Energie rinnovabili

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“Ne sai già abbastanza. Io pure. Le conoscenze non ci mancano. Ciò che manca è il coraggio di comprendere quello che sappiamo e di trarne le conclusioni”. (Sven Lindqvist)

 Introduzione

“L’energia ottenuta da flussi continui o ripetitivi e che si rigenera almeno alla stessa velocità con cui si utilizza” [1] si può definire energia rinnovabile. In pratica, si possono considerare energie rinnovabili quelle forme di energia generate da fonti “inesauribili” (quelle le cui riserve certamente oltrepassano gli orizzonti temporali della nostra civiltà) e il cui utilizzo non pregiudica, di conseguenza, le risorse naturali per le generazioni future.

Prima della rivoluzione industriale le energie rinnovabili erano le uniche forme energetiche usate dall'uomo.

Nel corso degli ultimi 150 anni è diventata preponderante, invece, la dipendenza dai combustibili fossili come carbone, petrolio e gas naturale (v. figura seguente) [2].

Queste risorse sono, però, esauribili, in quanto la loro disponibilità in natura è limitata nel tempo (v. figura seguente) [2].

Inoltre la combustione dei combustibili fossili rilascia nell'atmosfera diossido di carbonio (CO2), che è uno dei maggiori responsabili del riscaldamento globale della Terra (v. figura seguente) [2].

In Italia, il D.Lgs n. 28/2011 [3], che applica le definizioni della direttiva 2003/54/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 26 Giugno 2003, definisce «energia da fonti rinnovabili» quella energia che proviene da fonti rinnovabili non fossili, ossia l’energia:

  • eolica;
  • solare;
  • idraulica;
  • geotermica(energia immagazzinata sotto forma di calore nella crosta terrestre);
  • aerotermica (energia accumulata nell'aria ambiente sotto forma di calore);
  • idrotermica (energia immagazzinata nelle acque superficiali sotto forma di calore);
  • oceanica;
  • da biomassa;
  • da gas di discarica;
  • da gas residuati dai processi di depurazione;
  • da biogas.

Di seguito vengono elencate le principali tipologie di Fonti Energetiche Rinnovabili (FER).

  • L’energia eolica è generata dallo spostamento delle masse d’aria causato dalle differenze di pressione e densità dovute al disuniforme riscaldamento solare della terra. Attraverso dei generatori eolici meccanici dotati di pale od eliche, ad asse verticale od orizzontale (v. figure seguenti) è possibile sfruttare tali spostamenti dell’aria per produrre energia elettrica.

Generatore eolica ad asse orizzontale [4]

Generatori eolici ad asse verticale [5]

Generatori eolici ad asse orizzontale e verticale [6]

I siti ideali per l'ubicazione dei generatori eolici sono le isole o le aree costiere, dove sia presente un vento prevalentemente costante. Negli ultimi anni la ricerca di nuove soluzioni e la maturazione della tecnologia hanno dato un forte impulso allo sviluppo della generazione eolica che rappresenta oggi il mercato più dinamico tra quello delle fonti rinnovabili. I principali limiti percepiti sono il costo, la discontinuità della produzione e l’impatto paesaggistico-ambientale.

  • L’energia solare proviene dall’energia elettromagnetica irraggiata dalle reazioni nucleari del sole. La quantità totale di energia solare che arriva sulla terra in un anno supera di molto il consumo totale di energia di tutta della terra. L'energia solare può essere utilizzata sia per la produzione termica di acqua calda sia per la produzione diretta di elettricità. Nel caso di produzione di energia termica i raggi solari sono trasformati direttamente in calore per acqua calda sanitaria o per l’integrazione dell’impianto di riscaldamento delle abitazioni. Nel caso di produzione di energia elettrica, l'irradiazione solare è convertita tramite l'effetto fotoelettrico impiegando delle celle composte da materiali semiconduttori in grado di far circolare una corrente elettrica continua quando vengono colpiti da fotoni [7].

Effetto fotovoltaico [7]

  • L’energia idraulica sfrutta il salto di quota di una quantità di acqua (energia potenziale) per mettere in movimento una turbina idraulica meccanica (trasformazione in energia cinetica) che a sua volta può essere accoppiata ad un generatore elettrico (trasformazione in energia elettrica) (v. figura seguente) [8].

