Introduzione
Il consumo energetico mondiale è di circa 13 TW/a, ovvero 13.000 miliardi di Watt per anno[1]. Se si considera che la taglia di potenza media di una lavatrice è circa 1000 W, si può immaginare che il consumo energetico mondiale sia equivalente a 13 miliardi di lavatrici che sono continuamente attive. In realtà questo valore si ottiene dividendo il consumo di energia in qualsiasi forma: elettrica, termica, chimica, etc. per il numero di secondi in un anno.
Circa l'85% di energia proviene da combustibili fossili: carbone, gas, petrolio che producono emissioni climalteranti. Una semplice proiezione statistica ci dice che nel 2050 il consumo energetico globale sarà di 28 TW/a[2].
Questa proiezione è probabilmente sottostimata, dal momento che presuppone un consumo medio procapite pari a 2 kW/persona, mentre nei paesi industrializzati il consumo medio procapite è pari a 10 kW/persona.
È ormai conclusione condivisa che le emissioni in atmosfera debbono essere ridotte. Diversi studi indipendenti hanno definito obiettivi di riduzione delle emissioni, si vedano ad esempio Wigley, Richels and Edmonds[3], o IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)[4]. Questi obiettivi sono riportati in figura 1 (curve in rosso) insieme alle proiezioni di consumo per le principali fonti energetiche. Gli obiettivi di riduzione delle emissioni sono rispettati, qualora l'utilizzo di combustibili fossili sia limitato al di sotto delle parabole rosse.
Da queste semplici considerazioni si evince che si debbono intraprendere azioni decise per ridurre l'aumento lineare di consumo energetico. Parallelamente la riduzione di emissioni si può perseguire aumentando il rendimento energetico dei sistemi di conversione, trasporto ed utilizzo dell'energia, oppure utilizzando fonti energetiche alternative ai combustibili fossili. Tra esse vi è una interessante sottoclasse che viene comunemente indicata con il termine fonti energetiche rinnovabili. Si definiscono fonti energetiche rinnovabili quelle il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future o che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani".
Per la normativa italiana le fonti energetiche rinnovabili sono: il sole, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici (cfr. Decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79, art. 2 comma 15).
Il problema del consumo di energia disomogeneo, citato in precedenza, oltre ad essere un problema di equità sociale è una potenziale fonte di conflitti socio-economici. Infatti attualmente le zone più popolate sono quelle che richiedono minori quantità di energia e spesso i maggiori produttori di energia non sono i maggiori consumatori. Se, come prevedibile, le aree della terra più popolate richiedessero una quantità di energia simile a quella dei paesi più sviluppati i contrasti per il controllo dei combustibili fossili aumenterebbero. L'attuale dissimmetria è "fotografata" dalla figura 2 che mostra l'illuminazione dei diversi paesi del mondo durante le ore notturne[6].
D'altra parte il fabbisogno energetico aumenta costantemente per l'aumento di popolazione e per il nostro stile di vita, mentre le fonti primarie di energia si mantengono costanti. Vi è quindi un insieme di cause socio-economiche, ambientali e tecnologiche che creano il cosiddetto problema energetico.
Nel tentativo di invertire questa crescita sono state proposte alcune azioni a diversi livelli. In Europa gli obiettivi principali sono sintetizzati dalla politica 20-20-20 della comunità europea (cfr. Presidency conclusions, Brussel 8/9 March 2007 European Community):
Il perseguimento di questi obiettivi consentirebbe di ridurre il consumo di fonti energetiche primarie mantenendo costante il consumo di energia finale. Inoltre l'utilizzo di fonti energetiche primarie rinnovabili allevierebbe il problema dell'esaurimento dei combustibili e dell'impatto ambientale dei combustibili fossili.
Da queste considerazioni introduttive si deduce che un possibile approccio alla soluzione del problema energetico è la diversificazione delle fonti di energia, inteso come reperimento di varie fonti energetiche sostenibili, ovvero coerenti con le caratteristiche ambientali. La diversificazione delle fonti di energia è un problema complesso che non può esulare da considerazioni sociali e tecnico-economiche. In questo documento verrà presentata un'analisi delle soluzioni tecnologiche per la conversione delle fonti energetiche primarie in energia fruibile, ovvero in energia meccanica, elettrica e termica (per il condizionamento ambientale). L'analisi verrà nel seguito ristretta al caso del consumo di energia elettrica per usi civili e residenziali, che rappresenta circa il 30-40% del consumo energetico complessivo[7].
