Le fonti di energie rinnovabili:

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1 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive Le fonti di energie rinnovabili: prospettive L'energia idroelettrica è una fonte rinnovabile già ampiamente sfruttata. La legna da ardere, anch'essa rinnovabile, è ancora il combustibile più diffuso in molti Paesi poveri. Lo sfruttamento di altre energie rinnovabili, nel mercato mondiale dell'energia, oggi copre una frazione minima ma destinata a crescere. Esse sono principalmente: l'energia idroelettrica, l'energia solare termica e fotovoltaica, il vento, le biomasse e i rifiuti solidi organici. Al termine della Seconda guerra mondiale i mezzi e le ricchezze furono impiegati per la ricostruzione delle città (palazzi, fabbriche, uffici ecc.) e, in seguito, per creare un nuovo modello di sviluppo consumistico, cioè un nuovo modo di vivere, basato sull'acquisto, il possesso e il consumo continuo di beni materiali. Le esigenze energetiche diventarono enormi, di dimensioni mai conosciute nella storia. L'energia, nel ventesimo secolo, significa essenzialmente fonti fossili, una risorsa non rinnovabile. In seguito alla crisi petrolifera degli anni settanta, il mondo occidentale ha reagito rapidamente alla nuova situazione adottando contromisure che hanno permesso, nel 1986, di riportare i prezzi del petrolio allo stesso livello in cui si trovavano nel 1973, attraverso: il risparmio energetico, e quindi la riduzione della domanda di energia; l'incremento delle importazioni da paesi produttori esterni all'opec; la valorizzazione di giacimenti prima non utilizzati, perché non convenienti economicamente (Mare del Nord, Alaska); la ricerca di fonti diverse dal petrolio (si ha un ritorno 47

2 Alla scoperta dell energia Protocollo di Kyoto: Firmato nel dicembre del 1997, il protocollo di Kyoto indica gli obiettivi internazionali per la riduzione di sei gas cosiddetti ad effetto serra, ritenuti responsabili del riscaldamento globale del pianeta che potrebbe portare a gravissime modifiche del clima. L'obiettivo fissato è una riduzione media del 5,2 per cento dei livelli di emissione del 1990, nel periodo Per alcuni Paesi è prevista una riduzione maggiore (8 per cento l'unione europea, 7 per cento gli Stati Uniti, 6 per cento il Giappone). Per altri Paesi, considerati in via di sviluppo, sono stati fissati obiettivi minori. Per la Russia e l'ucraina, ad esempio, l'obiettivo da raggiungere è la stabilizzazione sui livelli del Gli Stati Uniti attualmente si rifiutano di ratificare l'accordo. all'uso del carbone, lo sviluppo delle centrali nucleari e, più marginalmente, l'uso delle fonti di energia rinnovabili). Il settore delle energie rinnovabili sta conoscendo in quasi tutti i Paesi tecnologicamente più avanzati uno sviluppo intenso in tutti i settori e, soprattutto, in quelli eolico e fotovoltaico. In Italia, nonostante qualche eccezione, si registra un forte ritardo nella produzione di fonti alternative di energia ed una scarsa commercializzazione delle tecnologie ad esse legate. Tuttavia, negli anni più recenti sono state prese decisioni che potrebbero cambiare questa situazione, ad esempio i recenti impegni presi dal nostro paese con la sottoscrizione del Protocollo di Kyoto. Il ciclo dell'energia solare Quasi tutta l'energia che usiamo ci viene, direttamente o indirettamente, dal Sole. I raggi del Sole illuminano e riscaldano la superficie esposta della Terra, innescando il ciclo di evaporazione e ricaduta dell'acqua, permettendo così la vita sul nostro pianeta: fanno crescere la vegetazione (legna da ardere, alimenti per l'uomo e gli animali), scaldano l'aria e provocano i venti. Ogni ciclo vitale sul nostro pianeta è legato all'energia che ci viene dal Sole. All'energia assorbita dal Sole si devono anche i combustibili fossili: carbone, petrolio e gas naturale, infatti, non sono altro che energia solare assorbita centinaia di milioni di anni fa e immagazzinata nelle viscere della Terra. Dato il lungo periodo necessario alla loro formazione, questi ultimi rappresentano oggi forme di energia non rinnovabile, al 48