Principio di funzionamento di una turbina idroelettrica [8]

A seconda del salto e del flusso di acqua disponibile si impiegano turbine idroelettriche differenti. Tra le principali si ricordano le turbine Pelton (per salti elevati), le turbine Francis (per salti medi) e le turbine Kaplan (per bassi salti) (v. figura seguente) [9].

Campi di funzionamento delle diverse tecnologie di turbine idrauliche [9]

Lo sfruttamento della risorsa idroelettrica può avvenire tramite bacino idroelettrico (dighe) quindi con la possibilità di accumulo e regolazione oppure ad acqua fluente, senza possibilità di accumulo e regolazione

  • L’energia geotermica si ottiene dal calore presente nell'interno della Terraderivante dalle differenze di temperatura con gli strati più profondi. Sono state identificate due modalità di sfruttamento diverse dell’energia geotermica:
    • direttamente dell'acqua calda juvenile (acqua minerale che sale dall’interno della Terra) e del vapore nelle aree di attività vulcanica e tettonica;
    • praticando dei fori nelle rocce calde e iniettando dell'acqua per creare vapore che può quindi essere utilizzato per generare elettricità, n alcune zone del mondo dove i giacimenti di rocce calde, aride, intrusive e ignee sono situati vicino alla superficie.

Oltre a recuperare l’utilizzo dei vapori acquei per la produzione di energia elettrica (attraverso apposite turbine), l’energia geotermica viene sfruttata anche per il riscaldamento delle abitazioni, le coltivazioni in serra ed il termalismo.

L’energia geotermica viene considerata una forma di energia rinnovabile nonostante la rigenerazione dei pozzi geotermici richieda un lungo periodo di tempo.

Schema di funzionamento di una centrale geotermica [10]

  • L’energia oceanica è prodotta dall'oscillazione delle onde o dalle correnti marine profonde. Esistono diverse tecnologie in gradi di sfruttare questa energia e sono principalmente di tipo fluidodinamico, ossia sfruttano il movimento dell’acqua per ricavarne energia meccanica e trasformarla poi in energia elettrica:
    • impianti da energia fluidodinamica delle correnti marine;
    • impianti da energia fluidodinamica mareomotrice (o delle maree);
    • impianti da energia fluidodinamica del moto ondoso.

Esempi di tecnologie per lo sfruttamento dell’energia oceanica [11]

  • Per energia da biomassasi considera l’energia recuperata da rifiuti di natura organica tramite combustione. La quantità di energia recuperata dipende principalmente dal potere calorifico dei materiali organici che vengono bruciati, e secondariamente dall'efficienza dell'impianto di combustione. La biomassa è la quarta fonte energetica del pianeta ed è il principale combustibile utilizzato da tre quarti della popolazione mondiale.

L'energia prodotta dalla biomassa può essere sfruttata in vari modi. Il più evidente consiste nell'utilizzare il calore prodotto dalla sua combustione sia direttamente, sia producendo vapore per generare elettricità. La biomassa può produrre energia in un'unità di cogenerazione (produzione combinata di calore e di elettricità) ed il calore "residuo" può essere immesso in una rete di teleriscaldamento o in un processo industriale. È inoltre possibile ottenere energia dalla biomassa tramite gassificazione e la produzione di combustibili liquidi.

Con il termine biomassa si indica la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.

La biomassa utilizzabile a scopo energetico comprende:

  •  
    • gli scarti del legno (silvicoltura, segherie, edilizia/industria);
    • il legno delle essenze a crescita rapida (salice, pioppo); 
    • i rifiuti agricoli (paglia, concimi);
    • gli scarti delle colture saccarifere (barbabietole, canne da zucchero), cerealicole (grano, granoturco), non lignee (miscanthus) e oleaginose (colza, girasole);
    • i rifiuti urbani solidi;
    • i rifiuti domestici e gli effluenti industriali (in particolare del settore agroalimentare).

Molti sono gli aspetti positivi derivati dall’utilizzo delle biomasse, in particolare: l’energia può essere stoccata sotto forma di materiale vegetale e la conversione avviene con processi che possono essere costanti.

