ENERGIA RINNOVABILE L ENERGIA DEL FUTURO? Paolo Gambino, Università di Torino

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1 ENERGIA RINNOVABILE L ENERGIA DEL FUTURO? Paolo Gambino, Università di Torino

2 Consumatori di energia Ogni italiano consuma in media ca 100kWh al giorno cioè ca 4kW senza pause, 24h su 24, 365 giorni all anno... due asciugacapelli accesi al massimo tutto il tempo... per ognuno di noi

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4 Consumi pro-capite nel mondo Non consumiamo tutti nello stesso modo A livello globale il consumo medio di energia primaria per persona è di 2.5kW/p

5 Come consumiamo trasporti (auto: 1kWh/km, aereo: 0.4kWh/km/p) ca un terzo riscaldamento e condizionamento (>20kWh/p/giorno) cose: 1PC=1800kWh, 1auto=70000kWh acqua calda, cucina (doccia 1kWh, bagno 5kWh) illuminazione, elettrodomestici cibo

6 Il problema energetico 7x10 9 Popolazione 4.5x TOE = 1 Tonne Oil Equivalent GJ = MWh

7 Il problema energetico Al ritmo attuale le riserve note di petrolio/gas,carbone si esauriranno in alcune decine/centinaia di anni. La loro scarsità e prezzo crescente hanno causato e causeranno tensioni, guerre, povertà. Il consumo di risorse fossili sta alterando l equilibrio dell ecosistema (effetto serra) e gli effetti potrebbero essere devastanti La transizione a una economia sostenibile, oltre a essere un imperativo morale, è dettata da razionalità economica. E inevitabile e urgente.

8 Le fonti rinnovabili Le fonti di energia rinnovabile sfruttano un flusso naturale di energia (vento, sole, correnti di marea, calore geotermico, pioggia, biomassa) Flusso solare su Terra W Idealmente non alterano l ecosistema (non emettono gas, non usano risorse fossili) Sono soggette a fluttuazioni stagionali, giornaliere e stocastiche L efficienza di conversione del flusso di energia è soggetta a limiti fisici e tecnologici importanti, a seconda del tipo (es pannelli FV o termici)

9 Gli obiettivi di EU A 20% reduction in EU greenhouse gas emissions from 1990 levels; 2.Raising the share of EU energy consumption produced from renewable resources to 20%; 3.A 20% improvement in the EU's energy efficiency. Per l Italia gli obiettivi sono -13%,+17%, -15% consumi tutti a portata di mano (decreto burden sharing: quote per regione e per comune, penalizzazione in caso di mancati obiettivi)

10 Evoluzione recente FV: mezzo milione di impianti, 18GWp installati, ca 7% produzione 2013 (+17% su 2012)

11 Nel 2013 il solo FV ha prodotto quanto 2.8 reattori nucleari da 1GW In Germania 22.9% (2012) %

12 TWh/anno La produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in Italia è quasi raddoppiata in 5 anni

13 Le rinnovabili hanno già un importante effetto sulla dinamica dei prezzi Picco di domanda estate GW

14 Gli incentivi al PV sono ormai il passato

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16 legge di Swanson: prezzo diminuisce del 20% per ogni raddoppio di capacità produttiva

17 Tutto questo può coprire il nostro fabbisogno d energia? Per coprire completamente il solo fabbisogno elettrico attuale con i comuni pannelli FV servirebbe una superficie di ca 50km x 50km. Praticamente l intera Valle d Aosta. E quando non c è il sole? Probabilmente impraticabile, almeno nel medio periodo. Serve anche altro... Inoltre i consumi elettrici sono ca 1/4 dei consumi finali nazionali, e oltre la metà del resto sono termici. Trasporti sono oltre 1/3.

18 Efficienza energetica E senza dubbio la strada più semplice ed economica per ridurre consumi di combustibili fossili ed emissioni L intero settore trasporti che in Italia consuma il 22-23% dell energia primaria è basato su motori con efficienza media del 20%. Motori elettrici o ibridi consumano/emettono molto meno. Qualsiasi scenario futuro prevede l elettrificazione dei trasporti. La gran parte dei consumi elettrici dell industria alimenta motori elettrici di bassa efficienza. Ca il 20% dei consumi energetici italiani è per riscaldamento. Si stima che le case italiane siano in media in classe F o G.

19 Percentuale di case con pannelli termici

20 Efficienza LED 0.04% 2% 12% Rapporto energia utile/ energia impiegata η = 0 0 f(λ)j(λ)dλ J(λ)dλ f(λ) funzione di luminosità occhio umano

21 Riscaldamento del futuro Il solare termico giocherà un ruolo fondamentale, assieme a geotermia e riqualificazione degli edifici.