3 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive contrario di altre fonti, come quella idroelettrica e del vento, che sono invece rinnovabili. L'energia del Sole può essere utilizzata anche direttamente, tramite i pannelli solari termici e fotovoltaici. Temperatura del pianeta Terra Una parte dello strato di gas che circonda la Terra (atmosfera) funziona da filtro dei raggi solari - che quindi non diventano dannosi per l'uomo (radiazione u.v.) - e da coperchio, in particolare le nubi, l'anidride carbonica, il metano, capaci di trattenere parte del calore che gli stessi raggi trasportano (radiazione i.r.). Si calcola che se non ci fosse l'atmosfera la Terra avrebbe una temperatura media di meno 20 gradi centigradi! Grazie alla presenza dell'atmosfera invece, la Terra ha una temperatura media di +17 gradi centigradi. Il nostro ecosistema è mantenuto a questa temperatura media principalmente dai raggi che la stessa Terra riemette e che l'atmosfera trattiene. E' esperienza comune che se il cielo notturno è limpido le mattine sono più fredde di quando il cielo è coperto. Questo è l'effetto serra. (vedi anche pag. 72) Energia solare termica Radiazione u.v: radiazione ultravioletta. Radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda molto piccola. I raggi UV sono convenzionalmente classificati in tre bande: gli UV-A e UV-B (responsabili dell'abbronzatura) possono causare irritazione cutanea (eritemi) ed infiammazione oculare (congiuntivite) in caso di esposizione prolungata non protetta; e gli UV-C, i più energetici e dannosi, che fortunatamente non giungono sulla Terra. A circa 20 km di altezza nell'atmosfera, infatti, essi vengono filtrati dall'ossigeno dando origine all'ozono. Radiazione i.r.: radiazione infrarossa. Invisibile all'occhio umano, può essere rilevata come una sensazione di tepore sulla pelle. Generalmente la radiazione IR trova innumerevoli campi di applicazione: comunicazioni senza filo (ad es. nei computer portatili), rilevatori di movimento e sensori antincendio. L'energia che ci viene dal Sole può essere facilmente convertita in calore (energia termica). I floricoltori e gli agricoltori da tempo sfruttano il fenomeno nelle serre. Si possono così riscaldare gli ambienti e l'acqua per usi domestici e sanitari. Questo si ottiene con i pannelli solari termici, con i quali l'acqua può essere riscaldata fino a C. Il rendimento dei pannelli solari è aumentato negli ultimi decenni, rendendo commercialmente competitive varie applicazioni nell'edilizia, nel settore dei servizi e nell'agricoltura. 49

4 Alla scoperta dell energia Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari. In Italia l'applicazione dei pannelli solari è ancora poco diffusa, anche se in crescita. In ogni caso, va ricordato che questa fonte di energia rinnovabile, così come il solare fotovoltaico, copre tuttora in misura minima i consumi globali. Pannelli solari Per convertire il più possibile in calore l'energia solare, i pannelli devono essere scuri. Il pannello (o collettore) solare è composto da una superficie piana contenente un fluido che assorbe buona parte dell'energia solare. Il fluido trasferisce il calore all'acqua contenuta in un serbatoio isolato termicamente. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza, che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore, tra 30% e 80%. I sistemi solari per scaldare l'acqua sono, in genere, utilizzati per gli usi domestici di singole famiglie. Si tratta di impianti di 4-6 m 2, con serbatoio di litri, che consentono di produrre acqua calda a temperature non elevate (55-65 C), tuttavia adatte agli usi di cucina, bagni, riscaldamento. Le tecnologie ad alta temperatura (che consentono di arrivare a temperature dell'ordine di gradi centigradi) richiedono sistemi di specchi per concentrare i raggi del sole sul contenitore del fluido. 50

