INTRODUZIONE. Perugia, febbraio Francesco Asdrubali

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1 INTRODUZIONE Le mutate esigenze dettate della riforma didattica dei corsi di laurea in Ingegneria (il cosiddetto tre più due) hanno determinato la nascita di numerosi corsi di nuova denominazione, come il corso di Fonti Energetiche Rinnovabili, istituito già dall a.a presso il corso di laurea triennale in Ingegneria Meccanica dell Università degli Studi di Perugia. Gli argomenti relativi alle fonti rinnovabili hanno così potuto avere un maggior respiro rispetto ai tradizionali contenuti dei corsi di Energetica del vecchio ordinamento, che erano incentrati soprattutto sulla conversione energetica da fonti convenzionali; la materia è del resto in continua evoluzione, considerato il costante sviluppo tecnologico, la crescita del mercato, le incentivazioni di cui sono oggetto le fonti rinnovabili. Il presente testo ha origine dagli appunti delle lezioni del corso di Fonti Energetiche Rinnovabili tenuto in questi ultimi anni e, pur essendo principalmente destinato agli studenti dei corsi di laurea in Ingegneria Meccanica, si pone l obiettivo di fare il punto della situazione sul mercato e sulle tecnologie delle fonti rinnovabili cosiddette alternative (solare, eolico, moderne biomasse). Dopo un capitolo introduttivo, contenente le definizioni e la classificazione delle diverse fonti e delle relative tecnologie, sono passate in rassegna l energia solare, sia nelle applicazioni termiche che elettriche, l energia eolica, l energia dalle biomasse e dai rifiuti. Per ciascun argomento, sono descritte le modalità di valutazione della risorsa, le principali tecnologie, le applicazioni, i vantaggi energetici ed ambientali, i costi di produzione; completano ogni capitolo dati statistici aggiornati sul mercato della specifica fonte a livello mondiale, comunitario e nazionale. Sono volutamente escluse l energia idraulica e geotermica, in quanto risorse sfruttate con tecnologie ormai mature e con possibilità di sviluppi contenuti in termini di nuove applicazioni, nonché trattate in maniera esaustiva nei testi e manuali di Energetica. Un particolare ringraziamento va agli ingegneri Luca Frezzini e Manuele Battisti, per l attenta revisione delle bozze e la collaborazione nella elaborazione di figure e tabelle. Perugia, febbraio 2006 Francesco Asdrubali

2 INDICE DEI CONTENUTI Capitolo Primo: Generalità, definizioni e classificazione 1.1 Classificazione delle fonti rinnovabili...pag Biomasse, biocombustibili e rifiuti...pag Energia idraulica...pag Energia geotermica...pag Energia solare...pag Energia eolica...pag Energia delle maree, delle onde e degli oceani...pag Le fonti rinnovabili nel Mondo...pag Le fonti rinnovabili in Europa...pag Le fonti rinnovabili in Italia...pag Riferimenti...pag. 38 Capitolo Secondo: Energia solare 2.1 Il sole e lo spettro solare...pag Disponibilità dell energia solare sulla superficie terrestre...pag Le mappe delle risorse solari...pag Collettori solari piani...pag Impianti solari termici...pag I collettori parabolico - cilindrici...pag Produzione di energia elettrica...pag Conversione fotovoltaica...pag Sistemi solari a concentrazione...pag Il solare termico in Europa...pag Il solare fotovoltaico in Europa...pag Il solare termico in Italia...pag Il solare fotovoltaico in Italia...pag Elenco dei simboli...pag Riferimenti...pag. 116 I

3 Indice dei contenuti Capitolo Terzo: Energia eolica 3.1 Generalità...pag Possibilità di impiego...pag Scelta del sito...pag Valutazione della risorsa eolica...pag Il potenziale eolico...pag I generatori eolici...pag Classificazione...pag Caratteristiche costruttive e di resa energetica...pag Macchine eoliche di piccola taglia...pag Macchine eoliche di media taglia...pag Macchine eoliche di grande taglia...pag Tecnologia eolica: stato dell arte...pag Benefici ambientali ed impatto ambientale...pag Costi di produzione...pag L energia eolica nel Mondo...pag L energia eolica in Italia...pag L Atlante Eolico dell Italia...pag Impiego attuale dell energia eolica in Italia...pag Elenco dei simboli...pag Riferimenti...pag. 165 Capitolo Quarto: Energia dalle biomasse 4.1 Generalità...pag Impiego energetico delle biomasse...pag Tecnologie per l impiego energetico delle biomasse...pag I biocombustibili...pag Bio-Etanolo...pag Biodiesel...pag Risvolti ambientali...pag Quadro internazionale: stato dell arte e prospettive...pag La situazione italiana...pag Riferimenti...pag. 210 II