Schema di impianto a biomassa [12]

Le Fonti Energetiche Rinnovabili (FER)

L’interesse per le energie rinnovabili è emerso negli anni ’70, a seguito della prima grande crisi petrolifera mondiale del 1973. Nel 1974 veniva pubblicato il rapporto “A Time to Choose” (Il momento di scegliere, di David Freeman) commissionatodalla Ford Foundation, che indirizzava l’attenzione sulle opportunità date dall’utilizzo delle energie rinnovabili e sui possibili risparmi energetici grazie alle nuove tecnologie produttive. Non si parlava ancora di cambiamenti climatici, mentre le questioni principali erano legate all'inquinamento atmosferico ed al superamento di rischi economici e politici determinati dalla dipendenza verso le importazioni di energia. I vertici politici nazionali americani appoggiavano ed incentivavano la produzione e l’utilizzo delle cosiddette “energie verdi”.

Tuttavia, la reazione negativa dell’industria energetica americana è stata immediata, con la presentazione di un rapporto in cui si cercava di screditare il vantaggio di applicare le energie rinnovabili. Ogni metodo veniva impiegato per ostacolarne la diffusione, incluso l’acquisto sistematico di piccole imprese che venivano dismesse e chiuse. La politica del Presidente Ronald Reagan, sommato al crollo dei prezzi del petrolio del 1985, hanno fatto cessare l’attenzione sul tema delle rinnovabili. Soltanto dopo la metà degli anni ’90, a seguito alla stesura del protocollo di Kyoto sull’intensificazione dell’effetto serra con il conseguente aumento della temperatura terrestre, si è tornati a parlare di efficienza energetica e fonti rinnovabili.

Il protocollo di Kyoto

Nel 1992, alla Conferenza delle Nazioni Unite sull’Ambiente e lo Sviluppo, tenutasi a Rio de Janeiro, viene adottata la Convenzione delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici(United Nations Framework Convention on Climate Change - UNFCCC) con la quale si iniziano a definire delle strategie di mitigazione delle emissioni per contrastare il cambiamento climatico, puntando sull’efficienza energetica e sulle energie rinnovabili. Tale convenzione (nota anche come Accordi di Rio) è un trattatoambientale internazionale senza limiti obbligatori per le emissioni di gas serra alle singole nazioni e quindi legalmente non vincolante. Esso però includeva la possibilità che le parti firmatarie adottassero, in apposite conferenze, degli atti ulteriori (denominati "protocolli") che avrebbero posto i limiti obbligatori di emissioni. Il principale è il protocollo di Kyoto(diventato molto più noto della stessa UNFCCC) redatto in occasione della terza Conferenza delle Parti, realizzata a Kyoto in Giappone l’11 dicembre 1997.

Il protocollo di Kyotoprevedeva, per il periodo 2008-2012, una riduzione equivalente ad almeno il 5% rispetto ai livelli del 1990. L’estensione è stata prolungata di otto anni e quindi fino al 2020 a seguito dell’accordo di Doha.

I gas climalteranti (GHG - GreenHouse Gases) oggetto degli obiettivi di riduzione sono:

  • CO2(anidride carbonica), prodotta dall'impiego dei combustibili fossili in tutte le attività energetiche e industriali oltre che nei trasporti;
  • CH4(metano), prodotto dalle discariche dei rifiuti, dagli allevamenti zootecnici e dalle coltivazioni di riso;
  • N2O (protossido di azoto), prodotto nel settore agricolo e nelle industrie chimiche;
  • HFC (idrofluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere;
  • PFC (perfluorocarburi), impiegati nelle industrie chimiche e manifatturiere;
  • SF6(esafluoruro di zolfo), impiegato nelle industrie chimiche e manifatturiere.

Il protocollo è entrato in vigore il 16 febbraio 2005 (con la ratifica della Russia), perché era condizionato dal superamento della quota del 55% delle emissioni totali dei paesi aderenti. Amaggio 2013 gli Stati che ne avevano preso parte erano 192.

Le azioni dell’Unione Europea

Lo stesso anno del Protocollo di Kyoto (1997), la Commissione europea pubblica il Libro Bianco “Energie per il Futuro: le fonti energetiche rinnovabili” (FER) con il quale poneva l’obiettivo di raggiungere, entro il 2010, un tasso di penetrazione delle fonti rinnovabili del 12%.

Nel settembre 2001, il Parlamento europeo approva la “Direttiva 2001/77/CE” il cui obiettivo è “promuovere un maggior contributo delle fonti energetiche rinnovabili alla produzione di elettricità”. Tra i vari obiettivi, la Direttiva indicava agli Stati membri di far coincidere i propri obiettivi nazionali con quelli complessivi globali della Comunità previsti per il 2010. Qualora gli obiettivi indicativi nazionali fossero stati incompatibili con l'obiettivo globale fissato, la Commissione aveva la possibilità di proporre, nella forma adeguata, obiettivi nazionali, compresi eventuali obiettivi vincolanti.

