PROGETTO DI PIANO ENERGETICO REGIONALE VOLUME I

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1 Regione Autonoma della Sardegna Assessorato dell Industria PROGETTO DI PIANO ENERGETICO REGIONALE Aggiornato all anno 2002 VOLUME I ELABORAZIONE TECNICO-SCIENTIFICA A CURA DI Dipartimento di Ingegneria del Territorio Facoltà di Ingegneria Università degli studi di Cagliari Direttore Prof. Dott. Giovanni Barrocu Sezione di Energetica e Fisica Tecnica Responsabile scientifico: prof. Ing. Paolo G. Mura Con la collaborazione di Servizio Energia Ass.to Industria R.A.S. GRTN - Cagliari Enel Produzione - Cagliari Enel Green Power - Cagliari Enel Distribuzione Cagliari Assessorato Difesa Ambiente R.A.S. DICEMBRE 2002

2 Regione Autonoma della Sardegna Assessorato dell Industria PROGETTO DI PIANO ENERGETICO REGIONALE Aggiornato all anno 2002 Gruppo di lavoro Prof. Ing. Paolo Giuseppe Mura Responsabile scientifico Dott. Ing. Roberto Baccoli Dott. Ing. Ubaldo Carlini Dott. Ing. Sebastiano Curreli Dott. Ing. Gianfranco Dessanai Dott. Ing. Andrea Ibba Dott. Ing. Roberto Innamorati Dott. Ing. Bruno Manca Dott. Ing. Stefano Mariotti Dott. Ing. Gaetano Ranieri Convenzione di Ricerca D.I.T.- R.A.S.- Ass. Industria del 02/08/2002

3 Regione Autonoma della Sardegna Assessorato dell Industria PIANO ENERGETICO REGIONALE AGGIORNATO ALL ANNO 2002 CAPITOLO VI Settore dei trasporti - autotrasporti Stato attuale e proposte di sviluppo Dipartimento di Ingegneria del Territorio Università di Cagliari Direttore Prof. Dott. Giovanni Barrocu Sezione Energetica Fisica Tecnica Responsabile scientifico: Prof. Paolo Giuseppe Mura Dicembre 2002

4 2 VI.1 Dati di sintesi sul settore dei trasporti. L analisi del BER del 1999 della Sardegna mostra che il settore dei trasporti incide sugli usi finali di energia con una percentuale pari al 39 % (corrispondenti a 1332 ktep su un totale di 3450 ktep), in Italia il BEN 1999 fornisce un incidenza del 33% (41218 ktep su un totale di ktep degli usi finali di energia). In questo settore è prevalente l utilizzo di combustibili; l energia elettrica incide, sugli usi finali di energia nel settore dei trasporti, con una percentuale di 1,7 % in Italia mentre in Sardegna tale contributo è quasi nullo (0,3 %). Allo scopo di mettere in evidenza l aumento del numero di autovetture pro capite, si sono elaborati i dati storici relativi alla popolazione residente e al numero di autoveicoli circolanti in Italia ed in Sardegna. I grafici delle figure 1 e 2 mostrano l andamento dei dati storici negli anni Fig. 1 Evoluzione storica ( ) del numero di autoveicoli e della popolazione residente in Sardegna (elaborazione da fonte ENEA) Fig. 2 Evoluzione storica ( ) del numero di autoveicoli e della popolazione residente in Italia (elaborazione da fonte ENEA)

