energia per un futuro sostenibile e fonti rinnovabili

Energia per un futuro sostenibile

e fonti rinnovabili

Energia per un futuro sostenibile e fonti rinnovabili

2008 ENEA

Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente

Lungotevere Thaon di Revel, 76 - Roma

ISBN 88-8286-160-0

Energia per un futuro sostenibilee fonti rinnovabili

di

Francesco Paolo Vivoli

con il contributo di

G. Anselmi, F. Gracceva, P. La Mendola, C. Mocci

M. Citterio, N. Fratini, D. Marano, G. Mizzoni

V. Sabatelli, S. Castello, G. Graditi, R. Schioppo

A. Scognamiglio, B. Serrecchia, L. Zingarelli, L. Pirazzi

G. Braccio, E. Scoditti, A. Moreno, M. Ronchetti, S. Fontana

editing

A. Sinopoli, A. Medoro, M. Renzopaoli

F. Narracci

Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente

REGIONE SICILIANAASSESSORATO INDUSTRIA

Presentazione

Il volume viene pubblicato nell’ambito del programma SICENEA, finanziato dal-

l’Assessorato Industria della Regione Siciliana per promuovere una maggiore consa-

pevolezza riguardo i problemi energetici e ambientali e sensibilizzare all'impiego delle

fonti rinnovabili e all'uso razionale dell'energia nei vari settori produttivi e civili.

Uno degli obiettivi del programma è il raggiungimento, da parte di Enti locali, Imprese,

progettisti, installatori, energy manager e cittadini, di un adeguato livello di consape-

volezza riguardo le relazioni tra consumi di energia, inquinamento e cambiamenti cli-

matici e sulle scelte necessarie a perseguire un modello di sviluppo sostenibile, che

assicuri condizioni favorevoli allo sviluppo e disponibilità di energia nel rispetto dei limi-

ti biofisici del pianeta.

Questo volume, dopo una visione d’insieme sulle problematiche che riguardano le inte-

razioni tra i sistemi energetici e l’ambiente, offre una panoramica aggiornata sullo svi-

luppo, sullo stato di utilizzo e sulle prospettive delle nuove fonti rinnovabili. Rivolto a

tecnici, professionisti e a quanti operano, svolgono azione di orientamento e prendo-

no decisioni in ambito energetico, esso consente di acquisire gli strumenti necessari

all’individuazione delle opportunità di utilizzo delle risorse energetiche rinnovabili sul

territorio di interesse, nonché alla messa in opera di strategie di sviluppo di “virtuosi”

sistemi energetici locali.

Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

ENERGIA PER LO SVILUPPO

Capitolo UnoSviluppo sostenibile e energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.1 Cos’è lo “sviluppo sostenibile”? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

L’approccio umanistico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Formulare una strategia di sviluppo sostenibile . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Energia e sostenibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2 Energia: caratteristiche e specificità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Il calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21L’energia meccanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Aspetti collaterali all’utilizzo dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3 Sviluppo e variabilità del clima terrestre, “effetto serra” . . . . . . . . . . . . 23

Capitolo DueL’energia e le interazioni con l’ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1 Accordi Internazionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2 La conversione energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Il “valore” delle fonti di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Ritornare all’atmosfera “naturale” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28La conversione energetica, solo se necessario . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3 Elettricità e idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4 Generazione centralizzata e reti di distribuzione o generazione diffusa? 30

Capitolo TreL’energia nel mondo: scenari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.1 I due scenari energetici dell’IEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Lo scenario di riferimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Lo scenario alternativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2 Il quadro energetico mondiale: gli scenari di evoluzione dei mercati . 353.3 Le rinnovabili nel quadro energetico complessivo . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.4 Previsioni e scenari per le fonti di energia rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . 38

Scenari globali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Le politiche europee per lo sviluppo delle fonti rinnovabili . . . . . . . 39

Indice

I recenti orientamenti dell’Unione Europea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Il ruolo delle FER in alcuni scenari di riferimento . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.5 Un obiettivo per il sistema energetico globale: la “stabilizzazionedel clima” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.6 Efficacia delle forme di incentivazione e ostacoli allo sviluppo delle FER 44

Capitolo QuartoEvoluzione delle politiche energetiche per lo sviluppo sostenibile . . . . . . . . 464.1 La conferenza di Rio 1992 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2 La conferenza di Kyoto 1997 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

I meccanismi del Protocollo di Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Il Mercato Europeo delle Emissioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3 La cooperazione della UE con i paesi in via di sviluppo . . . . . . . . . . . . . 52Investimenti Diretti Esteri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52La distorsione tariffaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Un quadro di riferimento per la cooperazione energetica . . . . . . . . . . . . . 53

4.4 Sostegno e incentivazione delle rinnovabili in Italia . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Capitolo CinqueLe fonti di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.1 Le fonti non rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Il carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Gli idrocarburi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66L’energia nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.2 Le fonti rinnovabili di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Energia eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Energia fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Energia da biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Energia solare termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Energia geotermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Energia idraulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Energia dal mare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Idrogeno e fuel cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Capitolo SeiEsternalità delle fonti energetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.1 Esternalità: concetto teorico e quadro d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2 La problematica della valutazione economica delle esternalità . . . . . . 79

Concetti di valore dell’ambiente: il “valore d’uso”e il “valore di esistenza” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Calcolo delle esternalità: la metodologia ExternE . . . . . . . . . . . . . . . 82

8 Energia per un futuro sostenibile e fonti rinnovabili

LE FONTI RINNOVABILI DI ENERGIA

Capitolo SettePerché le fonti rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867.1 Energia e attività antropiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Lo sfruttamento delle risorse naturali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Conseguenze delle attività antropiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

7.2 Le fonti energetiche rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897.3 Sostenibilità dello sviluppo e fonti rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907.4 Quali opzioni per il futuro? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Capitolo OttoEnergia solare termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948.1 La tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Il sistema solare termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Impianti ad alta e a bassa temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

8.2 Collettori solari: caratteristiche e principi di funzionamento . . . . . . . . . 978.3 Le aree di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Acqua calda sanitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Piscine e agricoltura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Riscaldamento ambientale: pannelli e pavimenti radianti . . . . . . . . 100

8.4 Costi e benefici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1018.5 Il mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.6 Le attese della tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Capitolo NoveEnergia solare termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1069.1 Il sistema solare termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079.2 Le tecnologie attualmente disponibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

I collettori parabolici lineari: Parabolic Trough . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Il sistema a torre centrale: Solar Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110I dischi parabolici: Parabolic Dish . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

9.3 Costi e benefici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1129.4 Lo stato attuale delle tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Il ruolo dell'ENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114L'impianto dimostrativo dell'ENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Capitolo DieciEnergia fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11610.1 La conversione fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

La radiazione solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117L'effetto fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

9 Indice

La cella fotovoltaica: efficienza di conversione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119La tecnologia del silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Le nuove tecnologie, i film sottili, la terza generazione . . . . . . . . . . 120Moduli fotovoltaici e stringhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

10.2 Il sistema fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Il campo o generatore fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Le strutture di sostegno moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Il sistema di conversione e controllo della potenza: inverter . . . . . . 125

10.3 Tipologie impiantistiche e applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Gli impianti isolati (stand-alone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Gli impianti collegati alla rete (grid-connected) . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.4 Vantaggi del fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Il risparmio di combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Tempo di ritorno dell'investimento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . 132L'impatto sul territorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

10.5 Costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13410.6 Mercato e prospettive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Capitolo UndiciEnergia eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14011.1 La risorsa eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Il vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Dove installare un impianto eolico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

11.2 Impianti eolici, sottosistemi e tipologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Rotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Generatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Elettronica di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Tipologie di impianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

11.3 La progettazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14511.4 Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Le applicazioni on shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Le applicazioni off shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

11.5 Costi e benefici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14811.6 Il mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Capitolo DodiciEnergia dalle biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15212.1 Le biomasse e la loro conversione energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15312.2 Le tecnologie di conversione termochimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156Gassificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158Pirolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159La termovalorizzazione dei rifiuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161


12.3 Le tecnologie di conversione biochimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Digestione anaerobica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Digestione aerobica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

12.4 Produzione di combustibili liquidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Produzione di biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Fermentazione alcoolica e bioetanolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

12.5 Le principali aree di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Energia per uso domestico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Energia termica per usi industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Biocombustibili per i veicoli a motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

12.6 Costi e benefici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167Potenziale energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167Biomasse e territorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

12.7 Mercato e sviluppi futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Capitolo TrediciIdrogeno e celle a combustibile: energia per il futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . 17013.1 Il futuro energetico: fonti rinnovabili e idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17113.2 L'idrogeno come “vettore energetico” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Il vettore idrogeno e la resa energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

13.3 Le tecnologie di produzione dell'idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Produzione di idrogeno da combustibili fossili . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Produzione di idrogeno da fonti rinnovabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

13.4 Le tecnologie per l'accumulo e il trasporto dell'idrogeno . . . . . . . . . . . 178Tecnologie di accumulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Il trasporto dell’idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

13.5 Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18113.6 Celle a combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182Gli Impianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Aree di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185Costi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

AllegatiUn mondo di energia più sostenibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190Motivazione e situazioni di mercato che influenzano e determinano gli scenari energetici futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196Unità di misura dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

11 Indice

L'obiettivo del volume è quello di offrire una panoramica sullo stato di utilizzo e sulleprospettive offerte dalle fonti rinnovabili, a partire dall’illustrazione delle problemati-che energetico-ambientali nell’ottica dello sviluppo sostenibile.Si comincerà, nella prima sezione del volume, con l’approfondimento del concetto disviluppo sostenibile, le sue interrelazioni con l'Energia, e verrà infine delineato il qua-dro energetico attuale e le previsioni per il futuro, in particolare per quanto riguardale fonti rinnovabili.Queste verranno poi, nella seconda parte del volume, trattate attraverso l’analisi sin-tetica dei seguenti aspetti:� definizione della tecnologia e sviluppi previsti,� settori e campi di applicazione,� indicazioni sui costi,� mercato e prospettive.Quale naturale complemento alla trattazione delle fonti che hanno origine dal sole, sidelineeranno anche le informazioni di base utili all’approccio alla tecnologia che sfrut-ta il vettore energetico idrogeno. Se questo fosse ricavato da fonti rinnovabili infatti, ilsuo utilizzo come vettore energetico porterebbe, nelle speranze di tanti ricercatori, inun futuro più o meno prossimo, a un sistema energetico che renda compatibile l’aspet-tativa di sviluppo con le capacità del pianeta di sostenere tutte le diverse forme di vita,rispettando i limiti delle sue risorse naturali e garantendo un elevato livello di prote-zione e miglioramento della qualità dell’ambiente.Verranno illustrati, per ciascuna fonte rinnovabile, gli aspetti utili alla progettazione di stra-tegie, azioni programmatiche e politiche finalizzate alla valorizzazione della risorsa, ancheal fine di sollecitare la domanda di innovazione da parte delle imprese per risponderealla richiesta di uno sviluppo regionale socialmente e ambientalmente consapevole.Questo volume vuole permettere al lettore di appropriarsi degli strumenti necessariper una scelta energetica adeguata alle proprie esigenze relativamente:� alla messa in opera di strategie di sviluppo del sistema energetico locale in un’otti-

ca di sviluppo sostenibile,� all'individuazione delle opportunità di localizzazione delle risorse energetiche rinno-

vabili disponibili sul territorio di interesse.Il volume è rivolto sia ai decision makers, opinion makers e energy managers, sia aitecnici operanti nei diversi settori che afferiscono alle tecnologie e agli impianti chesfruttano le diverse fonti che hanno origine dal sole.Essendo stato concepito come strumento di sensibilizzazione, le conoscenze e le infor-mazioni qui raccolte potranno essere fruite da tutti coloro che, interessati alle temati-che energetiche e ambientali, vogliano passare dalla conoscenza dei problemi adun’azione pratica; ivi compresi, almeno per un'azione di primo approccio alla tecnolo-gia, i progettisti degli impianti.

Premessa

Energia per lo sviluppo

Capitolo Uno

Sviluppo sostenibile ed energia

«Gli esseri umani sono al centro delle

preoccupazioni relative allo sviluppo

sostenibile. Essi hanno diritto ad una

vita sana e produttiva in armonia con la

natura».

I tre pilastri dello sviluppo sostenibilesono: crescita economica, equità sociale,protezione dell’ambiente. La realizzazionedi uno sviluppo sostenibile non può esse-re raggiunta agendo solo sull’aspettoambientale del problema, ma è necessa-ria anche l’integrazione con le politicheeconomiche e sociali, e può essere attua-to intraprendendo attività, pratiche e azio-ni di breve, lungo e medio periodo.La componente economica prevede lamassimizzazione del benessere, e di con-seguenza l’eliminazione della povertà, macon un utilizzo efficiente delle risorse natu-rali. Le “esigenze” cui fa riferimento la defi-nizione del rapporto sono soprattuttoquelle di base dei poveri, cui occorre darela priorità.La componente sociale vuol promuovereun maggior benessere diffuso, miglioran-do l’accesso all’istruzione e ai servizi medi-ci di base, garantendo il rispetto per idiritti umani, valorizzando le diverse cul-ture, il pluralismo, la partecipazione deicittadini nei processi decisionali. L’equità,intesa come distribuzione di benefici eaccesso alle risorse, è una componente

[1.1]Cos’è lo “Svilupposostenibile”?

L’espressione Sviluppo sostenibile, spes-so usata dai mass media e ricorrente inmolti dibattiti, proviene sia dal linguaggiopolitico che dalle scienze sociali e econo-miche. Comprendere e tradurre questa espres-sione nel contesto delle scienze tecnichee naturali non è semplice. A riguardo sipossono considerare diversi autorevolipunti di vista.La definizione più nota di sviluppo soste-nibile è quella riportata nel rapporto dellacommissione Brundtland, Our CommonFuture, dove viene presentato come so-stenibile lo sviluppo che soddisfa le esi-genze del presente senza compromette-re la capacità delle generazioni future disoddisfare le proprie.La pubblicazione del rapporto nel 1987 eil lavoro della Commissione Internazionaleper l'Ambiente e lo Sviluppo (WCED,World Commission for Environment andDevelopment), costituirono la base per ilsummit del 1992 di Rio, l’approvazione diAgenda 21 e l’istituzione della Commis-sione delle Nazioni Unite per lo svilupposostenibile. Il Principio 1 della dichiarazio-ne di Rio sull’ambiente e sullo svilupporecita:

dere il contesto naturale e sociale entroil quale essi vivono;

� a capacità di prevenire o trattare malat-tie, attraverso l’igiene, la diffusione diconoscenza, le competenze terapeuti-che;

� la capacità di trasportare persone ebeni in tutta sicurezza, in modo conve-niente e nei tempi che le tecnologiedisponibili rendono possibili;

� la disponibilità di energia di buona qua-lità e in quantità sufficiente; è propriol’energia, per inciso, che permette diconseguire gli obiettivi appena men-zionati.

Tutti questi fattori possono essere “pesa-ti” analizzando i dati risultanti da analisistatistiche. Ad esempio, possono esseremisurati:� cibo, calorie e alimenti usati al giorno

per popolazione;� accesso alle risorse idriche e metri cubi

d’acqua disponibili per persona;� metri quadrati di abitazione fruibili pro

capite;� calorie e kWh elettrici da usare all’anno

per esigenze connesse alla qualità divita;

� longevità media della popolazione, dif-fusione di patologie connesse alla man-canza di igiene e alle condizioni di vita,statistiche sulla mortalità infantile e allanascita, ecc.

I differenti fattori sopra elencati sonosenza dubbio soggetti a influenza recipro-ca, e il loro “peso” è determinato dallacultura di chi esprime la valutazione.Inoltre, essi presumono una forte presen-za di “collettività” nello sviluppo. È impos-sibile organizzare la fornitura d’acqua, lereti fognarie, le scuole e gli ospedali,senza una capacità di collaborazione col-lettiva e senza un’efficiente distribuzionedei compiti.

essenziale delle dimensioni economica esociale dello sviluppo sostenibile.La componente ambientale è connessaalla conservazione e al miglioramentodelle risorse fisiche e biologiche dell’eco-sistema.

L’approccio umanisticoL’uso della parola “sviluppo”, secondouna prospettiva umanistica, si riferisce adun miglioramento complessivo degli stan-dard di vita della popolazione di un Paese.Secondo quest’interpretazione, al fine ditestare gli sviluppi correnti, è necessariofare le seguenti comparazioni:� la condizione corrente di un Paese, ri-

spetto a quella precedente,� la condizione della popolazione di un

Paese, rispetto a quella di un’altra po-polazione vivente in una zona geogra-fica simile.

La valutazione del grado di sviluppo diun Paese si basa su dei fattori, a ciascu-no dei quali deve essere assegnato unvalore, un’importanza, in altri termini un“peso”, in rapporto agli altri. Questa valu-tazione può non essere univoca, poichédipende da elementi che sono spessoarbitrari; ad ogni modo, tutti gli studiosisono d’accordo su alcuni fattori economi-ci e sociali che caratterizzano lo “svilup-po” fra questi:� la disponibilità per tutti gli abitanti di un

Paese di cibo sufficiente;� l’accesso all’acqua potabile, nonché

all’acqua per usi igienici, per l’agricol-tura e per altri usi, in quantità sufficien-te per tutti e di buona qualità;

� la disponibilità di case, allo scopo digarantire il dovuto comfort alla vitaumana, anche quando le condizioniambientali esterne sono rigide;

� l’opportunità per i giovani di consegui-re la conoscenza necessaria a compren-


grandole alle politiche già esistenti. Si trat-ta di un processo oneroso che prevedecambiamenti legislativi, il coinvolgimentodella società civile e lo sviluppo di nuovecapacità, ma l’assenza di coordinamentofra le diverse politiche finisce per penaliz-zare il processo virtuoso di creazione di unsistema energetico sostenibile.Spesso, nello sviluppo di strategie di svi-luppo sostenibile, si parte da una piatta-forma base iniziale che contiene la spie-gazione della strategia che si vuol perse-guire, di come essa si integri con le poli-tiche esistenti, dei suoi benefici e di ciòche comporta la sua attuazione. Per attua-re concretamente una politica di questotipo è tuttavia necessario chiarire i ruoli ele responsabilità delle istituzioni, e indivi-duare i meccanismi con cui rendere par-tecipe la società civile.Il secondo passo consiste nell’analisi dellacorrente situazione economica, sociale eambientale ad opera di agenzie, universi-tà, istituzioni politiche e di ricerca, al finedi identificare i problemi più importanti,compresi quelli avvertiti dall’opinione pub-blica, e di stabilire le priorità.A questo punto si può iniziare ad imple-mentare la strategia, stabilendo i ruoli ele responsabilità degli enti coinvolti, pre-parando dettagliati piani d’azione (ingenere di durata annuale), aggiornando lalegislazione, preparando programmi epriorità di allocazione delle risorse econo-miche disponibili.L’esperienza maturata nei Paesi che han-no attuato politiche di sviluppo sosteni-bile ha mostrato l’importanza della fase dimonitoraggio e valutazione delle azioniintraprese, per verificarne l’efficacia attra-verso l’uso di indicatori qualitativi e quan-titativi che evidenzino i progressi com-piuti e i punti in cui migliorare il pianod’azione. Si tratta quindi di un processo continuo

Altri fattori che caratterizzano lo svilupposono quelli riguardanti le relazioni e la cul-tura. Ad esempio:� disponibilità di tempo libero, � attività artistiche, culturali e ricreative, � attività fisiche e sportive, � libera partecipazione nell’amministra-

zione e nell’organizzazione collettiva, � uguaglianza di diritti e doveri, � informazione e diffusione di idee e di

cultura, ecc.Di certo, qualsiasi idea di sviluppo devecomprendere questi fattori.

Formulare una strategiadi sviluppo sostenibileL’implementazione di un’efficace strate-gia di sviluppo sostenibile nazionale,necessariamente legata a fattori politici,storici, ecologici locali, dovrebbe preve-dere la definizione di processi di consul-tazione, negoziazione, mediazione e dicostruzione di consenso sulle diverse prio-rità. Tale approccio dà ai “decision-makers” la possibilità di adottare un ap-proccio sistematico.Tra i vantaggi di quest’approccio è possi-bile individuare: � una semplificazione nell’attività di pia-

nificazione, insieme ad un miglioramen-to dell’efficacia delle politiche pubbli-che;

� una migliore allocazione delle risorse, inbase alle priorità individuate nel proces-so di partecipazione, che permetta unadivisione dei benefici dello sviluppo subasi più eque;

� un miglioramento delle capacità delsingolo nella risoluzione di problemicomplessi, che comporterà lo sviluppodi capacità multidisciplinari a livello cen-trale e locale.

Molte nazioni sviluppate hanno formula-to strategie di crescita economica, di svi-luppo sociale, e strategie ambientali, inte-

19 Sviluppo sostenibile ed energia

variazione dei materiali e delle risorse chela Terra ci offre.

Quali attività umane sono“sostenibili”?Sono “sostenibili” tutte quelle azioni chenon comportano un danneggiamento ouna perdita di risorse naturali e che quin-di si svolgono nel pieno rispetto dell’am-biente. La sostenibilità, o “eco-compatibi-lità”, delle attività umane è sempre ogget-to di valutazioni soggettive; alcuni requi-siti delle attività sostenibili sono:� la prevenzione dei comportamenti che

hanno un impatto negativo sull’am-biente,

� la reversibilità dei cambiamenti am-bientali,

� la possibilità di reintrodurre nell’am-biente i materiali usati nei processi tec-nologici, alla fine dei processi stessi,

� la riutilizzazione dei materiali e dei dif-ferenti tipi d’energia impiegati nei pro-cessi, allo scopo di limitare la misuradelle trasformazioni ambientali.

A riguardo, ci sono specifiche impostazio-ni tecniche che, nei paesi industrializzati,sono spesso incluse in leggi e regolamen-ti. In realtà, non esistono variazioni am-bientali totalmente reversibili, o materialiestratti dall’ambiente che possano esservireintrodotti come se nulla fosse accaduto.In campo energetico vengono considera-ti sostenibili quei modi di produrre e uti-lizzare le diverse forme di energia che noninquinano l’atmosfera, il suolo, le acque.Attualmente il 20% della popolazionemondiale utilizza oltre l’80% delle risorsedel pianeta in modo non sostenibile, con-sumando fonti energetiche fossili, non rin-novabili, ad una velocità abbondantemen-te superiore quella della loro formazione.In questa maniera si immette in atmosfe-ra un’elevata quantità di gas ad effettoserra, con conseguenti alterazione dei cicli

di pianificazione, azione e verifica dell’ef-ficacia di quanto intrapreso.

Energia e sostenibilitàIl concetto di “sviluppo”, secondo una pro-spettiva umanistica che tenga conto prin-cipalmente delle esigenze della comunitàumana, considera in qualche modo accet-tabili tutti i cambiamenti che l’ambiente eil territorio subiscono a causa del compor-tamento umano, se finalizzati a miglioraregli standard di vita delle persone.

Il punto di vista “ambientalista”Un approccio ideologico opposto è quel-lo che considera negativamente queicomportamenti umani che modificanol’ambiente naturale entro il quale la comu-nità vive. Secondo quest’approccio l’am-biente naturale è la conseguenza dei mol-teplici cambiamenti prodotti dal compor-tamento dell’uomo nel corso della suavita. Benché, anche in assenza dell’uomo,l’ambiente abbia subito continui e pro-fondi cambiamenti per cause biologiche,geologiche e astronomiche, determinan-ti l’estinzione e il completo rinnovo dellespecie, i processi tecnologici creati dal-l’uomo hanno modificato l’ambiente inmodo molto incisivo, comportando una


� cottura di mattoni, piastrelle e cerami-che,

� produzione di calce,� manifattura del vetro.A queste attività di tipo industriale/com-merciale vanno aggiunti altri usi energeti-ci, quali:� l’illuminazione di strutture pubbliche e

private,� il riscaldamento di strutture e la cottu-

ra dei cibi,� il riscaldamento di acque termali.Nel corso delle epoche che hanno prece-duta quella attuale abbiamo bruciato car-buranti non fossili ma contenenti un altopotenziale energetico-chimico, come:� il legno e il carbone,� l’olio vegetale derivante da coltivazio-

ne o da raccolta,� la cera d’api,� il grasso proveniente dalla caccia o dal-

l’allevamento di animali (maiali, bovini,pecore, balene).

L’uso energetico di questi materiali hacomportato il sorgere di alcuni problemidi “non sostenibilità” come:� l’esaurimento di materiali non rinnova-

bili,� la desertificazione di alcune ampie

regioni e, come risultato, la repentinaalterazione del clima locale,

� l’estinzione, o la diminuzione dellapopolazione, di specie animali e vege-tali.

L’energia meccanica Lo sfruttamento del lavoro degli animaliha comportato in molti paesi un ampioutilizzo di campi coltivabili per il foraggioe problemi igienici, divenuti insolubili dalXVII secolo in poi, riguardanti lo smalti-mento delle deiezioni animali e il tratta-mento delle carcasse di animali morti.Usare esseri viventi alla stregua di dispo-


“L’energia è libertà”, è questo un concet-to che l’uomo ha maturato da epocheremote. Giove, ci dice la mitologia greca,guardando alla terra dall’alto dell’Olimpo,la vide abitata da uomini e animali chevivevano miseramente, nascosti nelle lorotane, dalle quali si avventuravano rara-mente per cercare cibo di cui riuscivanoa nutrirsi con molti stenti.Il padre degli dei decise di donare agliesseri che popolavano la terra strumen-ti per procurarsi il cibo senza stenti, gli animali ebbero allora zampe,artigli, ali, fiuto, astuzia, forza. L’uomo, che impaurito era rimasto nasco-sto nella sua caverna, non visto, non ricevette alcun dono. Prometeo,un semidio, che come tale partecipava della natura umana, mosso a com-passione rubò una scintilla di quella sostanza sacra di cui era costitui-to il cielo empireo e gli astri, il fuoco, e lo donò agli uomini perché lousassero per farsi padroni della terra.Quindi già nell’immaginario umano dei tempi più remoti il fuoco, laprima forma di energia, viene visto quale strumento di libertà dalla con-dizione umana di essere debole e esposto ai pericoli dell’ambiente cir-costante. L’energia del fuoco permette all’uomo di scaldarsi e sopravvi-vere, di cuocere la carne per meglio nutrirsi, di fondere i metalli con cuiprocurarsi strumenti per coltivare la terra e armi per difendersi, etc.

L’Energia è Libertà

naturali e produzione di polveri fini nellecittà. Per questi motivi è opportuno adot-tare, oltre le fonti rinnovabili, comporta-menti che comportino un minor consumodi combustibili fossili e usi più efficientidell’energia.

[1.2]Energia:caratteristiche e specificità

Il caloreIl calore, nell’era “pre-industriale”, eraprodotto tramite combustione per variscopi, quali:� estrazione, raffinamento e lavorazione

di metalli,

A parte quello muscolare degli animali (ein taluni casi anche di quello di schiaviumani) che è stato prevalente, il lavoromeccanico disponibile per le attivitàumane proveniva da energia meccanicaprelevata da fenomeni naturali senzanecessità di conversioni, e quindi con ren-dimenti tecnici relativamente alti.L’energia eolica e quella idrodinamica in acqua fluenti o con piccoli dislivelli,sono state la base energetica della na-vigazione e di tutte le manifatture prein-dustriali.Poiché nel passato la tecnologia disponi-bile non era in grado di effettuare conver-sioni da una forma di energia all’altra, lefonti di calore a bassa temperatura, comequelle solari e geotermiche, erano usate

sitivi di conversione dell’energia termicadel cibo in lavoro meccanico è, dal puntodi vista termodinamico, un processo conrendimenti estremamente bassi.


I fisici hanno una chiara idea circa la nozione di “qualità dell’energia” e spesso danno per scontato che questo con-cetto sia conosciuto da tutti. In realtà, è necessario chiarire questo concetto perché su di esso si basano molte que-stioni tecniche e economiche, e con più consapevolezza di questo concetto potrebbero evitarsi molti errori e irrazio-nalità. Come, ad esempio, nel caso dell’energia potenziale gravitazionale.Ciascuno può comprendere che secondo la meccanica fisica la stessa quantità di energia è correlabile a: 1.000 m3 diacqua a 1.000 metri di altezza sul livello medio del mare, oppure 1 milione di m3 di acqua ad 1 metro di altezza sullivello del mare. Ma la trasformazione del potere meccanico è differente nei casi sopra menzionati a causa delle moda-lità proprie della produzione di energia da liquidi dinamici. La qualità dell’energia, per alcuni aspetti, può essere banal-mente comparata alla moneta convertibile, il cui cambio può avvenire in un senso pagando una commissione bassa,mentre nel senso opposto potrebbe risultare impossibile o richiedere una commissione molto alta.Il significato di “Energia” come contenuto termico può essere associato alla temperatura come indice della sua “qua-lità”. L’energia meccanica, in tutte le forme, può sempre trasformarsi completamente in calore, così come l’energia chi-mica potenziale e quella elettrochimica, per le quali la temperatura limite ottenibile dipende dalla tecnologia utilizza-ta per la trasformazione. Dovremmo considerare il collegamento costante fra i prodotti delle attività umane e l’ener-

gia convertita in ogni fase di lavoro, anche quelle accessorie, per otte-nere i prodotti finiti. Ciascun bene fabbricato richiede conversioni dienergia, e altra energia viene convertita per i trasporti e per consentireil lavoro delle persone che hanno concorso alla lavorazione.In molti casi il consumo d’energia è regolato dalle variazioni di entro-pia. Per esempio, se dell’acqua potabile fosse imprudentemente mischia-ta con un flusso d’acqua di scarto alla stessa temperatura, sembrerebbenon esserci nessuna conversione di energia, ma c’è una forte variazioneentropica ed è necessario un ammontare considerevole di energia di altaqualità da convertire per ripristinare le cose come erano all’inizio.