Negli anni seguenti, la Comunità Europea, attraverso la pubblicazione di una serie di Libri verdi e di Direttive sulle tematiche energetiche, ha cercato di delineare una strategia trasversale di promozione delle energie rinnovabili. 

Nel 2006, la Commissione adotta il “Piano d'azione per l'efficienza energetica: concretizzare le potenzialità" (COM 545 del 19/10/2006), il cui obiettivo è contenere e ridurre la domanda di energia. In particolare, il Piano mirava ad agire sul consumo e sull’approvvigionamento per ridurre del 20%, entro il 2020, l’energia primaria annua (rispetto alle proiezioni sul consumo energetico per il 2020) con una riduzione delle emissioni di 780 Mt di CO2rispetto allo scenario di base, ovvero più del doppio della riduzione necessaria alla UE per conseguire entro il 2012 gli obiettivi fissati dal protocollo di Kyoto.

Stime sul potenziale globale di risparmio energetico nei settori di uso finale [12]

Settore

Consumo energetico 2005

[Mtep]

Consumo al 2020 (senza interventi)

[Mtep]

Risparmio potenziale

[Mtep]

Risparmio potenziale

[%]

Edifici residenziali 280 338 91 27 %
Edifici commerciali 157 211 63 30 %
Trasporti 332 405 105 26 %
Industria manufatturiera 297 382 95 25 %

In sintesi, gli obiettivi del Piano (chiamato anche 20-20-20) erano di:

  • ridurre le emissioni di CO2del 20%;
  • aumentare l’efficienza in campo energetico del 20%;
  • portare la produzione di energie rinnovabili al 20%

entro il 2020.

Stato di fatto

I Paesi europei consumano meno energia rispetto a 10 anni fa, soprattutto grazie ad una maggiore efficienza energetica negli usi finali.

L’Europa fa minore affidamento sui combustibili fossili grazie al risparmio energetico e ad un’adozione delle energie rinnovabili, più rapida del previsto. Nel decennio 2005 2015, la percentuale di rinnovabili rispetto al consumo energetico dell’UE è quasi raddoppiata, passando dal 9 % a quasi il 17 %. Tuttavia, nonostante il declino della loro quota del mercato, i combustibili fossili sono sempre la fonte energetica prevalente in Europa.

Nel maggio 2016 il Portogallo ha soddisfatto il proprio fabbisogno energetico interamente grazie alle fonti rinnovabili per quattro giorni consecutivi(precisamente per 107 ore). Risultati come questo stanno diventando sempre più frequenti in tutta l’UE: vi sono giorni in cui la Danimarca riesce a generare oltre il 100 %del proprio fabbisogno energetico grazie alla sola energia eolica, con scorte sufficienti per alimentare parti della Germania e della Svezia.

Il progressivo abbandono dei combustibili fossili è particolarmente marcato in molti settori: la diminuzione più consistente tra il 1990 e il 2015 è stata riscontrata nella generazione di energia elettrica dal carbone e dalla lignite, che è stata sostituita in primo luogo dalla produzione di energia elettrica dal gas naturale negli anni ’90 e fino al 2010, perlopiù a causa del calo dei prezzi del gas. In tempi più recenti, però, il gas naturale ha perso terreno a causa di una combinazione di fattori, tra cui si annoverano la rapida adozione della generazione di energia da fonti rinnovabili e la recessione economica del 2008, con la conseguente riduzione del fabbisogno complessivo di energia elettrica. 

Nel 2015 l’energia nucleare ha prodotto il 26,5 % dell’elettricità nell’UE e resta una delle maggiori fonti produttrici dopo i combustibili fossili e le rinnovabili. Diversi paesi dell’UE intendono procedere con lo smantellamento delle centrali nucleari dopo l’incidente di Fukushima nel 2011; da allora, in alcuni paesi i costi di produzione dell’energia nucleare sono aumentati per via degli investimenti supplementari nelle misure di manutenzione e di sicurezza che rendono l’energia elettrica proveniente dalle fonti nucleari più cara e, di conseguenza, meno competitiva rispetto a quella ricavata da altre fonti.