In figura 3 sono riportate le percentuali di utilizzo di energia divise per settori industriali nel caso italiano[8].
L'analisi comparativa delle diverse soluzioni tecnologiche non può essere limitata ai soli parametri quantitativi, quali prestazioni e rendimenti energetici. I parametri che verranno analizzati sono:
Nell'attuale situazione i costi sociali non sono considerati nei prezzi pagati per l'elettricità, quindi le fonti energetiche rinnovabili sono caratterizzate da costi molto maggiori, come si evince dalla figura 4.
Si può stimare che i costi sociali per le centrali elettriche a carbone o a olio combustibile superino i 5-6 cent di Euro al kWh, ovvero essi sono vicini al prezzi al dettaglio per l'energia.
Un altro parametro intuitivo legato a EROEI è il tempo di ritorno dell'investimento energetico, "Energy Payback Time" (EPT). Esso rappresenta il tempo necessario affinché un impianto produca una quantità di energia utile pari a quella necessaria per produrlo. È equivalente al "tempo di ritorno dell'investimento". Esso consente una valutazione diretta del reale impatto ambientale di fonti di energia primarie. In particolare il confronto tra il tempo di ritorno dell'investimento energetico e il tempo di vita dell'impianto consente di fare una efficace valutazione tecnico-economica.
In conclusione, la scelta della tecnologia da utilizzare dipende da molteplici fattori che non possono escludere il problema del costo energetico di produzione e i costi di esternalità.
La sommaria analisi condotta dimostra che ad oggi non esiste una tecnologia disponibile per sostituire i combustibili fossili.
Inoltre, la produzione di energia da fonti energetiche rinnovabili può portare ad uno scenario complesso in cui la produzione di energia è delocalizzata in tante micro-centrali. Questo provoca nuovi ed importanti problemi di distribuzione e di accumulo dell'energia per evitare che i costi di trasporto dell'energia siano superiori ai vantaggi ottenuti.
Recentemente gli incentivi per la realizzazione di impianti basati su energia solare hanno ridotto i costi di queste tecnologie e si stima che nel 2010 i costi dell'energia solare siano equivalenti a quelli dell'energia nucleare[9]. Questo "sorpasso" è un buon viatico per la diffusione di energia solare nel prossimo futuro.
Tecnologie per conversione di energia per applicazioni civili e residenziali
Come detto l'analisi verrà limitata al caso del consumo di energia elettrica per usi civili e residenziali. Il condizionamento ambientale rappresenta la grande maggioranza di questo fabbisogno (fig. 6).
Diversi indicatori statistici mostrano che è prevalente la richiesta di raffrescamento, rispetto a quella di riscaldamento (fig. 7). Quindi, il dimensionamento dei sistemi di approvvigionamento energetico deve essere basato sui picchi estivi.
L'adozione di misure per favorire il risparmio energetico nelle abitazioni civili e nelle attività produttive è la direzione preferibile, sia perché è quella che richiede minori costi, sia perché ha un impatto ambientale diretto. È indispensabile realizzare azioni decise per ridurre il consumo energetico delle nostre abitazioni e l'utilizzo di autoveicoli. Due esempi mostrano come le "cattive abitudini" possano avere un impatto enorme nel nostro futuro energetico.
Immaginiamo che 5 miliardi di persone utilizzino un'automobile di piccola taglia con un motore termico di 50 kW (68 CV) per un ora al giorno. Complessivamente il consumo energetico sarà pari a 10 TW, ovvero una buona porzione del consumo energetico mondiale attualmente pari a 13 TW. Analogamente per mantenere all'interno di 1 miliardo di abitazioni di 100 m2 5°C (in più o in meno) rispetto all'ambiente esterno sono richiesti 4.5 TW. Tale consumo energetico può essere ridotto in maniera molto significativa adottando misure per l'isolamento termico, infatti una casa "passiva" richiede meno di un quarto dell'energia mediamente richiesta dalle nostre abitazioni.