Tutti i tipi di energia sono uguali?

mento di salvaguardia dell’ambiente natu-rale, non più saccheggiato indiscriminata-mente dal prelievo di combustibile.L’uso del carbone divenne allora il simbo-lo dello sviluppo economico, venivaimpiegato per uso termico civile (riscalda-mento delle abitazioni) e termico indu-striale: nei processi di siderurgia e per for-nire l’energia necessaria alle attività indu-striali e al settore dei trasporti.La stessa agricoltura si trasformò drastica-mente: l’attività agricola, una volta coin-volgente in larga misura il lavoro umano,divenne oggetto di meccanizzazione ecoinvolse un numero sempre più limitatodi lavoratori.La trasformazione dell’agricoltura ha effet-ti non previsti e molto pericolosi perl’equilibrio ecologico globale. Basti pen-sare che l’uso di trattori potenti per l’ara-tura, che arrivano ad arare spessori moltoprofondi, comporta la formazione dellacosiddetta “soletta di lavorazione” cheinnesca i movimenti franosi, in quanto, incorrispondenza di tale superficie, si formaun accumulo di acqua che contribuisce,insieme ad altri fattori geologici, allo scor-rimento del suolo sovrastante, provocan-do movimenti franosi grandi e piccoli conpericolo di catastrofi idrogeologiche (allu-vioni, grandi frane).

[1.3]Sviluppo e variabilità del climaterrestre, “effetto serra”

Nell’ultima decade l’attenzione sul temadella sostenibilità dello sviluppo dei com-portamenti standard della vita umana èstata progressivamente focalizzata suglieffetti che i modelli energetici, adottatiincautamente e basati sull’abuso incon-trollato della combustione, possono avere

al posto della combustione in processi abassa temperatura:� terme,� industrie tessili, � essiccatoi per la conservazione dei cibi,e così via...

Aspetti collaterali all’utilizzo dell’energiaI cambiamenti ambientali occorsi durantel’era pre-industriale sono stati spesso con-siderati trascurabili.In realtà in passato la domanda di com-bustibile è stata molto alta perché veniva-no adottati processi spesso finalizzati soloall’ottenimento di alte temperature conridotto recupero di calore. L’estrazione dicombustibile dall’ambiente naturale eradeterminata da vicende naturali o dalcommercio, senza considerare il ciclo dirigenerazione.L’uso del legno per la costruzione di edi-fici, per la combustione o per la produzio-ne di carbone ha comportato l’estinzionedi grandi ecosistemi forestali (deforesta-zione) e l’alterazione di equilibri idrogeo-logici e biologici. Per queste ragioni, ilcrescente uso di combustibili fossili (primotra tutti il carbone) era accolto dagli scien-ziati dell’epoca dell’Illuminismo come ele-


Le paure che oggi sono espresse da unaparte del mondo scientifico, e soprattut-to dai mass media, non riguardano laconoscenza e le dinamiche universalmen-te accettate del sistema energetico terre-stre. La preoccupazione deriva dal rischiodi introdurre, attraverso l’attività umana,una perturbazione nell’equilibrio del siste-ma. In accordo con le ipotesi più pessimi-stiche, queste perturbazioni potrebberoinfluire sui sistemi energetici della terra inmodo imprevedibile, precipitandoli in unacondizione di progressiva instabilità. Ciòpotrebbe causare effetti di differenti pro-porzioni, comunque non proporzionali allecause che li hanno prodotti, o anche effet-ti a catena che potrebbero agire in dire-zioni imprevedibili.Gli autori dell’espressione “effetto serra”,oggi universalmente usata e accettatasenza alcuna analisi semantica, certamen-te non contemplavano la connotazionetecnica del termine, ma davano piuttostoenfasi all’impatto emozionale che que-st’espressione, intesa come minaccia, puòdeterminare nei “non addetti”.In una serra i raggi solari vengono assor-biti dalle piante e dalla copertura dellaserra, che li imprigiona facendo innalzarela temperatura. In atmosfera accade un fenomeno natu-rale analogo: il vapore acqueo e i “gasserra” riescono a trattenere, sotto formadi calore, parte dell’energia che provienedal Sole, intrappolando la radiazione ter-mica che viene emessa dalla superficieterrestre riscaldata dal Sole (fig. 1.1).Grazie a questo fenomeno la temperaturamedia del pianeta si mantiene sui 15 °C,contro i –19 °C che si avrebbero in assenzadi gas serra. In realtà la “temperatura me-dia” è un valore che non fornisce una valu-tazione dell’energia immagazzinata nellabiosfera terreste, in cui è presente come:

sull’evoluzione della distribuzione dellezone climatiche nel nostro pianeta.L’illusione riguardante la regolarità e l’im-mutabilità del clima è dovuta alla brevitàdella vita dell’essere umano, in confrontoal periodo nel corso del quale i fenome-ni climatici evolvono.Chiunque sia interessato alla geologia oall’archeologia non si sorprende nello sco-prire, nel sottosuolo terrestre, livelli alter-nati di sabbia desertica testimoniantisecoli di clima arido e, contemporanea-mente, detriti mostranti secoli di climapiovoso. Non ci si sorprende se si scopro-no nella stessa area geografica fossili dianimali e piante tipici della Savana e ani-mali da clima polare. Nell’attuale distribu-zione climatica, il nome dato alla Groen-landia dal marinaio Viking può sembrare

beffardo, ma certamente quando essafu scoperta il nome “green land”

era giustificato.Le osservazioni sulle attivitàsolari hanno dimostrato chel’energia solare che arrivasulla terra è soggetta a rile-vanti variazioni di intensità

dipendenti da fenomeni esplo-sivi di enormi proporzioni che

avvengono all’interno della massasolare.


emissioni di origine antropica, sia, nel casodell’anidride carbonica, alla distruzionedelle foreste: gli alberi, infatti, sono degliaccumulatori di carbonio, e con la lorocombustione cresce la quantità di anidri-de carbonica liberata in aria, e di conse-guenza l’effetto serra.Dai dati disponibili si osserva (fig. 1.2) chela concentrazione di questo gas nell’atmo-sfera ha iniziato ad aumentare a partiredalla prima rivoluzione industriale, alla finedel Settecento. A quell’epoca la concen-trazione era di circa 260 ppm, mentreoggi, poco più di duecento anni dopo, èdi circa 370 ppm.A questo punto possono cominciare ledivergenze nell’interpretazione dei dati. Sipuò sostenere che in realtà l’aumento diconcentrazione di CO2 non è dovuto alleattività dell’uomo ma è un fatto naturale.In effetti, analizzando soprattutto i campio-ni di atmosfera imprigionati nei ghiaccidell’Antartide, si è potuto concludere chenelle ere geologiche passate ci sono statigrandi cambiamenti nella composizionedell’atmosfera dovuti evidentemente acause naturali. Tuttavia, attualmente sap-piamo calcolare molto bene la quantità diCO2 che immettiamo annualmente nell’at-mosfera, bruciando combustibili fossili.Questo, unito alla grande rapidità dell’au-mento di concentrazione, senza preceden-ti nella variazioni naturali che sono avvenu-te in decine di migliaia di anni, porta ragio-nevolmente ad accettare un’origine uma-na per l’aumento attuale della CO2. È utile anche ricordare che:� la velocità di crescita delle piante

aumenta con la maggior concentrazio-ne di CO2 in atmosfera,

� ogni ettaro di terreno trasformato indeserto immette nell’atmosfera mi-gliaia di tonnellate di CO2.

��

� energia latente della fusione e dell’eva-porazione,

� pressione atmosferica,� energia cinetica dell’aria e delle onde

marine,� moti della marea e delle onde,� instabilità salina.Il problema del continuo aumento dellatemperatura globale dipende dalla cre-scente concentrazione di “gas serra” inatmosfera, dovuta sia ad aumenti delle


Effetto serra

Variazione della concentrazione di CO2 nell’atmosferanel corso dell’era industriale

Fig. 1.1

Fig. 1.2

Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, CA

Capitolo Due

Emissioni annue di carbonio e concentrazione di CO2 in atmosferaFig. 2.1

economisti e gli scienziati avrebbero aquel punto dovuto iniziare a comunicarecorrettamente tra di loro e a provare alavorare attraverso nuove strade.L’opinione pubblica di tutte le nazioni haoggi una maggiore sensibilità all’ambien-te rispetto al passato e pertanto puòinfluire sulle scelte politiche dei governi,in modo da indurli alla formulazione dipolitiche finalizzate ad un modello di svi-luppo compatibile con le risorse e l'equi-librio fisico-chimico del pianeta.Nonostante gli studi effettuati, esisteancora un certo margine di incertezzacirca la validità e l’entità dei nessi causaliche vanno dai consumi energetici alla con-centrazione di anidride carbonica in atmo-sfera, e da questa al fenomeno del riscal-damento globale. L’enorme aumento deiconsumi, tutto basato sulle fonti fossili, hainfatti comportato emissioni in continuacrescita e, quindi, un aumento significati-vo della concentrazione di CO2 nell’atmo-sfera.Come evidenziato dalla figura 2.1, l’evo-luzione delle emissioni di carbonio mostraun perfetto parallelismo con l’evoluzionedel consumo totale. La concentrazione diCO2 in atmosfera che ne è derivata risul-ta oggi superiore del 25% rispetto al 1900e, secondo l’IPCC (IntergovernamentalPanel On Climate Change), l’attuale livel-lo della concentrazione non è mai statosuperato negli ultimi 420.000 anni (e pro-

La strategia (o spesso l’assenza di strate-gia) nel settore dell’energia, che ha im-prontato la politica economica delle Gran-di Potenze del XIX e XX secolo, si basavasulle principali convinzioni del passato:� scenario di crescita economica illimi-

tata,� continua scoperta di nuove risorse na-

turali,� infinita capacità dell’ambiente di riceve-

re i rifiuti umani,� possibilità di imporre il prezzo dei mate-

riali grezzi.Queste convinzioni, che talvolta hannoindotto a comportamenti irrazionali, sisono dimostrate infondate dopo la Se-conda Guerra Mondiale a causa dellasituazione politica che si era stabilita. Gli

L’energia e le interazioni con l’ambiente

posti analoghi, probabilmente anchemeno sicuri.

[2.2]La conversione energetica

Il “valore” delle fonti di energiaFino a qualche decina di anni fa i prezzidei materiali energetici seguivano l'anda-mento economico di tutte le materieprime. Il loro prezzo era determinato darelazioni commerciali, e il basso livello tec-nologico riduceva la possibilità di cam-biare la tipologia e differenziare le fonti diapprovvigionamento.I prezzi dell’energia, risultante da conver-sione termica o di origine idroelettrica,erano in buona misura determinati datasse e imposte, e variavano a secondadei paesi.La capacità di impiegare materie primedifferenti ha fatto sorgere, in seguito, unmercato dell’energia nel quale i prezzisono e saranno sempre più determinatiprincipalmente dal valore termodinamicoe ambientale dell'energia scambiata, emeno da relazioni commerciali. In futuro,l’elevato impatto ambientale della com-bustione, e dei prezzi da pagare per atte-nuarlo, inciderà su questo valore.

Ritornare all’atmosfera “naturale”Molti movimenti di opinione internaziona-li chiedono ai governi di adottare politi-che per l’ambiente che annullino le modi-fiche prodotte dall’uomo all'ambientenaturale, in modo da restaurare le prece-denti condizioni ambientali.Ma se osservassimo attentamente la sto-ria dei territori potremmo notare che que-sti hanno subito molti cambiamenti primaancora dell’evoluzione dell’uomo.Ciò che noi consideriamo ambiente natu-

babilmente nemmeno negli ultimi 20milioni di anni).La conseguenza, sempre secondo l’IPCC,è stata un aumento della temperatura glo-bale media della superficie terrestre paria circa 0.6 °C, con un incremento che èstato probabilmente il maggiore degli ulti-mi 1.000 anni.

[2.1]Accordi internazionali

La ratifica di accordi internazionali sullariduzione della combustione di carburan-te fossile è resa difficoltosa dalle obiezio-ni di chi:� è scettico riguardo l’efficacia di tale

riduzione e non vuole mettere in crisi ilsistema economico,

� trarrebbe vantaggio da una possibile ac-celerazione dei cambiamenti climatici.

Gli argomenti addotti da questi ultimisono molto spesso opportunistici. È suffi-ciente menzionare il caso della recentemessa al bando dei Cloro Fluoro Carburi(CFC), accusati di aver provocato il bucodell’ozono, appunto in coincidenza conl’avvento di nuovi brevetti relativi a com-


Per un approfondimentosu: • Sfide globali. L’esigenza

di un mondo di energiapiù sostenibile,

vedi l’allegato:“Un mondo di energia piùsostenibile”.

la forma di energia più adeguata alloscopo e nel ricorrere alle conversioni soloquando non è possibile far diversamente.Per esempio, l’uso di energia come l’elet-tricità è ragionevole per:� motori,� sistemi di illuminazione, � comunicazioni, � informatica.Convertire alta temperatura in elettricità,perdendone circa il 60%, per poi fare unaseconda conversione ad una bassa tem-peratura, come accade nell’utilizzo distufe e caldaie elettriche è, al contrario,irrazionale.Diverso è il bilancio che si può fare quan-do l’energia in forma di elettricità è ricon-vertita per realizzare cicli termodinamiciche permettono di utilizzare riserve dicalore già disponibili innalzandone la tem-peratura, per esempio gli impianti diriscaldamento a pompa di calore, oppu-re i forni elettrici ermetici confrontati aquelli riscaldati a combustibile senza recu-pero termico come quelli delle cucine agas. In casi come questi può essere giu-stificata la conversione dell’elettricità incalore perché fa parte di un ciclo comples-sivamente vantaggioso.

[2.3]Elettricità e idrogeno

Usare l’energia in un posto diverso da doveviene realizzata la trasformazione primaria,permette agli utenti di stare lontani dalpericolo e dall’inquinamento collegati allaproduzione di quantità elevate di calore.Il nostro livello tecnologico ci permettedi trasportare energia sotto forma di elet-tricità con piccole perdite e pericoli ridot-ti, rispetto ad altri sistemi di trasporto,pur richiedendo notevoli investimenti in

rale, riferendoci a quell’ambiente in cuil’uomo non disponeva di efficaci tecnolo-gie di conversione energetica, spesso eragià stato parzialmente modificato dallapresenza umana e in più larga misura daifenomeni naturali.Un approccio corretto per il consegui-mento dello scopo sta nel proporsi obiet-tivi di modifiche progettate del territorio,in modo che si possano prevedere le con-seguenze a lungo termine dei cambia-menti e che si lasci la possibilità di correg-gere gli errori.

La conversione energetica, solo se necessario L'energia, nella sua definizione più sem-plice, è la capacità di un corpo o di unasostanza di compiere lavoro. Essa puòmanifestarsi in modi differenti:� energia meccanica, connessa, ad esem-

pio, al movimento di una turbina,� energia elettrica, prodotta dall’alterna-

tore azionato dalla turbina,� energia termica, che deriva dal proces-

so di combustione, cioè dalla reazionechimica tra una sostanza combustibilee l’ossigeno presente nell’aria,

� energia chimica, liberata da alcunesostanze mediante reazioni chimiche,

� energia nucleare, associata a reazioni difissione nucleare,

� energia eolica, associata alle massed’aria in movimento sulla superficie delpianeta,

� energia solare, captata direttamentedalla radiazione solare e trasformata inenergia termica oppure elettrica.

Non è possibile convertire energia senzadegradare una parte di essa a tempera-tura così bassa da non poter essere piùutilizzabile.Il comportamento più prudente nei pro-cessi di conversione, consiste nel favorire

29 L’energia e le interazioni con l’ambiente

gassoso, e di conseguenza pesanti ser-batoi ad alta pressione o grandi gaso-metri,

� perdite molto frequenti dai serbatoi edalle condutture,

� rischio di esplosione,� alta velocità di risalita nella stratosfera

e grande affinità chimica con l'ozono,� richiesta di molta potenza per il pom-

paggio nei tubi,� temperatura di liquefazione molto

bassa: < 20 °K.L’idrogeno è quindi un combustibile “arti-ficiale” difficile da trasportare e da accu-mulare, non dà emissioni di CO2 se è otte-nuto dall’acqua, ma il suo uso per la pro-duzione di calore a bassa temperatura èirragionevole. Offrirebbe prospettive inte-ressanti per la possibilità di elettrolisiinversa, sempre che si risolvano i proble-mi tecnologici connessi alla sua manipo-lazione.

infrastrutture, sia in termini economiciche in termini di energia convertita percostruirli.Nella rete elettrica:� non c’è trasporto di materia,� non ci sono vuoti che tornano indietro,� ci sono pochi macchinari in movimento,� gli episodi di interruzione del trasporto

sono frequenti soltanto se la rete èeccessivamente complessa.

La conversione in elettricità consentemetodi di immagazzinamento di quantitàridotte di energia con capienza ridotta, altocosto e basso rendimento, perciò sonoriservati soltanto ai sistemi di emergenza.Diversa è la situazione, prevista per il pros-simo futuro, della produzione di idrogenoper uso energetico.L’idrogeno è diffuso sulla terra, ma entranella composizione di materie, come l’ac-qua, con energia di legame chimico moltoforte. Per rompere questo legame e rica-varne idrogeno da utilizzare a fini energe-tici è necessario convertire energia prezio-sa (quella elettrica) e il rendimento di que-sto processo non è molto alto.Altri svantaggi del sistema energeticobasato sull’idrogeno sono:� bassa densità dell’idrogeno allo stato


Serbatoio per idrogeno liquido

[2.4]Generazione centralizzata e reti di distribuzione o generazione diffusa?

La conversione dell'energia in elettricitàha avuto, nell’ultimo secolo, un’espansio-ne più grande di quella che era tecnica-

vi, sono numerosi e evidenti:� minore stress per la rete distributiva,� minori rischi di blackout,� maggiore versatilità d’impiego e modu-

larità,� maggiore velocità di messa in opera,� maggiore elasticità del sistema,� minori emissioni ambientali di partico-

lato, ossidi di azoto, di zolfo e di bios-sido di carbonio.

Per quanto riguarda, invece, le trasforma-zioni di energia del vento o solare, oggisi applicano criteri opposti rispetto la logi-ca per la produzione energetica applica-ta in passato; infatti la radiazione solare hauna densità relativamente bassa ed èmolto discontinua, mentre l’energia delvento ha una densità più elevata, ma ècaratterizzata da una irregolarità ancorapiù elevata. Quale che sia la tecnologiaapplicata a queste due risorse naturali,attualmente esse possono comunqueessere convenienti se:� la conversione primaria avviene vicino al

posto dell’uso finale,� esiste la possibilità di scambio del-

l’energia prodotta con la rete di distri-buzione in bassa tensione,

� è possibile l’integrazione con energia dialtra provenienza.

I sistemi a bassa potenza, solari e eolici,distribuiti nel territorio offrono anche ilvantaggio di essere più economici di quel-li centralizzati, perché possono essere pro-dotti in serie e in modo standardizzato.Inoltre possono essere installati e control-lati da personale con competenze tecni-che modeste.Allo stato attuale della tecnologia, difficil-mente diventerà conveniente convertirel’energia eolica e solare in modo centra-lizzato, per distribuire nel territorio ener-gie che sono naturalmente disponibili inmodo distribuito.

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mente giustificabile, per via del bassoprezzo del combustibile, per la possibilitàdi usare il calore prodotto tramite i reatto-ri nucleari e per la semplicità di trasporto.Ma l’energia elettrica prodotta nelle cen-trali termoelettriche a partire dai combu-stibili fossili, vede:� perdite nella conversione dall’energia

chimica del combustibile fossile a quel-la elettrica,

� perdite nella trasmissione e distribuzio-ne puntuale,

� problemi di inquinamento ambientalee elettromagnetico.

L’energia elettrica potrebbe essere pro-dotta, in alternativa ai combustibili fossili,da tecnologie che attingono direttamen-te all’energia solare, le fonti rinnovabili, cuinon sono associati gli inconvenienti di cuisopra. Sino ad ora è prevalsa la logica deimacroimpianti per la produzione di ener-gia: centrali sempre più potenti sonostate costruite negli stessi posti, per sfrut-tare il rendimento migliore dovuto al fat-tore di scala, per le difficoltà nell'indivi-duazione di nuovi siti adatti alla costruzio-ne, specie per le centrali nucleari, e infi-ne per le minori spese di personale perla gestione.Anche gli impianti idroelettrici sono costrui-ti in posizioni obbligate da condizioni idro-geologiche, e in caso di grandi impianti ilterritorio è stato fortemente modificato.L’energia elettrica prodotta da questiimpianti in modo centralizzato è general-mente distribuita in località lontane.Adesso le tecnologie rinnovabili, in parti-colare quella solare, hanno reso disponi-bili impianti di piccole dimensioni, a costicompetitivi e con emissioni quasi nulle.I vantaggi del decentramento produttivo,attraverso una “generazione energeticadiffusa” con una rete di piccoli dispositi-

31 L’energia e le interazioni con l’ambiente

Capitolo Tre

Domanda mondiale di energia primaria (Millions of tons of oil equivalent) nello scenario di riferimento, IEA 2006

Fig. 3.1

L’energia nel mondo: scenari

duce periodicamente un’analisi relativaalle previsioni di evoluzione dei mercatidell’energia relative alle successive tredecadi. Per far questo, vengono presi inconsiderazione due scenari energetici:quello di riferimento e quello alternativo.

Lo scenario di riferimentoQuesto scenario di evoluzione dei dati edei mercati energetici è basato sull’ipote-si che i governi si limitino a mettere in attosolo quei programmi e quelle politicheenergetiche che essi hanno già consolida-to (business as usual). Su questa baseviene elaborata una serie di proiezioni alungo termine (fig. 3.1) per la domanda diciascuna fonte di energia e per la poten-za elettrica addizionale da mettere inopera.La domanda globale di energia aumente-rà del 52% fino al 2030, ad un tasso annua-le dell'1,6%. Si stima che il 70% circadipenderà dalle richieste dei paesi in viadi sviluppo, con la sola Cina che rappre-senterà il 70% della loro domanda.Il sistema energetico mondiale continue-rà ad essere dominato dai combustibilifossili, che copriranno a quella data l'83%della domanda di energia. Il petrolio con-tinuerà ad essere il combustibile principa-le: la domanda nel 2005, ad esempio, èstata di 84 milioni di barili al giorno, e sistima che sarà di 99 mb/d (milioni di bari-li per giorno) nel 2015 e di 166 mb/d nel2030 (fig. 3.2).

In questo capitolo si tratterà delle proble-matiche che governano il mercato globa-le dell’energia, determinandone i costi, edi quelle relative all'approvvigionamento.Per comprendere come i prezzi dell’ener-gia e la sicurezza del suo approvvigiona-mento influenzino lo sviluppo economico,e quindi sociale, delle nazioni, è necessa-rio esaminare la struttura e gli sviluppiattesi del mercato attraverso un esamedel mercato attuale e di quello atteso nelprossimo futuro, con particolare riferi-mento a quello delle fonti rinnovabili dienergia.

[3.1]I due scenari energeticidell’IEA

L’IEA – International Energy Agency – con-

quota di energia prodotta dalle biomas-se, mentre ci sarà un leggero aumento pertutte le altre fonti energetiche rinnovabili(eolico, solare, geotermico).Da notare che l’impatto della crescitaeconomica e demografica (rispettivamen-te 3,4% e 1% l’anno in media) sarà atte-nuato da una riduzione dell’intensitàenergetica dell’1,2%, in ragione dell’effet-to combinato dei cambiamenti struttura-li in campo economico, del progressotecnologico e dell’aumento dei prezzienergetici.Nei paesi industrializzati si registrerà unrallentamento della crescita della doman-da di energia, che nella UE non supereràlo 0,4% annuo, mentre i consumi dei paesiin via di sviluppo (attualmente al 40%)aumenteranno rapidamente tanto da arri-vare a costituire, nel 2030, la metà delladomanda complessiva.

Lo scenario alternativoLo scenario “alternativo” tiene contodegli impatti, sul mercato dell’energia, sulconsumo di combustibili fossili e sullariduzione di emissioni, delle politiche edelle misure già adottate, i cui effetti difaranno sentire anche nei prossimi anni, edi quelle in via di approvazione od elabo-razione da parte dei paesi aderenti al-l'OCSE (Organizzazione per la Coope-razione e lo Sviluppo Economico1).In assenza di nuove politiche di governo,i bisogni di energia del mondo aumente-ranno inesorabilmente, e con essi ladomanda di combustibili fossili e le con-seguenti emissioni in atmosfera di CO2

(fig. 3.3).La domanda mondiale di energia prima-ria, nel 2030, potrebbe attestarsi sui 16.900Mtep, il 10% in meno rispetto allo scena-

Il carbone, utilizzato per la generazionedi energia, dovrebbe rimanere il secon-do combustibile più utilizzato, pur essen-do quello per il quale si stima una cresci-ta della domanda maggiore in terminiassoluti.In aumento anche il contributo del gasnaturale e dell'idroelettrico, mentre do-vrebbe ridursi la percentuale di energiaprodotta dal nucleare. In termini percen-tuali diminuirà leggermente anche la


Carbone26%

Gas23%

Petrolio32%

Altre rinnovabili2%

Nucleare5%

Idro2%

Biomasse10%

Domanda di energia nel mondo nell’anno 2030, scenario di riferimento, IEA 2006Fig. 3.2

Differenza di emissioni di CO2 tra i due scenari, IEA 2006Fig. 3.3

1. Definita in sede internazionale come OECD (Orga-nisation for Economic Co-operation and Development)

più alto del 26% rispetto lo scenario diriferimento, arrivando ai 77 Mtep, e la suadomanda verrà soddisfatta per 2/3 dalsettore della generazione di energia.

[3.2]Il quadro energeticomondiale: gli scenari di evoluzione dei mercati

Il fabbisogno globale di energia è proba-bile che continui a crescere costantemen-te per almeno per altre due decadi emezzo. Se i governi aderissero alle politi-che correnti, la domanda di energia nelmondo aumenterebbe del 50% nel 2030rispetto ad oggi, e più del 75% di taleaumento riguarderebbe i 3 principali com-bustibili fossili. In questo contesto, il ruolodell’area MENA (Middle East and NorthAfrica) nel prodotto globale del gas e delpetrolio è destinato a svilupparsi sostan-zialmente, sempre che i paesi del MENAcontinuino ad investire abbastanza in pro-duzione di energia e infrastrutture per iltrasporto.Queste tendenze globali suscitano alcuneserie inquietudini. In questo scenario infat-ti le emissioni di biossido di carbonio,destabilizzanti per il clima, continuerebbe-ro ad aumentare, mettendo in dubbio lasostenibilità a lungo termine del sistemaenergetico globale. La dipendenza deipaesi consumatori dalle importazioni pro-venienti da un esiguo numero di PaesiMENA si acuirebbe ulteriormente, com-portando preoccupazioni per la sicurezzadella disponibilità di energia (fig. 3.5).Le politiche di governo dei paesi consu-matori potrebbero, e senza dubbio vor-ranno, modificare in qualche modo que-sta tendenza globale e aprire scenaridiversi in tema di energia. I leader del G8e di molti grandi paesi in via di sviluppo,

rio di riferimento; si tratta di una misura dipoco inferiore al consumo attuale dellaCina.Il consumo di petrolio dovrebbe cresceread un tasso medio annuo dello 0,9%, pas-sando dagli attuali 3.940 Mtep a quasi5.000 Mtep (circa l'11% in meno rispettoallo scenario di riferimento). Il carbone, aparità di tasso annuo di crescita, dovreb-be avere una domanda di 3.512 Mtep,quasi il 21% in meno rispetto i consumiprevisti dallo scenario di riferimento. Il gas naturale raggiungerà invece i 2.877Mtep nel 2015 e i 3.370 Mtep nel 2030, adun tasso medio annuo dell'1,5% (il 2% finoal 2015): al termine del periodo preso inconsiderazione se ne consumerà quindi il13% in meno rispetto allo scenario di rife-rimento, poiché per la produzione di ener-gia si inizieranno ad utilizzare combustibi-li a basso contenuto di carbonio.Crescerà la domanda delle altri fonti ener-getiche: nel 2030 per il nucleare dovreb-be essere del 24% in più rispetto lo sce-nario di riferimento raggiungendo i 1.070Mtep, per l'idroelettrico appena il 3% (422Mtep) mentre per le biomasse la doman-da crescerà di solo 58 Mtep (fig. 3.4).Il consumo delle altre fonti rinnovabili(eolico, geotermico e solare) nel 2030 sarà

35 L’energia nel mondo: scenari

Carbone23%

Gas22%

Petrolio32%

Altre rinnovabili2%

Nucleare7%

Idro3%

Biomasse11%

Domanda di energia nel mondo nell’anno 2030secondo lo scenario alternativo, IEA 2006Fig. 3.4

2030 sarebbe comunque superiore del37% a quella di oggi e il volume delleesportazioni di idrocarburi dall’areaMENA si svilupperebbe significativamen-te. Per invertire queste tendenze sononecessarie azioni politiche molto più radi-cali di quelle prese in considerazione oggidai paesi consumatori.