5 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive Storia e prospettive del solare termico La radiazione solare è stata sfruttata dall'uomo fin dall'origine dei tempi per riscaldare l'ambiente e nell'agricoltura. Il primo stadio nei processi di utilizzazione è costituito dalla raccolta, che oggi avviene in tre modi: collettori termici, collettori fotovoltaici, collettori biologici. Il primo pannello solare per scaldare l'acqua fu costruito nel diciottesimo secolo da uno scienziato svizzero. Si trattava di una semplice scatola di legno con un vetro nella parte esposta al sole e la base di colore nero, capace di assorbire la radiazione solare e di intrappolarla nella scatola stessa grazie a un locale "effetto serra" e alla scarsa dispersione, dovuta alle caratteristiche termiche isolanti del legno. Il pannello consentiva di raggiungere temperature di circa 87 ºC. Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui 3 milioni nell'unione Europea. Il solare termico in Italia In Italia, le prime tracce di interesse per questo settore risalgono ai primi anni '60. I primi modelli di scaldacqua solari commerciali a bassa temperatura iniziarono a diffondersi intorno al In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può essere ancora molto potenziata. Nel 2000 sono stati installati circa m 2, molto pochi anche rispetto a paesi più freddi (per esempio l'austria o la Germania), più sensibili a questioni economico ambientali relative a questo settore. Il parco del solare termico in Italia è oggi di m 2, l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine. L'esperienza italiana di maggior rilievo nel solare termico a media temperatura è stata realizzata agli inizi degli anni ottanta con la costruzione di una grande centrale ad Adrano, in provincia di Catania. L'impianto, chiamato Eurelios, è costituito da una torre centrale alla sommità della quale è posta la caldaia riscaldata dalla radiazione riflessa da un campo di specchi. La centrale ha la potenza di 1MW. 51

6 Alla scoperta dell energia Effetto fotovoltaico: Si basa sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente trattati (fra cui il silicio) di generare direttamente energia elettrica quando vengono colpiti dalla luce (radiazione elettromagnetica). Energia solare fotovoltaica Nell'aprile del 1954 fu annunciata alla stampa la scoperta da parte dei Laboratori della Bell (Stati Uniti) della prima cella fotovoltaica al silicio, che segnava la tappa decisiva nello sviluppo della tecnologia per convertire direttamente l'energia solare in energia elettrica. Questo avviene sfruttando l'effetto fotovoltaico e i dispositivi si chiamano appunto celle fotovoltaiche. Il rendimento è dell'ordine del 10%, ossia circa un decimo dell'energia luminosa incidente è convertita in energia elettrica. La grossa spinta allo sfruttamento dell'energia solare venne dall'industria aerospaziale, con l'inizio della corsa allo spazio verso la fine degli anni cinquanta e la messa in orbita dei primi satelliti. La necessità di alimentare i circuiti elettrici dei satelliti ha dato un notevole impulso allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica. I sistemi fotovoltaici offrono vantaggi ambientali, in quanto non producono emissioni chimiche, termiche o acustiche. Essi, inoltre, non hanno parti in movimento e sono, quindi, affidabili e necessitano di poca manutenzione. Moduli fotovoltaici Il dispositivo più elementare capace di operare tale conversione è la cella fotovoltaica. Molte celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Un modulo fotovoltaico tipo è costituito da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni standard ottimali, circa 50W, ossia l'energia sufficiente a far funzionare due lampadine da 25W. Oggi stanno uscendo sul mercato anche moduli fotovoltaici che non sono fatti assemblando celle, ma vengono realizzati direttamente a partire da una lastra di vetro su cui vengono depositate pellicole sottili (films) di materiale semiconduttore. Si ritiene che questi nuovi dispositivi fotovoltaici porteranno ad una diminuzione 52

7 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive sostanziale dei costi di produzione. Uno dei limiti dell'energia solare sta nel fatto che è fornita, in ogni area della Terra, in modo intermittente; per il suo sfruttamento è, dunque, necessario poterla raccogliere e conservare, oppure connetterla con la rete locale di distribuzione. Prospettive di sviluppo La capacità mondiale di produzione di celle fotovoltaiche negli ultimi anni è in costante crescita. L'aumento della produzione è impressionante, comparabile con quello delle industrie che producono dispositivi elettronici. Tuttavia questa grande quantità è stata realizzata in buona parte con applicazioni ad alto costo : i moduli attuali vengono venduti ad un prezzo ancora molto alto. Per abbattere il costo dei moduli è necessario ancora un progresso in tre direzioni: efficienza dei moduli; costo di produzione; crescita del volume di produzione. Ovviamente, il terzo fattore è legato al secondo. La maggior parte dei dispositivi fotovoltaici attuali si basa sul silicio cristallino e policristallino, sfruttando una tecnologia molto simile a quella usata per la realizzazione dei chip in elettronica, quindi è difficile pensare a grandi diminuzioni di costi. I nuovi dispositivi basati sui films sottili dovrebbero consentire una significativa riduzione dei costi di produzione, e quindi una crescita del volume di vendita. Gli esperti concordano sul fatto che la sorte "finale" del fotovoltaico (e in generale delle fonti rinnovabili) si giocherà su tempi lunghi in tutto il mondo (ma particolarmente nei paesi sviluppati che sono i più energivori ) su uno scacchiere che dovrà necessariamente considerare il progressivo impoverimento delle risorse di combustibili fossili. In Italia attualmente esistono tre centrali fotovoltaiche collegate alla rete di distribuzione. La centrale di Serre, in provincia di Salerno, è la più grande centrale fotovoltaica europea. Semiconduttore: Materiale che ha le seguenti proprietà fisiche: la conducibilità elettrica, inferiore a quella dei metalli, cresce all'aumentare della temperatura quindi aumenta se il materiale è colpito da radiazione. Semiconduttori tipici sono il silicio (Si) e l'arseniuro di gallio (GaAs). I semiconduttori costituiscono il nucleo essenziale dei dispositivi elettronici. 53