4 Indice dei contenuti Capitolo Quinto: Energia dai rifiuti 5.1 Generalità...pag La gestione integrata dei rifiuti...pag Composizione dei RSU e contenuto energetico...pag Il combustibile derivato dai rifiuti...pag Sistemi di trattamento e smaltimento dei RSU...pag Raccolta differenziata...pag Selezione...pag Discarica controllata...pag Compostaggio...pag Termovalorizzazione...pag Tecnologie per la termovalorizzazione dei RSU...pag Sistemi di abbattimento degli inquinanti...pag Legislazione...pag Smaltimento rifiuti ed emissioni di gas serra...pag Lo smaltimento dei rifiuti nel Mondo...pag Lo smaltimento dei rifiuti in Italia...pag Riferimenti...pag. 259 Conclusioni...pag. 261 III

5 Capitolo 1 GENERALITÀ, DEFINIZIONI E CLASSIFICAZIONE 1.1 Classificazione delle fonti rinnovabili Secondo l IEA (International Energy Agency), le fonti energetiche rinnovabili possono essere raggruppate nelle seguenti categorie [1]: - Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti solidi urbani (frazione rinnovabile); - Energia idraulica: impianti idroelettrici di grande e piccola taglia (large & small hydro); - Fonti alternative o nuove: energia geotermica, energia solare (termico e fotovoltaico), energia eolica, energia delle maree, delle onde e degli oceani. Un altra classificazione è quella fornita dall ISES (International Solar Energy Society), che si differenzia da quella fornita dall IEA in quanto non considera come rinnovabile l energia ottenibile dai rifiuti e l idroelettrico di grossa taglia. Infatti, l ISES annovera, ai fini delle proprie attività, le seguenti fonti energetiche rinnovabili [2]: - Energia eolica; - Energia solare: termico e fotovoltaico; - Energia idraulica: impianti elettrici di piccola taglia (small hydro); - Biomasse: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, legna, biodiesel; - Energia geotermica; - Energia delle onde e delle maree. La classificazione a cui si farà riferimento nel testo è quella indicata dall ENEA (Ente per le Nuove Tecnologie, l Energia e l Ambiente), ancora più ampia in quanto, oltre alle tipologie di risorse energetiche rinnovabili elencate dall IEA, include, tra le biomasse, tutte le frazioni dei rifiuti solidi urbani e la categoria legna e assimilati [3]. Si riporta di seguito una breve descrizione delle diverse fonti rinnovabili, [4], rimandando ai vari capitoli per gli approfondimenti. 1

6 1.2 Biomasse, biocombustibili e rifiuti Tra le risorse naturali cui l umanità ha attinto da sempre per soddisfare le necessità energetiche, vi sono senza dubbio le biomasse, cioè la materia prima vegetale che costituisce, in natura, la forma più sofisticata di accumulo dell energia solare. Con il termine biomasse si intende l insieme di sostanze di origine biologica in forma non fossile: materiali e residui di origine agricola e forestale, prodotti secondari e scarti dell industria agroalimentare, reflui di origine zootecnica, ma anche i rifiuti urbani, in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40% in peso. Tra le biomasse vengono inoltre considerate le alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente coltivate per essere destinate alla produzione energetica. Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l apporto energetico dell irraggiamento solare per convertire l anidride carbonica atmosferica e l acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che compaiono nei loro processi vitali: carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre ad un numero molto elevato di prodotti secondari; in tal senso l energia dalle biomasse può essere ricondotta all energia solare. La legna, che è stata usata per fornire calore per migliaia di anni e che rappresenta tuttora la principale fonte energetica in molti Paesi in via di sviluppo, è la più vasta risorsa di bioenergia. Le biomasse si possono considerare risorse primarie rinnovabili e, quindi, inesauribili nel tempo, purché vengano impiegate ad un ritmo complessivamente non superiore alle capacità di rinnovamento biologico. In realtà le biomasse non sono illimitate quantitativamente, ma per ogni specie vegetale utilizzata la disponibilità trova un tetto nella superficie ad essa destinata, nonché in vincoli climatici ed ambientali che tendono a limitare in ogni regione le specie che vi possono crescere convenientemente ed economicamente. L utilizzo a fini energetici delle biomasse può essere vantaggioso quando queste si presentano concentrate nello spazio e disponibili con sufficiente continuità nell arco dell anno, mentre una eccessiva dispersione sul territorio ed una troppo concentrata stagionalità dei raccolti rendono più difficili ed onerosi la raccolta, il trasporto e lo stoccaggio. Le tecnologie di trattamento, la logistica di raccolta e l infrastruttura sono aspetti importanti della catena di approvvigionamento delle biomasse. L impiego energetico delle biomasse presenta anche un indiscutibile rilevanza ambientale: oltre agli effetti positivi sul contenimento dell anidride 2