Oltre all'adozione di strategie per favorire il risparmio energetico si sta affermando la conversione di energia a ciclo combinato (cogenerazione o trigenerazione).
La trigenerazione è la produzione contemporanea di energia elettrica, termica e frigorifera utilizzando un solo combustibile (fonte primaria di energia). La cogenerazione è la produzione contemporanea di energia elettrica e termica utilizzando un solo combustibile. La trigenerazione consente di convertire in energia utilizzabile l'80-90% dell'energia del combustibile, contro il 50-55% delle più moderne centrali termoelettriche. Questo significa ridurre il consumo di combustibile primario a parità di uso finale di energia, e conseguentemente ridurre l'impatto ambientale e i costi. Si può stimare che la produzione di energia elettrica comporti un fattore di emissione pari a 0.722 kg CO2 per kWh. Tale fattore si riduce a circa 0.2 kg CO2 per kWh nel caso di energia termica. Questi fattori di emissione dipendono fortemente dal paniere energetico, ovvero dalle fonti primarie di energia utilizzate. Infatti, questo fattore aumenta nel caso di utilizzo di petrolio o carbone, diminuisce nel caso di gas naturale, e diventa trascurabile nel caso di utilizzo di fonti energetiche rinnovabili.
L'utilizzo di sistemi di trigenerazione o cogenerazione a livello residenziale si definisce micro-cogenerazione diffusa. Attualmente la micro-cogenerazione o cogenerazione diffusa presenta tre principali limitazioni: di tipo tecnologico, di tipo normativo e di tipo ambientale.
Dal punto di vista tecnologico per sua natura la cogenerazione (o trigenerazione) diffusa è dimensionata per sistemi di taglia piccola, rendendo molto difficile il funzionamento in condizioni ottimali. Inoltre il "carico" è assolutamente variabile e difficilmente prevedibile, e le richiesta di energia elettrica e di condizionamento ambientale sono di solito scorrelate e sbilanciate. La manutenzione è ancora un grosso limite per tutte le soluzioni basate su macchine a combustione interna, infatti circa il 30% dei profitti derivanti dalla cogenerazione viene utilizzato per coprire i costi di manutenzione.
Dal punto di vista normativo spesso non vi sono regolamenti specifici per la micro-cogenerazione rendendo difficile ottenere incentivi e immettere in rete l'energia in eccesso.
Dal punto di vista ambientale, nel caso di soluzioni basate su macchine a combustione interna, l'emissione di inquinanti è spostata da grandi centrali controllate ed ottimizzate, collocate in posizione decentrata, ad una rete capillare e distribuita caratterizzata da collocazione geografica infelice e prestazioni sub-ottimali. Per questo motivo le normative municipali stanno diventando molto più stringenti per limitare soluzioni che paradossalmente possono portare ad un aumento delle emissioni. Inoltre, oltre all'inquinamento diretto, dovuto al funzionamento dell'impianto, va considerata anche l'esternalità dovuta all'estrazione ed al trasporto del combustibile. Si può stimare che in un impianto di micro-cogenerazione a metano le emissioni totali derivano per l'80% dall'utilizzo diretto e per il 20% dall'estrazione e dal trasporto a monte del combustibile[10]. Naturalmente va considerato come elemento negativo il prezzo dei combustibili fossili e la produzione di olii esausti.
Queste limitazioni si possono superare solo con soluzioni di micro-cogenerazione che non si basino su macchine a combustione interna e che non si basino su combustibili fossili.
Esistono soluzioni tecnologiche per realizzare un sistema di trigenerazione basato su fonti energetiche rinnovabili. In particolare, è possibile utilizzare collettori solari (termici, fotovoltaici o a concentrazione) e utilizzare l'energia prodotta per produrre energia elettrica, termica e frigorifera attraverso opportune macchine termiche (a compressione o ad assorbimento). L'accoppiamento delle diverse tecnologie porta a prestazioni diverse, che possono essere oggettivamente confrontate, in base alle caratteristiche climatiche e geografiche[11].