5 3 Le figure 1 e 2 evidenziano come a fronte di una popolazione sostanzialmente stabile che, come è noto, è a crescita zero, si vede che il numero degli autoveicoli è cresciuto nel decennio con un tasso di crescita annuo pari al 2.28 in Sardegna rispetto al tasso di crescita annuo di 1.74 nazionale. L aumento del numero di automobili pro capite di per se comporta un inaccettabile aumento delle emissioni nocive. Non è realistico proporre un inversione di tendenza sul numero di automezzi in circolazione in quanto si andrebbe, tra l altro, ad intaccare la mobilità individuale, ma si può porre rimedio all aumento delle emissioni aumentando il più possibile la penetrazione degli automezzi alimentati con combustibili a basso tenore di carbonio, quali GPL e Metano sul breve termine, e ad Idrogeno nel medio e lungo termine. VI.2 Il settore dei trasporti secondo la legge n 120/2002 ed il Piano di Azione Nazionale Perché il settore dei trasporti contribuisca al rispetto del Protocollo di Kyoto è necessaria la sostituzione dei carburanti attuali con altri a minore densità di Carbonio ed il miglioramento della efficienza dei motori. Le soluzioni già oggi tecnologicamente mature sono l uso del GPL, del metano, delle celle a combustibile, dell idrogeno primario cioè derivato da fonti energetiche rinnovabili. Le misure già individuate incluse nello scenario di riferimento prevedono che il settore trasporti nazionale contribuisca all obbiettivo Kyoto 2010 con una riduzione totale di 7.3 MtonCO 2 così ripartita: MtCO 2 /anno mediante la sostituzione delle autovetture a benzina e gasolio con quelle a GPL e CH 4 ; MtCO 2 /anno mediante sistemi di ottimizzazione e collettivizzazione, rimodulazione delle imposte, sistemi informatico-telematici MtCO 2 /anno mediante lo sviluppo di infrastrutture nazionali (ad esempio, rettificazione dei tracciati delle strade, elettrificazione delle ferrovie, spostamento del traffico merci da strada verso quelli a ferrovia e di porto). I dati ANPA 1999 sulle emissioni di CO 2 sono molto significativi: in Sardegna il settore dei Trasporti è responsabile del 17% delle emissioni sul totale delle attività (corrispondente a 3,33 MtonCO 2 su 19,7 MtonCO 2 ). Se consideriamo i dati dell Italia, la questione è ancora più grave: le emissioni dovute ai trasporti rappresentano quasi un terzo (29%) del totale. Il punto di partenza delle azioni significative che la Sardegna deve intraprendere perché contribuisca anche nel settore dei trasporti al programma di riduzioni delle emissioni di gas serra stabilito dal Protocollo di Kyoto, è l analisi dettagliata dello stato attuale, sviluppata nel successivo paragrafo. Ma per quanto riguarda nuove soluzioni per lo sviluppo compatibile per motivi di completezza daremo una risposta provvisoria che ha solo lo scopo di aprire il discorso su una questione urgente: riteniamo necessario uno studio moderno del Piano Regionale dei Trasporti coordinato con un Piano energetico Regionale e compatibile con il protocollo di Kyoto. Per completezza si riporta di seguito la tabella 1 tratta dal Piano Nazionale per la Riduzione delle Emissioni di Gas Serra: in cui sono schematizzati gli interventi previsti per conseguire la riduzione delle emissioni dall uso di energia.

6 4 Tab. 1 - Misure previste per la riduzione delle emissioni dall uso di energia nei trasporti

7 5 VI.3 Stato attuale dei trasporti su strada I diagrammi rappresentati nelle figure 3 e 4 sottostanti, relativi agli usi finali di combustibili nei trasporti su strada per l Italia e per la Sardegna, mettono in evidenza, per quanto riguarda la distribuzione percentuale, che la Sardegna è allineata all Italia anche se con qualche piccola differenza; si noti per esempio che la penetrazione dell uso del GPL è del tutto simile, e che nella penisola il gas naturale per autotrazione nonostante la presenza della rete di distribuzione, ha finora avuto una scarsa diffusione dovuta al fatto che esistono delle caratteristiche fisiche che ne limitano l utilizzo, in Sardegna risulta del tutto assente in quanto ad oggi non esistono aree attrezzate per la distribuzione di metano. Nella tabella 2 si riportano i consumi finali di combustibili in ktep nel trasporto su strada in Italia ed in Sardegna nel 1998 relativi alle elaborazioni grafiche delle figure 3 e 4. Fig. 3 - Consumi finali di combustibili nel trasporto su strada in Italia nel 1998 (valori in %, elaborazione da fonte Enea) Fig. 4 - Consumi finali di combustibili nel trasporto su strada in Sardegna nel 1998 (valori in %, elaborazione da fonte Enea)