8 Alla scoperta dell energia Energia eolica I generatori eolici o aerogeneratori convertono direttamente l'energia cinetica del vento in energia meccanica (rotazione delle pale), che viene a sua volta utilizzata per la generazione di energia elettrica. I generatori moderni sono i figli dei mulini a vento medioevali. Un moderno generatore può erogare una potenza elettrica di 3 Megawatt, sufficiente per servire più abitazioni. L'energia eolica ha il pregio di essere una fonte rinnovabile ma, naturalmente, può essere sfruttata dove il vento c'è e soffia con intensità e regolarità sufficienti. Benefici globali e costi L'energia eolica è una fonte rinnovabile, in quanto non richiede alcun tipo di combustibile, ma utilizza l'energia cinetica del vento. L'impatto ambientale è limitato. Gli aerogeneratori non provocano emissioni dannose per l'uomo e per l'ambiente, non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche. Nonostante questo, numerose critiche di tipo ambientalistico sono state fatte a questi generatori, in particolare per quanto riguarda l'impatto visivo ed acustico. Si valuta che nel mondo ci siano circa 20 milioni di MW di potenza eolica utilizzabili. L'eolico è caratterizza- 54

9 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive to, come le altre tecnologie che utilizzano fonti di energia rinnovabili, da costi di investimento elevati in rapporto ai ridotti costi di gestione e manutenzione. Comunque sia, l'eolico ha raggiunto un buon livello di maturità tecnologica e costi di produzione dell'energia elettrica sufficientemente bassi da consentirne, con incentivi economici, la diffusione nel mercato energetico. In Germania, per incentivare la diffusione dell'energia eolica, lo Stato sovvenziona i produttori. E' certo che, come nel caso delle altre tecnologie, i costi diminuiranno con gli sviluppi della ricerca tecnologia e all'aumentare della diffusione degli impianti: negli ultimi 20 anni i costi si sono già ridotti a un quinto. Tuttavia, non tutti i luoghi del pianeta risultano idonei all'installazione di impianti eolici: per l'irregolarità dei venti in certe regioni, oppure per la loro debolezza, visto che per essere sfruttabili devono soffiare a una velocità non inferiore ai 4 m/s e per almeno un centinaio di giorni all'anno. In Italia i siti convenienti non sono molti. 55

10 Alla scoperta dell energia Fotosintesi clorofilliana: processo biochimico che si svolge nei vegetali grazie alla clorofilla e che, sotto l'azione della luce, permette la trasformazione dell'acqua e dell'anidride carbonica in composti organici. Mtep: sigla per indicare un milione (M) di tonnellate equivalenti di petrolio (tep) Rifiuti e riciclaggio Le attività umane e industriali producono anche rifiuti, ossia qualcosa che normalmente, non viene utilizzato. In una società economicamente sviluppata la quantità media di rifiuti domestici è di circa una tonnellata all'anno per persona. Negli ultimi decenni ci si è resi conto che buona parte di questi rifiuti può essere riutilizzata per estrarne energia o riciclata per risparmiare materie utili. Definizione di Biomassa Il termine Biomassa definisce l insieme di una gran quantità di materiali di matrice organica. Sono da escludere le plastiche e i combustibili fossili. La biomassa rappresenta una forma di accumulo dell'energia solare. Questa, infatti, consente alle piante di convertire l'anidride carbonica in materia organica, tramite il processo di fotosintesi, durante la loro crescita. In questo modo vengono fissate complessivamente circa di tonnellate di carbonio all'anno, con un contenuto energetico dell'ordine di Mtep. La biomassa, utilizzabile ai fini energetici, consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili, cioè trasformati in combustibili solidi, liquidi o gassosi. Le biomasse possono, quindi, essere costituite da: residui delle coltivazioni destinate all'alimentazione umana o animale o piante espressamente coltivate per scopi energetici. Altre importanti fonti di biomassa sono: residui dal campo forestale, scarti di attività industriali, come i trucioli di legno, scarti delle aziende zootecniche e la parte organica dei rifiuti urbani. La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale, pulita e rinnovabile. L'utilizzazione 56