In tutti gli Stati membri dell’UE il consumo delle rinnovabili è in aumentodal 2005. La Svezia è di gran lunga il paese che vanta la percentuale più alta: nel 2015 il 53,9 % del suo consumo finale lordo di energia proveniva da fonti rinnovabili; seconda è la Finlandia, seguita da Lettonia, Austria e Danimarca. Di fatto, 11 Stati membri hanno già raggiunto o superato il proprio obiettivo del 2020, fissato dalla direttiva dell’UE sull’energia da fonti rinnovabili.

Le fonti di energia rinnovabile variano considerevolmente da uno Stato membro dell’UE all’altro: per esempio, l’Estonia ricorre quasi interamente alla biomassa solida, mentre in Irlanda più della metà della produzione di energia primaria rinnovabile proviene dall’energia eolica ed in Grecia il consumo di energia rinnovabile fa leva su una più vasta gamma di fonti, biomassa compresa, seguita dalle fonti idroelettriche, eoliche e solari.

Combustibili fossili evitati (Mtep), anno 2016 (Totale EU: 322,2 Mtep)[15]

Percentuale di energia elettrica prodotta da fonte rinnovabile, anno 2016 [14]

Percentuale di energia rinnovabile nel consumo finale lordo di energia, anno 2017
(Totale EU: 17,5 %)[14]

Energia elettrica prodotta da fonte fotovoltaica (GWh), anno 2017
(Totale EU: 113.924 GWh) [14]

Energia elettrica prodotta da fonte idroelettrica (GWh), anno 2016
(Totale EU: 380.184GWh) [14]

In Italia, nel 2018, è stato pubblicato in Gazzetta Ufficiale il decreto del ministero dello Sviluppo economico (adottato di concerto con i dicasteri dell’Ambiente e dell’Economia) riguardante il Piano d’azione nazionale per l’efficienza energetica – PAEE 2017”.Il documento scaturisce da alcune direttive europee che impongo a tutti gli Stati membri di presentare alla Commissione europea un programma di azione (il primo era entro il 30 aprile 2014 e successivamente ogni tre anni) con le misure nazionali per il miglioramento dell’efficienza energetica, i risparmi di energia attesi e/o conseguiti e le stime sul consumo generale di energia primaria previsto nel 2020.

Per l’orizzonte temporale 2005-2016 (già oggetto di previsione nel PAEE 2011) il risparmio complessivo di energia finale ammonta al 2016 a circa 11,6 Mtep/anno: l’obiettivo previsto è stato quindi superato di 0,7 Mtep/anno, grazie in particolare al contributo apportato dai settori industria e residenziale. In sostanza, secondo quanto si legge nel Piano, “i risultati ottenuti sono sostanzialmente in linea rispetto al trend di risparmi previsti per il raggiungimento dell’obiettivo al 2020”.

In termini di energia finale, il risparmio complessivo al 2016 è pari a poco più di 6,4 Mtep/anno, equivalenti a oltre il 40% dell’obiettivo finale. Per quel che riguarda i diversi settori, il residenziale ha già̀ raggiunto l’84% dell’obiettivo atteso al 2020; meno performanti, invece, i settori terziario e trasporti.

Rispetto all’obiettivo previsto per il periodo 2011-2020 (contenuto nel PAEE 2014 e coerente con la Strategia energetica nazionale del 2013), i risparmi energetici conseguiti al 2016 sono stati pari a circa 7,4 Mtep/anno, che equivalgono a circa il 37% dell’obiettivo al 2020.

Riferimenti bibliografici

[1] Twidell, J.W. and Weir, A.D. (1986) Renewable Energy Resources. E. and F. N. Spon Ltd., London and New York.

[2] https://ourworldindata.org

[3] Decreto Legislativo 3 marzo 2011, n. 28 Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE.

[4] https://anteritalia.org

[5] https://www.qualenergia.it

[6] http://www.consulente-energia.com

[7] https://semplicementescienza.wordpress.com

[8] http://www.electricalmastar.com

[9] http://blog.hpp-design.com

[10] https://www.albanesi.it

[11] http://www.scienzaverde.it

[12] http://www.cleanenergies.it

[13] Commissione europea, UE-25 scenario di base e Wuppertal Institute 2005

[14] Eurostat

[15] EurObserv'ER

Scheda realizzata dal professore e ingegnere Maurizio Fauri dell'Università degli studi di Trento

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Video

Legambiente: Rapporto Comuni Rinnovabili 2009