8 6 Tab. 2 - Consumi finali di combustibili in ktep nel trasporto su strada in Italia ed in Sardegna nel 1998 (fonte ENEA) VI.4 Analisi degli scenari ipotizzati dal piano nazionale di riduzione dei gas serra. a) Legislazione Vigente Il primo scenario a legislazione vigente, con riferimento all Italia, prevede per il settore Trasporti, considerando la crescita del PIL a livello nazionale del 2%, uno sviluppo del parco automobilistico come sintetizzato nella tabella 3: Tab. 3 - Numero di autovetture previste in Italia dal CIPE. I valori previsti dal Piano di azione nazionale sono in linea con i valori estrapolati dalle linee di tendenza ricavate elaborando i dati sul numero di automobili dal 1991 al 2000 (fonte: Enea Rapporto Energia Ambiente I dati 2001) e prevedendo il numero di automobili che circoleranno al Seguendo lo stesso metodo è stato calcolato lo sviluppo del numero di automobili che si prevede circolerà in Sardegna all anno Il diagramma della fig.5 ed i dati della tabella 4 illustrano bene lo scenario di sviluppo ipotizzabile.

9 7 Fig. 5 Scenario di crescita del numero di automobili circolanti in Sardegna (Elaborazione da Fonte Enea) Tab. 4 - Sviluppo del numero di autovetture previsti in Sardegna Il consumo di combustibili nel settore trasporti previsto dal Piano di azione nazionale è riassunto dai dati della tabella 5: Tab. 5 - Previsione del bisogno di energia per il trasporto previsti dal Piano di azione Nazionale.

10 8 I valori dei consumi finali che vengono previsti per la Sardegna sono in linea con le curve di tendenza che si prevedono nel complesso per l Italia; in particolare per la Sardegna i valori di sviluppo ipotizzati sono riportati nella tabella 6 e nelle Fig. 4 e 5. Tab. 6 - Consumi finali di energia nei trasporti (tep) per l Italia e la Sardegna Fig. 6 Consumi finali di energia nei trasporti in Italia (Elaborazione Fonte Enea)

11 9 Fig. 7 Consumi finali di energia nei trasporti in Sardegna (Elaborazione Fonte Enea)

12 10 b) Scenario di Riferimento Prendiamo ora in esame lo scenario lo Scenario di Riferimento del Piano di azione Nazionale; esso prevede per il settore trasporti vari provvedimenti che sono già parzialmente approvati o in via di decisione, di cui richiamiamo i tre interventi seguenti: - Passaggio a carburanti che abbiano un tenore di carbonio inferiore al tenore della benzina o del gasolio quali GPL o il Metano. - Ottimizzazione dei sistemi di trasporto collettivo e privato - Miglioramento delle strutture esistenti e creazione di nuove strutture. VI.5 Proposta di sviluppo del GPL per la riduzione delle emissioni nocive Nel capitolo relativo al sistema Gas (Cap. IV) si è sottolineato come siano già realizzate in varie parti della Sardegna le reti di distribuzione di GPL e siano previsti ulteriori sviluppi. Allo stato attuale in Sardegna la distribuzione del GPL è limitato a 26 stazioni che sono in grado di servire un limitato numero di utenti. La tabella 7 e la cartina geografica allegata indicano la rete dei distributori di G.P.L. in Sardegna. L ampliamento della rete di distribuzione del G.P.L. può consentire una capillare distribuzione in tutto il territorio regionale agli impianti di rifornimento di G.P.L. per autotrazione. Estendendosi così la rete di distribuzione possiamo prevedere una penetrazione al 50% del parco automobilistico alimentato a GPL entro il Inoltre si potrebbe supporre che entro il si siano create le strutture atte alla produzione di Idrogeno primario che porti alla conversione di almeno il 5% degli autoveicoli circolanti.adottando questi provvedimenti si arriverebbe ad una riduzione delle emissione di CO 2 nell atmosfera pari al 10% come evidenziato nel diagramma esposto nel capitolo XIII.