22 Energia dal Sole L effetto fotovoltaico in alcuni semiconduttori (Si ecc) permette di trasformare l energia dei fotoni solari in energia elettrica. I comuni moduli FV hanno un rendimento di ca 15% (fino a 20%). Piuttosto economici ma resa ancora bassa. La ricerca sul FV continua, ma il FV come lo conosciamo non è l unico modo per sfruttare l energia del Sole, ecco alcuni esempi

23 La ricerca sul fotovoltaico

24 Celle FV multigiunzione

25 Quadruple III-V bonded CPV cell hits 44.7% record conversion efficiency Sono celle che usano materiali costosi: la luce solare viene concentrata

26 1.5MW Mildura, Australia

27 Fotovoltaico a concentrazione (CPV) Hanno un rendimento molto competitivo già oggi 25% sull impianto operativo Costo hardware/wp comparabile a quello del PV, ma occupa meno suolo e il tracker aumenta la resa

28 Solare termico a concentrazione

29 Gemasolar (SPA) 20 MW, Record 36 giorni produzione elettrica senza interruzione, fino a 15 ore senza sole. Il calore prodotto viene in parte accumulato durante il giorno per essere usato di notte

30 Ivanpah (CA) 392MW specchi piani, acqua a 550 o C, costa ca 5000$/kW (da confrontare con $/kW del PV a fine 2012) 3 torri, 16km 2 di superficie, ca 9W/m 2 raffreddamento a aria, consuma pochissima acqua

31 Text PS10+PS20= specchi mobili di 120m 2

32 Prospettive CSP 2010 CSP oggi sconta la concorrenza del PV che ormai costa meno. Tuttavia ha due vantaggi: hybridization (gas come back-up) e storage che possono farne una risorsa importante

33 Eolico cina leader La potenza prodotta da una pala eolica è proporzionale al cubo della velocità del vento. Progressi tecnologici recenti permettono pale sempre più grandi e migliore sfruttamento di vento poco veloce, i costi sono in discesa. Oggi non richiedono incentivi solo in zone molto ventose.

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36 Off-shore EPT

37 Biomasse

38 I costi delle rinnovabili continuano a scendere!

39 Investimenti Incominciano ad avvicinarsi a quelli per la ricerca di idrocarburi

40 Progetto Desertec

41 Le tecnologie sono già disponibili, testate e sicure (solare a concentrazione, FV, eolico, linee di trasmissione ad alta tensione in corrente continua). Bassa stagionalità. Approccio olistico: sviluppo economico, rispetto dell ambiente, desalinizzazione, cooperazione internazionale. Una rete di impianti che potrebbe coprire il fabbisogno locale e coprire una quota consistente (15-20%?) del fabbisogno elettrico europeo, almeno 15W/m 2 Un quadrato di meno di 50km di lato può coprire il fabbisogno elettrico italiano.

42 Verso una strategia di lungo periodo E possibile basare tutta la nostra economia sulle rinnovabili senza rinunciare al nostro benessere? E possibile rinunciare del tutto (o quasi) alle risorse fossili? Roadmap 2050 è un progetto della commissione UE, supportato dal parlamento europeo. Delinea gli strumenti per tagliare le emissioni di CO 2 dell 80% rispetto al 1990 in modo economicamente sostenibile, senza contributi extra UE, e con sole tecnologie esistenti Analoghi progetti sono stati approvati in Germania (Energiewende) e Danimarca

43 Conclusioni La transizione energetica è cominciata. Gli obiettivi di medio periodo sono i) aumento delle rinnovabili ii) diminuzione dei consumi globali, a partire da quelli termici. Inizia una riconversione completa ma graduale dell economia Il problema energetico è un problema complesso: non ammette soluzioni semplici, nè soluzioni esclusive L Italia ha compiuto i primi passi. Occorre fare di più e porsi obiettivi ambiziosi, per guadagnare in sicurezza energetica e crescita economica. Secondo la IEA è ancora possibile fermare l aumento di temperatura media a 2 gradi, ma occorrono interventi immediati. Nel lungo periodo gli scenari di Europe 2050 delineano una società decarbonizzata basata su RES+elettrificazione+efficienza (+nucleare) ma rappresentano sfide formidabili (accumulo energia ecc).

44 Produzione elettrica PV

45 Evoluzione prevista EPIA EPIA=European Photovoltaic Industry Association

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47 A che punto siamo della transizione? Di cui 13.3% coperto da fonti rinnovabili nel 2011, non troppo lontano dagli obiettivi per il 2020 fissati per l Italia dalla UE nel 2010 (Europe 2020)

48 Fabbisogno italiano col Sole? La media di irraggiamento solare (irradiance) in Italia supera i 1500kWh/ m 2 /anno Abbiamo visto che il consumo di energia primaria italiano è ca 180Mtoe/ anno= kwh/anno Questo corrisponde all energia solare che raggiunge 1400 km 2 del territorio nazionale, ovvero un quadrato di soli 37.3 km di lato Se ci limitassimo ai soli consumi finali (ca 120Mtoe) basterebbero (30km) 2 L efficienza dei pannelli fotovoltaici (FV) sul mercato non supera 15%: servono (79km) 2?? Occorre però distinguere tra consumi elettrici (a oggi 26Mtoe corrispondenti a (37km) 2 di pannelli FV attuali), termici (45% del totale, o ca 55Mtoe, con ampio spazio di riduzione attraverso efficienza, e comunque recuperabili dal Sole con efficienza 40-60%), e trasporti (39Mtoe, anch essi riducibili drasticamente con elettrificazione).

49 Consumi totali con η el =13%, η term =40% senza infrastrutture Consumi elettrici attuali η=15% Consumi totali η=100% NON è un piano energetico! è solo un entativo di comprendere gli ordini di grandezza in gioco. A parte aspetti tecnici (es variabilità) occorre valutare aspetti economici, ambientali, sociali