[3.3]Le rinnovabili nel quadroenergetico complessivo

Nel 2006 le fonti energetiche rinnovabilicoprivano a livello mondiale circa il 18%dei consumi finali (fig. 3.6). Sul totale del-l’energia prodotta da fonti rinnovabili lebiomasse solide costituiscono la partepreponderante, con l’80% della produzio-ne, grazie al diffuso utilizzo di biomassenon commerciali (soprattutto paglia,legno e rifiuti animali) nei Paesi in via disviluppo. Tra le altre fonti l’idroelettricorappresenta il 16% del totale della produ-zione da rinnovabili, la geotermia il 3,2%,mentre solare e eolico costituiscono com-plessivamente lo 0,8% della produzione.Complessivamente, dai primi anni settan-ta ad oggi, la produzione di energia dafonti rinnovabili è cresciuta ad un tassoannuo medio del 2,3%, leggermentesuperiore al tasso di crescita annuo dell’of-ferta di energia primaria.Dal 1990 la crescita più significativa, invalori percentuali, di produzione da rinno-vabili è quella fatta rilevare dalla fonteeolica che, pur rimanendo su valori asso-luti molto bassi, ha segnato una mediaannuale di crescita pari a circa il 25%,dovuta essenzialmente alle nuove instal-lazioni nei Paesi sviluppati dell’OECD.La produzione di energia da biomassesolide, che rappresenta invece la quotapiù elevata di produzione da rinnovabili,

incontrandosi a Gleneagles nel luglio2005, hanno manifestato l’esigenza diun’azione più incisiva per contrastare ilconsumo crescente di combustibili fossilie hanno discusso il problema delle emis-sioni di gas-serra.La maggior parte dei governi dell’OCSEha dichiarato la propria disponibilità adimpegnarsi di più per la sostenibilità delconsumo energetico e anche altri paesidel mondo mostrano di voler aderire allacausa. Politiche di governo impegnate intal senso sono molto più probabili se iprezzi dell’energia rimangono elevati. Intal caso le politiche dei paesi consumato-ri potrebbero decidere di ridurre la do-manda mondiale di petrolio e di gas pro-venienti dall’area MENA.Secondo lo Scenario Alternativo delRapporto dell’IEA: World Energy Outlook2005, se i governi dei paesi ad alto con-sumo mettessero effettivamente in prati-ca nuove politiche, puntate sulla tuteladell’ambientale e su questioni di sicurez-za dell’energia, la richiesta di combustibi-le fossile e le emissioni dell’anidride car-bonica nel mondo potrebbero ridursisignificativamente. Ma anche in questocaso, la richiesta di energia globale nel


Carbone28,4%

Gas naturale23,7%

Petrolio35,8%

Idroelettrico6,3%

Nucleare5,8%

Consumo percentuale di fonti primarie previsto nel 2007 Fig. 3.5

BP Statistical Review of World Energy

ziale residuo ancora utilizzabile in modocompatibile con l’ambiente.Quasi il 90% della biomassa solida è pro-dotta e consumata, prevalentemente peril riscaldamento e la cottura dei cibi, neiPaesi non-OECD, in particolare nei Paesiin via di sviluppo del sud dell’Asia edell’Africa sub-sahariana, mentre nei Paesipiù industrializzati si verifica un ricorsosempre più limitato a tale fonte per lascia-re spazio a nuove forme di energia.In ragione dell’elevato ricorso alla biomas-sa solida per usi energetici, i Paesi non-OECD sono i maggiori utilizzatori dellefonti rinnovabili con una percentuale del-l’ordine del 75% della domanda totale dienergia. I Paesi OECD forniscono pocopiù del 20% delle rinnovabili a livello mon-diale, mentre consumano il 50% dell’offer-ta mondiale di energia.Le rinnovabili rappresentano nei PaesiOECD circa il 6% della fornitura totale dienergia, questa percentuale supera il 20%nei Paesi non-OECD e arriva al 50% nelcontinente africano, dove è massimo l’ap-porto di legna da ardere.Mentre nei Paesi OECD oltre la metà del-l’energia fornita da fonti rinnovabili èdestinata alla generazione elettrica, a livel-lo mondiale il grosso della produzione darinnovabili è destinato ai settori residen-ziale e terziario, e l’utilizzo per la genera-zione elettrica è limitato a poco più del20%. Nonostante ciò le rinnovabili costi-tuiscono la terza grande fonte di produ-zione di energia a livello mondiale, conuna quota di quasi il 18% (fig. 3.7).Nel settore della generazione elettrica,l’idroelettrico, con circa il 16% della quotadella produzione totale, copre poco menodel 90% dell’energia elettrica complessi-vamente fornita dalle rinnovabili. A fron-te di un tasso di crescita della generazio-ne elettrica mondiale che, nell'ultimodecennio, è stato del 2,7%, quello della

ha segnato il più basso tasso di crescita,pari all’1,6%, di poco superiore a quellodell’offerta totale di energia primaria eattribuibile in modo uniforme ai PaesiOECD e non-OECD.Si attesta sull’1,6% anche la crescita mediadella produzione di energia da fonteidroelettrica con una netta prevalenza deiPaesi non-OECD, in particolare in Paesiasiatici come Cina e Vietnam, e del-l’America Latina come Brasile, Argentina eParaguay. Tale tendenza dovrebbe con-fermarsi nel futuro tenuto conto che igrandi impianti che sono stati realizzatinei Paesi più industrializzati nel secoloscorso, hanno fortemente ridotto il poten-


Combustibili fossili79%

Rinnovabili18%

Nucleare3%

Contributo delle fonti energeticheai consumi finali di energia, 2006Fig. 3.6

Biomasse tradizionali13%

Idroelettrico3%

Solare termico1,3%

Generazioneenergia elettrica

0,8%Biocombustibili

0,3%

Contributo percentuale delle fonti rinnovabili alla produzione di energia, 2006Fig. 3.7

produzione di energia elettrica da rinno-vabili (diverse dall'idroelettrico), si è atte-stato sul 2,1%. Ciò ha comportato unariduzione della quota da rinnovabili dal19,5% del 1990 al 18% del 2006.Dati riguardanti l’Italia sono riportati nellefigure da 3.8 a 3.10.

[3.4]Previsioni e scenari per le fonti di energia rinnovabili

In questa parte del volume ci si propo-ne, in primo luogo, di delineare un qua-dro di riferimento dell’evoluzione delruolo delle fonti energetiche rinnovabili(FER) nel breve, nel medio e nel lungoperiodo, differenziando l’analisi tra lediverse fonti, allo scopo di definire il pre-vedibile potenziale di sfruttamento dellediverse fonti rinnovabili. In secondo luogo, dopo aver individua-to per ogni livello territoriale un obietti-vo circa il ruolo delle FER nel sistemaenergetico di riferimento, che possaessere visto come il potenziale realisticodi sfruttamento delle FER, viene valutatala distanza che separa l’evoluzione di rife-rimento da quella auspicata e la plausi-bilità delle attese di sfruttamento.

Scenari globaliUna delle ragioni fondamentali alla basedella costruzione di scenari energetici stanella capacità di un insieme di diversi sce-nari di rappresentare complessivamente lepossibili evoluzioni del sistema energeti-co. La maggior utilità dell’uso della sce-naristica si dimostra soprattutto nel lungoperiodo, quando lo scenario si differenziasempre più dalla previsione, e una molte-plicità di scenari diversi permette di rica-vare un quadro delle evoluzioni possibilidel sistema oggetto di studio, fornendoai policy maker informazioni per le loro


Idroelettrico36.600

Biomasse6.700

Solare5.500

Eolico3.200

Geotermico35

Produzione elettricità da fonti rinnovabili (GWh) in Italia, 2006Fig. 3.8

17,5

70,0

82,6

14,2 10,1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Solidi Gas Petrolio Rinnovabili Importazionienergia elettrica

Consumi interni lordi d’energia in Italia (Mtep), 2007Fig. 3.9

Industria28%

Bunkeraggi2%

Trasporti32%

Usi nonenergetici

6%

Usi civili30%

Agricoltura2%

Impieghi dell’energia per settore in Italia, 2007Fig. 3.10

santi problemi di carattere ambientale chesono generati dal loro utilizzo.A conferma di ciò già nella Direttiva2001/77/CE “Promozione dell’energiaelettrica prodotta da fonti rinnovabili”,(recepita con varie modalità dagli statimembri) veniva posto come traguardo ilsoddisfacimento, entro il 2010, di unaquota pari al 12% del consumo internolordo di energia ed al 22% di quello del-l’energia elettrica, attraverso l’utilizzo difonti rinnovabili. Per ottenere questi risul-tati nella direttiva sono indicati degliobiettivi differenziati per ogni singoloStato membro, e l’Italia si è posta l’obiet-tivo di raggiungere, entro il 2010, unaquota pari al 22% della produzione elet-trica nazionale.Per il raggiungimento degli obiettivi sonostati individuati diversi strumenti, ricondu-cibili a due modelli fondamentali. Da unlato, vi sono i sistemi basati sulle quanti-tà, tra cui i meccanismi di asta competiti-va e il più recente sistema dei certificativerdi, che negli ultimi anni ha avuto unsuccesso crescente non solo in Europa(dove è in corso di realizzazione o in fasedi preparazione in Olanda, Gran Bretagna,Italia, Svezia e Belgio, mentre è stato rin-viato in Danimarca). Quest’ultimo, nelquale la remunerazione degli impianti rin-novabili è composta dalla cessione del-l’energia elettrica e dalla vendita del cer-tificato verde (il cui valore è determinatoda un mercato sorretto da una domandaobbligatoria), ha tra gli altri il pregio dipermettere il controllo delle quantità pro-dotte e quindi di essere in linea con obiet-tivi rigidi come quelli suddetti fissati dallaCommissione Europea.Da un altro lato, vi sono i più tradizionalisistemi basati sul prezzo, tuttora maggio-ritari nei paesi dell’Unione Europea (purcon sistemi di erogazione fortemente dif-ferenti), nei quali all’energia elettrica pro-

decisioni. In particolare, gli scenari dilungo periodo sono quelli in grado di for-nire indicazioni riguardo a problematichela cui risoluzione richiede tempi lunghi,come la stabilizzazione del clima globale,evidenziandone le conseguenze in diver-se possibili scelte di policy.Dato il legame molto stretto tra questio-ne climatica e tecnologie che non emet-tano gas serra come le fonti rinnovabili,sembra utile indagare l’evoluzione delconsumo mondiale di tali fonti in diversiscenari di lungo periodo. Particolarmente utile appare un esame siadegli scenari di riferimento sia di quelli distabilizzazione del clima (fig. 3.11), attra-verso un’analisi delle caratteristiche fonda-mentali di questi ultimi e della correzioneche essi implicano rispetto agli scenarirappresentativi delle tendenze attuali. Gli scenari considerati sono i sei scenariIIASA-WEC del 1998 e i sette scenari“principali” contenuti nel lavoro dell’IPCCdel 2000.

Le politiche europee per lo sviluppo delle fonti rinnovabiliL’Unione Europea mira ad aumentare l’usodelle risorse rinnovabili per limitare ladipendenza dalle fonti fossili convenziona-li ed allo stesso tempo far fronte ai pres-


Per un approfondimentosu:• Sviluppo Economico

della Cina• Sviluppo Economico

dell'India• Politiche energetiche

negli Stati Uniti• Il progresso tecnologico

indotto dai prezzidell’energia

vedi l’allegato:“Motivazione e situazionidi mercato che influenzanoe determinano gli scenarienergetici futuri”

Energia da fonti rinnovabili in tredici scenari di lungo periodoFig. 3.11

delle diverse FER al bilancio energeticocomunitario nel recente passato e nelmedio e lungo termine secondo lo scena-rio tendenziale contenuto nel WordEnergy Outlook della IEA e secondol’Energy Outlook elaborato per la Com-missione Europea nel 1999. Tali valorisono poi messi a confronto con gli obiet-tivi individuati dal Libro Bianco del 1997 econ il più generale obiettivo fissato dalladirettiva 2001/77.Il risultato fondamentale che emerge dalconfronto è che il raggiungimento degliobiettivi di sviluppo delle fonti rinnovabi-li nei paesi dell’Unione Europea sembrapresentare notevoli difficoltà. Nonostantegli sforzi intrapresi, infatti, nel 2010 l’insie-me delle FER contribuirà a poco più del7 per cento del fabbisogno primario tota-le, a fronte dell’obiettivo del 12 per centofissato dalla direttiva 2001/77. La produ-zione di energia da FER è comunque pre-vista in crescita. Tale crescita è piuttostosignificativa in termini assoluti, continuan-do la tendenza recente.

dotta da fonti rinnovabili viene garantitoun prezzo minimo che è spesso differen-ziato per tecnologia, caratteristica questadi notevole importanza per l’incentivazio-ne di tecnologie che hanno raggiuntogradi diversi di maturità.A proposito dei diversi meccanismi diincentivazione delle FER utilizzati negliStati membri dell’Unione Europea, ladirettiva del settembre 2001 ne raccoman-da l’armonizzazione.L’analisi delle prospettive delle fonti rinno-vabili a livello europeo si deve dunqueporre un duplice obiettivo. Da un lato,quello più immediato di valutare la com-patibilità del trend in atto con le attesee gli auspici condivisi a livello comunita-rio. Dall’altro, quello di valutare l’effica-cia dei diversi meccanismi di incentivazio-ne. L’esame di due scenari energeticieuropei permetterà di valutare le ten-denze in atto, ma fornirà solo indicazio-ne circa l’efficacia dei diversi sistemi diincentivazione.Nella tabella 3.1 è riportato il contributo


Consumienergia Totale Totale Geo- Eolica

primaria FER FER Idrica Biomassa termica e solare(Mtep) (Mtep) (%) (Mtep) (Mtep) (Mtep) (Mtep)

1990 1322 60 4,5 22 35 2 0

2000 1460 88 6,0 27 54 3 3

2010 - Libro Bianco 1583 182 11,5 31 135 5 11

2010 - Direttiva 12

IEA WEO (2002)2010 1627 116 7,2 28 76 4 9

2020 1730 150 8,7 30 120

2030 1811 188 10,4 31 157

EU EO (1999)2010 1556 88 5,7 27 53 3 6

2020 1612 100 6,2 29 57 3 11

Tabella 3.1Ruolo delle FER nel sistema

energetico europeo nel LibroBianco, nella direttiva

2001/77/CE e in due scenaritendenziali

Fonti: European Commission, DG Energy (The Shared Analysis Project), European Union energy outlook to 2020,November 1999. Commissione Europea, Comunicazione della Commissione, Energia per il futuro: le fonti ener-getiche rinnovabili. Libro bianco per una strategia e un piano di azione della Comunità, 1997.

Il ruolo delle FER in alcuni scenari di riferimentoLa possibilità di uno sviluppo sostenibile(soprattutto riguardo alle emissioni di CO2

e ai mutamenti climatici) include chiaramen-te come una delle opzioni strategiche l’usomassiccio e crescente di fonti rinnovabili.L’immagine complessiva che emerge dal-l’insieme degli scenari di lungo periodo èin effetti quella di una crescita continua neltempo, a differenza di quanto previsto peril breve periodo (fig. 3.11): nel 2050 lagran parte degli scenari prevedono unconsumo almeno triplo rispetto all’annobase (il 1990, anno nel quale il consumomondiale di energia da fonti rinnovabiliera stimato intorno ai 1500 Mtep), e innessuno degli scenari il consumo è menoche doppio. Negli scenari di riferimento,l’energia da fonti rinnovabili cresce inmodo molto limitato almeno fino al 2030,cosicché la quota di FER sui consumi tota-li di energia primaria resta praticamentecostante, dopodiché comincia a crescerein modo sostenuto sia in valore assolutosia in termini relativi, arrivando a 5 Gtepnel 2050 (con una quota sui consumi tota-li di energia primaria superiore al 20%) esuperando i 10 Gtep nel lunghissimoperiodo, quando le FER arrivano a rappre-sentare circa 1/3 del consumo totale dienergia.

[3.5]Un obiettivo per il sistemaenergetico globale: la “stabilizzazione del clima”

La differenziazione degli scenari energe-tici tra scenari con stabilizzazione delclima e non, richiede in primo luogo ladefinizione del significato di “stabilizza-zione del clima”.Secondo la Convenzione Quadro suiCambiamenti Climatici, per stabilizzazio-

I recenti orientamenti dell’Unione EuropeaGli obiettivi dell’Unione Europea del gen-naio 2008 (la relativa direttiva è in corso diesame ed approvazione da parte delConsiglio) in relazione ad un approcciointegrato alla politica climatica ed energe-tica per trasformare l'Europa in un'econo-mia con un'efficienza energetica elevataed emissioni di gas ad effetto serra ridot-te sono riassumibili in:� impegno a realizzare una riduzione delle

emissioni di gas ad effetto serra di alme-no il 20% entro il 2020 rispetto al 1990;

� obiettivo di risparmio dei consumi ener-getici dell'UE del 20% rispetto alle pro-iezioni per il 2020;

� obiettivo vincolante che prevede unaquota del 20% di energie rinnovabilinel totale dei consumi energetici del-l'UE entro il 2020 (oggi è solo del-l’8,5%), con percentuali differenti per ivari paesi membri (secondo la propo-sta di direttiva all’Italia è assegnatol’obiettivo del 17% da rinnovabili; unaquota minima del 10% per i biocarbu-ranti nel totale dei consumi di benzinae gasolio per autotrazione dell'UEentro il 2020);

� obiettivo di sviluppare il quadro tecni-co, economico e normativo necessarioper portare nei mercati, se possibileentro il 2020, la cattura e lo stoccaggioecosostenibili dell'anidride carbonica.

Dalle analisi della Commissione risulta cheil raggiungimento del target complessivoper le rinnovabili consentirà di: evitare da600 a 900 milioni di tonnellate di CO2

all'anno; ridurre di 200-300 milioni di ton-nellate l'utilizzo dei combustibili fossiliall'anno. Tutto questo costerà dai 13 ai 18miliardi di euro l'anno, ma condurrà ad unabbattimento dei costi delle tecnologierinnovabili paragonabili a quanto si è veri-ficato nel settore informatico.


umana, sebbene vi sia anche unacomponente significativa di variabi-lità naturale;

� la temperatura terrestre sta effettiva-mente salendo, e gran parte del ri-scaldamento globale è dovuto all’au-mento della concentrazione di CO2;

l’Accademia rimanda poi all’IPCC per lamisura del prevedibile aumento dellatemperatura nei prossimi cento anni, men-tre lascia aperta la questione relativa allivello di concentrazione che può essereconsiderato “non dannoso” per il clima.2. Riguardo al significato di “stabilizzazio-

ne del clima”, si può ricorrere all’art. 2dell’UNFCCC:

Obiettivo ultimo della United NationsFramework Convention on ClimateChange e di ogni strumento legislativocollegato che la Conferenza delle Partipossa adottare è quello di pervenire, inconformità con le previsioni della Con-venzione, alla stabilizzazione della con-centrazione in atmosfera dei gas adeffetto serra ad un livello tale da preve-nire pericolose interferenze con il siste-ma climatico. Questo livello dovrebbeessere raggiunto in un arco di tempotale da permettere agli ecosistemi diadattarsi naturalmente al cambiamentoclimatico, per assicurare che non siaminacciata la produzione di cibo e perconsentire che lo sviluppo economicoproceda in modo sostenibile.

� mentre nella comunità scientificanon c’è ancora convergenza su cosasi intenda per “livello tale da preve-nire pericolose interferenze con ilsistema climatico”, è invece consoli-data l’opinione che la variabile piùimportante per determinare il livellocui si stabilizzerà la concentrazione dicarbonio in atmosfera è la quantitàdi emissioni cumulate nel tempo, piùsignificativa delle emissioni annue.Data infatti la lunga permanenza in

ne del clima si può intendere la stabilizza-zione del livello di concentrazione di CO2

in atmosfera su livelli che possano essereconsiderati “non dannosi”. Per tradurrepoi tale obiettivo in termini quantitativi, inquesta analisi si colloca il livello di concen-trazione di CO2 in atmosfera a 550 ppmv(parti per milione in volume).Pertanto sono stati definiti “scenari constabilizzazione” (fig. 3.11) gli scenari carat-terizzati dalla stabilizzazione della concen-trazione di CO2 su livelli minori o uguali ai550 ppmv (entro il 2100), e che non pre-sentino emissioni annue illimitatamentecrescenti (e dunque concentrazione illimi-tatamente crescente).Affinché dagli scenari sia possibile ricava-re delle indicazioni sul tema della stabiliz-zazione del clima è necessario chiarirealcune questioni fondamentali.1. Riguardo al rapporto tra attività umana,

concentrazione di CO2 in atmosfera ecambiamenti climatici, una recente eautorevole ricerca, condotta dall’Ac-cademia delle Scienze degli Stati Uniti,concorda in sostanza con le valutazionidell’IPCC (Intergovernamental PanelOn Climate Change), e conclude che:� l’accumulazione dei gas serra nell’at-

mosfera terrestre deriva probabil-mente in gran parte dall’attività


- il raggiungimento della nuovatemperatura di equilibrio, dopol’aumento in atto, potrebbe richie-dere molti secoli, ed è compreso,per la stabilizzazione a 450 ppmv,tra 1,5 °C e 3,9 °C sopra il livellodel 1990;

- il campo di variazione previsto perl’innalzamento del livello del maredovuto all’espansione termica ècompreso, in condizioni di equili-brio, tra 0,5 e 2 metri per un raddop-pio della concentrazione di CO2 (dallivello pre-industriale di 280 ppmv a560 ppmv), mentre l’innalzamentoriscontrato nel corso del XX secoloè compreso tra 0,1 e 0,2 metri;

- sono stati proposti anche altriobiettivi di “sostenibilità ambienta-le”, come un incremento dellatemperatura globale di 2 °C rispet-to al livello pre-industriale, oppuredi 0,1 °C per decennio, e entram-bi portano a fissare un obiettivo diconcentrazione compreso tra i 450e 500 ppmv;

- infine, dato “l’ampio margine diincertezza circa l’ammontare delriscaldamento che può derivare daciascun livello di stabilizzazionedella concentrazione dei gas adeffetto serra, e l’inerzia e l’incertez-za dei sistemi climatici, ecologici esocio-economici”, devono essereconsiderati dei margini di sicurez-za quando si fissano strategie,obiettivi e tempi di attuazione voltiad evitare pericolose interferenzecon il sistema climatico”.

Dall’analisi dell’andamento delle fonti rin-novabili nei vari scenari di lungo periodoemergono due importanti considerazioni.Per le fonti rinnovabili questi scenari pro-iettano una crescita più o meno continuae significativa, ma ciò non implica in nes-

atmosfera dei principali gas ad effet-to serra (compresa per la CO2 tra i50 e i 200 anni), la concentrazionedegli stessi in atmosfera rispondesolo molto lentamente a variazionidelle emissioni annue;

� per quello che riguarda il rapportoche esiste tra le emissioni cumulatenel corso del ventunesimo secolo ela concentrazione di carbonio inatmosfera, il Second AssessmentReport dell’IPCC identifica tre livellidi concentrazione, cui corrispondo-no, approssimativamente, tre livellidi emissioni cumulate al 2100: 650miliardi di tonnellate (Gt) C => 450ppmv CO2; 1000 Gt C => 550 ppmvCO2; 1200 Gt C => 650 ppmv CO2;

� la relazione esistente tra concentra-zione di carbonio e temperatura (cli-mate sensitivity) è misurata in gene-re dalla risposta della temperaturadi equilibrio al raddoppio della con-centrazione di anidride carbonica inatmosfera. Considerando il campodi variazione comunemente accetta-to, un raddoppio della concentrazio-ne produce un incremento dellatemperatura media compreso tra 1,5°C e 4,5 °C;

� riguardo infine al massimo livello diconcentrazione che può essere con-siderato “ammissibile”, non esisteuna misura univoca del livello di con-centrazione superato il quale diven-tano molto probabili le “pericoloseinterferenze con il sistema climatico”citate nell’art. 2. Se però si conside-rano le indicazioni che provengonodalla letteratura più recente, secon-do cui anche una concentrazione di450 ppmv può avere conseguenzesignificative sul clima, sembra che unlivello di 550 ppmv sia già un livellolimite, perché:


Quest’ultima è infatti aumentata di circa il50% negli ultimi dieci anni, e sembra inaccelerazione negli anni più recenti, inparticolar modo in alcuni paesi e per alcu-ne fonti.Escludendo l’energia idroelettrica, checostituisce oltre l’80% della generazionerinnovabile dell’Unione Europea ed è giàampiamente sfruttata, la fonte rinnovabi-le in maggior crescita è quella eolica, lapiù vicina alla competitività, tanto che lacapacità installata ha superato i 20.000MW alla fine del 2002 (secondo la Euro-pean Wind Energy Association), la granparte dei quali in Danimarca, Germania eSpagna. Sebbene questi successi nellosviluppo dell’energia eolica stiano indu-cendo i diversi paesi a ridurre la dimen-sione degli incentivi e/o a passare almodello dei certificati verdi, il trattocomune di questi significativi risultati stanell’utilizzo di sistemi di incentivazionebasati sul prezzo, mentre lo sviluppo delleFER è risultato molto minore nei paesiche hanno seguito la strada dell’incenti-vazione basata sulle quantità, come GranBretagna e Francia, dove i meccanismi diasta competitiva hanno prodotto aumen-ti molto modesti della capacità installata.Un primo aspetto critico per lo sviluppodelle nuove tecnologie rinnovabili è costi-tuito dal fatto che comportano investi-menti non compresi tra le attività caratte-ristiche degli operatori tradizionali delsettore energetico, con taglie di impian-to piccole, con impianti distribuiti sul ter-ritorio e fortemente integrati nel tessutosocio-economico locale.Per essere remunerativi questi impiantirichiedono competenze assolutamentediverse da quelle che sono state sviluppa-te dalle imprese energetiche in passato.La ricerca e lo sviluppo su talune tecnolo-gie innovative sono, inoltre, ostacolate daun mercato ormai consolidato su bassi

sun modo che il sistema tenda ad uno svi-luppo sostenibile. Inoltre, l’evoluzione delsistema è molto diversa a seconda cheesso tenda a stabilizzare la concentrazio-ne a 450 ppmv oppure a 550 ppmv:� perché si arrivi alla stabilizzazione della

concentrazione, l’aumento del consu-mo di energia da fonti rinnovabili è unacondizione necessaria, ma non suffi-ciente, perché è ancora più importanteche le fonti rinnovabili divengano per ilsistema la fonte primaria principale; ilpeso relativo delle fonti rinnovabili peril sistema energetico è dunque unadelle caratteristiche fondamentali chedistingue gli scenari con stabilizzazionedagli altri scenari;

� negli scenari con stabilizzazione a 450ppmv, nonostante un aumento del con-sumo di gas naturale nel medio perio-do, nel lungo periodo si ha un progres-sivo superamento di tutte le fonti fossi-li; negli scenari con stabilizzazione a 550ppmv, invece, anche nel lungo periodole fonti fossili restano importanti (anchese meno delle rinnovabili), grazie allospostamento verso fonti fossili a minorcontenuto di carbonio; il superamentoo meno delle fonti fossili è dunque unadelle caratteristiche fondamentali chedistinguono gli scenari con stabilizzazio-ne a 450 ppmv da quelli con stabilizza-zione a 550 ppmv.

[3.6]Efficacia delle forme di incentivazione e ostacoliallo sviluppo delle FER

Per valutare l’efficacia della normativa diincentivazione adottata dagli Stati mem-bri è utile esaminare la tendenza in atto.In linea generale, gli incentivi sembranocontribuire ad un significativo incrementodella generazione da fonti rinnovabili.


Inoltre la maggior parte delle fonti rinno-vabili è utilizzabile con tecnologie relati-vamente nuove, con tutti i problemi checomporta la diffusione su larga scala ditecnologie giovani (dall’integrazione sularga scala della generazione distribuita,all’utilizzo del solare termico nell’edilizia,alla scelta dei materiali per il fotovoltaico,solo per fare alcuni esempi).Si comprende, quindi, come sia auspicabi-le l’intervento pubblico per indirizzare lepolitiche energetiche su scala locale, nazio-nale e internazionale verso le scelte di otti-mizzazione della produzione di energia sulpiano sociale, al fine di rendere concretenuove opportunità, prima ancora che farei conti con la necessità di dare una prospet-tiva sostenibile al sistema energetico.Questo intervento ha certamente un costo,sicuramente non proibitivo.Un incremento dell’uso delle fonti rinno-vabili non può non rientrare in una politi-ca intelligente di diversificazione dellefonti, insieme a molte altre azioni sul latodell’offerta e della domanda, che sononecessarie su scala internazionale e inItalia per affrontare coerentemente l’in-certo mercato dell’energia dei prossimidecenni.È bene non nascondere che l’attuale trenddi crescita della produzione di energiaelettrica da fonti rinnovabili non consen-tirà di raggiungere gli obiettivi che moltiPaesi hanno preso in sede internazionaleper il 2010. Probabilmente non sarà pos-sibile neppure raggiungere il 22% delladomanda elettrica richiesto dalla direttiva2001/77/CE, ma una politica mirata puòancora portare a risultati significativi, qualiquelli raggiunti in Paesi come la Germaniao la Spagna.