13 11 Tab. 7 - Elenco distributori GPL rilevati in Sardegna

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15 13 VI.6 Le prospettive di sviluppo dei Veicoli a propano Il Piano di azione Nazionale per la riduzione delle emissioni dei gas responsabili dell effetto serra secondo gli impegni del Protocollo di Kyoto (L. n. 129/2002 CIPE 20/12/2002), poiché il settore dei trasporti è responsabile del 30% delle emissioni totali, prevede un intervento significativo nell autotrazione per la riduzione delle emissioni di CO 2 stimolando il ricorso al metano ed al propano nel breve termine ed all idrogeno nel medio e lungo termine. L Italia è stata a livello europeo il primo paese ad utilizzare il GPL nel campo dell autotrazione 1. Attualmente tutti gli autoveicoli circolanti alimentati a benzina possono essere trasformati a GPL con una modesta spesa tenendo poi conto che quest ultima può essere ammortizzata in breve tempo data la differenza di costo alla pompa tra la benzina e il GPL. Inoltre l uso del GPL riduce le emissioni inquinanti rispetto ai combustibili tradizionali. Attualmente l uso del GPL sugli automezzi pesanti viene relegato al trasporto di persone e solamente nel trasporto urbano di alcune città in quanto aree più sensibili al problema delle emissioni inquinanti. In ambito europeo assistiamo a vari esempi di utilizzo di GPL come alimentazione di automezzi pesanti. A Vienna (Austria) hanno avviato il processo di conversione degli autobus pubblici a motore diesel a GPL attraverso il sistema Dual Fuel già dal 1963 per arrivare poi ad un parco autobus a carburazione completamente alimentato a GPL già nel Si tratta di una flotta di 550 autobus. A Valladolid (Spagna) nel 1993 la giunta comunale ha avviato la trasformazione a GPL di 110 autobus. L esperienza di Valladolid dovrebbe portare alla sostituzione del parco autobus con quelli alimentati a GPL delle principali città della Spagna ( circa 5200 autobus). In Germania è previsto dall Ufficio Federale per l Ambiente la progressiva sostituzione del uso del gasolio con il GPL nei trasporti, in una prima fase per il trasporto delle persone per poi estenderlo anche al trasporto merci in tutti i land federali. In Francia esiste l obbligo progressivo dell utilizzo del GPL per tutti gli autoveicoli che operano in aree aeroportuali. In Italia sono previsti accordi per l acquisto di autobus alimentati a GPL in varie città quali Vicenza la cui azienda di trasporto pubblico locale ha visto l acquisto di 19 autobus alimentati a GPL; a Firenze è previsto l entrata in funzione di 34 autobus a GPL e metano; anche a Ravenna entreranno in funzione 30 autobus, mentre a Udine ne entreranno in funzione 26. Le motivazioni che spingono alla trasformazione del trasporto pesante da motore alimentato a gasolio al motore alimentato a GPL sono molteplici: La principale è l attuazione del Piano di Azione Nazionale per il controllo delle emissioni (CIPE 20/12/2002); altre motivazioni contribuiscono a questa conversione tecnologica. - Aumento della diffusione della distribuzione del GPL e la sempre più forte diffusione di aree protette dal punto di vista ecologico che impongono delle limitazioni alla circolazione di alcuni tipi di veicoli. I veicoli alimentati a GPL sono tra le soluzioni praticabili quella che offre delle buone prestazioni dal punto di vista di riduzione delle emissioni inquinanti per cui si tende ad incentivarne la penetrazione. - Altre motivazioni sono date dal fatto che il GPL viene prodotto a basso costo, in quanto è legato alla estrazione del petrolio, e del metano ed alla raffinazione del petrolio, inoltre ha un ridotto carico impositivo. Tutto ciò porta ad un costo alla pompa molto più basso rispetto ai combustibili tradizionali. - Altro fattore che giustifica la conversione all alimentazione a GPL dei veicoli è data dalla normativa fiscale vigente che prima o poi dovrà essere adeguata alla 1 fonte