Qualora le condizioni di irraggiamento siano favorevoli, ovvero qualora sia disponibile luce diretta, le prestazioni dei collettori solari (pannelli termici o fotovoltaici) possono essere sensibilmente migliorate utilizzando specchi e lenti per concentrare i raggi solari. In particolare con i cosiddetti concentratori solari è possibile raggiungere temperature di 3000°C oppure fattori di concentrazione fino a 500 volte. Essi sono caratterizzati dalla necessità di un sistema di inseguimento solare, che li mantenga orientati in direzione del sole. Nel caso di sistemi fotovoltaici a concentrazione un fattore di concentrazione di 100 volte significa concentrare in un decimetro quadrato la potenza resa disponibile ad un metro quadrato di terreno, ovvero circa 1 kW. Questo consente di utilizzare materiali attivi per la conversione di energia molto pregiati ed efficienti, aumentando complessivamente il rendimento energetico. La Figura 8 mostra che le tecnologie attualmente disponibili per i pannelli piani fotovoltaici consentono di raggiungere un rendimento energetico massimo pari al 15%, ovvero richiedono circa 7 m2 per produrre 1 kW. Con i collettori a concentrazione si può arrivare a rendimenti energetici del 30-40% aumentando le prestazioni e riducendo i costi.
I collettori solari possono essere utilizzati per fornire acqua calda e riscaldamento o per generare energia elettrica.
Nel primo caso il serbatoio provvede a immagazzinare l'acqua domestica, che viene messa a contatto con il fluido tramite una serpentina che consente al fluido di trasferire all'acqua l'energia immagazzinata senza contaminarla. I pannelli solari sono in grado di fornire acqua calda e riscaldamento in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento a causa della non prevedibile disponibilità di energia solare.
Nel secondo caso il fluido secondario dello scambiatore di calore viene riscaldato fino ad essere portato ad ebollizione. Quando il liquido è passato in fase gassosa lo si invia in un gruppo turbina-alternatore che produce energia elettrica. Questo tipo di centrale elettrica richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di irraggiamento costante. Alcuni esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e un impianto pilota è in fase di avvio a Priolo in Sicilia. L'utilizzo di concentratori solari aumenta la temperatura disponibile e di conseguenza le prestazioni degli impianti. Nella provincia di Granada in Spagna sono attivi dal 2008 alcuni impianti di taglia superiore a 50 MW, basati su concentratori solari.
Questa tecnologia viene comunemente indicata con il nome di solare termodinamico.
Conclusioni
La situazione energetica globale richiede azioni socio-economiche per realizzare sistemi di conversione ed utilizzo dell'energia sostenibili.
Il rispetto dei limiti di emissione sostenibili dal nostro pianeta richiede azioni decise verso la riduzione dei consumi energetici e l'utilizzo di fonti primarie di energia a ridotto impatto ambientale.
La riduzione dei consumi attraverso il risparmio energetico è il principale obiettivo da perseguire. Si tratta di un obiettivo che non richiede evoluzioni tecnologiche o investimenti significativi, ma semplicemente la riconversione delle abitudini e una riduzione degli sprechi. Piccoli esempi mostrano come è possibile ridurre significativamente (30-40%) i consumi energetici residenziali e delle attività produttive attraverso la riqualificazione energetica dei sistemi di condizionamento ambientale e delle macchine. Il risparmio energetico deve diventare il primo obiettivo di qualsiasi politica di programmazione strategica.
La scelta delle fonti primarie per la produzione di energia deve essere vincolata a parametri ambientali. L'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili garantisce indipendenza energetica e la disponibilità di energia in scale di tempo non limitate, mentre le attuali scelte energetiche costruiscono una società destinata a limitare i propri consumi nella scala di poche generazioni[12]. In questo ambito, l'utilizzo di energia solare nelle sue varie forme (solare fotovoltaico, solare termico e solare termodinamico) è una soluzione attuale, matura in molti aspetti, limitata solo da un'economia che non considera in maniera esplicita le esternalità, ovvero che non quantifica i costi ambientali degli impianti basati su fonti energetiche fossili.
Una politica energetica lungimirante deve incentivare l'uso di energia solare e introdurre la fiscalità ambientale, ovvero inserire esplicitamente nei bilanci economici i costi di esternalità, imponendo oneri fiscali agli impianti con maggiore impatto ambientale.