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costi dell’energia elettrica nei paesi indu-strializzati e un potere di acquisto troppobasso nei paesi in via di sviluppo.Le imprese che producono energia elet-trica, infatti, traggono maggior beneficiodalle fonti rinnovabili in termini di imma-gine. È il caso di Electricité de France che,grazie al parco idroelettrico sviluppatoormai oltre mezzo secolo fa, tiene a farsiconoscere come il più grande produttoredi energia rinnovabile del mondo.Un secondo fattore che ostacola la cresci-ta delle fonti rinnovabili è la difficoltà divalutare correttamente le esternalità (cuiè dedicato il capitolo 6) connesse con laproduzione di energia, che fanno appari-re costose queste opzioni tecnologichequando ci si limiti ad una prospettiva dicosti privati e non si considerino come talii costi sociali. Una corretta valutazione deicosti ambientali, infatti, ridimensionadecisamente il divario di costo con lefonti fossili, fino ad annullarlo in molti casi,soprattutto con gli attuali costi dei com-bustibili.Un terzo aspetto critico è legato agli alticosti di investimento richiesti, che com-portano buone redditività solo quando siaccettino tempi di ritorno del capitaleinvestito piuttosto lunghi (in generale aldi sopra dei 15 anni), difficilmente com-patibili con il mercato liberalizzato dioggi. A fatica il mercato riesce a valutarecorrettamente le tecnologie a più altocosto di investimento (le fonti rinnovabi-li, come anche il nucleare!), preferendoconcentrare gli investimenti su soluzionitecnologiche con minori costi di investi-mento, e quindi minor rischio sul capita-le investito, anche se queste rivelano uncosto complessivo superiore.


Capitolo Quattro

Emissioni di CO2 (Mt) per macroregioniFig. 4.1

Evoluzione delle politiche energetiche per lo sviluppo sostenibile

� la tutela dell’ambiente deve costituireparte integrante delle politiche econo-miche: i costi ambientali dovranno esse-re “internalizzati” tra i costi di gestionedi impresa, con l'applicazione del prin-cipio del “chi inquina paga”;

� gli Stati dovranno favorire le pratichea minor impatto ambientale attraversostrumenti economici adeguati (incen-tivi);

� le responsabilità riguardanti il degra-do ambientale del pianeta sono ascri-vibili in maggior misura ai paesi delNord sviluppato, che dovrà maggior-mente impegnarsi nel processo dirisanamento;

� per affrontare efficacemente i problemiambientali è necessario assicurare lapartecipazione dei cittadini ai diversilivelli;

� in caso di rischio grave o irreversibile,l’assenza di certezza scientifica assolu-ta non deve essere il pretesto per rin-viare l’adozione di misure adeguatedirette a prevenire il degrado ambien-tale (principio precauzionale).

Oltre a sancire questi principi fondamen-tali la Conferenza di Rio ha anche appro-vato due importanti Convenzioni interna-zionali, una sui cambiamenti climatici, l’al-tra sulla conservazione della biodiversità.È stata anche adottata l’Agenda per il XXIsecolo (Agenda 21), che definisce le azio-

[4.1]La conferenza di Rio 1992

La presa di coscienza, da parte delle popo-lazioni e dei Governi, dell’emergenzaambientale causata dalla sempre più con-sistente interferenza delle attività umanecon i naturali cicli ecologici del pianeta, haportato alla Conferenza delle NazioniUnite sull’Ambiente e lo Sviluppo che si èsvolta a Rio de Janeiro nel Giugno 1992.La Conferenza, che invita i governi adadottare politiche nazionali di svilupposostenibile che integrino gli aspetti eco-nomici, sociali, ambientali, ha sancito iseguenti principi fondamentali:� il diritto allo sviluppo deve essere rea-

lizzato in modo da soddisfare anche leesigenze delle generazioni future;

sarebbe entrato in vigore il 90° giornodopo la ratifica del 55° paese tra i 166 sot-toscrittori originari se questi, complessiva-mente, avessero coperto almeno il 55%delle emissioni globali di gas serra.Il Protocollo di Kyoto individua le primemisure per l’attuazione della Conven-zione Quadro, ratificata dall’Italia nel1994, e stabilisce la riduzione delle emis-sioni di sei gas ad effetto serra: il biossi-do di carbonio (CO2), prodotto dall’im-piego dei combustibili fossili, il metano(CH4), emesso dalle discariche e dallazootecnia, l’ossido di azoto (N2O) deri-vante dalle attività agricole e dalle pro-duzioni chimiche, gli idrocarburi fluoratiHFC, gli idrocarburi perfluorati PFC el'esafluoruro di zolfo SF6, questi ultimiimpiegati nell’industria.Dopo il rifiuto di ratificare il protocollo daparte del cosiddetto “Umbrella Group” –formato da: USA, Canada, Giappone,Australia e Nuova Zelanda – nel marzo2001, per evitare il fallimento completodelle trattative, nella sessione negoziale diBonn del luglio 2001, sono stati introdot-ti dei meccanismi flessibili per l'applicazio-ne delle misure previste.Già prima del luglio 2001 le regole e leprocedure dei meccanismi flessibili eranostate oggetto di diverse discussioni, rela-tive alla:� “supplementarietà”, cioè quanti e quali

impegni attuare in ambito nazionale enell’ambito internazionale (la UE avevaposto come vincolo il 50% in termini diazioni domestiche da attuare in ambi-to nazionale),

� regolamentazione e definizione dellatipologia di progetti da realizzare attra-verso il clean development mechanism:l’Unione Europea chiedeva che fossedata priorità a progetti riguardanti le

ni da intraprendere per riconvertire lo svi-luppo ai principi della sostenibilità am-bientale. Il suo obiettivo è quello di supportare unPaese nella realizzazione delle propriepolitiche di sviluppo sostenibile.Dopo la conferenza di Rio, l’ONU ha costi-tuito una Commissione per lo Svilupposostenibile che ha il compito di monitora-re e promuovere l’attuazione dell’Agenda21 in tutti i paesi. Il passo successivo è rap-presentato dalla Prima Convenzione Qua-dro sui cambiamenti climatici, sottoscrittada 166 paesi e entrata in vigore come attodi diritto internazionale il 21 Marzo 1994.Essa obbligava i paesi industrializzati ariportare nel 2000 le emissioni climalteran-ti al livello del 1990.Nel 1997 venne tenuta una sessione spe-ciale dell'Assemblea delle Nazioni Uniteper valutare i progressi dei primi cinqueanni dall'approvazione dell'Agenda 21(Rio+5), dove venne riaffermata l'esigen-za di integrazione delle politiche di svilup-po sostenibile con le politiche sociali, eco-nomiche e ambientali, e vennero invitati imembri a completare entro il 2002 strate-gie di sviluppo sostenibile che riflettesse-ro i contributi e gli interessi delle parti.

[4.2]La conferenza di Kyoto 1997

La Conferenza delle Parti di Kyoto del 10Dicembre 1997 ha portato alla SecondaConvenzione Quadro sui CambiamentiClimatici, che contiene l’accordo dei paesipartecipanti a ridurre, in maniera differen-ziata, le emissioni complessive di gas serradel 5,2% rispetto ai livelli del 1990 entro il2012. Sulla base degli accordi il Protocollo


� il 2% dei crediti derivanti dai progettiattuati attraverso il clean developmentmechanism viene destinato ad alimen-tare uno speciale fondo, il KyotoAdaptation Fund, per aiutare i paesipoveri più vulnerabili ai cambiamenticlimatici.

L'accordo è entrato in vigore il 16 febbra-io 2005, con l'adesione della Russia; dopoche avevano già aderito al protocollo 125paesi che rappresentavano il 44,2% delleemissioni climalteranti. Risultavano quin-di decisive l'adesione della Russia, respon-sabile del 17,4% delle emissioni, o degliStati Uniti, la cui quota era del 36,1%.

I Meccanismi del Protocollo di KyotoLa riduzione delle emissioni prevista dalProtocollo di Kyoto potrà avvenire attra-verso azioni domestiche, accordi interna-zionali o meccanismi flessibili.Con le prime si intendono politiche nazio-nali che promuovano: l'aumento dell'effi-cienza energetica, forme sostenibili diagricoltura, la ricerca e promozione del-l'uso di nuove, e rinnovabili, forme dienergia e di tecnologie per la cattura delbiossido di carbonio.Gli accordi internazionali sono inveceforme di cooperazione internazionalevolta a migliorare l'efficacia delle politichee delle misure adottate, da realizzareattraverso la condivisione delle rispettiveesperienze, lo scambio di informazionirelative alle misure implementate, o, infi-ne attraverso l'utilizzo dei tre meccanismiflessibili contemplati dal protocollo:� Joint Implementation (JI), ovvero la

“realizzazione congiunta”, con la qualei paesi industrializzati, ovvero quellicompresi nell'Annesso I del Protocollo,possono realizzare in maniera congiun-

energie rinnovabili e l’uso efficiente del-l’energia, e che fossero invece esclusiprogetti riguardanti il nucleare e l’idroe-lettrico, oltre naturalmente ad esclude-re dai conti i carbon sinks, o pozzi diassorbimento di anidride carbonica, equindi i progetti di forestazione/rifore-stazione per assorbire il biossido di car-bonio dell'atmosfera,

� regolamentazione dell’emission trading(commercio delle emissioni fra paesisviluppati): l’Unione Europea chiedevache venissero esclusi dal commerciodelle emissione le quote di hot air, cioèle quote di riduzione non riferibili adazione concrete di riduzione delle emis-sioni, ma determinate da altri fattoricome per esempio la recessione eco-nomica che attualmente colpisce i paesidell’Est europeo.

Su questi punti, invece, i paesi dell’um-brella group chiedevano solo indicazionigenerali e comunque regole semplici pernon compromettere l’uso complessivo diquesti meccanismi (senza vincoli di sup-plementarietà, di hot air, e estesi in ognicaso anche al nucleare e ai sink).Dopo la riunione di Bonn, del Luglio 2001sono caduti i vincoli precedenti richiestidalla UE che sono stati sostituiti da racco-mandazioni o esortazioni, di cui le princi-pali sono:� i meccanismi flessibili devono essere

supplementari alle azioni domestichele quali devono costituire un “signifi-cativo” contributo per ridurre le emis-sioni;

� l’energia nucleare viene esclusa comepossibilità di generare crediti per lariduzione delle emissioni nella attua-zione dei meccanismi flessibili, ma puòessere utilizzata come azione dome-stica;

49 Evoluzione delle politiche energetiche per lo sviluppo sostenibile

canismo ciascun Paese dell'Annesso Iha la possibilità di comprare quote opermessi di emissione messi in venditada un altro Paese dell'Annesso I che èriuscito a ridurre le emissioni in misuramaggiore rispetto al proprio obiettivodi abbattimento. Possono essere com-prati e venduti a prezzo di mercato nonsolo le quote di emissione disponibili alivello nazionale (Assigned AmountUnits - AAU), ma anche i crediti di emis-sioni (ERU e CER) ottenuti rispettiva-mente attraverso l'implementazione diprogetti JI e CDM.

Il Mercato Europeo delle EmissioniL'Europa ha adottato il Protocollo diKyoto con la decisione 2002/358/CE.L'impegno assunto dai 15 Paesi che allo-ra costituivano l'Unione Europea consi-steva in una riduzione delle emissioni digas serra di almeno l'8% (il 6,5% perl'Italia) rispetto ai livelli del 1990 entro ilperiodo 2008-2012. Per 10 dei 12 Statiche hanno aderito, dal 1° maggio 2004 edal 1° gennaio 2007, all'Unione Europea,sono stati fissati obiettivi individuali diriduzione (6% o 8%), mentre per Cipro eMalta, che non rientrano fra le partidell'Annesso I, non esiste nessun obiet-tivo da raggiungere. Per adempiere a taliimpegni, l'Unione Europea ha istituito,con la Direttiva 2003/87/CE, un sistemaper lo scambio di quote di emissioni digas serra all'interno del suo territorio: sitratta di un precursore del sistema ana-logo, a livello internazionale, previsto dalProtocollo.Lo “European Emission Trading Scheme”(EU ETS), ha come obiettivo il migliora-mento dell'efficienza energetica, la ridu-zione delle emissioni secondo criteri di

ta progetti di riduzione delle emissionidi gas ad effetto serra. Attraverso larealizzazione di tali progetti, il Paeseinvestitore otterrà un trasferimento, daparte del Paese ospitante, di crediti diemissione (Emission Reduction Units -ERU) aggiuntivi rispetto alle quote diemissione possedute e equivalenti alladifferenza fra la stima delle emissioniprodotte in assenza del progetto equelle effettivamente ottenute attraver-so l'implementazione del progetto stes-so. I crediti di emissione acquisiti pos-sono essere accumulati o possonoessere venduti sul mercato delle emis-sioni.

� Clean Development Mechanism(CDM), il “meccanismo per lo sviluppopulito” con il quale i paesi industrializ-zati possono acquisire crediti di emis-sione mediante la realizzazione, neipaesi in via di sviluppo, di progetti perla riduzione delle emissioni di gasserra. Con la realizzazione di tali pro-getti il Paese investitore otterrà deicrediti di emissione (Certified EmissionReductions - CER) equivalenti alla dif-ferenza tra le emissioni che si stimasarebbero state prodotte senza l'im-plementazione del progetto e quelleeffettivamente ottenute attraverso larealizzazione del progetto stesso. ICER così ottenuti possono essererivenduti sul mercato delle emissioni opossono essere accumulati per assol-vere all'obbligo nazionale di riduzioneassegnato.

� Emission Trading (ET) o “mercato dellequote di emissione”, vale a dire unmeccanismo, già avviato dall'UnioneEuropea, finalizzato allo scambio deicrediti al fine di contenere i costi di ridu-zione delle emissioni. Con questo mec-


duttivi; viceversa, un'impresa meno “vir-tuosa” è obbligata ad aumentare il tettodelle emissioni a lei assegnato acquistan-do ulteriori quote.A dar credibilità al sistema concorre il pro-filo sanzionatorio: è prevista infatti unasanzione pecuniaria pari a 40 h nel perio-do 2005-2007, e a 100 h per i periodi suc-cessivi, per ogni tonnellata di biossido dicarbonio equivalente in eccesso. Il paga-mento dell’ammenda non esonera in ognicaso il gestore dell’impianto dalla restitu-zione delle quote corrispondenti alleemissioni in eccesso.Questo sistema induce le imprese adabbattere le emissioni dove la riduzionerisulta più economica, e garantisce in talmodo il contenimento dei costi, oltre cheincentivare l'innovazione.Da notare che l'UE si è resa disponibile acollegare il sistema comunitario ai sistemidi scambio di altri paesi che hanno ratifi-cato il protocollo di Kyoto.La direttiva 2004/101/CE (Direttiva “Lin-king”) approfondisce il collegamento frail sistema di scambio di quote di emissio-ni dell'Unione e del Protocollo di Kyoto,in quanto riconosce la validità dei creditiderivanti dai progetti di attuazione con-giunta (JI) e di meccanismo per uno svi-luppo pulito (CDM) allo stesso titolo dellequote di emissione, ad eccezione di quel-li derivanti dall'utilizzo del territorio, dallavariazione della destinazione d'uso delterritorio e dalla silvicoltura. Anche nel mercato europeo i crediti deri-vanti da progetti di attuazione congiuntasono denominati “unità di riduzione delleemissioni” (ERU), mentre i crediti derivan-ti da progetti nell'ambito del meccani-smo per uno sviluppo pulito sono deno-minati “riduzioni certificate delle emissio-ni” (CER).

efficienza economica e la promozione ditecnologie compatibili con l'ambiente. Questa “Borsa della CO2” ha iniziato uffi-cialmente a funzionare dal 1° gennaio2005; per parteciparvi gli Stati Membridevono presentare il proprio Piano Na-zionale di assegnazione delle quote (laquota consiste nel diritto ad emettereuna tonnellata di biossido di carbonioequivalente per un periodo determina-to), in cui sono fissate le quote da asse-gnare a ciascun settore e a ciascunaimpresa.Nel maggio 2007 la Commissione Euro-pea ha accolto il Piano Nazionale del-l'Italia per l'assegnazione delle quote rela-tive al periodo 2008-2012.Il funzionamento prevede che gli StatiMembri fissino limiti sulle emissioni di CO2

prodotte da imprese ad alto consumoenergetico – circa 12.000 fra stabilimentisiderurgici, centrali elettriche, raffinerie dipetrolio, cartiere, vetrerie e cementifici –e stabiliscano la quantità di biossido dicarbonio che queste possono generare.Gli impianti hanno due tipi di obblighi:� per operare devono possedere un per-

messo di emissione di gas in atmosfe-ra (in Italia rilasciate con Decreti con-giunti del Ministero dell’Ambiente edella Tutela del Territorio e del Mini-stero delle Attività Produttive),

� alla fine dell'anno devono rendere unnumero di quote di emissione pari alleemissioni rilasciate durante l'anno.

Se un'azienda produce una quantitàminore di anidride carbonica rispettoquella assegnata, ad esempio utilizzandouna tecnologia più “pulita”, potrà riven-derla sul mercato ad un'impresa che nonriesce a rispettare i limiti imposti, o per laquale è meno costoso acquistare quotealtrui che cambiare i propri impianti pro-


più poveri come quelli nell’Africa sub-sahariana, per varie ragioni, soprattutto acausa del rischio per gli investitori.Pochissimi investimenti diretti esteri rag-giungono i paesi meno sviluppati e l’aiu-to ufficiale allo sviluppo rimane limitato.La maggior parte dei paesi emergentideve finanziare il proprio sviluppo ener-getico essenzialmente con i risparminazionali e l’aiuto allo sviluppo.

Investimenti Diretti EsteriPer attirare Investimenti Diretti Esteri(IDE) nel settore dell’energia, in partico-lare nei settori dell’efficienza energeticae delle fonti energetiche rinnovabili,occorre uno sforzo concordato e di gran-de portata. Si devono assumere oppor-tuni impegni a livello, a seconda dei casi,multilaterale o bilaterale, onde garantirela certezza del diritto necessaria per glioperatori esteri che investono e opera-no in un paese.L’esistenza di un quadro legislativo, rego-lamentare e finanziario adeguato è unacondizione necessaria per attirare i flussidi investimento privato che sviluppino leinfrastrutture e i servizi energetici di base.Tale quadro è di solito assente nei paesiin via di sviluppo.È opportuno, inoltre, tendere al rafforza-mento degli intermediari finanziari, e allosviluppo di partnership tra settore pubbli-co e privato (PPP), fondamentali per mobi-litare il capitale interno e straniero nel qua-dro di assunzioni di partecipazione. Sideve inoltre garantire la gestione traspa-rente e equa delle entrate derivanti dallepartnership pubblico-privato.

La distorsione tariffariaNella maggioranza dei paesi in via di svi-luppo, il prezzo delle fonti energetiche

[4.3]La cooperazione della UEcon i paesi in via di sviluppo

L’UE e i paesi in via di sviluppo hanno uncrescente e comune interesse alla stabili-tà del mercato di petrolio e gas e i paesiin via di sviluppo avranno sempre più uninteresse diretto alle politiche a favore del-l’efficienza energetica e delle fonti ener-getiche alternative.L’attuale dialogo tra produttore e consu-matore vedrà gradualmente i paesi in viadi sviluppo nella veste di importanti con-sumatori.L’insicurezza dell’approvvigionamentoenergetico, espressa ad esempio da for-niture di elettricità inaffidabili, è di ordina-ria amministrazione nei paesi in via di svi-luppo ed è socialmente e economicamen-te nociva in quanto scoraggia l’investi-mento minacciando la produzione eaumentando i costi per la capacità di riser-va necessaria. Il costo di produzione dielettricità stand-by per i piccoli investito-ri è particolarmente alto.Le necessità di investimento nel settoredell’energia nei paesi in via di svilupposono ingenti. Secondo diversi scenari, ilfabbisogno di capitale del settore del-l’energia nei paesi in via di sviluppo neifuturi vent’anni, si situa a 150-200 miliardidi USD all’anno.Gli investimenti annuali nel settore dellaproduzione di elettricità sono stimati sol-tanto a 70-85 miliardi di USD all’anno.Un finanziamento di questa entità nonpuò essere fornito principalmente dal-l’aiuto allo sviluppo o dai bilanci pubbli-ci. Nei paesi in via di sviluppo gli investi-menti energetici stanno orientandosiverso finanziamenti privati, tuttavia scar-si, particolarmente quelli diretti ai paesi


B. Cooperazione a livello della domandaLa penetrazione della tecnologia ener-getica efficiente nei paesi in via di svi-luppo presuppone fondamentalmentetre elementi:� l’accesso alla tecnologia per l’uso

nell’industria produttiva dei paesi invia di sviluppo,

� l’accesso al capitale per il necessario(spesso elevato) investimento nell’ef-ficienza energetica,

� la creazione di una struttura legale efinanziaria, di strumenti e/o incentivieconomici per garantire l’applicazio-ne della tecnologia.

C. Cooperazione a livello dell’offerta –Promozione della diversificazione ener-geticaL’obiettivo di diversificazione energeti-ca, che vale tanto per i paesi consuma-tori che per i paesi produttori, spessomonoesportatori e quindi vulnerabili avolatilità dei prezzi o a riserve limitate,è relativo a:� Carbone

Vanno introdotte su vasta scala le tec-nologie pulite del carbone, con un’at-tenzione specifica alla cooperazioneper accelerare la penetrazione suvasta scala di queste tecnologie, svi-luppate nell’UE negli ultimi venti anni.Con gli elevati valori di efficienza diimpianto dei cicli energetici recente-mente messi a punto si possonoridurre significativamente le emissio-ni di CO2 della maggior parte degliimpianti esistenti. L’uso del calore discarto per il riscaldamento domesti-co, il raffreddamento o altre applica-zioni a bassa temperatura permetterendimenti globalmente più elevati.

� Petrolio e gasEntrambi dovrebbero aumentare

convenzionali è artificialmente ridotto dasovvenzioni pubbliche. Questa politicadi distorsione tariffaria costituisce unostacolo agli investimenti di efficienzaenergetica. Il ricorso alle sovvenzionidovrebbe essere trasparente, limitato neltempo e con finalità sociali specifiche,come il regime di sovvenzioni incrociatetra le zone urbane ricche e le zone rura-li svantaggiate. L'inadeguata tassazione delle apparec-chiature energetiche importate costitui-sce, inoltre, un messaggio negativo per ilmercato.

Un quadro di riferimento per la cooperazione energetica La cooperazione energetica dell’UnioneEuropea con i paesi in via di sviluppo nonha finora seguito un approccio sistemati-co e anche il volume degli aiuti è rimastomolto limitato; affinché si estendano lecooperazioni tra UE, investitori privati,Paesi euro e emergenti, gli accordi richie-sti vertono:� sulla realizzazione dell’ownership,� sulla qualità del dialogo con i paesi par-

tner che deve garantire la coerenza trale politiche adottate dal paese e gliinterventi del sostegno comunitario.

Alcuni aspetti, di seguito elencati, sonoritenuti prioritari.A. Aspetti orizzontali

� la riforma del settore energetico e iltrasferimento di tecnologie sonodue aspetti fondamentali della coo-perazione, che riguardano sia ladomanda che l’offerta energetica,

� l’apertura al settore privato nei set-tori della produzione e distribuzione,

� la tariffazione,� il trasferimento di tecnologie avan-

zate.


attuare il necessario quadro di rego-lamentazione e la capacità istituzio-nale di gestire in modo sicuro l’ener-gia nucleare, compresi il controllodelle materie nucleari (controlli disicurezza), la gestione dei residui e letecnologie più sicure.

D. Cooperazione a livello di sostegnoLa fase di realizzazione della coopera-zione non può prescindere dal sostene-re i paesi in via di sviluppo mediante:� assistenza per promuovere la neces-

saria capacità tecnica,� sostegno alla creazione del necessa-

rio quadro di regolamentazione edella capacità istituzionale per pro-muovere l’uso delle fonti energeti-che rinnovabili disponibili in loco,

� un accesso migliorato alle tecnolo-gie di energia rinnovabile e di effi-cienza energetica sviluppate dall’in-dustria UE,

� opportuni meccanismi finanziari perpromuovere le fonti rinnovabili,

� facilitare lo sviluppo delle reti, in par-ticolare le interconnessioni.

Lo sviluppo di una infrastruttura regiona-le dell’energia può offrire i vantaggi dieconomie di scala, particolarmente nelcaso dei piccoli paesi, dove è possibileridurre i costi di transazione e aumentarela competitività attraverso la condivisionedello sviluppo, della gestione e del funzio-namento di impianti dell’infrastruttura del-l’energia.

[4.4]Sostegno e incentivazionedelle rinnovabili in Italia

Gli aspetti più salienti delle politiche estrategie nazionali in materia di fonti rin-

notevolmente nel mix energetico neipaesi in via di sviluppo, il petrolioper un maggiore uso nel settore deitrasporti, dove attualmente le alter-native sono limitate, il gas naturaleperché il suo maggiore uso puòmigliorare le condizioni urbane, inparticolare l’inquinamento urbano. Ilgas naturale è un combustibile inte-ressante sotto il profilo del cambia-mento climatico poiché può essereusato con rendimenti elevati ed haun tenore di carbonio minore di altricombustibili fossili.A medio termine si prevede che leforniture sia di petrolio che di gassiano limitate: il loro uso deve esse-re pertanto il più razionale possibile.

� Energia rinnovabileLa domanda dell’energia totale neipaesi in via di sviluppo aumenterà el’uso di legna da ardere dovrebbeessere sostituito con più fonti dienergia sostenibili; la quota dellabiomassa tradizionale in questi paesi(e a livello mondiale) dovrebbe regi-strare una diminuzione sul medio-lungo termine, a favore di fonti ener-getiche rinnovabili moderne, maoccorrerà uno sforzo significativo perintrodurre tali fonti.

� Opzione nucleareVari paesi in via di sviluppo (p. es.Cina, India, Corea del Sud, Taiwan,Sudafrica) perseguono l’energianucleare come parte del loro mix glo-bale dell’energia. Il dibattito europeosull’energia nucleare ha chiaramentedimostrato la necessità di elevatenorme di sicurezza e di trattamentoe deposito ecologicamente sicurodelle scorie nucleari. L’UE può: forni-re assistenza tecnica per istituire e


tivo realistico al 2010, una produzioneinterna lorda di elettricità da fonti rinno-vabili pari a 76.000 GWh ed una percen-tuale di produzione da fonti rinnovabilidel 22% (rapporto della produzione rinno-vabile nazionale, sommata alle importa-zioni di energia rinnovabile con certifica-zione riconosciuta, sul consumo internolordo di elettricità), a fronte di una percen-tuale attuale che supera di poco il 16%.Lo sviluppo dell'energia rinnovabile inItalia, inizialmente incentivato con il prov-vedimento noto come CIP6, è stato pro-fondamente riformato con il decreto legi-slativo 79/99, che ha introdotto l’obbligoper le imprese che producono o importa-no elettricità da fonti fossili a immetterein rete una quota prodotta da impiantinuovi o ripotenziati alimentati da fonti dienergia rinnovabili. Tale quota era statafissata inizialmente al 2% dell’energiaeccedente i 100 GWh. Successivamente,con il decreto n. 387 si è stabilito di incre-mentarla annualmente dello 0,35%. Tutti gli operatori soggetti all’obbligo pos-sono provvedere autonomamente allaproduzione della quota di energia rinno-vabile che devono immettere in rete, ocomperare tale quota da terzi attraversoun meccanismo di mercato che prevedela cessione dei cosiddetti “CertificatiVerdi” (CV). Si tratta di titoli attribuibiliannualmente dal GRTN (Gestore ReteTrasmissione Nazionale) all’energia pro-dotta da fonti rinnovabili. Tali titoli hannouna taglia di 100 MWh e possono esserevantaggiosamente negoziati, tramite con-tratti bilaterali tra detentori di CV e glioperatori soggetti all’obbligo o nella piat-taforma di negoziazione nel GME (Ge-store Mercato Elettrico).Il GSE gestisce in Italia il sistema di pro-mozione dell'energia rinnovabile basato

novabili sono richiamate qui di seguito.Il Decreto Legislativo del 29 dicembre2003 n. 387, recepisce la Direttiva2001/77/CE ed introduce una serie dimisure volte a superare i problemi connes-si allo sviluppo del mercato delle fonti diEnergia Rinnovabile.Con l’espressione fonti di energia rinno-vabili si intendono, ai sensi dell’articolo 2,comma 1 del Decreto legislativo n. 387 del29 dicembre 2003:

«... le fonti energetiche rinnovabili non

fossili (eolica, solare, geotermica, del

moto ondoso, maremotrice, idraulica,

biomasse, gas di discarica, gas residua-

ti dai processi di depurazione e biogas).