7 carbonica atmosferica, la loro utilizzazione rappresenta spesso una buona soluzione a problemi di eliminazione di rifiuti e reflui, specialmente se solidi. Molti utilizzi, ai limiti della praticabilità se considerati sotto l aspetto della resa energetica, possono così risultare interessanti o convenienti, se si considera anche il valore ambientale dell intervento. Inoltre la possibilità di recuperare vaste aree marginali, oggi in stato di abbandono e di degrado, per lo sviluppo di colture destinate alla produzione di biomassa porterebbe, poi, ad innegabili vantaggi di tipo socio-economico di rilevante importanza. Per bioenergia si intende, in questo contesto, qualsiasi forma di energia utile ottenuta dalla biomassa. Si tratta di un sistema complesso, per la diversità della materia prima utilizzabile per la trasformazione, per la molteplicità delle tecnologie di trasformazione e per i differenti settori e campi di utilizzo. Ad esempio, a seconda del contenuto di umidità nella biomassa di partenza, o del suo rapporto carbonio/azoto (C/N), per ogni categoria di biomassa si può individuare la tecnologia di conversione energetica (fig. 1.1). Biomassa U%<50 C/N>30 U%>50 C/N<30 U%<>35 C/N>35 Termochimici biologici Estrazione oli Combustione Piante e residui lignocellulosici Piante e residui lignocellulosici, Amidacei e zuccherini Residui fermentescibili, reflui animali Piante e residui oleaginosi Gassificazione Fermentazione alcolica Digestione anaerobica Pirolisi Fig. 1.1: Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse e possibili usi energetici. 3

8 Le alternative più valide per l utilizzazione energetica delle biomasse, tenuto conto del grado di maturità e dell effettiva applicabilità delle relative tecnologie, sono sostanzialmente le seguenti: la combustione diretta, con conseguente produzione di calore da utilizzare per il riscaldamento domestico, civile ed industriale o per la generazione di vapore (forza motrice o produzione di energia elettrica); la produzione a partire da legno, residui agricoli o rifiuti solidi urbani, di gas combustibile, mediante gassificazione, da utilizzare per la conversione energetica. In tal caso le prospettive avanzate offerte da processi di gassificazione accoppiati ai cicli combinati sono particolarmente interessanti per gli elevati rendimenti di conversione energetica raggiungibili; la trasformazione della biomassa, in assenza di aria (quando il calore necessario al processo viene totalmente fornito dall esterno) o in presenza di una limitata quantità di agenti ossidanti (nel caso in cui il calore viene prodotto internamente alla massa mediante la combustione di una sua parte) in una frazione gassosa, in una frazione liquida oleosa ed in un prodotto solido mediante il processo della pirolisi; la trasformazione in combustibili liquidi di particolari categorie di biomasse coltivate, con la produzione di biodiesel e di bioetanolo; la produzione di biogas mediante fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali considerando che, in questo caso, l aspetto energetico riveste un ruolo complementare rispetto a quello più propriamente ambientale. Allo stato attuale, le biomasse utilizzate per scopi energetici in Italia provengono dal comparto agricolo e forestale, agro-industriale e dai rifiuti solidi urbani. L utilizzo delle biomasse agricole, forestali ed agro-industriali può essere considerato idoneo soprattutto per la fornitura di energia termica ed elettrica ad una serie di utenze tipiche delle aree rurali, quali la zootecnia, l industria agroalimentare, le comunità montane, le comunità domestico-rurali, particolarmente per quanto riguarda l autoproduzione e l autoconsumo. I rifiuti solidi urbani (RSU), invece, interessano soprattutto le aziende municipalizzate che esplicano anche un servizio di fornitura di energia elettrica o di teleriscaldamento. Il recupero energetico dagli RSU può essere significativo ed essere accompagnato da rilevanti benefici di carattere ambientale [5], tuttavia la stragrande maggioranza dei rifiuti urbani prodotti in Italia viene, oggi, smaltito in discarica (fig. 1.2), con scarsi recuperi di energia. Oltre all impiego di residui e reflui di varia natura possono essere utilizzate ai fini energetici anche essenze arboree a rapida crescita, come il 4