11 Le fonti di energie rinnovabili: prospettive delle biomasse per fini energetici non contribuisce all'effetto serra, poiché la quantità di emissioni nocive (anidride carbonica) rilasciata durante la decomposizione, sia che essa avvenga naturalmente, sia per effetto della trasformazione energetica, è equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa; non vi è, quindi, alcun contributo netto all'aumento del livello di anidride carbonica nell'atmosfera. Biomassa ed energia primaria Si valuta che in media, prima della Rivoluzione Industriale, oltre l'80% dell'energia complessiva disponibile provenisse dalle piante, dagli animali e dal lavoro muscolare dell'uomo stesso. A buona ragione l'epoca che precedette la Rivoluzione industriale, come già illustrato nel primo capitolo di questo volume, può essere definita Civiltà del legno. L'uso dei metalli era limitato agli attrezzi agricoli e soprattutto alle armi. Oggi, nei paesi industrializzati, il legno e la vegetazione utilizzati come combustibili rientrano prevalentemente nella categoria delle biomasse. Nel 1700, l'impiego mondiale di biomassa (prevalentemente legna) crebbe da circa 700 milioni di tonnellate a quasi due miliardi, equivalenti a 57

12 Alla scoperta dell energia Cogenerazione: Produzione combinata di energia elettrica e calore. Può essere realizzata mediante: 1. il vapore prodotto da una centrale termica può essere prelevato per alimentare processi industriali, per il riscaldamento urbano, ecc. 2. una turbina a gas o un motore a combustione interna, destinati alla produzione elettrica, mentre il calore viene ottenuto dai gas di scarico. Un impianto di cogenerazione consente di ottenere un notevole beneficio nel contenimento dei consumi rispetto a una generazione separata di energia elettrica e termica e quindi una riduzione dei costi e dell'impatto ambientale. Teleriscaldamento: Sistema di riscaldamento di un quartiere o di una città, che utilizza a distanza il calore prodotto da una centrale termica, da un impianto a cogenerazione o da una sorgente geotermica. In un sistema di teleriscaldamento il calore viene distribuito agli edifici tramite una rete di tubazioni in cui fluisce l'acqua calda o il vapore. quasi 700 milioni di tonnellate di petrolio, con notevoli ripercussioni ambientali. Intorno al 1900 l'energia ricavata dai combustibili fossili eguagliò, quindi superò, quella ricavata dalla biomassa. La legna non è, dal punto di vista industriale, un buon combustibile, mentre il carbon fossile è dotato di un ben più alto potere calorico. Impiegata ampiamente nel passato, oggi la biomassa è sfruttata come combustibile soprattutto nei paesi tecnicamente meno sviluppati. Nuove tecnologie per uno sfruttamento più efficace delle biomasse sono state sperimentate negli ultimi anni. Utilizzo della biomassa La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale rinnovabile. Ancor oggi la popolazione mondiale soddisfa circa il 12% del proprio fabbisogno primario di energia con biomassa. In Europa il contributo di questa fonte al soddisfacimento dei fabbisogni primari di energia è del 3%; l'italia, con il 2% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea. All'avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica sono i Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati da biomasse. Tale contributo sale al 35% nei paesi in via di sviluppo (combustione di legna, paglia e rifiuti animali), dove tuttavia viene utilizzata con tecnologie a bassissimo rendimento energetico e con l'aggravante di non rimpiazzare la biomassa sottratta all'ambiente con nuove coltivazioni (il rapporto fra ettari disboscati e rimboscati ogni anno in Asia, per esempio, è attualmente di 25/1). Situazione italiana e proiezioni Da alcuni anni anche in Italia sono in corso o in programma numerose iniziative per la realizzazione di impianti di produzione di elettricità da fonti rinnovabili. Si stima che la potenza elettrica alimentata da fonti rinnovabili passerà dai MW del 1997 a circa MW nel Contemporaneamente, il consumo di petrolio diminuirà da circa 90 a circa 80 milioni di tonnellate, per anno. Le fonti rinnovabili più promettenti sono le biomasse e il biogas. 58