In particolare, per biomasse si intende

la parte biodegradabile dei prodotti,

rifiuti e residui provenienti dall’agricol-

tura (comprendente sostanze vegetali e

animali) e dalla silvicoltura e dalle indu-

strie connesse, nonché la parte biode-

gradabile dei rifiuti industriali e urbani»

Nell’ambito della Direttiva Europea2001/77/CE sulla promozione delle fontirinnovabili, l’Italia ha indicato, quale obiet-


Idroelettrico73,9%

Biogas2,9%

Legna3,2%RSU

5,0%Geotermo-elettrico

9,5%

Eolico5,4%

Solare fotovoltaico0,19%

Nel 2007, in Italia, il settore idroelettrico è quello che ha contributo maggiormente alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (73,9%), seguito da biomasse e rifiuti (11,1%),

geotermico (9,5%) ed eolico (5,4%)

Fig. 4.2


Nell’agosto 2005 è stato emanato il decreto interministe-riale (Ministero Attività Produttive e Ministero Ambientee Tutela del Territorio) 28 luglio 2005, in attuazione delD. Lgs 387/03, che con i criteri introdotti ha rivoluziona-to il precedente sistema di incentivazione pubblica alla rea-lizzazione di impianti di produzione di energia elettrica pervia fotovoltaica. Il decreto ha previsto la corresponsione di una Tariffaincentivante in “Conto Energia” fissa per un determinatoperiodo di tempo (20 anni) e l’obbligo di acquisto dell’ener-gia per i distributori. Successive delibere dell’AEEG hannostabilito le modalità di presentazione delle richieste diincentivazione e le condizioni tecnico-economiche del ser-vizio di scambio sul posto dell’energia prodotta. Nei primi10 giorni successivi all’avvio del meccanismo (nel settem-bre 2005) pervennero al GRTN quasi 4.000 domande.

IIll ppiiùù rreecceennttee ““CCoonnttoo EEnneerrggiiaa””La legislazione in materia di fotovoltaico è stata poiaggiornata e semplificata con un ulteriore decreto riguar-dante il conto energia, emesso nel febbraio dell’anno 2007.Il meccanismo di incentivazione Conto Energia consistenella erogazione di un corrispettivo commisurato all’elet-tricità prodotta dagli impianti, sulla base di tariffe incen-tivanti che variano a seconda della taglia. Le risorse perl'erogazione delle tariffe incentivanti trovano copertura nelgettito della componente tariffaria A3 della nostra bollet-ta elettrica. In particolare, il conto energia si applica agliimpianti fotovoltaici collegati alla rete elettrica, dellapotenza da 1 kW sino a 1.000 kW (dal 2007 non è più fis-

sato un limite superiore), entrati in esercizio dopo il30/09/2005. Possono beneficiare di tale incentivazionepersone fisiche, persone giuridiche, soggetti pubblici, con-domini di unità abitative e/o di edifici.L’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas, con la delibera188/2005, ha individuato nel Gestore del Sistema Elettrico– GSE Spa (ex GRTN) il “Soggetto Attuatore” per l’incen-tivazione del fotovoltaico, ai sensi e in attuazione dell’ar-ticolo 7 del decreto ministeriale 28 luglio 2005.Il GSE verifica le domande di ammissione all’incentiva-zione, comunica gli esiti delle valutazioni, eroga gli incen-tivi ventennali e effettua verifiche sugli impianti in costru-zione e in esercizio.Gli impianti fotovoltaici che possono beneficiare delletariffe del Conto Energia sono riconducibili (secondo ildecreto 2007) a tre tipologie: � impianti fotovoltaici “non integrati”;� impianti fotovoltaici “parzialmente integrati”; � impianti fotovoltaici “con integrazione architettonica”.Negli impianti fotovoltaici “non integrati” i moduli sonoinstallati a terra, in modo non complanare alle superficisu cui sono fissati, sia che si tratti di elementi di arredourbano e viario (incluse barriere acustiche, pensiline, per-gole, tettoie), che di tetti (solo nel caso di tetti a falda) ofacciate di edifici. Inoltre, sono comprese in questa tipo-logia anche le coperture dei parcheggi, i lampioni (sem-pre in connessione a rete, quindi senza batterie) e i siste-mi a inseguimento installati a terra. Gli impianti fotovoltaici sono “parzialmente integrati”quando i moduli, non sostituendo i materiali che costitui-scono le superfici di appoggio, sono installati su tetti pianie terrazze di edifici e fabbricati, in modo complanare allesuperfici degli edifici su cui sono fissati (tetti a falda, coper-ture, facciate, balaustre, parapetti) e agli elementi di arre-do urbano e viario.Gli impianti fotovoltaici “con integrazione architettonica”sono quelli in cui i moduli sostituiscono materiali di rive-stimento di tetti, coperture, facciate di edifici e fabbrica-ti, con la stessa inclinazione e funzionalità architettonica,oppure sostituiscono la parte trasparente o semi traspa-rente di facciate o lucernari, garantendo l’illuminamentonaturale degli ambienti interni all’edificio, e così via.

Un caso significativo: l’incentivazione del fotovoltaico con il “Conto Energia”

La finanziaria 2008 per le rinnovabiliLa legge Finanziaria del 2008 (Legge n.244 del 24 dicembre 2007: “Disposizioniper la formazione del bilancio annuale epluriennale dello Stato”) ha aggiornato ilsistema vigente di incentivazione alla pro-duzione di energia elettrica da fonti rinno-vabili. L’obiettivo è di promuovere la pro-duzione di energia “alternativa” e dimigliorare le politiche dei prezzi e le tarif-fe a carico dei consumatori. Oltre al nuovosistema di incentivazione alle rinnovabili,la Finanziaria 2008 tratta:� la semplificazione delle procedure di

autorizzazione degli impianti alimenta-ti da fonti rinnovabili;

� la facilitazione nelle fasi di connessionedegli impianti, di acquisto e trasmissio-ne dell'elettricità da fonti rinnovabili;

� l'armonizzazione delle funzioni di Statoe Regioni in materia di FER.

La legge modifica in senso restrittivo lanormativa di incentivazione alla produzio-ne di energia elettrica da fonti rinnovabi-li, in modo da ridurre il rischio di eventua-li forme di abuso nell’accesso alle facilita-zioni. In particolare, il nuovo sistema di incenti-vazione mette ordine nella annosa que-stione degli incentivi CIP6, contributi sta-tali spesso destinati anche alle “false rin-novabili”, tra cui i rifiuti.La Legge Finanziaria 2008 stabilisce quin-di quali sono le tipologie di fonti energe-tiche rinnovabili che potranno usufruiredella nuova forma di incentivazione:� energia eolica (on shore ed off shore);� energia solare;� energia geotermica;� energia del moto ondoso e maremo-

trice;� energia da biomasse;

sul meccanismo di mercato dei CertificatiVerdi. Per ottenere i certificati verdi gliimpianti di produzione devono esserepreventivamente qualificati come Alimen-tati da Fonti Rinnovabili (Qualifica IAFR).Il GSE rilascia inoltre altre forme di certi-ficazione dell’energia da fonti rinnovabilibasate sulla Garanzia di Origine (GO) e suicertificati RECS.

La nuova normativa per l’efficienzaenergetica negli edificiIl Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n.192 e il Decreto Legislativo 29 dicembre2006, n. 311 fissano criteri e normative permigliorare le prestazioni energetiche degliedifici, in accordo con quanto stabilito dalProtocollo di Kyoto, relativamente allalimitazione dei gas serra, definendo tral’altro, ambiti di intervento, funzioni ecompiti degli enti locali e delle regioni.La legislazione per gli edifici di nuovacostruzione, particolarmente interessati daquesto decreto, detta le norme che i pro-prietari dovranno rispettare in ordine alfabbisogno energetico.Lo stimolo al perseguimento di obiettividi efficienza energetica negli edifici si ètradotto in una serie di misure contenutenella legge finanziaria 2007 (legge 27dicembre 2006 n. 296, “Disposizioni per laformazione del bilancio annuale e plurien-nale dello Stato”) che ha stabilito criteri inbase ai quali è possibile ottenere detra-zioni fiscali del 55% su determinate speseeffettuate per la ristrutturazione delle pro-prie abitazioni. In particolare per quegliedifici che si doteranno di sistemi di ridu-zione delle dispersioni termiche e diimpianti come i pannelli solari e le calda-ie a condensazione finalizzati ad un piùoculato sfruttamento dei combustibili fos-sili e all’utilizzo della fonte solare.


elettrica da fonti rinnovabili di potenzanominale superiore ad 1 MW, usufruisco-no di incentivazione tramite CertificatiVerdi (legge 244 – art. 2 – comma 144) . In particolare, il Gestore dei ServiziElettrici (GSE) rilascia ai produttori di ener-gia elettrica da rinnovabili un numero diCertificati Verdi pari al prodotto tra laproduzione netta annua di energia elettri-ca da fonti rinnovabili, e un coefficientediverso da fonte a fonte, che è riportatoin tabella 4.1. La durata degli incentivi èdi 15 anni.

Impianti con potenza inferiore ad 1 MWGli impianti per la produzione di energiaelettrica da fonti rinnovabili di potenzanominale inferiore ad 1 MW hanno dirit-to a due diverse forme di incentivazione;il produttore di energia può scegliere diquale forma di incentivo usufruire:� incentivazione tramite Certificati Verdi

(analogamente agli impianti di poten-za superiore ad 1 MW),

� contributo in Conto Energia specificoper fonte, tramite una tariffa fissa onni-comprensiva per ogni kWh di energiaelettrica prodotto.

L’entità della tariffa fissa onnicomprensiva,per ciascuna fonte, è indicata in tabella4.2. La durata degli incentivi è anche inquesto caso di 15 anni.

Mercato e Valore dei Certificati VerdiI Certificati Verdi, emessi dal GSE, a parti-re dal 2008 hanno un valore unitario pari a1 MWh e sono collocati sul mercato a unprezzo pari alla differenza tra il valore diriferimento, fissato in sede di prima appli-cazione in 180 euro per MWh, e il valoremedio annuo del prezzo di cessione del-l'energia elettrica definito dall'Autorità per

� energia da rifiuti biodegradabili, bio-gas.

Impianti in esercizio al 31/12/2007Gli impianti per la produzione di energiaelettrica da fonti rinnovabili che sono giàin funzione alla data del 31/12/2007, con-tinuano ad usufruire degli incentivi delCIP6, il sistema di remunerazione adotta-to con delibera del Comitato Intermi-nisteriale Prezzi (delibera n. 6 del 1992). Il CIP6 fissava incentivi economici per lacessione di elettricità ottenuta da impian-ti alimentati da fonti rinnovabili e assimi-late. Sono considerati impianti alimentatida fonti assimilate: � quelli in cogenerazione; � quelli che utilizzano calore di risulta,

fumi di scarico e altre forme di energiarecuperabile in processi e impianti;

� quelli che usano gli scarti di lavorazio-ne e/o di processi

� quelli che utilizzano fonti fossili prodot-te solo da giacimenti minori isolati.

Impianti in esercizio dal 01/01/2008Gli impianti per la produzione di energiaelettrica da fonti rinnovabili che siano statigià autorizzati ma in fase di costruzione onon ancora costruiti devono ottenere il rico-noscimento del diritto agli incentivi da partedel Ministro dello sviluppo economico.Tali impianti beneficeranno dunque delnuovo sistema di incentivazione, che indi-vidua due categorie:� impianti con potenza nominale superio-

re ad 1 MW,� impianti con potenza nominale inferio-

re ad 1 MW.

Impianti con potenza nominale superiore ad 1 MWGli impianti per la produzione di energia



Riferimento Fonte Coefficiente

1 Eolica per impianti di taglia superiore a 200 kW 1,00

1-bis Eolica offshore 1,1

2 Solare **

3 Geotermica 0,9

4 Moto ondoso e maremotrice 1,8

5 Idraulica 1,00

6 Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto successivo 1,00

7 Biomasse e biogas prodotti da attività agricola, allevamento e forestale da filiera corta *

7-bis Biomasse e biogas di cui al punto 7, alimentanti impianti di cogenerazione ad alto rendimento, con riutilizzo dell’energia termica in ambito agricolo *

8 Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e biogas diversi da quelli del punto precedente 0,8

Tabella 4.1

* È fatto salvo quanto disposto a legislazione vigente in materia di produzione di energia elettrica mediante impian-ti alimentati da biomasse e biogas derivanti da prodotti agricoli, di allevamento e forestali, ivi inclusi i sottopro-dotti, ottenuti nell'ambito di intese di filiera o contratti quadro ai sensi degli articoli 9 e 10 del decreto legislati-vo n. 102 del 2005 oppure di filiere corte.

** Per gli impianti da fonte solare si applicano i provvedimenti attuativi dell'articolo 7 del decreto legislativo 29 dicem-bre 2003, n. 387, v. anche box sul “Conto Energia”.

Riferimento Fonte Coefficiente

1 Eolica per impianti di taglia < 200 kW 30

2 Solare **

3 Geotermica 20

4 Moto ondoso e maremotrice 34

5 Idraulica 22

6 Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto successivo 22

7 Biomasse e biogas prodotti da attività agricola, allevamento e forestale da filiera corta *

8 Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e biogas diversi da quelli del punto precedente 18

Tabella 4.2

* È fatto salvo quanto disposto a legislazione vigente in materia di produzione di energia elettrica medianteimpianti alimentati da biomasse e biogas derivanti da prodotti agricoli, di allevamento e forestali, ivi inclusi isottoprodotti, ottenuti nell'ambito di intese di filiera o contratti quadro ai sensi degli articoli 9 e 10 del decre-to legislativo n. 102 del 2005 oppure di filiere corte.

** Per gli impianti da fonte solare si applicano i provvedimenti attuativi dell'articolo 7 del decreto legislativo 29dicembre 2003, n. 387, v. anche box sul “Conto Energia”.

Verdi, in scadenza nell'anno, ulterioririspetto a quelli necessari per assolvereall'obbligo della quota minima dell'annoprecedente, a un prezzo pari al prezzomedio riconosciuto ai Certificati Verdi regi-strato nell'anno precedente dal Gestoredel mercato elettrico (GME) e trasmesso alGSE entro il 31 gennaio di ogni anno.

Altre disposizioniA partire dal 2009 non sarà possibile usu-fruire degli incentivi previsti dalla Finan-ziaria 2008 per impianti che hanno ottenu-to ulteriori incentivi pubblici di naturanazionale, regionale, locale o comunitariain conto energia, in conto capitale o inconto interessi. Il valore di riferimento, i coefficienti molti-plicativi per ogni fonte rinnovabile, e l’en-tità della tariffa onnicomprensiva (riporta-ti nella precedenti Tabelle), possono esse-re aggiornati, ogni tre anni, con decretodel Ministro dello Sviluppo Economico,assicurando la congruità della remunera-zione ai fini dell'incentivazione dello svilup-po delle fonti energetiche rinnovabili.

Semplificazioni nella realizzazione di impianti a fonti rinnovabiliAl decreto legislativo n. 387 del 2003(Articolo 12, che tratta di “Razionaliz-zazione e semplificazione delle procedu-re autorizzative” e precisamente dispone

l'energia elettrica e il gas, registrato nel-l'anno precedente e comunicato dallastessa Autorità entro il 31 gennaio di ognianno a decorrere dal 2008. Tale prezzo èoggi di circa 90 euro al MWh, quindi ilvalore attuale di un Certificato Verde è dicirca 90 euro al MWh elettrico prodotto.La Finanziaria 2008 ha aumentato la quotadi energia elettrica prodotta da impiantiad energie rinnovabili che devono immet-tere sul mercato tutti gli importatori e pro-duttori di energia elettrica da fonti non rin-novabili che immettono in rete più di 100GWh/anno di energia elettrica. La quota attuale è del 3,05%, e la Finan-ziaria 2008 ne prevede l’incremento dello0,75% dal 2007 al 2011, quando si arrive-rà quindi ad una quota obbligatoria del7,55%. Tale quota rappresenta un valore difficil-mente raggiungibile dai produttori dafonte tradizionale, costretti quindi adacquisire CV dai produttori di energia puli-ta, e darà luogo ad un vigoroso mercatodi scambio fra i proprietari degli impiantie gli operatori presenti sul mercato.A partire dal 2008 e fino al raggiungimen-to dell'obiettivo minimo della coperturadel 25 per cento del consumo interno dienergia elettrica con fonti rinnovabili e deisuccessivi aggiornamenti derivanti dallanormativa dell'Unione europea, il GSE, surichiesta del produttore, ritira i Certificati


Fonte Soglie

Eolica 60 kW

Solare fotovoltaica 20 kW

Idraulica 100 kW

Biomasse 200 kW

Gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas 250 kW

Tabella 4.3

Con successivi decreti ministeriali, si pre-vede che saranno definite le modalità perassicurare la transizione dal precedentemeccanismo di incentivazione ai nuovimeccanismi della finanziaria 2008, nonchéle modalità per l’estensione dello scambiosul posto a tutti gli impianti alimentati confonti rinnovabili di potenza nominalemedia annua non superiore a 200 kW, fattisalvi i diritti di officina elettrica.

��

che la costruzione e l'esercizio degliimpianti di produzione di energia elettri-ca alimentati da fonti rinnovabili sonosoggetti ad una autorizzazione unica, rila-sciata dalla regione o altro soggetto isti-tuzionale delegato dalla regione) è oraallegata una tabella (tab. 4.3) che perciascuna fonte fissa la soglia per la frui-zione della normativa semplificata diautorizzazione.


Capitolo Cinque

Le fonti di energia

L’energia, nelle sue varie forme, è dispo-nibile in natura racchiusa nelle fonti ener-getiche, classificate in primarie e seconda-rie. Le fonti primarie sono quelle esisten-ti in natura tal quali: carbone, petrolio, gasnaturale, etc. Le fonti energetiche secon-darie non esistono in natura, ma derivanodalla trasformazione di altre fonti prima-rie o secondarie: benzina o gasolio, deri-vati dal petrolio, energia elettrica genera-ta nelle centrali termoelettriche a partireda altre fonti, e così via.Le sostanze combustibili contenenti il car-bonio da ossidare sono: la legna, utilizza-ta nei paesi più poveri, e i combustibili fos-sili già ricordati. Le altre principali formedi energia sono quella idraulica e quellanucleare, attraverso la loro trasformazionein energia elettrica.Apporti, purtroppo ancora modesti,all’approvvigionamento energetico ven-gono, infine, dall’energia geotermica edalle nuove forme rinnovabili di energia,quali la solare, termica e fotovoltaica, eoli-ca, da biomasse, etc.Le fonti di energia rinnovabili rappresen-tano comunque un'alternativa sempre piùconcreta alle fonti tradizionali, comegaranzia di sicurezza dell'approvvigiona-mento energetico e come risposta allacontinua richiesta di energia a costiambientalmente sostenibili. In futuro esseforniranno una buona percentuale del-l'enorme quantità di energia necessaria

Questo capitolo intende offrireuna panoramica dell’energia,

attraverso la sua definizione e unarassegna sintetica delle varie

forme di energia tradizionale, perproseguire con una definizione

delle fonti rinnovabili qualiopzione sostenibile alle fonti

di cui prima.Considerati gli obiettivi delvolume, le fonti rinnovabili

saranno nella seconda parteoggetto di una attenta e

dettagliata analisi.

Bus a idrogeno, Torino

seconda generazione);� entro il 2030: produrre energia elettrica

e calore con ridotte emissioni di carbo-nio anche attraverso il ricorso a sistemidi cattura e stoccaggio della CO2; adat-tare gradualmente i sistemi di traspor-to ai biocarburanti di seconda genera-zione e alle celle a combustibile adidrogeno;

� dal 2050 e oltre: completare il passag-gio ad un sistema energetico europeo“carbon free” attraverso l’utilizzo difonti energetiche rinnovabili e l’utilizzosostenibile del carbone, del gas e del-l’idrogeno e, in prospettiva, della fis-sione nucleare di quarta generazione.

[5.1]Le fonti non rinnovabili

I combustibili fossili, sostanze costituiteprevalentemente da carbonio, si sono for-mati a seguito delle trasformazioni subiteda residui animali e vegetali nel corsodelle varie ere geologiche.Ad oggi, nelle forme di petrolio, carbonee gas naturale, sono la principale fonteenergetica dell'umanità, a causa dellecaratteristiche che li contraddistinguono:sono “compatti”, ovvero hanno un altorapporto energia/volume, sono facilmen-te trasportabili e stoccabili, fino a pochianni fa costavano poco.Il loro consumo comporta però notevolisvantaggi: sono inquinanti, determinanol'incremento di CO2 in atmosfera con con-seguenze sul riscaldamento terrestre, enon sono rinnovabili, dato che il proces-so di fossilizzazione della sostanza orga-nica è estremamente lungo.Poiché il tasso al quale vengono utilizzatiè molto maggiore del tasso (trascurabile)della loro rigenerazione, i giacimenti vanno

ad una popolazione di miliardi di esseriumani, senza cambiamenti del modelloattuale di produzione, trasporto e distribu-zione dell'elettricità.L’utilizzo delle energie rinnovabili rappre-senta un'esigenza sia per i paesi industria-lizzati, sia per quelli in via di sviluppo. Iprimi hanno interesse, nel breve periodo,verso usi più sostenibili delle risorse, ridu-zioni delle emissioni di gas serra e dell’in-quinamento atmosferico, diversificazionedel mercato energetico e sicurezza diapprovvigionamento energetico. Per ipaesi in via di sviluppo, le energie rinno-vabili rappresentano una concreta oppor-tunità di sviluppo sostenibile e di accessoall’energia in aree remote.L’Unione Europea mira ad aumentare l’usodelle risorse rinnovabili per limitare ladipendenza dalle fonti fossili convenziona-li e allo stesso tempo far fronte ai pressan-ti problemi di carattere ambientale chesono generati dal loro utilizzo.A conferma di ciò nella Direttiva2001/77/CE “Promozione dell’energiaelettrica prodotta da fonti rinnovabili”,viene posto come traguardo il soddisfaci-mento, entro il 2010, di una quota pari al12% del consumo interno lordo di ener-gia e al 22% di quello dell’energia elettri-ca, attraverso l’utilizzo di fonti rinnovabili.Per ottenere questi risultati nella direttivasono indicati degli obiettivi differenziatiper ogni singolo Stato membro, e l’Italiasi è posta l’obiettivo di raggiungere, entroil 2010, una quota pari al 22% della pro-duzione elettrica nazionale.La direttiva pone, inoltre, i seguenti tra-guardi per il futuro:� entro il 2020: coprire il 20% di energia

prodotta con fonti rinnovabili, median-te un considerevole aumento di quellepiù vicine al mercato (compresi i parchieolici off shore e i biocarburanti di


Per un approfondimentosu: • Unità di misura

dell’energia,vedi l’allegato:“Unità di misuradell'energia”.

riali minerali. Le forti pressioni e tempe-rature determinate dall’accumularsi deglistrati nel corso delle ere, diede luogo adun processo di fossilizzazione del mate-riale organico il cui risultato é il carbone,composto grosso modo da: 60% di car-bonio, 15% di ceneri, 10% di umidità, 1%di zolfo.Sulla base dalle loro caratteristiche fisi-che, si possono individuare due tipi dicarbone: quello fossile vero e proprio“hard coal”, che raggruppa antracite, ecarboni bituminosi, e quello “brown coal”con litantrace recente, lignite, sub-bitumi-nosi; i primi hanno potere calorifico supe-riore alle 6.450 kcal/kg, gli altri inferiore.I carboni più antichi, più energetici, piùduri, sono, ovviamente, le antraciti cherisalgono al Paleozoico e cioè ad unperiodo che va dai 200 ai 500 milioni dianni fa, le litantraci si sono formate in unperiodo che varia dai 50 ai 200 milioni dianni fa, le ligniti hanno solo da 2 a 50milioni di anni, la carbonizzazione é quasicompleta, ma la fossilizzazione é appenaagli inizi. Di scarso valore energeticosono, infine, le torbe che datano solo 1 o2 milioni di anni; la decomposizione deivegetali ad opera dei batteri é completama la fossilizzazione che, per un proces-so geochimico da elevate pressione etemperatura la muterà dapprima in ligni-te e poi in litantrace e antracite, non éancora incominciata.Il carbone, che all’inizio degli anni sessan-ta ancora copriva il 44% della domandaenergetica mondiale (nel 1925 ben l’80%dell’energia consumata veniva dal carbo-ne), va oggi a soddisfare circa un quartodel fabbisogno energetico, largamentesuperato dal petrolio (34%) e seguito dalgas naturale (21%).Il censimento delle riserve mondiali di car-bone indica la disponibilità di notevoli

esaurendosi, mentre aumenta il loro prez-zo, anche a causa della crescente doman-da di energia a livello mondiale.Per tali motivi si ritiene che i fabbisognienergetici mondiali dovrebbero includerequote più ampie di fonti energetichealternative nel paniere energetico.

Il carboneIl carbone é un combustibile tra i più anti-chi adoperati dall’uomo e al cui apportoenergetico si deve la rivoluzione industria-le e l’inizio della cosiddetta era della tec-nologia. Esso é costituito da sostanze diorigine organica, i cui atomi costitutivisono: carbonio, idrogeno, azoto, ossige-no, zolfo, e da minerali, quali argilla, cal-cite, pirite e altri materiali inerti, oltre aduna percentuale variabile di umidità.L’ipotesi più accreditata relativa al pro-cesso di formazione del carbone in lon-tane ere geologiche é la seguente. In unarco di tempo compreso tra circa 500 e 2milioni di anni fa, in un pianeta ricco divegetazione, grandi masse di sostanzevegetali in decomposizione, accumulate-si in zone paludose, vennero ricoperte danotevoli masse di detriti alluvionali, conun alternarsi di materia organica e mate-

65 Le fonti di energia

Ne esistono di vari tipi e si ritrovano innatura nelle rocce sedimentarie.Come vedremo, hanno contribuito a for-mare gli idrocarburi, oltre alle sostanzeorganiche di origine vegetale, anche resi-dui di sostanze animali.Essenzialmente si tratta di composti chi-mici binari costituiti da carbonio e idroge-no. Ad eccezione della molecola CH4 del-l’idrocarburo più semplice, il metano, lemolecole degli idrocarburi contengonodue o più atomi di carbonio legati diret-tamente tra loro da legami semplici,doppi o tripli disposti in modo da forma-re una catena aperta, diritta o ramificata,oppure un anello o un sistema di anelli: levalenze di ciascun atomo di carbonio chenon sono impegnate da altri atomi di car-bonio sono saturate da altrettanti atomi diidrogeno. Secondo la natura dei legami tra gli atomidi carbonio e la loro disposizione in cate-na aperta o ad anello si hanno così nume-rose serie di idrocarburi, dagli alcani,come ad es. il metano e il propano, aglialcheni, come l’etilene e il propene, aidieni, agli aromatici monociclici, come ilbenzene, a quelli aromatici, come il naf-tene, il benzene, il metilbenzene, etc.Tutti gli idrocarburi sono combustibili ebruciano all’aria con fiamma più o menofuligginosa secondo il loro contenuto inidrogeno più o meno elevato; gli idrocar-buri gassosi e i vapori di quelli liquidi pos-sono formare con l’aria, entro certi limitidi composizione, delle miscele esplosive.Sono i composti fondamentali della chimi-ca organica, dai quali derivano formal-mente quelli delle diverse serie, p. es.della serie degli alcoli, delle ammine, ecc.,per sostituzione di uno o più dei loroatomi di idrogeno con altrettanti gruppifunzionali.L’importanza degli idrocarburi è enorme e

riserve di questo combustibile, concen-trate in alcune nazioni, quali: Stati Uniti,Russia, Cina, Sud Africa (complessivamen-te il 75% del totale mondiale). Le riserveaccertate ammontano a valori tali da poteralimentare i consumi, all’attuale livello dirichiesta, per i prossimi duecento anni.Attualmente l’impiego del carbone é indi-rizzato in parte ad usi termoelettrici e,soprattutto, ad usi siderurgici (la produzio-ne di una tonnellata di ghisa richiede circa500 kg di coke): nelle cokerie il carboneviene trasformato in carbon coke metallur-gico (che ha potere calorifico inferiore,p.c.i., pari a 7.200 kcal/kg e oltre) ad ele-vata resistenza meccanica e quindi adat-to a sostenere la carica degli altoforni.Il carbone viene oggi, per motivazionilegate ai costi, utilizzato in prevalenzadagli stessi paesi produttori. Infatti il valo-re minerario di questo combustibile costi-tuisce solo del 30% del costo finale, essen-do la maggior parte del valore al consu-mo imputabile alla sua movimentazione(ferrovie, chiatte, camion).

Gli idrocarburiGli idrocarburi sono composti del carbo-nio con alta presenza di atomi di idroge-no e, in parte, di ossigeno, azoto e zolfo.


to è indicato come petrolio greggio osemplicemente greggio.Il greggio viene sottoposto a lavorazionenelle raffinerie per ottenere una vastagamma di prodotti destinati a svariatiimpieghi. Dalla prima fondamentale sepa-razione dei prodotti petroliferi, effettuatacon la distillazione primaria (topping), siottengono in genere cinque frazioni conpunto di ebollizione (p.e.) e densità (d)man mano più elevati: benzina (p.e. infe-riore a 150 ºC, d ~ 0,70-0,75 kg/dm3),acqua ragia minerale o benzina pesante(p.e. ~ 145-200 ºC, d ~ 0,77-0,78 kg/dm3),cherosene (p.e. ~ 175-280 ºC, d ~ 0,79-0,81 kg/dm3), detto anche semplicemen-te petrolio, da cui si ricavano oli per illu-minazione e per riscaldamento e combu-stibili per motori a turbina e a reazione,gasolio (p.e. ~ 280-350 ºC, d ~ 0,82-0,84kg/dm3) e residuo di distillazione (distillasolo sotto vuoto, d superiore a 0,84kg/dm3), da cui si ottengono lubrificanti,olio combustibile, bitume.