9 pioppo, la robinia, la ginestra ed il salice. Prospettive future interessanti sono fornite da colture erbacee, annuali e poliennali; un intensa attività di studio e di sperimentazione è, al momento, in atto allo scopo di individuare le colture che si adattano maggiormente alle diverse condizioni climatiche e sono in grado di produrre quantitativi elevati di sostanza secca, nonché di studiare le tecniche colturali, di raccolta trasporto e stoccaggio ottimali. 8% 9% 2% 21% 51% 9% discarica biostabilizzato + CDR altre forme di recupero incenerimento compost da frazioni selezionate frazione secca stoccata Campania Fig. 1.2: Gestione dei RSU in Italia nell anno 2003 [6]. 1.3 Energia idraulica L energia idraulica è stata una delle prime fonti di energia alternativa, molto diffusa presso i Greci ed i Romani; iniziò a diffondersi nell Alto Medio Evo e si affermò, a partire dal X secolo, la costruzione di rudimentali macchine atte a trasformare l energia cinetica di un corso d acqua in energia meccanica, che trasmessa a pesanti macine permetteva la trasformazione dei prodotti agricoli. L Italia è stata tra i primi Paesi a sfruttare in maniera intensiva questa risorsa. Agli inizi degli anni 60, l energia idroelettrica rappresentava circa il 75% dell intera produzione nazionale, e proprio per accentrare politicamente il controllo di questa importante risorsa venne istituita l ENEL, nel quale confluirono tutte le società elettriche private ad esclusione delle grandi imprese industriali autoproduttrici e delle aziende elettriche degli Enti locali. Alla fine degli anni 90 la percentuale si è ridotta di un 16%. 5

10 La disponibilità di energia idraulica è conseguenza delle modalità con cui la parte del ciclo dell acqua che si svolge sulla terraferma può essere modificata dall intervento dell uomo. L energia idraulica è pertanto riconducibile all azione del Sole; in assenza di irradiamento solare sul pianeta non potrebbe, infatti, avvenire l evaporazione superficiale dal mare e, in misura minore, dalle terre emerse, la quale, conferendo il carattere di ciclicità alle precipitazioni atmosferiche, rinnova con continuità la disponibilità di questa risorsa energetica. Una centrale idroelettrica è costituita da un complesso di opere e macchinari che raccoglie e convoglia volumi d acqua da una quota superiore ad un altra inferiore sulla superficie terrestre, allo scopo di sfruttare l energia potenziale idraulica, che viene trasformata dal macchinario di centrale in energia meccanica e quindi in energia elettrica, utilizzando il salto disponibile. In generale, una centrale idroelettrica è costituita da un opera di sbarramento e captazione delle acque a quota più alta, condotte per il convogliamento delle acque, gruppo turbine ed alternatori; l acqua viene, poi, restituita al suo alveo naturale attraverso un canale o simile. Il rapporto tra la potenza netta immessa in rete, cioè dopo che sono avvenute tutte le perdite dovute al rendimento della turbina, del generatore, del trasformatore e dell eventuale moltiplicatore di giri, e la potenza teorica di un impianto idroelettrico rappresenta il rendimento globale d impianto. Nei moderni impianti esso varia tra l 80% ed il 90%, senza dubbio il valore più alto tra le varie fonti rinnovabili. La lunghezza della vita utile degli impianti è un altra caratteristica peculiare, considerando che le opere di ingegneria civile legate agli sbarramenti per la creazione dei dislivelli possono superare il secolo di vita. Per quanto riguarda la taglia, si è soliti ricorrere alla seguente classificazione, suggerita anche da parte dell Unione Europea in alcuni documenti ufficiali: impianti sotto i 10 MW: small hydro (idroelettrico di piccola taglia); impianti sopra i 10 MW: large hydro (idroelettrico di grande taglia). Gli impianti di taglia superiore ai 10 MW hanno registrato, negli ultimi anni, un forte rallentamento delle installazioni in quanto, ormai, si è provveduto a sfruttare la quasi totalità dei salti idraulici che offre la conformazione del territorio italiano. La realizzazione o il recupero di impianti mini idroelettrici offre, invece, ancora interessanti prospettive future. A tal proposito, la fig. 1.3 [3], riporta l evoluzione del numero di impianti installati nel territorio italiano, suddivisi per taglia. 6