16 14 normativa fiscale data dalla U.E. In particolare si dovranno adeguare le imposizioni sui carburanti che porteranno ad un aumento dei prezzi alla pompa del gasolio e della benzina, inoltre si prevede l introduzione di accise sul metano che finora era esente. Vediamo ora che soluzioni si prospettano per la trasformazione a GPL. Esistono due possibilità per l utilizzo del GPL nel trasporto pesante: - la prima prevede l utilizzo di propulsori alimentati a solo GPL, il cosiddetto monofuel; - la seconda prevede invece la sostituzione di una quota parte del gasolio normalmente usato nei propulsori diesel con una di GPL, detta Mixed fuel. Monofuel: Si tratta di utilizzare un motore alimentato a GPL i quali possono essere installati direttamente in fabbrica all atto dell acquisto del veicolo oppure si opera la sostituzione del motore diesel con un motore alimentato a GPL sul veicolo già in uso. Molte industrie producono già i motori sostitutivi a GPL per i loro veicoli e anche per altre case. Si hanno tre possibili casi: Primo caso: In Italia vari marchi europei e statunitensi offrono su richiesta in alternativa ad classico motore diesel motori alimentati a GPL senza che il prezzo subisca variazioni. Questo caso presenta vari vantaggi: - Vantaggi ecologici: o Libertà di circolazione in quanto la rete di distribuzione è in fase di ampliamento o Minor inquinamento assoluto stimato nel 65% in meno secondo i parametri tossicologici o Nessuna fumosità ed odori sgradevoli allo scarico o Riduzione della rumorosità - Vantaggi Economici o Costi di esercizio ridotti del 35% e per quanto riguarda i carburanti si stima Secondo caso: un calo di oltre il 45% dei costi o Minori costi di manutenzione Sostituzione del motore. L adozione di questa soluzione porta agli stessi risultati del caso precedente. Terzo caso: Modifica del motore Si tratta di modificare il motore diesel già installato sul veicolo in un motore a GPL. I risultati sono ottimi ma comportano operazioni complesse. E vantaggioso se il motore in questione deve subire una revisione molto approfondita. Inoltre si hanno difficoltà a reperire officine in grado di operare la trasformazione a regola d arte. Mixed Fuel: Si tratta di installare su un motore diesel per il quale non si deve operare alcuna modifica strutturale alcuni componenti che consentano di alimentare il motore con una miscela GPL-gasolio. Il GPL ha un potere antidetonante superiore a quella del gasolio per cui è possibile avere miscele composte da un massimo del 35 % di GPL.

17 ASSESSORATO DELL INDUSTRIA REGIONE SARDEGNA PIANO ENERGETICO REGIONALE 2002 Fig. 8 - Esempio di autoveicolo gia commercializzato predisposto per la alimentazione in mixed fuel (Fonte: Tuttotrasporti Novembre 2002) In ogni caso è comunque possibile proseguire la marcia a gasolio. Con questa soluzione si hanno i seguenti vantaggi: Vantaggi ecologici: o Minor inquinamento assoluto stimato nel 20% in meno secondo i parametri tossicologici o Riduzione della fumosità allo scarico di circa il 60% dell opacità o Riduzione della rumorosità stimata nel 15% in meno circa - Vantaggi economici: o Costi del carburante ridotti del 15% o Costi di trasformazione molto buoni e rapidamente ammortizzabili o Incentivi all acquisto di Vantaggi pratici: o Tempi di trasformazione stimato in 1 2 giorni o Aumento dell autonomia di circa 30 35% di autonomia in più o Possibilità di operare la trasformazione in occasione di manutenzioni consistenti. 15