Il gas naturaleI gas naturali sono costituiti da idrocarbu-ri a basso peso molecolare, aventi mole-cole formate al massimo da quattro atomidi carbonio con tracce di idrocarburi concinque atomi di carbonio. In questa misce-la prevale il metano, un composto chimi-co di formula CH4, l’idrocarburo di strut-tura più semplice.A volte il metano costituisce la quasi tota-lità della frazione gassosa stratificatasinella parte più alta dei giacimenti di petro-lio, con cui si trova in questo caso asso-ciato; in molti casi, invece, il giacimento ècostituito soltanto da gas naturale conpiccole percentuali di azoto, biossido dicarbonio e tracce di solfuro di idrogeno.Il gas naturale rappresenta in fase di uti-lizzo finale una forma di energia meno

di vario tipo. Le miscele di idrocarburiestratte dal petrolio e opportunamenteelaborate costituiscono oggi la fonte dienergia più importante, cui si affiancanogli idrocarburi gassosi naturali.Singoli idrocarburi allo stato puro, dalmetano all’etilene, al propilene e al buta-diene, sono, poi, i prodotti di partenzaper la produzione industriale di moltissi-me sostanze organiche e di prodotti chi-mici svariati, delle materie plastiche edelle gomme sintetiche. Gli idrocarburi aromatici sono invece lematerie prime per la produzione di colo-ranti, farmaci, esplosivi, insetticidi, e cosìvia.In natura gli idrocarburi possono presen-tarsi, in condizioni normali di temperatu-ra e di pressione, allo stato gassoso (gasnaturale), liquido (petrolio) e solido (asfal-to, bitume).La fonte di idrocarburi di gran lunga piùimportante è oggi il petrolio, dal quale siottengono singoli idrocarburi attraversoprocessi di frazionamento ovvero attraver-so adatte trasformazioni chimiche, subitoseguito dal gas naturale.

Il petrolioLa denominazione “petrolio” deriva dallatino medievale petroleum, “olio di pie-tra”. Il petrolio è costituito da una com-plessa miscela di idrocarburi naturali soli-di, liquidi e gassosi (gas naturali), conte-nente, in quantità generalmente piccole,composti ossigenati, solforati e azotati,che si presenta a temperatura ambientecome un liquido più o meno denso, oleo-so, infiammabile, di colore variabile dalgiallastro al nero.Viene estratto dal sottosuolo tramite pozziottenuti con trivellazioni che si spingonofin oltre gli 8.000 m profondità. Il prodot-to estratto dai pozzi e non ancora raffina-


L’energia nucleare

Il nucleare da fissioneQuesta fonte di energia ha rappresenta-to, negli anni dal 1960 al 1980, nell’imma-ginario collettivo, la speranza di una fontequasi illimitata e a basso costo di energiaper l’umanità intera.La produzione di energia elettrica in unacentrale nucleare si basa sulla fissione del-l’uranio o di altri elementi come il pluto-nio. La fissione consiste nella scissione,per bombardamento con neutroni, degliatomi di uranio. Come prodotto della fis-sione si hanno dei frammenti, cioè ele-menti diversi della scala atomica, alcunineutroni che servono a continuare la rea-zione a catena controllata, particelle eradiazioni elettromagnetiche. Quando però si vanno a fare i conti, lamassa di tutti i prodotti della fissione è leg-germente inferiore alla massa del nucleodi uranio da cui si era partiti, e quella quan-tità di massa che è apparentemente scom-parsa si è trasformata in energia, misura-bile secondo la famosa relazione di equi-valenza tra massa e energia di Einstein E= mc2; da un difetto di massa di un gram-mo si ottengono 25 milioni di kWh.Il nucleare ricevette una notevole spintaallo sviluppo e all’applicazione subitodopo la fine della seconda guerra mon-diale, quando si cominciò a porre l’atten-zione sui limiti di durata delle fonti allorain uso che, a parte l’idroelettrica già quasiinteramente sfruttata, almeno nei paesiindustrializzati, erano rappresentati daicombustibili di origine fossile: carbone eidrocarburi. Questa fonte ha avuto unsostanziale ridimensionamento, in ragionedella maggiore attenzione posta ora, aseguito del catastrofico incidente diChernobyl, alla sicurezza di questi impian-ti per la popolazione.


Composto Percento in volume

Metano 89,4

Etano 5,4

Propano 1,9

2-metilpropano 0,4

Butano 0,1

Azoto 1,9

Biossido di carbonio 0,7

Altri 0,2

inquinante e più flessibile perché nonnecessita di stoccaggio e la rete di distri-buzione garantisce continuità di fornitura.Infatti, sulla spinta di una sempre crescen-te consapevolezza dei rischi ambientalilegati ad un indiscriminato e non consa-pevole utilizzo delle risorse energetiche,incurante delle ripercussioni delle attivitàantropiche sull’ecosfera, il metano ha, inalcuni paesi, trovato applicazione semprepiù crescente nell’industria e soprattuttonella generazione dell’energia elettrica.Ciò mediante l’utilizzo di impianti a ciclocombinato che bruciano gas per la gene-razione di energia elettrica con una tur-bina a gas, e utilizzano i residui ad altatemperatura della combustione per laproduzione di vapore e altra energia elet-trica, raggiungendo così rendimenti diconversione dell’energia termica in elet-trica decisamente più elevati di quelliottenuti nei classici cicli che utilizzanoquale fonte primaria il carbone o i deri-vati del petrolio.I suoi usi sono quindi praticamente identi-ci a quelli del petrolio: come combustibilenegli impianti industriali e nelle centrali ter-moelettriche, per i fornelli da cucina, gliscalda-acqua, gli impianti di riscaldamen-to e in piccola misura nell’autotrazione.

Composizione dei gas naturali

Il nucleare da fusione Quando l’uomo riuscirà a rendere indu-striale e quindi utilizzabile l’energia dafusione, avrà portato sul nostro pianetal’energia del sole e delle stelle. Infatti inmodo reciproco rispetto alla produzionedi energia dal difetto di massa associatoal processo di fissione dei nuclei degli ele-menti pesanti, l’energia prodotta dallestelle è dovuta a processi di fusione di ele-menti leggeri.Nuclei di idrogeno (nella maggior misura),elio, carbonio, ossigeno si fondono, tra-sformandosi in elementi via via più pesan-ti: sodio, magnesio, silicio, sino al ferro,presente nel nucleo di molte stelle, anchein questo caso con produzione di energiacorrispondente al difetto di massa tra pro-dotti reagenti e elementi risultanti. Queste reazioni di fusione avvengonosolo a temperature dell’ordine di diversedecine di milioni di gradi esistenti neinuclei stellari, inizialmente originate dalcollasso gravitazionale della materia stel-lare primordiale e poi mantenute dallosviluppo di energia termonucleare dopol’accensione della stella.La prima volta che la reazione di fusioneè stata riprodotta sulla Terra lo è statopurtroppo con una bomba all’idrogenonel 1952, sono poi stati avviati studi per losfruttamento di questa fonte di energia inapplicazioni civili.Per ottenere la reazione di fusione ènecessario far collidere nuclei di elemen-ti leggeri, vincendo le forze di repulsioneelettrostatica che si esercitano tra i nuclei;questo può essere ottenuto in due modidiversi: il confinamento magnetico oppu-re il confinamento inerziale del plasmacostituito dai nuclei degli elementi rea-genti alle condizioni di temperatura epressione necessarie alla reazione.La strada più promettente, a cui si sta lavo-

L’opzione energetica nucleare non è peròcancellata: studi e sperimentazioni sonoin corso allo scopo di mettere a punto tec-nologie per rendere gli impianti nucleariper generazione di energia elettrica “in-trinsecamente sicuri”, capaci cioè, in casodi malfunzionamenti, di mettersi in condi-zioni di sicurezza e senza alcun rischio perla popolazione per la loro stessa manieradi funzionare, non richiedendo interventiumani o l’entrata in funzione di dispositivie sistemi che, per quanto realizzati con cri-teri opportuni, hanno sempre una sia purpiccolissima probabilità di fallire.


[5.2]Le fonti rinnovabili di energia

Quasi tutte le fonti di energia sul nostropianeta hanno un’origine comune: l’ir-raggiamento solare (fig. 5.1); i combusti-bili fossili (carbone, petrolio, gas natura-le) derivano dalla trasformazione di mate-riali organici che senza il processo difotosintesi che trae energia dall’irraggia-mento della nostra stella non avrebberopotuto formarsi. L’energia idroelettrica, che sfrutta le cadu-te d’acqua, non potrebbe esistere senzail ciclo evaporativo dell’acqua che, a suavolta, trae dall’irraggiamento solare l’ener-gia necessaria. Senza il Sole, niente ventoe niente energia eolica.Tutte le forme di energia sono a rigore rin-novabili, la differenza sta nella “velocità”con cui esse si riproducono: quelle fossiliabbisognano di milioni di anni (in unbreve spazio di qualche centinaio di annistiamo consumando quelle la cui costitu-zione ha richiesto tempi geologici), lealtre, che definiamo più propriamente“rinnovabili”, hanno in rapporto alle pre-cedenti una velocità o capacità di “rinno-vo” praticamente infinita, come nel casodella radiazione solare, sfruttata median-te fotovoltaico, solare termico e eolico almomento in cui essa perviene sul piane-ta, e delle maree, o quasi infinita, comenel caso dell’energia idroelettrica, del-l’energia da biomasse, da correnti mari-ne e moto ondoso.Oggi solo l’energia idroelettrica e quellada biomasse vengono sfruttate in manie-ra significativa, le altre sono in via di svi-luppo e di maturazione tecnologica ten-dente a renderne i costi comparabili conquelli da fonti tradizionali. Le fonti rinno-vabili, nel mondo, rappresentano circa il18% delle fonti di energia totali con una

rando nei laboratori di molti paesi compre-sa l’Italia, è quella del confinamentomagnetico applicato alla reazione tra dueisotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, lacui reazione ha una temperatura ottimaledi 100 milioni di gradi a pressioni di unmilionesimo di quella atmosferica.Considerando che 1 grammo di misceladeuterio–trizio equivale, sul piano ener-getico, a 10 tonnellate di petrolio, è evi-dente che, una volta che si sarà riusciti ariprodurre e a confinare la reazione ter-monucleare, si avrà a disposizione unafonte di energia praticamente inesauribi-le, il cui combustibile è facile da reperiree che non produce scarichi inquinanti néscorie radioattive come quelle prodottedalla fissione.Per questi motivi ricerche sulla fusionesono in corso in tutto il mondo, anche seè difficile prevedere i tempi necessari allamessa a punto di un processo industriale,oggi stimati non inferiori a trenta o qua-ranta anni.


Irraggiamento solare nel Mediterraneo [kWh/mq]Fig. 5.1

suo movimento, attraverso organi di mol-tiplicazione e di trasmissione meccanica,perviene ad un dispositivo generatore dienergia elettrica; tale energia viene imma-gazzinata in un accumulatore o immessanella rete elettrica.Il componente principale del sistema é ilrotore, costituito generalmente da unnumero variabile di pale – da una a tre –fissate su un mozzo centrale, che trasfor-mano l’energia meccanica delle massed’aria incidenti in energia meccanica dirotazione del mozzo, che la trasferisce,infine, all’asse del generatore elettrico.I sistemi più diffusi sono quelli con mozzoad asse orizzontale. Un sostegno portasulla sommità una “gondola” o navicellache contiene al suo interno: l’albero ditrasmissione lento collegato al mozzoesterno alla navicella, il moltiplicatore digiri, l’albero veloce, il generatore elettri-co e altri organi ausiliari come freni e limi-tatori di velocità.

Energia fotovoltaicaFra le diverse tecnologie messe a puntoper lo sfruttamento dell’energia solare,quella fotovoltaica è la più innovativa epromettente, a medio e lungo termine, invirtù delle sue caratteristiche di modulari-tà, semplicità, affidabilità, ridotte esigen-ze di manutenzione, progresso tecnologi-co prevedibile.Il processo di conversione fotovoltaica (FV)si basa sulla proprietà di alcuni materialisemiconduttori opportunamente trattati,come il silicio, di generare energia elettri-ca quando vengono esposti alla radiazio-ne solare. La conversione della radiazionesolare avviene nella cella fotovoltaica (unsandwich costituito da due lamine di mate-riale semiconduttore drogate da impuritàdi tipo diverso), con un rendimento del13-17%. L’insieme di un numero adegua-

netta prevalenza delle biomasse (il 13%, inlarga misura costituite da biomasse tradi-zionali, cioè legna) e dell’idraulica (il 3%).

Energia eolicaLo sfruttamento dell’energia cinetica asso-ciata alle masse d’aria in movimento chelambiscono la superficie terrestre, risale adepoche lontanissime: i popoli antichi nefacevano uso per ricavare energia mecca-nica da usare per svariate applicazioni,quali: la macinazione dei cereali, il pom-paggio dell’acqua, l’azionamento disegherie, cartiere, tintorie e altre.Una per tutte si ricordi quale importanzaabbiano avuto i mulini a vento perl’Olanda che a partire dal 1350 li utilizzòper prosciugare le paludi da cui fu ricava-ta buona parte del territorio nazionale. Iprimi generatori di energia elettrica azio-nati dal vento risalgono agli inizi del nove-cento; nel periodo tra le due guerre mon-diali si verificò una rapida evoluzione sulpiano tecnologico che portò alla costru-zione di aerogeneratori sempre piùpotenti, dai 40 kW agli oltre 2 MW.Un generatore eolico, detto anche “aero-generatore”, è costituito da un rotore aduna o più pale posto in rotazione dal-l’energia cinetica del vento incidente; il


amidi, etc.). Altri importanti fonti di bio-massa sono: residui dal campo forestale,scarti di attività industriali come i truciolidi legno, scarti delle aziende zootecnicheo i rifiuti urbani. Le biomasse, a secondadel tipo e della composizione, possonoessere bruciate per fornire calore, conver-tite in combustibile (metano, etanolo,metanolo, prodotti carboniosi) mediantel’impiego di microrganismi o l’azione dielevate temperature o di agenti chimici,oppure possono essere usate per la gene-razione di energia elettrica.Un interessante combustibile derivato dabiomassa è il biodiesel, utile per alimenta-re i motori diesel appunto. Pur costando trevolte il gasolio (sono però previste riduzio-ni dei costi a breve termine) è associabilea notevoli vantaggi sanitari e ambientaliper le ridottissime emissioni nocive e lasua biodegradabilità. Ovviamente la bio-massa quale combustibile per la generazio-ne di elettricità sarà competitiva con la pro-duzione tradizionale solo dove essa èabbondante e a buon mercato.

to di celle collegate elettricamente in serieforma un modulo fotovoltaico, componen-te elementare dei sistemi fotovoltaici; piùmoduli collegati in serie o in parallelo sonoin grado di fornire la potenza richiestadalle diverse applicazioni.

Energia da biomasseLa biomassa utilizzabile ai fini energeticiconsiste in tutti quei materiali organici chepossono essere trasformati in combustibi-li solidi, liquidi o gassosi. Essa è costituitadalla materia organica, prevalentementevegetale, sia spontanea che coltivata dal-l’uomo, prodotta per effetto del processodi fotosintesi clorofilliana con l’apporto del-l’energia associata alla radiazione solare, diacqua e di svariate sostanze nutritive.Le biomasse possono, quindi, esserecostituite da: residui delle coltivazionidestinate all’alimentazione umana o ani-male (paglia di cereali, residui di potatu-ra, etc.), o piante espressamente coltiva-te per scopi energetici e alimentari insie-me (piante zuccherine, piante ricche di


Figura 5.2Impianto dimostrativo“JOULE” pergassificazione delle biomasse (pressoCentro ENEA Trisaia)


Energia solare termicaComprende i sistemi che raccolgono eutilizzano l’energia del sole ricorrendo adispositivi idonei alla concentrazione eaccumulo dell’energia associata alla radia-zione solare, cioè ad un collettore.L’energia raccolta viene utilizzata perriscaldare un liquido o l’aria con lo scopodi utilizzare il calore solare per produrreacqua calda, riscaldare edifici e altre appli-cazioni particolari (ad es. l’essiccazione delforaggio, la deumidificazione di ambientiad occupazione saltuaria, etc.).

Energia geotermicaÈ l’energia termica presente nelle rocce enei fluidi all’interno della crosta terrestre. Dinorma essa si trova in forma dispersa aprofondità troppo elevate per poter esse-re sfruttata industrialmente: bisogna, quin-di, per una sua utilizzazione pratica, indivi-duare le zone in cui essa si trova a profon-dità economicamente accessibili. Una voltaestratta è usata direttamente per il riscal-damento o per alimentare processi indu-striali, oppure convertita in elettricità. Oltreai sistemi in corso di sfruttamento, che uti-lizzano vapore e acqua, sono allo studionuove tecnologie per convertire l’energiacontenuta nei magmi e nelle rocce calde-secche.

Energia idraulicaL’energia idroelettrica sfrutta il ciclo dell’ac-qua alimentato a sua volta dall’irraggia-mento solare.L’energia cinetica delle cadute d’acquaviene, tramite turbine idrauliche, conver-tita in energia elettrica od utilizzata sottoforma di energia meccanica. Le tecnolo-gie per lo sfruttamento di questa fontesono sviluppate e affidabili, e si possonoriferire a grandi o a piccoli impianti, adacqua fluente o da serbatoi o bacini.

presenta un potenziale reale, in quantol’energia immagazzinata è enorme maanche molto diffusa e quindi di difficileestrazione. Sono attualmente in corsostudi di fattibilità, nell’ambito dei pro-grammi di ricerca europei, volti a verifica-re la possibilità di utilizzare le correntimarine in prossimità delle coste.

Idrogeno e fuel cellL'idrogeno possiede caratteristiche che lorendono un vettore energetico2 ideale perlo sviluppo di un sistema energeticosostenibile, in quanto:� il suo impatto ambientale è quasi nullo,

infatti esso bruciando in aria produceacqua, secondo la reazione: 2H2 + O2

= 2H2O + calore;� è producibile da più fonti energetiche

primarie (fossili, rinnovabili, nucleare),tra loro intercambiabili e disponibili sularga scala, anche in futuro;

� può essere distribuito in rete abbastan-za agevolmente compatibilmente congli usi finali e con lo sviluppo delle tec-nologie di trasporto e di stoccaggio;

Energia dal mareIn linea di principio si può pensare di con-vertire almeno quattro tipi di energia pre-senti nel mare: dalle correnti, dalle onde,dalle maree, dal gradiente termico tra fon-dali e superficie. Attualmente esiste inFrancia un impianto per sfruttare le maree,mentre sono in corso esperimenti per losfruttamento del potenziale energeticodelle onde (Inghilterra e Giappone) e delgradiente termico e di salinità (Stati Uniti).Nel Mediterraneo questa fonte non rap-


Energia e celle a combustibileFig. 5.3

2. Vettore energetico: tutto ciò da cui sipuò ricavare energia utile medianteconversione di fonti energetiche pri-marie quali: carbone, elettricità, ben-zina, ecc.

Lo strumento che condizionerà pesante-mente la reale affermazione dell’idrogenocome vettore energetico pulito è senzadubbio la “cella a combustibile”, o fuelcell, cioè un dispositivo elettrochimico checonverte direttamente l’energia di uncombustibile in elettricità e calore senzapassare attraverso cicli termici, secondo lareazione: 2H2 + O2 → 2H2O + elettricità+ calore (fig. 5.3).

In sostanza funziona in modo analogo aduna batteria, in quanto produce energiaelettrica attraverso un processo elettro-chimico, ma a differenza di quest’ultima,consuma sostanze provenienti dall’ester-no ed è quindi in grado di funzionaresenza interruzioni, finché al sistema vienefornito combustibile e ossidante (idroge-no e ossigeno).

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Capitolo Sei

Esternalità delle fonti energetiche

Le esternalità – specialmente nel campodella produzione energetica – possonorisultare infatti determinanti al fine di otte-nere, nelle necessarie scelte strategiche dibreve e lungo periodo, un equilibrio traefficienza economica e compatibilitàambientale.

[6.1]Esternalità: concetto teoricoe quadro d’insieme

Dal punto di vista teorico e in terminigenerali le esternalità possono essere defi-nite come gli effetti (vantaggiosi o svantag-giosi) che, pur palesemente provocati daun’attività di produzione e/o di consumosu altre attività di produzione e/o di con-sumo o sul benessere sociale, non si riflet-tono nei prezzi pagati o ricevuti.Come afferma Pearce3, una esternalità esi-ste se si verificano due condizioni:1. un impatto, negativo o positivo, viene

generato da un'attività economica eimposto a terze parti.

2. l'impatto non ha un prezzo sul merca-to, per cui se l'effetto è negativo chigenera l'esternalità non paga un com-

Uno dei problemi fondamentali che ci sitrova di fronte in una valutazione compa-rativa delle fonti energetiche è riassumi-bile in questo modo: posto che l’uso delledifferenti fonti comporta impatti molto dif-ferenti sull’ambiente (inteso in sensoampio: salute umana, ecosistemi, paesag-gio, e così via), in quale misura si deve esi può tener conto di tali impatti nella defi-nizione di una scala di preferibilità tra lefonti e, in termini più ampi, della politicaenergetica? Come attribuire uno specifi-co valore economico ad una maggiorepreservazione ambientale?Sulla base di queste domande, la proble-matica delle esternalità costituisce unaspetto essenziale nell’analisi valutativadelle fonti rinnovabili in un’ottica di inte-grazione tra l’aspetto economico e quel-lo ambientale.

3. D. Pearce, Energy Policy and Externalities: An Overview,Workshop on Energy Policy and Externalities: the LifeCycle Analysis Approach, Paris, November 15-16, 2001.

intendiamo un grado di inquinamentocomplessivo al di sopra del quale l’impat-to dannoso che ne deriva, espresso in ter-mini monetari, si mantiene superiore alcosto che occorrerebbe sostenere perridurlo ulteriormente, e al di sotto delquale accade esattamente l’inverso (im-patto inferiore al costo).L’inquinamento efficiente è pertanto quel-lo in corrispondenza del quale si eguaglia-no il danno (monetario) marginale e ilcosto marginale.Questo concetto di efficienza economico-ambientale, per quanto banale, costitui-sce in realtà esattamente lo scoglio su cuinormalmente si infrangono le analisi dipreferibilità delle fonti rinnovabili rispettoa quelle convenzionali.In genere, infatti, si tende a considerareesclusivamente i costi ma non i beneficimarginali di una sostituzione delle primealle seconde. Inoltre è tutt’altro che scon-tato il tentativo di identificare un livelloefficiente di inquinamento, che spesso sidecide semplicemente di limitare al livel-lo di standard collegati a criteri non eco-nomici (ad esempio sanitari) da persegui-re con strumenti economici quali tasse epermessi.L’uso di questi strumenti può contribuiread ottenere nel modo più efficiente il con-seguimento dello standard, ferma restan-do, però, la probabile inefficienza intrin-seca di quest’ultimo.Tuttavia, anche nel caso in cui si rinunci allafissazione discrezionale di uno standard esi accetti l’obiettivo dell’efficienza econo-mico-ambientale, cercando di individuareun livello di “inquinamento ottimo” sorgeimmediatamente la necessità di conosce-re costi e benefici potenziali: queste infor-mazioni sono contenute rispettivamentein funzioni dei costi ambientali (esterni), e

penso a chi la subisce, mentre peresternalità positive chi la genera nonpuò appropriarsi del guadagno di chine beneficia.

La mancanza di obblighi di risarcimentoper i danni apportati o di pagamento peri vantaggi ricevuti è semplicemente dovu-ta ad una carenza nella definizione esi-stente dei diritti di proprietà, tanto che,secondo il noto teorema di Coase, la sem-plice attribuzione di tali diritti ad una qual-siasi delle parti coinvolte – non importaquale – renderebbe perfettamente inuti-le ogni altro possibile intervento corretti-vo da parte del policy maker.Nel caso particolare del settore energeti-co le esternalità assumono, di norma, tipi-camente la forma di danni – nella dupliceforma di danni apportati o danni evitati –connessi direttamente o indirettamentealla produzione di energia dalle varie fonti.Per danni vanno intesi congiuntamentedue tipi di effetti: in primo luogo l’impat-to fisico dell’inquinamento (di tipo sanita-rio, chimico, biologico ecc.), in secondoluogo la reazione umana all’impatto fisicoin termini di perdita di benessere.Qualora queste esternalità negative, pre-viamente individuate e quindi tradotte intermini monetari, fossero aggiunte a quel-li considerati normalmente come costieffettivi, potrebbero sensibilmente modi-ficare la scala di preferibilità delle variefonti energetiche e le conseguenti sceltedi investimento.In chiave economica il problema di fondodel rapporto tra produzione (in questocaso di energia) e ambiente diviene allo-ra non tanto quello di ridurre o eliminarel’inquinamento, giacché questo è intrinse-camente connesso a qualsiasi processoproduttivo, bensì di limitarlo ad un livelloefficiente, laddove, con tale espressione,


modo a mantenere direttamente un certostandard di qualità della vita in sensoampio, nonché tutte le attività che posso-no conseguirne (a rilevanza economica omeno: turistiche, ludiche, sportive).Questo tipo di valore d’uso rappresentain un certo senso il cuore del concetto diesternalità positiva. Ad esempio: i bene-fici alla salute arrecati a una collettività dalminor inquinamento atmosferico indottoda una fonte rispetto a un’altra rientranoesattamente nel valore d’uso dell’ambien-te, così come quelli derivanti dalla possi-bilità che l’uso di una fonte – semprerispetto a un’altra – consenta o meno dimantenere un afflusso turistico basato susalubrità e bellezza del luogo, genuinitàdei prodotti agricoli; afflusso che sarebberidotto o assente nella misura in cui quel-le qualità fossero compromesse da formedi inquinamento.

La disponibilità a pagare e ad accettareLa misura monetaria del valore d’usodiretto è data dalla disponibilità a paga-re (DAP) per ottenere il beneficio o perevitare un danno, o – viceversa – dalladisponibilità ad accettare (DAC) un inden-nizzo per rinunciare a un beneficio o persopportare un danno.Poiché nel caso della produzione energe-tica il caso normale è quello di esternali-tà negative, ci si dovrà riferire alla DAP perevitare tali esternalità oppure alla DACper sopportarle.Precisiamo innanzitutto che, proprio per-ché si parla di termini monetari, occorreriferirsi a una misura monetaria delladomanda effettiva in cui i consumatoriconcretizzano le proprie preferenze.L’esistenza di un valore d’uso si associainscindibilmente a quella di una disponi-

in funzioni di profitto (costi interni, ricavi)e/o dei costi di abbattimento relativi aisoggetti produttivi.

[6.2]La problematica della valutazione economicadelle esternalità

Il problema su cui concentreremo l’atten-zione è essenzialmente la valutazionemonetaria delle esternalità, in quanto rap-presenta il nodo cruciale ai fini di ognianalisi comparativa tra differenti fontienergetiche.Per ottenere una valutazione economicadelle esternalità (positive o negative chesiano) occorre ricondurle nell’alveo deglistessi criteri di valutazione che il mercatonormalmente adopera per la valutazionedei beni.

Concetti di valore dell’ambiente: il “valore d’uso” e il “valore di esistenza”Per poter attribuire un valore alla tuteladell’ambiente occorre innanzitutto speci-ficare tutte le possibili forme in cui que-sta può articolarsi.Le tipologie di valore attribuibili alla pre-servazione ambientale possono essereschematizzate come segue:1. valore d'uso, distinto in:

a) direttob) indiretto, a sua volta articolato in:

b.1) valore d’opzioneb.2) valore di quasi-opzione

2. valore d'esistenza

Il valore d’uso direttoNel valore d’uso diretto va ricompresotutto ciò che contribuisce in qualche

79 Esternalità delle fonti energetiche

re d’uso nel momento in cui viene ricono-sciuto un indennizzo in cambio dell’assen-so ad ospitare una centrale elettrica inqui-nante. Ancora, una certa temperatura eumidità dell’aria assumono un valored’uso nel momento in cui vengono menoe la collettività è disposta a spendere nel-l’acquisto di condizionatori pur di mante-nerle e poterne quindi godere.La possibile compromissione del parco(esempio precedente) farebbe probabil-mente emergere una specifica disponibi-lità a pagare per il suo mantenimento, deltutto autonoma e addizionale rispetto allespese effettuate per goderne.Analogamente un pescatore normalmen-te valuta la tutela di un fiume più di quan-to egli in concreto spende per raggiun-gerlo, dotarsi della licenza, e esercitare lapesca (spese di mercato la cui sommacostituisce la DAP), ma questo valore restainespresso rispetto alla DAP finché la tute-la non viene messa in discussione, adesempio dalla costruzione di una centra-le le cui acque di raffreddamento rischie-rebbero di alterare l’ecosistema fluviale.Si può pertanto affermare che l’individuoe la società ricevono dalla tutela del beneambiente un beneficio effettivo superiorerispetto alla DAP o alla DAC dichiarate evalide per tutti: si tratta del cosiddettosurplus del consumatore (SC), che va som-mato al valore di mercato della DAP odella DAC per ottenere l’effettivo costosociale di un impatto sull’ambiente. In par-ticolare, per precisione, il surplus rilevan-te nella definizione delle esternalità èquello atteso E(SC), in quanto le valutazio-ni e le decisioni vengono effettuate sullabase di ciò che ci si attende circa i possi-bili danni futuri.Il valore aggiuntivo attribuito alla tutelarisiede essenzialmente nel benessere

bilità a pagare o ad essere risarciti, e que-ste disponibilità, a loro volta, rivelano unapreferenza esplicita del consumatore.Per giungere a quantificare le esternalitàè essenziale sottolineare che non tutto ilvalore attribuito ad un bene intangibile(come l’ambiente) viene di norma manife-stato: molti individui sarebbero in realtàdisposti a pagare per il suo mantenimen-to una cifra superiore rispetto a quellaespressa dai prezzi di mercato che, perloro natura, sono unici e validi per tutti.Soltanto la parte effettivamente espressadà luogo ad una domanda e ad una cor-rispondente spesa, e come tale viene deltutto registrata dal mercato.Ad esempio: l’integrità del territorio di unparco ha un valore d’uso indicato dal fattoche i turisti sono disposti a spendere peril solo fatto di raggiungerlo, visitarlo eeventualmente soggiornarvi.L’eventuale deterioramento del bene,dovuto ad esempio all’installazione di unparco eolico, darebbe immediatamenteluogo a una minor domanda e ad unaminore spesa, che verrebbe immediata-mente registrata dal mercato: se il parcovenisse distrutto non sussisterebbero piùle spese di trasferimento e di soggiorno.Tuttavia il mercato spesso non è in gradodi intercettare, registrare e quantificarel’intera DAP, che rischia quindi di risultaresottostimata e di non esaurire l’interovalore d’uso.Il concetto intrinseco di esternalità richie-de, pertanto, di quantificare la parte diDAP che rimane inespressa e che nonviene registrata dal mercato.Spesso, ma non sempre, l’emersione diquesta DAP avviene solo quando la dispo-nibilità del bene viene (o rischia di esse-re) pregiudicata. Ad esempio, la purezzadell’aria di un certo sito assume un valo-


la variabile dell’incertezza, cui si aggiungeun concetto leggermente diverso di valo-re d’uso indiretto, quello definito di quasi-opzione, associato al mantenere apertepossibili opzioni future in seguito all’incer-tezza circa gli sviluppi della conoscenza.Nel determinare il valore di quasi-opzio-ne, in sostanza, si attribuisce un valore allapreservazione ambientale specificamenteperché il futuro ampliamento delle cono-scenze potrebbe renderne possibili usi deltutto inesplorati e sconosciuti al momen-to presente.L’evidenza empirica mostra che il valored’uso indiretto (di opzione e eventual-mente di quasi-opzione) rappresenta unaforma del tutto autonoma di valore attri-buito all’ambiente: in termini monetariesso indica quanto un individuo avversoal rischio è disposto a spendere in più perassicurarsi anche in futuro la disponibilitàdi un bene intangibile.Sia il segno sia l’entità di questo valoredipendono in modo essenziale:� dall’incertezza futura relativa alla dispo-

nibilità del bene-ambiente,� dall’incertezza futura relativa allo stes-

so individuo in merito alle preferenze eal reddito,

� dal grado di avversione al rischio del-l’individuo.