11 n impianti <10 MW >10 MW Fig. 1.3: Numero di impianti idroelettrici per taglia. Anni Si osserva che negli ultimi dieci anni gli impianti di taglia superiore ai 10 MW sono aumentati appena del 3%, mentre gli impianti di taglia inferiore ai 10 MW sono aumentati del 12%, passando dalle 1523 unità del 1992 alle 1705 unità del Gli impianti idroelettrici possono essere inoltre classificati in base alla tipologia impiantistica, ed in particolare: impianti ad acqua fluente: sono privi di capacità di regolazione e, pertanto, la portata utilizzata è pari alla quantità d acqua disponibile nel fiume, fino al limite consentito dalle opere di presa. Portate elevate e salto ridotto sono tipici di questi impianti. Queste soluzioni di solito comprendono un sistema di sbarramento che intercetta il corso d acqua nella zona prescelta ed una centrale di produzione elettrica situata sulla traversa stessa o nelle immediate vicinanze. impianti a deflusso regolato o a bacino: sono provvisti di un bacino con una certa capacità di invaso in modo da poter regolare la quantità di flusso addotta in turbina; questo tipo di impianti è collocato principalmente nei tratti superiori dei fiumi (montani). Lo schema-tipo di un impianto include una riserva d acqua, un opera di presa ed una condotta forzata che convoglia l acqua fino alle turbine nella centrale. Impianti ad accumulazione per pompaggio (a producibilità artificiale): essi traggono origine dal fatto che una centrale ad acqua fluente utilizza 7

12 mediamente solo una parte della portata del corso d acqua. Disponendo di un impianto a serbatoio nelle vicinanze, per la carente interconnessione delle reti e sotto opportune condizioni, risultava già in passato conveniente pompare in questo, allo scopo di conservarla per un successivo impiego, la portata altrimenti sfiorata. Le turbine della centrale possono così sfruttare sempre, fino al valore massimo per esse ammissibile, la piena portata del corso d acqua. I moderni impianti di accumulazione per pompaggio sono svincolati da quelli ad acqua fluente, sono dotati di due serbatoi e svolgono il ruolo di impianti di punta nell ambito della rete elettrica. L acqua, nelle ore notturne di basso carico, viene pompata dal serbatoio di valle in quello di monte ed accumulata così per la produzione di punta del giorno seguente. Dal punto di vista dell impatto ambientale, la realizzazione di una diga per un impianto a bacino determina conseguenze significative sia a monte sia a valle dello sbarramento. A monte dello sbarramento la formazione di un invaso modifica il regime delle acque, allungandone il tempo di ricambio con possibili ricadute sull ecosistema. A valle dello sbarramento, e fino al punto in cui viene rilasciata l acqua utilizzata dalla centrale, il corso d acqua subisce una significativa riduzione della portata; per questo motivo la legge impone la sussistenza di una portata residua minima al fine di garantire all ecosistema fluviale il naturale svolgimento di tutti i processi biologici e fisici. Anche l impatto visivo di un impianto idroelettrico può essere rilevante, in particolar modo nel caso di impianti in alta quota. A fronte di tali impatti va ribadito che questa tecnologia presenta l indiscutibile vantaggio ambientale di non immettere nell ecosfera sostanze inquinanti, polveri e calore, come invece accade nel caso di tecnologie che ricorrono a fonti fossili. Le considerazioni di carattere ambientale sull idroelettrico cambiano poi radicalmente se si fa riferimento agli impianti di piccola taglia, caratterizzati da modalità costruttive ed organizzative sostanzialmente differenti, distribuiti sul territorio, gestiti in piccole comunità, integrati in uso plurimo ed equilibrato della risorsa acqua. Gli impianti mini e micro idroelettrici, con la sistemazione idraulica che viene eseguita per la loro realizzazione, portano, infatti, in molti casi, notevoli benefici al corso d acqua, in particolare la regolazione delle piene sui corpi idrici a regime torrentizi, contribuendo efficacemente alla difesa e salvaguardia del territorio. 8