18 16 Perché questa riconversione venga effettuata a regola d arte è necessario preparare i tecnici e le maestranze, e verso il pubblico è necessaria una informazione anche attraverso la Scuola Media e le scuole di Guida. VI.7. Ricerca applicata: Prototipi di veicoli alimentati a idrogeno Nella combustione dell idrogeno non vengono prodotte sostanze inquinanti né di gas a effetto serra, ma si ha solamente la liberazione di energia e acqua. L idrogeno in natura si trova sempre legato ad altri elementi, per cui per l utilizzo dell idrogeno come combustibile occorre separarlo mediante un processo che assorbe energia primaria. Questo è una delle cause che ha limitato finora l utilizzo di questo elemento come combustibile. Attualmente si produce idrogeno attraverso il processo di reforming degli idrocarburi leggeri oppure dal cracking di idrocarburi pesanti; dall elettrolisi dell acqua che però comporta l uso di energia elettrica. L idrogeno così prodotto può essere utilizzato in motori a combustione interna a ciclo Otto; alcune case automobilistiche stanno sperimentando appunto l uso di questo combustibile per risolvere i problemi che comporta l accumulo dell idrogeno in serbatoi adeguati e sicuri a pressioni di 200 bar, o sotto forma liquida intorno a 20 K o mediante idruri. Un altra tecnologia adatta allo sfruttamento dell idrogeno nella autotrazione è quella delle celle a combustibile per la produzione di energia elettrica da utilizzare in motori elettrici collegati agli assi delle ruote. Vi sono vari esempi di autobus sperimentali alimentati a idrogeno mediante celle a combustibile. La Fig.6 illustra l autobus sperimentale di Torino; le caratteristiche salienti sono illustrate nella tabella 8 seguente. Fig.9. - Schema dell autobus sperimentale a Torino con idrogeno e celle combustibile (Fonte: Thecla Ingegneria e servizi)

19 17 Tab. 8 - Caratteristiche principali dell autobus in sperimentazione a Torino Nozioni elementari di funzionamento della cella a combustibile Una cella a combustibile, il cui schema di funzionamento è riportato nella fig.5, è molto simile ad una batteria elettrica accumulatrice, poiché entrambe producono elettricità attraverso reazioni elettrochimiche. La fondamentale differenza è che la cella a combustibile produce costantemente elettricità fin quanto viene alimentata con il combustibile (Idrogeno), mentre la batteria accumulatrice deve essere ricaricata. La cella a combustibile converte direttamente l energia potenziale chimica della coppia combustibile-ossigeno in energia elettrica senza passare attraverso l energia termica. Il combustibile preferibilmente usato è l idrogeno. Se il combustibile è metano o propano, la cella a combustibile deve essere dotata di un sistema reformer che estrae l idrogeno dai combustibili fossili ricchi di idrogeno.

20 18 Fig Schema di funzionamento di una cella a combustibile (Fonte: Enea) Esistono vari tipi di cella a combustibile adatte all applicazioni su veicoli; esponiamo di seguito alcuni parametri fondamentali relativi alle soluzioni in fase avanzata di sperimentazione. Tab.9 - Caratteristiche principali di funzionamento delle celle a combustibile sperimentate sugli automezzi. A Torino, è già in circolazione in via sperimentale un autobus a idrogeno denominato Progetto Irisbus che utilizza il combustibile prodotto per via elettrolitica dall acqua. Ultimamente anche Bologna e Firenze hanno aderito al progetto Irisbus. Il combustibile idrogeno è la grande promessa energetica del futuro, ma sarà importante produrlo utilizzando le fonti di energia rinnovabili, in modo da realizzare un concreto cambio di rotta ed una effettiva riduzione delle emissioni nocive in atmosfera; per questo si rende necessario predisporre le opportune strutture che ne permettano la produzione. In Europa esistono già alcuni progetti per usare l'idrogeno: alcuni autobus della città di Berlino, così come quelli di Copenhagen e Lisbona, vanno a idrogeno; contemporaneamente in queste città funziona da tempo alcuni distributori di Idrogeno ad alta pressione, superiore a 200 bar, e molta esperienza è stata fatta nella soluzione dei problemi della sicurezza.

21 19 La Commissione europea ha erogato 18,5 milioni di euro per introdurre autobus urbani con pile a idrogeno 2. Su questo filone di ricerca applicata la Sardegna con le sue istituzioni preposte alla ricerca può ancora inserirsi per svolgere un ruolo significativo. 2 fonte