In generale si suppone che il valore diopzione attribuito all’ambiente sia positi-vo, ossia che l’individuo presenti una spe-cifica disponibilità a pagare per assicurar-si la disponibilità del bene ambientaleanche in futuro.

Il valore d’uso totaleIl valore d’uso totale può essere conside-rato come la somma dei valori d’usodiretto e indiretto ed è espresso in termi-ni monetari dalla disponibilità totale a

(qualità della vita) che deriva dalla valen-za ludica della possibilità di esercitare lapesca e soprattutto di poter continuare afarlo nel futuro. In sostanza, la DAP o laDAC lorde, comprensive cioè del surplusatteso e espresse in termini monetari, rap-presentano il valore (il prezzo) attribuitodall’individuo al bene-ambiente cherischia di venire pregiudicato. Se la DAPo la DAC lorde sono riferite all’intera col-lettività, esprimono il valore sociale attri-buito all’ambiente.Associando a ciascun livello dell’impattoambientale il corrispondente valoremonetario della DAP o della DAC espres-se dalla società per preservarlo, si ottienela curva dei costi sociali che rappresenta,insieme con quella dei benefici privati,l’informazione necessaria per determina-re il livello economicamente ottimo delleesternalità negative.All’interno della DAP il beneficio connes-so al valore d’uso diretto è identificabilecon il surplus atteso E(SC): ciò in quantola definizione stessa di esternalità richie-de di sottrarre alla DAP lorda ogni formadi spesa che venga già effettivamenteregistrata dal mercato.

Il valore d’uso indirettoIl valore d’uso indiretto prescinde invecedel tutto dal godimento presente e imme-diato dei benefici dell’ambiente, e concer-ne specificamente la reversibilità dell’im-patto provocato sul medesimo: la preser-vazione attuale non implica necessaria-mente che essa sia (o debba essere) man-tenuta anche nel futuro, lasciando apertal’opzione a se stessi e alle generazionifuture se sfruttare l’ambiente o meno.Questo rappresenta – nell’ambito delvalore d’uso indiretto – il cosiddetto valo-re d’opzione in cui gioca un ruolo chiave


Calcolo delle esternalità: la metodologia ExternELa letteratura economica incentrata sullemetodologie per la valutazione economi-ca delle esternalità ambientali affonda lesue origini fin nella seconda metà delsecolo scorso, tuttavia l’applicazione em-pirica e soprattutto organica di tali meto-dologie è abbastanza recente.Le esternalità connesse alla produzioneenergetica possono essere schematizzatesotto una duplice discriminante.La prima è il grado di incidenza sull’impat-to complessivo, in base alla quale le ester-nalità sono raggruppabili in due principa-li categorie: i danni alla salute e il contri-buto all’effetto serra.La seconda è il carattere locale o globa-le, in base a cui si può distinguere fraimpatto a largo raggio (planetario o alme-no transfrontaliero, come rispettivamenteil global warming e il fenomeno dellepiogge acide) e in un ambito locale oregionale (come ad esempio le concentra-zioni di polveri sottili e le relative conse-guenze).Occorre precisare che in realtà gli effetticonnessi al riscaldamento globale sonoimpatti in gran parte analoghi a quelli chesi producono a livello locale, sebbenel’analogia sostanziale degli effetti abbiadifferenti cause fisiche (l’alterazione clima-tica anziché l’inquinamento convenziona-le) e modalità. In pratica, quindi, gli impat-ti del global warming rappresentanospesso una versione delocalizzata di ester-nalità a corto raggio dovute a inquina-mento convenzionale.Il motivo di una valutazione separata risie-de allora nel maggior grado di incertezzada cui sono gravati gli effetti connessi alriscaldamento globale: si tratta di indivi-duare, a ritroso, quanta parte del riscalda-

pagare, che possiamo definire prezzo diopzione (PO), pari alla somma del sur-plus atteso del consumatore e del valoredi opzione:

PO = E(SC) + VO

con: E(SC) > 0, VO positivo, nullo o ne-gativo.In VO può esservi compreso il valore diquasi-opzione (VQO) che, come descrittoin precedenza, è normalmente positivo.Ne risulta che sarà sottostimata ogniquantificazione di un’esternalità basata sulsolo valore d’uso diretto futuro in presen-za di un valore d’opzione positivo, ossiasull’eguaglianza:

PO = E(SC) ogniqualvolta VO > O.

Il “valore di esistenza”Infine, accanto al valore d’uso (diretto eindiretto) della preservazione ambientale,si può individuare un valore intrinseco,definito di esistenza che prescinde daogni motivazione connessa al godimentoproprio – presente o futuro – o delle gene-razioni successive. In questo caso il valorenon deriva da alcun beneficio né diretto néindiretto. Si tratta di un valore attribuitoall’ambiente in quanto tale e alla sua tute-la da ogni processo distruttivo, valore sucui oggi si hanno le maggiori controversieper il semplice fatto che a differenza delvalore d’uso non offre occasioni per potermisurare in modo oggettivo – seppur con-venzionale – un’effettiva disponibilità apagare, generando dunque difficoltà ulte-riori nel quantificare il valore economicodelle esternalità ambientali.La somma del valore d’uso totale (direttoe indiretto) e del valore di esistenza forni-sce convenzionalmente il valore econo-mico totale dell’ambiente.


parametri e valutazioni standardizzate,ossia l’abbandono dell’approccio bottom-up con cui normalmente vengono valuta-te le specifiche esternalità locali e il pas-saggio ad un approccio top-down.

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mento sia ascrivibile alla produzione ener-getica, quanta alle singole fonti, e quan-ta imputabile al singolo impianto. È intui-bile che la labilità delle stime diviene allo-ra tale da rendere necessario il ricorso a


Effetti locali Effetti globali Costi esternie regionali (emissione di CO2) totali

cl/kWh cl/kWh cl/kWhGas Naturale (CC*) 0,6 1,14 1,74

Gas Naturale (TV**) 0,77 1,5 2,27

Prodotti Petroliferi (TV) 2,07 2,17 4,24

Carbone (TV) 2,58 2,89 5,47

Grande Idroelettrico 0,36 0 0,36

Mini Idroelettrico 0,26 0 0,26

Eolico 0,15 0 0,15

Fotovoltaico 0,15 0 0,15

Geotermico 0,15 1,34 1,49

Biomasse 1,19 0 1,19

RSU (TV) 1,24 1,6 2,84

Biogas 0 0 0

Tabella 6.1Una valutazione economica

delle Esternalità

Fonte: European Commission – FG XII, The National Implementation in the EU of the ExternE accounting frame-work, Final Report (1997).

* Impianti a ciclo combinato** Impianti con turbina a vapore

Le fonti rinnovabilidi energia

Capitolo Sette

Perché le fonti rinnovabili

[7.1]Energia e attività antropiche

La Terra riceve dal Sole un flusso ininter-rotto di energia, che alimenta i processivitali, animali e vegetali, contribuendoall’equilibrio dinamico degli stessi. L’energia, nelle sue varie forme, è dispo-nibile in natura racchiusa nelle fonti ener-getiche, classificate in primarie e secon-darie.� Le fonti energetiche primarie sono

quelle esistenti in natura come il carbo-ne, il petrolio, il gas naturale, ecc.

� Le fonti energetiche secondarie deriva-no dalla trasformazione di altre fontiprimarie o secondarie: benzina o gaso-lio dal petrolio, energia elettrica gene-rata nelle centrali termoelettriche a par-tire da altre fonti, ecc. Fa eccezione,per convenzione, l’energia elettrica diorigine idro-geotermica o nucleare,poiché tali fonti primarie non hannoaltra possibilità di utilizzo se non quel-la che deriva dalla loro trasformazionein elettricità.

Attualmente l’uomo utilizza in gran parteenergia nella sua forma termica. Soltantodi recente si è accostato ad altre formederivate dalla conversione dell’energiasolare.L’energia, ovvero la capacità di un corpoo di una sostanza di compiere lavoro,può manifestarsi/trasformarsi in modi dif-ferenti:

� energia termica, che deriva dal proces-so di combustione, cioè dalla reazionechimica tra una sostanza combustibilee l’ossigeno presente nell’aria (la reazio-ne chimica più sfruttata è quella del car-bonio con l’ossigeno a formare anidri-de carbonica);

� energia meccanica, connessa, ad esem-pio, al movimento di una turbina;

� energia elettrica, prodotta dall’alterna-tore azionato dalla turbina;

� energia chimica, liberata da certesostanze mediante reazioni chimiche;

� energia nucleare, associata a reazioni difissione nucleare;

� energia eolica, legata alle masse d’ariain movimento sulla superficie del pia-neta;

� energia solare, captata direttamentedalla radiazione solare e trasformata inenergia termica od elettrica.

L’uomo fa uso di energia in due modidiversi ma concorrenti ad elevare il suobenessere e la qualità del suo vivere: dauna parte essa è direttamente consumataper soddisfare alcune indispensabili esi-genze, dall’altra è un fattore essenziale deiprocessi produttivi delle fabbriche che pro-ducono beni di consumo: utilizziamo, infat-ti, strumenti che abbisognano di energia. La qualità della vita è migliorata grazieanche ai dispositivi destinati alla mobilitàindividuale o collettiva, che sfruttanol’energia derivata dagli idrocarburi. Il lavo-ro domestico, poi, è stato alleviato da un

tori e materiali per il commercio, diffon-dendo la civiltà.L’uomo scoprì, poi, che l'acqua che cade-va sulle ruote idrauliche poteva fornireenergia elettrica, mentre l'energia solarerilasciata dalla combustione della legna,poteva trasformare l'acqua in vapore,incentivando fortemente il progresso del-l'industria e dei trasporti, e fornendo agliuomini un caldo confortevole nelle case enegli edifici.

Conseguenze delle attività antropicheNella seconda metà dell’ottocento comin-ciò l’utilizzo su larga scala del carbone, econtemporaneamente vennero scopertele possibilità di utilizzo del petrolio, il cuiuso rimase comunque marginale finoall’inizio del XX secolo.La convenienza del carbone e, successiva-mente, quella del petrolio e del gas (tuttefonti primarie fossili), è stata la causa cheha contribuito in maniera determinanteall'abbandono di quelle pratiche costrut-tive oggi note sotto il nome di solare pas-sivo, quindi dell'utilizzo durante il giornodella luce solare e di altre caratteristichedi progettazione architettonica eco-com-patibile negli edifici. L’utilizzo delle fonti fossili porta inevitabil-mente al massiccio incremento dell’emis-sione in atmosfera di quelli che vengonodefiniti gas serra, con conseguente alte-razione del clima a livello globale. Bisogna, tuttavia, fare alcune precisazioni.È bene ricordare che l'effetto serra è unprocesso naturale esistito sul nostro pia-neta fin da quando esso ha cominciato apossedere un'atmosfera. È questo effettoserra naturale che ha consentito al nostropianeta di diventare abitabile nel modoche noi conosciamo.Consideriamo le condizioni generate dallamancanza di tale effetto: la temperaturadella Terra è determinata da un bilancio

uso sempre più esteso degli elettrodo-mestici azionati dall’energia elettrica, ecosì via per tanti altri aspetti della vita ditutti i giorni. In definitiva, l’uomo hamigliorato enormemente i propri standarddi vita e di benessere grazie alla possibi-lità di disporre di grandi quantità di ener-gia a costi relativamente bassi.

Lo sfruttamento delle risorse naturaliL’utilizzo, spesso nella forma dell’ipersfrut-tamento, delle fonti che contribuiscono albenessere individuale e collettivo, produ-cono diversi effetti.Sappiamo che l'energia solare assorbitadalla Terra e dall'atmosfera determina igrandi cicli delle correnti oceaniche edella climatologia atmosferica. L'energiasolare, infatti, è il motore che, attraversoil fenomeno dell'evaporazione di grandimasse oceaniche, e successive precipita-zioni, alimenta i cicli vitali degli organisminelle terre emerse. Inoltre, l'energia sola-re viene trasformata dalle piante tramitela fotosintesi per fornire, direttamente eindirettamente, energia per la crescitadegli organismi vegetali e in definitiva diquelli animali.Lo sfruttamento delle risorse naturali,aventi origine diretta o indiretta dal Sole,è stato oggetto di interesse già a partiredall’antichità, quando l’uomo cominciò aradunarsi in gruppi sociali sempre piùampi, portando alla nascita di quellecomunità odierne che sono le città.In questo modo prese avvio lo sfrutta-mento delle risorse naturali, quali adesempio i fiumi che, riempiti dall'acquache trae origine dal ciclo idrologico,diventarono vie di trasporto e luoghi disviluppo per le grandi città. Così come lapotenza del vento venne utilizzata permacinare il grano nei grandi mulini a ventoe per alimentare le vele delle navi per tra-sportare, attraverso gli oceani, colonizza-


duecento anni dopo, è di circa 370 ppm.Sebbene, come sappiamo, alcuni autorisostengano che l’aumento della concen-trazione di gas serra sia un fenomenonaturale, da studi sempre più numerosi eapprofonditi si evince che l’intensità el’estensione delle attività umane stannocominciando ad interferire pesantemen-te con i cicli naturali (ossigeno, carbonio,azoto) dell’intero pianeta, e l’equilibriodell’ecosistema naturale, stabilitosi attra-verso un processo evolutivo e di adatta-mento delle specie umane, animali evegetali e durato centinaia di milioni dianni, si sta alterando in maniera preoccu-pante, evolvendo verso configurazioniforse incompatibili con la vita (gli organi-smi viventi non riescono a tener dietroperché hanno bisogno di periodi di adat-tamento evolutivo molto più lunghi).

[7.2]Le fonti energetiche rinnovabili

Gli uomini utilizzano in gran parte l'ener-gia proveniente dal Sole. La maggiorparte delle volte, tuttavia, si utilizzano icombustibili fossili in modo dissoluto esconsiderato, come se fossero inesauribi-li. Al contrario, i combustibili fossili si stan-no esaurendo e non possono essere sosti-tuiti in un breve lasso di tempo.Le attività di accertamento della disponi-bilità di fonti energetiche ancora disponi-bili sul nostro pianeta forniscono indica-zioni in continua evoluzione. Le stimeriguardo le varie fonti fossili sono sogget-te a continui aggiornamenti in relazionealla scoperta di nuovi giacimenti.Dopo la crisi petrolifera del 1973, moltipreannunciavano l'esaurimento delleriserve mondiali di petrolio greggio. Ineffetti le riserve accertate nel 1976ammontavano a 88 Gt ma già nel 1999

energetico che vede da una parte l'ener-gia ricevuta dal Sole, sotto forma di radia-zione elettromagnetica, dall’altra la radia-zione che la superficie del pianeta riemet-te verso lo spazio (ancora sotto forma diradiazione elettromagnetica: in questocaso si tratta di radiazione infrarossa). Latemperatura del pianeta risultante dalbilancio dovrebbe essere di molti gradisotto lo zero. La presenza dell'atmosfera, e dell’altera-zione del bilancio energetico di cui sopra,sposta l'equilibrio verso una temperatu-ra media più alta e permette la vita (15,5°C). L’atmosfera, infatti, parzialmente tra-sparente alla radiazione solare, assorbe,grazie soprattutto alla presenza del vapo-re acqueo e dell'anidride carbonica, laradiazione infrarossa emessa dalla super-ficie terrestre, rimandandone indietro sol-tanto una parte. Questo processo è chia-mato “effetto serra” perché è simile aquello che si ottiene in agricoltura quan-do il terreno viene coperto con strutturedi vetro o di plastica (le cosiddette“serre”) trasparenti alla luce solare, tutta-via in grado di intercettare e contenereuna parte della radiazione infrarossaemessa dal suolo.Ora, è la modifica della composizione del-l'atmosfera, con l’aumentare o il diminui-re della concentrazione di anidride carbo-nica (CO2) o di altri gas “serra”, che modi-fica l'effetto serra naturale, e altera il bilan-cio energetico del pianeta (v. anche para-grafo 1.3).Se confrontiamo i dati disponibili, attualie precedenti, si osserva che la concentra-zione di questo gas nell’atmosfera ha ini-ziato ad aumentare a partire dalla primarivoluzione industriale. In particolare inInghilterra alla fine del Settecento, doveha preso l’avvio il fenomeno dell’industria-lizzazione. Inizialmente la concentrazione era di circa260 ppm, mentre attualmente, poco più di

89 Perché le fonti rinnovabili

� entro il 2030, produrre energia elettricae calore con ridotte emissioni di carbo-nio anche attraverso il ricorso a sistemidi cattura e stoccaggio della CO2; adat-tare gradualmente i sistemi di trasportoai biocarburanti di seconda generazionee alle celle a combustibile ad idrogeno,

� dal 2050, completare il passaggio ad unsistema energetico europeo carbonfree attraverso l’utilizzo di fonti energe-tiche rinnovabili e l’utilizzo sostenibiledel carbone, del gas e dell’idrogeno e,in prospettiva, della fissione nuclearedi quarta generazione.

[7.3]Sostenibilità dello sviluppo e fonti rinnovabili

Si parla di sostenibilità, come sappiamo,quando un’azione non comporta danneg-giamento o perdita di risorse naturali, e,quindi, si svolge nel pieno rispetto del-l’ambiente.In campo energetico vengono definitisostenibili quei modi di produrre e utiliz-zare le diverse forme di energia che noninquinano l’atmosfera, il suolo e le acque,e che si avvalgono delle fonti energeticherinnovabili: � energia solare termica,� energia fotovoltaica,� energia eolica,� energia da biomassa, � energia idroelettrica, � geotermia.Attualmente oltre l'80% delle risorse delpianeta viene impiegato in modo nonsostenibile, consumando fonti energeti-che fossili (e quindi non rinnovabili) comepetrolio, gas naturale e carbone ad unavelocità che supera abbondantementequella della loro formazione, determinan-do un'elevata quantità di gas ad effettoserra, come l'anidride carbonica (CO2),

erano cresciute a 141 Gt. Mentre le riser-ve ancora disponibili nel 2004 venivanovalutate in 162 Gt di petrolio.Per ciò che concerne la durata di questeriserve di petrolio e altre fonti (gas natu-rale e carbone, tornato recentemente inauge), essa è ovviamente legata all’inten-sità dei consumi, e quindi dei comporta-menti che adotteremo.Al livello dei consumi attuali le riserve dipetrolio si stima potrebbero durare anco-ra per circa 40 anni.Esiste una soluzione prontamente dispo-nibile, almeno a “dare una mano” allarichiesta delle enormi quantità di energiada parte del genere umano: le fonti rinno-vabili di energia.Queste fonti non inquinano e sono virtual-mente inesauribili, inoltre funzionano inarmonia permanente con i sistemi fisici eecologici della Terra e creano nuove formedi lavoro e nuove industrie senza spese percombustibili. Infine, contribuiscono all'au-tosufficienza fisica e economica dellenazioni e sono disponibili sia per i paesisviluppati che per quelli in via di sviluppo.L’Unione Europea mira ad aumentare l’usodelle risorse rinnovabili: nella Direttiva2001/77/CE Promozione dell’energia elet-trica prodotta da fonti rinnovabili, pone iseguenti traguardi:� entro il 2010: soddisfare, attraverso

obiettivi differenziati per ogni singoloStato membro, il 12% del consumointerno lordo di energia attraverso l’uti-lizzo di fonti rinnovabili, con una quotaindicativa del 22% di elettricità prodot-ta da fonti energetiche rinnovabili sulconsumo totale di elettricità dellaComunità;

� entro il 2020: coprire il 20% di energiaprodotta con fonti rinnovabili, median-te un considerevole aumento di quellepiù vicine al mercato (compresi i parchieolici off shore e i biocarburanti diseconda generazione),


per il riscaldamento degli edifici;� gli interventi su finestre e infissi finaliz-

zati alla riduzione dei consumi;� la sostituzione di impianti di climatizza-

zione invernale con i più efficientiimpianti dotati di caldaie a condensa-zioni;

� l’installazione di pannelli solari per laproduzione di acqua calda.

I contributi economici incentivano investi-menti diretti alla riqualificazione energeti-ca degli edifici, che si ripagherannoampiamente nei prossimi anni, considera-to che i prezzi di tutti i derivati del petro-lio e del gas metano sono destinati anotevoli aumenti già nei prossimi anni. Diconseguenza aumenteranno anche le bol-lette domestiche dei consumi elettrici edel riscaldamento.

[7.4]Quali opzioni per il futuro?

Per non rinunciare agli standard di vita acui siamo abituati occorrerà adottare poli-tiche e strategie che tendano alla creazio-ne di un modello di sviluppo della socie-tà umana compatibile con le risorse el’equilibrio fisico-chimico del pianeta.La risoluzione del rischio ambientale,come la riduzione dei gas serra, richiedeun impegno politico internazionale maanche l'innalzamento del livello di consa-pevolezza collettiva e individuale.Occorre, con senso di responsabilità, pen-sare a una strategia per un sistema ener-getico accettabile sotto il profilo ambien-tale e economico, promuovendo al mas-simo, in alternativa ai combustibili fossili,il ricorso alle fonti energetiche rinnovabi-li e l’adozione di corrette politiche e misu-re per un uso razionale dell’energia.Bisognerà, a tal fine, sviluppare nuove tec-nologie che permettano di sfruttare ade-guatamente l’enorme potenzialità della

con conseguenti alterazione dei cicli natu-rali e produzione di polveri fini e ultrafininelle città.Per questo motivo è necessario, pena lainsostenibilità dello sviluppo, adottare,oltre alle fonti rinnovabili, strategie checomportino:� un sicuro risparmio economico,� un quantitativo di energia in più a

disposizione,� un minore consumo di combustibili fos-

sili e quindi meno inquinamento sia alivello globale che a livello locale.

Per quanto riguarda il risparmio economi-co e la salvaguardia dell’ambiente, il set-tore civile è quello in cui si può agire e faremolto: secondo uno studio dell'ENEA del2003, una famiglia media italiana potreb-be risparmiare, semplicemente usandomeglio l’energia, il 40% delle spese per ilriscaldamento e il 10% di quelle per glielettrodomestici. Il consumo di un solo chilowattora (kWh)di energia, che corrisponde a circa mez-z’ora d’accensione di una stufetta o di unoscaldabagno elettrici, richiede, nelle piùefficienti centrali, la combustione di circa0,25 chilogrammi di olio combustibile eprovoca l’immissione in atmosfera di 0,55chilogrammi di CO2. Se si considera che la popolazione italia-na ha raggiunto quasi i 60 milioni di abi-tanti e che l’emissione pro capite di CO2

annua è di 7,5 tonnellate, ci si rendeconto che, ai fini della sostenibilità, com-preso l'aspetto energetico, è rilevante,anzi indispensabile, il contributo e l’impe-gno di tutti nel migliorare l’uso delle risor-se naturali. La legge Finanziaria 2007 ha introdotto, inItalia, agevolazioni fiscali per la riqualifica-zione energetica degli edifici.Nell’ambito delle agevolazioni previste visono:� gli interventi che permettono significa-

tive riduzioni del consumo energetico


tecnologie informatiche dematerializzanoil lavoro e molte delle attività umane: cavitelefonici, personal computer, fax, sistemivideo, sostituiscono, con notevoli vantag-gi di risparmio di beni, gli spostamenti dipersone, l’archiviazione di dati e docu-menti, l’utilizzo di ore-lavoro per otteneregli stessi servizi e prestazioni. Questi processi sono già in atto nei paesiindustrialmente più sviluppati, dove negliultimi anni è notevolmente diminuito il con-tenuto in materia e energia dei beni pro-dotti; lo stesso non avviene ancora in quel-li in via di sviluppo, dove, sotto la respon-sabilità dei primi e nell’interesse comune,ci si aspetterebbe il trasferimento degli svi-luppi tecnologici produttivi e di organizza-zione della società già sviluppati.Le conoscenze scientifiche acquisite equelle in corso di acquisizione, le tecnolo-gie disponibili e quelle in via di sviluppo egià previste, i modelli di sviluppo in corsodi messa a punto sulla base della recentepresa di coscienza delle problematichesocio-ambientali poste da questi modelli,se adeguatamente inquadrati e finalizzati,saranno quasi certamente in grado discongiurare i possibili limiti alla crescitasociale e economica dell’umanità.Per non rinunciare agli standard di vita acui siamo abituati occorrerà adottare poli-tiche e strategie che tendano alla creazio-ne di un modello di sviluppo compatibilecon le risorse e l’equilibrio fisico-chimicodel pianeta.Occorre promuovere, in alternativa aicombustibili fossili, il ricorso alle fontienergetiche rinnovabili e a misure per unuso razionale dell’energia.L’energia elettrica, in particolare, prodot-ta nelle centrali termoelettriche a partiredai combustibili fossili, vede: perdite dienergia nella conversione dall’energia chi-mica del combustibile fossile a quellaelettrica, perdite nella trasmissione edistribuzione puntuale, problemi di inqui-

risorsa solare, puntando sulla conversionediretta sul luogo stesso di consumo, e uti-lizzando l’idrogeno come vettore e formadi accumulo dell’intermittente fonte sola-re. Bisognerà cambiare radicalmente iprincipi tecnici su cui poggiano le nostreattuali tecnologie energetiche, basatesulle trasformazioni termodinamiche dicui sono noti i bassi rendimenti. Altrofatto fondamentale sarà il decentramen-to della produzione energetica, favoren-do la generazione distribuita sul territo-rio in base alle reali esigenze dell’utenzada servire.Per diminuire l’immissione di anidride car-bonica in atmosfera e contribuire alla ridu-zione dell’effetto serra, bisognerà adotta-re strategie di minimizzazione del consu-mo delle fonti fossili. Mentre l’industriasviluppa autonomamente misure di razio-nalizzazione e risparmio energetico, cosìnon è nei settori civile, dei trasporti e deiservizi, che vanno guidati verso l’obietti-vo da organismi e strutture socialmenteresponsabili.È necessario bloccare la spirale di cresci-ta consumi-energia, cominciando con lostabilizzare i consumi energetici dei paesiindustrializzati, attraverso l’adozione ditecnologie utili a migliorare l’efficienzadelle trasformazioni e degli usi finali, inprimo luogo nel settore dei trasporti,attraverso strategie di ottimizzazione deiconsumi, di adozione di dispositivi di ridu-zione delle emissioni inquinanti, di poten-ziamento di vecchie e nuove modalità ditrasporto (car sharing, etc.).L’aumento di efficienza nei processi pro-duttivi, ad esempio, è strettamente corre-lato al processo di dematerializzazione edi diminuzione della quantità di materia edi energia adoperate per la produzionedei beni: qualsiasi attività condotta conrendimenti migliori del passato comportal’uso di quantità inferiori di materie primee di energia. I servizi di informazione, le


trovare soluzioni efficienti, efficaci, econo-micamente vantaggiose, sempre più vici-ne all’utente finale che diviene così pro-prietario e controllore di una risorsa fon-damentale come l’energia.L’uso di pannelli solari termici per singoleabitazioni e servizi collettivi, di impiantifotovoltaici per gli edifici o di generatorieolici collegati alla rete, potranno in futu-ro sempre contribuire al processo di “de-carbonizzazione” e “generazione ener-getica pulita” da parte di un utente chenon sarà più solo un soggetto passivodivoratore di energia, ma egli stesso atti-vo produttore della maggior parte del-l’energia che gli serve per assicurarsi unaadeguata e sempre migliore “qualità dellavita”.Bisognerà, però, che il mondo dell’indu-stria e i decisori politici si impegnino peruna eliminazione sostanziale degli ostaco-li ancora esistenti, ristabilendo regole dimercato più razionali e meno rigide conl’abbassamento dei costi, prevedendonuove regole per la detenzione e l’eserci-zio degli impianti di generazione di ener-gia, l’eliminazione di oneri e tasse impro-prie perché pensate per i grandi impian-ti di produzione, una maggiore facilità dicollegamento alle reti energetiche checonnettono tra loro gli edifici di abitazio-ne e di servizio.Il processo che ci porti ad un futuromigliore e sostenibile richiede l’apportodella Pubblica amministrazione, dellecomunità locali, del mondo dell’industriae, soprattutto, di tutti i “cittadini consape-voli” e disposti a preparare un futurosostenibile per i propri figli.In definitiva, sono quattro i pilastri delloscenario energetico di domani:� sicurezza di approvvigionamento,� efficienza energetica,� generazione distribuita,� fonti rinnovabili.

