è la combinazione delle emissioni di cui sopra per produrre metanolo, anidride carbonica e acqua.

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