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namento ambientale e elettromagnetico.L’energia elettrica potrebbe essere pro-dotta da tecnologie che attingono, inalternativa ai combustibili fossili, diretta-mente all’energia solare, alle fonti rinno-vabili, cui non sono associati gli inconve-nienti di cui sopra. Sino ad ora è prevalsa la logica deimacroimpianti per la produzione di ener-gia, caratterizzati da una forte centraliz-zazione dei sistemi di produzione; que-sti hanno predominato poiché si ritene-va che gli impianti piccoli e decentratifossero tecnicamente difficili da gestire eeconomicamente svantaggiosi. Ora letecnologie rinnovabili, in particolarequella solare, hanno reso disponibiliimpianti di piccole dimensioni, a costicompetitivi e con una notevole riduzio-ne delle emissioni.I vantaggi del decentramento produttivo,attraverso una “generazione energeticadiffusa” con una rete di piccoli dispositivisono numerosi e evidenti: minore stressper la rete distributiva, minori rischi diblack-out, maggiore versatilità di impiegoe modularità, maggiore velocità di messain opera, maggiore elasticità del sistema,minor impatto ambientale per l’elimina-zione della rete di distribuzione, maggio-re controllo locale e – ovviamente – mino-ri emissioni ambientali di particolato, diossidi di azoto, di zolfo e di biossido dicarbonio.La generazione energetica diffusa può, incerta misura e soprattutto nel settore elet-trico, già oggi essere realizzata mediantel’utilizzo di tecnologie rinnovabili; in pro-spettiva, potrà diventare significativamen-te più importante attraverso l’utilizzo delnuovo vettore Idrogeno, la cui tecnologiadi diffusione e di utilizzo è in corso dimessa a punto e industrializzazione.Andare verso il “piccolo è bello”, insom-ma, si può: le nuove tecnologie aiutano a


Capitolo Otto

Energia solare termica

[8.1]La tecnologia

L’energia solare, che viene sfruttata per laproduzione di acqua calda sanitaria o peril riscaldamento degli ambienti, si basasulla captazione della luce del Sole, tra-sformata successivamente in calore attra-verso determinati processi che si verifica-no all’interno degli impianti solari. La tec-nologia del solare termico permette, infat-ti, la conversione dell’energia provenien-te dal Sole in energia termica.

Il sistema solare termicoUn impianto solare termico tipico è com-

posto da un circuito primario, costituito dauna tubazione che assorbe l’energia sola-re nella forma termica, all’interno del col-lettore esposto alla radiazione, e da un cir-cuito secondario cui il calore viene trasfe-rito tramite uno scambiatore posto nelsistema di accumulo.La trasformazione dell’energia è attuatadal collettore o pannello solare che captal’energia solare e la converte in calore.L’energia viene poi trasmessa al fluido ter-movettore che scorre all’interno del col-lettore e deputato a sua volta alla trasmis-sione del calore all’acqua contenuta nelserbatoio d’accumulo (fig. 8.1).Di seguito descriveremo la tecnologia inrelazione a diversi parametri quali: la tem-peratura del fluido termovettore, la posi-zione del collettore e del serbatoio diaccumulo. Infine, ci occuperemo dei col-lettori solari e del loro funzionamento.

Impianti ad alta e a bassa temperaturaSulla base della temperatura raggiungibi-le dal fluido termovettore, prendendocome valore di soglia la temperatura di100 °C, si distinguono due tipi di disposi-tivi di sistemi solari: impianti a bassa e adalta temperatura.Gli impianti che lavorano al di sotto dei100 °C, “a bassa temperatura”, sono quel-li più diffusi e utilizzano acqua o aria; ser-

Sistema solare termicoFig. 8.1

accumulo, oppure a “circolazione forzata”(fig. 8.3), cioè indotta meccanicamenteda una pompa elettrica governata da unacentralina e da alcune sonde. Inoltre, in base alla modalità di trasferi-mento del calore al serbatoio di accumu-lo si distingue tra sistema a circuito aper-to e sistema a circuito chiuso. Se infatti ilfluido termovettore che scorre nei collet-tori è l’acqua destinata all’utenza (che arri-va direttamente alla rete) avremo un siste-ma a circuito aperto; sistema che vieneutilizzato dove non si pone il problema delcongelamento.Nel caso del sistema a circuito chiuso,invece, uno scambiatore di calore per-mette il trasferimento di calore dal flui-do termovettore in uscita dai collettori(liquido antigelo) all’acqua all’interno delserbatoio. Questo sistema viene utilizzato in queiluoghi dove non si può prescindere dal-l’utilizzo di una miscela antigelo per farfronte alle basse temperature.

vono essenzialmente per il riscaldamentodi determinati ambienti e per la produzio-ne di acqua calda sanitaria.Gli impianti che lavorano al di sopra dei100 °C, “ad alta temperatura”, fanno usodi particolari sistemi di captazione ingrado di elevare il livello di irraggiamen-to sull’assorbitore. Essi sono finalizzati allaproduzione di energia elettrica (attraver-so turbine alimentate dal vapore prodot-to dall’impianto) e trovano impiegosoprattutto nelle industrie.

Sistemi a circolazione naturale e sistemi a circolazione forzataUna fondamentale distinzione delle diffe-renti tecnologie atte alla trasformazionedell’energia da solare a termica può esse-re fatta in relazione al tipo di circolazionedel fluido nel circuito primario.Il circuito primario può essere a “circola-zione naturale” (fig. 8.2), e in questo casoil collettore solare deve essere posto adun livello più basso rispetto al sistema di


Schema di un impiantoa circolazione naturaleFig. 8.2 Schema di un impianto

a circolazione forzataFig. 8.3

di un buon collettore piano, al fine di assi-curare la miglior captazione dell’energiaincidente, deve rispettare determinatecondizioni e utilizzare alcuni tipi di mate-riali quali una lastra di copertura che siatrasparente alle lunghezze d’onda λ com-prese tra 0,4 e 2,5 µm e una piastra assor-bente (investita dalla radiazione solare)che ne assorba gran parte. Inoltre, la pia-stra metallica “captante” deve essere resaselettiva all’assorbimento della radiazionesolare tramite rivestimento, sul lato espo-sto, con materiale che abbia caratteristi-che ottimali di assorbimento dei raggisolari e bassa riemissione di radiazioneper lunghezza d’onda λ > 3 µm.Le migliori soluzioni prevedono, poi, uncontenitore esterno con un isolamentoinferiore e laterale in lana di vetro e unprofilo in gomma EPDM e silicone pergarantire l’impermeabilità della parte su-periore più esposta alla pioggia. Nei collettori sottovuoto gli elementi cap-tanti, lamina e tubi in rame, sono inseritiin tubi di vetro temperato sotto vuoto (fig.8.5), soluzione che consente di eliminarele perdite di calore verso l’ambiente ester-no per conduzione e convezione. Questisistemi lavorano bene anche a basse tem-perature esterne, con un’efficienza presso-ché costante in ogni stagione.Esistono due tipologie di tubi sottovuoto:vetro-vetro e vetro-metallo. Il tubo vetro-vetro consiste in due tubi divetro concentrici, uno esterno e uno inter-no. Il tubo interno è coperto con un stra-to selettivo che assorbe l’energia solare einibisce la perdita di calore per reirraggia-mento. In fase di assemblaggio, l’aria trai due strati di vetro viene aspirata così daeliminare le perdite di tipo conduttivo econvettivo; la perfetta tenuta del vuoto è

[8.2]Collettori solari: caratteristiche e principi di funzionamento

I collettori o pannelli solari più diffusi sonovetrati piani o sottovuoto.I collettori vetrati piani sono essenzial-mente costituiti da una serie di tubi astretto contatto con una piastra assorben-te in materiale buon conduttore termico;tubi e piastra sono trattati in modo daassicurare il massimo assorbimento dellaradiazione incidente. L’energia raccoltadal pannello, e quindi dal fluido termovet-tore circolante all’interno dei tubi (acqua,aria, fluidi organici o freon), viene imma-gazzinata nel serbatoio di accumulo (boi-ler).Il collettore (fig. 8.4) è dotato di unacopertura trasparente costituita da una opiù lastre di vetro o di plastica posta al disopra della piastra assorbente; una lastrariflettente e un isolamento termico inferio-re riducono al minimo le perdite per con-duzione della piastra verso la parte infe-riore del pannello.È importante ricordare che la tecnologia

97 Energia solare termica

Schema di collettore solareFig. 8.4

ta tra materiali con differenti coefficienti didilatazione termica.Dall’assorbitore dipende il rendimentogenerale dell’impianto e pertanto le carat-teristiche più importanti riguardano laqualità di questo componente. Quando la radiazione raggiunge la piastracaptante (o assorbitore) del collettore,questa assorbe una percentuale elevata(fino a 95% per le migliori superfici nere)dell’energia, si riscalda e quindi la tempe-ratura aumenta. In tali condizioni la piastraè, a sua volta, un corpo che irraggia ener-gia con una distribuzione spettrale chedipende dalla temperatura.D’altra parte l’assorbitore è circondato daaria alla temperatura ambiente (ad esem-pio 15 °C) per cui cedendo calore all’ariacircostante, sia per convezione che perirraggiamento, tende a raffreddarsi. Quindi, maggiore è la capacità di assor-bimento, migliori saranno le prestazioniofferte.Esistono pannelli solari che hanno unassorbitore realizzato in rame verniciato dinero: questo diminuisce il rendimento, inquanto la semplice vernice nera non rie-sce a convertire tutte le gamme di fre-quenza di cui la luce è composta, per cuigran parte dell’energia viene riflessa equindi sprecata.Il miglior materiale con cui l’assorbitorepuò essere costruito è una sottile lastra dirame rivestita in materiale selettivo altinox.In figura 8.6 è riportata una comparazio-ne tra il rendimento di un pannello sola-re con assorbitore selettivo in tinox e unocon assorbitore in rame verniciato di nero.Il grafico mostra il rendimento in funzionedella temperatura esterna.La curva più alta rappresenta il rendimen-

in questo caso stabilmente assicurata neltempo da saldature vetro-vetro. Il tubovetro-metallo consiste in un singolo tubodi vetro dentro il quale è posto l’elemen-to captante, generalmente ricoperto continox; questi collettori incontrano più pro-blemi di perdita del grado di vuoto per ilfatto che la saldatura di tenuta è realizza-


Schema di collettore solare sottovuotoFig. 8.5

Rendimento dell’assorbitore in funzione della temperatura esterna Fig. 8.6

ta molto conveniente riscaldare acqua perusi sanitari, per abitazioni singole e soprat-tutto per comunità.I collettori, infatti, vanno a sostituire l’ener-gia elettrica o gasolio o gas metano; neiprimi due casi il solare può dare un vali-do contributo e permettere risparmi con-siderevoli, mentre per il gas metano l’am-mortamento dell’investimento risulta ingenere di poco più lungo.Prendendo come riferimento l’ambitourbano, l’acqua calda sanitaria è per lamaggior parte dei casi prodotta con scal-dabagni elettrici o caldaie a gas.

Confronto di consumi energeticiIl grafico in figura 8.7 mostra il risultato delconfronto tra il fabbisogno energetico, intermini di energia primaria, necessario perla produzione di acqua calda sanitaria conuno scaldabagno elettrico, con una calda-ia a gas, un sistema caldaia gas/colletto-re solare termico e un sistema scaldaba-gno elettrico/collettore solare termico,ferme restando le ipotesi sopra enuncia-te e il quantitativo pro capite di acquanecessaria.Si osserva che nel passaggio dalla soluzio-ne con scaldabagno elettrico a quella concaldaia a gas integrata da collettori sola-ri, il consumo energetico pro capite passada 4,5 a 0,5 kWh. È il caso più interessan-te, dunque, che porta ad una riduzionedel 90% del consumo energetico, a pari-tà di servizio reso.Nel confronto tra il sistema basato sull’in-tegrazione di collettore solare con unacaldaia a gas e la caldaia stessa, si notacome il consumo passi da 2,05 kWh, peril caso della sola caldaia, a 0,5 kWh, per ilsistema integrato.Nel passaggio dal solo scaldabagno elet-

to della superficie in tinox confrontato conil rendimento dell’assorbitore realizzato inrame verniciato. Nei periodi freddi il ren-dimento di quest’ultimo diventa quasi ditre volte inferiore. Il rendimento migliorase l’impianto è installato più a sud, o se èpiù vicino al mare.

[8.3]Le aree di applicazione

La tecnologia del solare termico sta tro-vando applicazione in tutti i sistemi ener-getici connessi all’edificio. Accanto al semplice utilizzo dell’energiasolare per la produzione di acqua caldasanitaria, infatti, si stanno diffondendo siai sistemi ad aria per il preriscaldamentodell’aria di ventilazione di grandi spazi, sial’accoppiamento dei sistemi solari consistemi a pompa di calore per il riscalda-mento a bassa temperatura degli edifici.Questo tipo di impianti impiega sistemi apavimento o a pannelli radianti.

Acqua calda sanitariaAttraverso l’utilizzo di collettori solari risul-


Confronto del fabbisogno energetico tra differenti sistemi per la produzione di acqua calda sanitariaFig. 8.7

La ragione principale, comunque, risiedenel fatto che la temperatura da raggiun-gere nell’acqua non è molto alta e basta-no i pannelli in polipropilene, meno costo-si e complessi.Infine, l’aria calda prodotta con pannellitermici è in modo abbastanza semplice eeconomico utilizzata per l’essiccazione dierbe e di prodotti agricoli; soprattutto inpaesi dove questo processo per via natu-rale richiederebbe una quantità di giornisuperiore a quella che le condizioniambientali consentono.

Riscaldamento ambientale: pannelli e pavimenti radiantiAffinché un sistema solare termico, oltreche fornire l’acqua calda sanitaria,possa integrare anche il riscaldamentodi una casa, è necessario che l’abitazio-ne sia dotata di un sistema di riscalda-mento a bassa temperatura realizzatotramite superfici radianti: tubi sotto ilpavimento (fig. 8.8), nelle pareti o contermostrisce a soffitto in cui scorreacqua a 30-35 °C. I tubi entro cui viene fatto scorrere ilfluido termovettore caldo sono in gene-

trico ad uno scaldabagno elettrico inte-grato da collettori solari, il consumo ener-getico scende da 4,5 a 1,13 kWh.Ulteriori vantaggi possono essere ottenu-ti se è maggiore il numero degli utenti cheutilizza impianti solari, in questo caso, infat-ti, diviene più conveniente la suddivisionedell’accumulo termico in più serbatoi.

Piscine e agricolturaNon soltanto nelle abitazioni è possibilesfruttare le potenzialità della tecnologiasolare termica, anche stabilimenti balnea-ri, camping, hotel, palestre, impianti spor-tivi, pensioni e case di riposo trovano lemassime potenzialità d’uso negli impian-ti solari.La piscina, principalmente, è uno deicampi di impiego nel quale il riscalda-mento solare ha avuto maggiore diffusio-ne. Ciò è dovuto al periodo di utilizzo cor-rispondente al periodo di massimo soleg-giamento, al fatto che non sono necessa-ri sistemi di accumulo, al basso salto ter-mico richiesto, nonché alla possibilità diimpiego di pannelli in materiali plastici ogommosi di basso costo e rapido mon-taggio e smontaggio per usi stagionali.


Figura 8.8

[8.4]Costi e benefici

La giustificazione razionale di un impian-to solare deriva da considerazioni non sol-tanto ambientali, ma anche economiche.Un impianto solare termico permette difar risparmiare dal 40% al 70% dell’ener-gia necessaria per produrre l’acqua caldasanitaria, naturalmente senza l’utilizzo disostanze inquinanti.In particolare il risparmio associabileall’uso di un impianto solare termico èlegato al costo dell’energia sostituita evaria in ragione del tipo di energia utiliz-zato (elettrica, metano, gasolio, carbone,altro), delle politiche energetiche delgoverno, dell’evoluzione del prezzo deicombustibili. Prendendo come riferimento la situazionedel mercato energetico italiano, stimandoil consumo di acqua calda sanitaria a 45-50 °C in circa 50 litri al giorno a persona,ciascun individuo consuma ogni anno inmedia 18.000 litri di acqua calda, cherichiedono, a seconda della temperaturadell’acquedotto, circa 700 kWh di energiaall’anno (per persona). Considerando l’efficienza media delle cal-daie a gas commerciali, ogni persona con-suma ogni anno circa 60 metri cubi dimetano per soddisfare il proprio fabbiso-gno di acqua calda sanitaria. Poiché ilcosto del metano, aggiornato a metà2006, è di circa 0,80 o/m3 (dato compren-sivo dei costi fissi), la spesa annuo per ilcombustibile è di quasi 50 o a persona. A questo punto consideriamo un impian-to solare termico. Un giusto compromes-so consiste nel dimensionare l’impianto inmodo tale che esso riesca a coprire il 75%del consumo su base annua, lasciando

re realizzati in materiale plastico o ramee possono avere diverse dimensioni.La loro collocazione può avvenire me-diante fissaggio su pannelli per contro-soffittatura di gesso o metallo, oppureper posa sulla superficie di intradossodel solaio.


Un aspetto più innovativo è quello che riguarda lo sviluppo delle tecno-logie di solar cooling.In questo caso il calore generato da collettori solari in grado di ottene-re buoni rendimenti, con temperature più elevate del normale, viene uti-lizzato da una pompa ad assorbimento di calore (fig. 8.9) con produzio-ne di aria fresca. Le macchine ad assorbimento di energia termica perscopi di refrigerazione o condizionamento dell'aria sono attualmenteoggetto di rinnovata attenzione sotto il profilo scientifico e industriale.

Per quanto riguarda le macchine a fiamma diretta, impiegate per il con-dizionamento estivo, esse possono anche contribuire a ridurre lo squili-brio stagionale oggi esistente nei consumi di gas. Un ulteriore motivo che ha portato a riconsiderare questa tecnologia èla sempre maggiore sensibilità al problema ambientale: le macchine adassorbimento possono funzionare con fluidi non pericolosi per l'ambien-te, alcuni in particolare dotati di indice GWP (Greenhouse WarmingPotential) addirittura nullo, e possono essere alimentate a metano, conemissioni inquinanti di livello contenuto rispetto ad altri combustibili, ocon calore di scarto o con energia solare (solar cooling).

Solar Cooling

Fig. 8.9

più, circa 110 o a persona all’anno. Inquesto caso il risparmio prodotto da unimpianto solare può arrivare anche a 90 oa persona all’anno.I dati riportati in tabella 8.1 consentono,noto il numero di persone che compon-gono la famiglia, di valutare la spesanecessaria per la realizzazione dell’impian-to: sarà sufficiente moltiplicare il costo alm2 per il numero di persone e per lasuperficie captante/persona.Dalla successiva tabella 8.2 possono esse-re dedotti il risparmio economico conse-guibile e le emissioni evitate utilizzandoun impianto solare termico in sostituzio-ne di uno scaldacqua elettrico o di uno a

che il restante 25% sia coperto da unoscaldacqua convenzionale (elettrico o agas). Se fosse dimensionato per soddisfa-re i consumi in condizioni invernali l’im-pianto risulterebbe largamente sovradi-mensionato per l’estate, e non convenien-te dal punto di vista economico; vicever-sa se fosse dimensionato per il periodoestivo. Con il citato criterio di dimensio-namento, a fronte di un costo annuo peril combustibile di quasi 50 o a persona,un impianto solare termico consente dirisparmiare fino a circa 40 o a persona.Per produrre la stessa quantità di caloreper acqua calda sanitaria utilizzando unboiler elettrico si spenderebbe ancora di


L’nstallazione di un impianto solare per la produzionedi 50 l/giorno di acqua calda, da 15 °C a 45 °C, con apporto solare del 75% richiede (valori indicativi):

SuperficieZone Inclinazione captante

geografiche collettori m2/persona

NORD 50° 1,2

CENTRO 45° 0,9

SUD 35° 0,70

Costo medio unitario indicativo di un impianto

installato (U/m2)

Piccoli impianti(IVA compresa)

680

Tabella 8.1Spesa per la realizzazione

di un impianto solare termico

Colletorivetratipiani

Scaldabagno Scaldabagnoelettrico a metano

Consumi energetici (*) 2.833 kWh/anno 312 m3/anno

Costo indicativo dell'impianto solare termiconell’italia centrale - al netto della deduzione Irpef 1.567 j

Risparmio economico ipotizzando la copertura parziale dei consumi (**) 430 j/anno 172 j/anno

Tempo di ritorno (oneri finanziari esclusi) 3,6 anni 9,1 anni

Emissioni evitate (t di CO2/anno) 1,3 t di CO2/anno 0,70 t di CO2/anno

Tabella 8.2Benefici economici e

ambientali di un impiantosolare termico rispetto altradizionale scaldabagno

elettrico o a gas

(*) per 200 l/giorno da 15 a 45 °C (4 persone)(**) 75% di copertura dei consumi

Solare termico per la famiglia media (4 persone)

perando per colmare la distanza che sepa-ra l’Italia dagli altri paesi europei in mate-ria di sviluppo delle fonti rinnovabili. Perquesto motivo sono attivati investimentiper il solare termico tendenti ad aumen-tare l’installazione di collettori solari.Ai fini del miglioramento dell’efficienzaenergetica nell’edilizia e nell’impiantistica,l’Italia ha introdotto nuove norme in rece-pimento di precise direttive europee(Direttiva 2003/87/CE del ParlamentoEuropeo e del Consiglio del 13 ottobre2003: “Emission Trading”) che oltre a sti-molare azioni finalizzate al raggiungimen-to degli obiettivi di cui sopra, favorirannol’utilizzo delle fonti rinnovabili in edilizia.In particolare dal 1° luglio 2007 è iniziatoil processo che porterà alla classificazionedelle abitazioni in base alla capacità dirisparmio energetico. Il documento atte-stante l’efficienza energetica, chiamato“certificato energetico”, rappresenteràuna condizione necessaria per usufruiredi agevolazioni fiscali durante le ristruttu-razioni. In particolare, sarà poi obbligato-rio prevedere sistemi solari termici negliedifici di nuova costruzione, per la produ-zione di acqua calda sanitaria.Infine, come detto nel paragrafo 8.3 rela-tivo alle aree di applicazione, le tecnolo-gie dei pannelli radianti a pavimento edel solar cooling cominciano ad affermar-si costituendo un potenziale mercato pergli anni futuri.

[8.6]Le attese della tecnologia

La novità, per ciò che concerne la tecno-logia del solare termico, riguarda unatipologia diversa di sistema. Si tratta di

metano. Nel calcolo si è ipotizzato chel’impianto copra solo il 75% del consumoannuo complessivo.

[8.5]Il mercato

In generale il mercato del solare termicosta trovando in ambito europeo unabuona accoglienza. Le stime dell’ESTIF(European Solar Thermal Industry Fede-ration) ne mostrano infatti un notevoleincremento con un tasso di crescita incostante aumento. I dati pubblicati fanno riferimento ai paesidell’Unione Europea e evidenziano il ruolocentrale della Germania e della Grecia nel-l’ambito dell’applicazione e utilizzo dellatecnologia solare termica (fig. 8.10).Le ragioni principali di questa crescita risie-dono nell’impegno assunto dall’UnioneEuropea a ridurre le emissioni inquinanticome previsto dal Protocollo di Kyoto. Inparticolare il Governo italiano si sta ado-


Quote di mercato del solare termico in Europa Fig. 8.10

dispositivi ad alta temperatura in cui il flui-do termovettore può raggiungere unatemperatura superiore ai 100 °C. Talidispositivi sono chiamati sistemi solari ter-modinamici.I collettori adoperati sono dotati di siste-mi ottici a concentrazione (ad esempioparaboloidi di rotazione) per aumentarel’intensità della radiazione solare sullasuperficie che assorbe l’energia, realizzan-do temperature più elevate del fluido cap-tante rispetto a quelle raggiungibili conl’impiego di un collettore piano. In questiimpianti un sistema ottico, detto concen-tratore, raccoglie la radiazione solarediretta e la invia su un componente rice-vitore dove viene trasformata in calore adalta temperatura.Questo sistema può essere utilizzato perla produzione di vapore da impiegare inlavoro meccanico o in vari processi indu-striali. L’energia meccanica può essereimpiegata direttamente o convertita inenergia elettrica.La caratteristica principale riguarda per-tanto la possibilità di produrre energiadinamica e elettricità attraverso cicli ter-modinamici convenzionali, come quellicon turbine a vapore, con turbine a gas ocon motori Stirling, alimentati dal caloreproveniente dalla radiazione solare con-centrata.Il sistema solare termodinamico non uti-lizza la radiazione diffusa ma solo quelladiretta e comporta quindi il ricorso adispositivi di inseguimento solare e a tec-nologie sofisticate per il sistema ottico diconcentrazione, che ne aumentano ilcosto complessivo.In relazione alla geometria e alla disposi-zione del concentratore rispetto al ricevi-tore, si possono distinguere tre principali


Figura 8.11Tecnologie attualmente disponibili per il solare

termico a concentrazione

Parabolic trough

Power tower

Parabolic dish

totipo industriale dimostrativo “ProgettoArchimede”. Nato dalla collaborazioneENEA – ENEL, si tratta della prima appli-cazione a livello mondiale di questo tipodi impianti. Per ulteriori approfondimenti si rimanda alcapitolo successivo sulla Energia solaretermodinamica.

��

tipologie di impianto: il collettore parabo-lico lineare (Parabolic Trough), il sistemaa torre centrale (Power Tower), e il collet-tore a disco parabolico (Parabolic Dish).Infine, una importante innovazione pro-gettuale riguarda il sistema che integra unciclo combinato a gas e un impianto sola-re termodinamico, ne è un esempio il pro-


Capitolo Nove

Energia solare termodinamica

Questo tipo di radiazione giunge al suolosenza subire diffusione da parte dell’atmo-sfera ed è costituita da raggi quasi paral-leli che possono essere concentrati graziea specchi o lenti ad un livello tale chesarebbe possibile, almeno teoricamente,raggiungere, nel punto focale, tempera-ture vicine a quelle della superficie emit-tente del Sole (5.000 °C). Già Archimede avrebbe impiegato unsistema di specchi per dare fuoco alle veledelle navi romane. Attualmente è possibi-le produrre temperature tra 400 °C e oltre1200 °C. Tale calore può essere utilizzatoper diverse applicazioni pratiche, oltre cheper produrre energia elettrica. Questi dispositivi catturano la radiazionesolare diretta e sono convenienti in regio-ni con una grande insolazione diretta(mentre ad esempio il sistema fotovoltai-co funziona anche con luce diffusa). Almassimo dell’intensità e in condizioni otti-mali, l’energia direttamente depositatadal Sole sulla superficie della Terra è paria circa 1 kW/m2. In località favorevoli èpossibile raccogliere annualmente circa2000 kWh su ogni metro quadrato disuperficie, l’equivalente energetico di 1,5barili di petrolio per m2, cioè uno strato dipetrolio spesso circa 20 cm su ogni metroquadrato della superficie (orizzontale) diraccolta. La tecnologia che andremo ad analizzareconsente di produrre elettricità utilizzan-

[9.1]Il sistema solaretermodinamico

L’energia solare è una importante e fon-damentale sorgente di energia sul nostropianeta. Questa energia viene utilizzatasia per produrre cibo, sia per generarecalore. Nei secoli si sono sviluppate tecnologie ingrado di contribuire al miglioramentodella qualità della vita umana. Attual-mente ne sono state sviluppate alcuneche concentrano la luce solare e fannouso di tale energia per determinati tipi diapplicazioni, come ad esempio per la pro-duzione di elettricità e di calore per i pro-cessi industriali. Ancorché l’energia non concentrata deiraggi solari sia di utilità per produrreacqua calda o per riscaldare le case, essanon è abbastanza intensa per una trasfor-mazione efficiente in energia elettrica.Applicazioni avanzate, basate sul solaretermico, hanno quindi necessità di con-centrare grandi quantità di luce solare suun’area di piccole dimensioni, al fine dipermettere produzione di calore ad altatemperatura che, a sua volta, ad esempio,può essere convertito in elettricità da unsistema di generazione termoelettricaconvenzionale. Protagonista di questi processi è la radia-zione solare diretta.

tubo, posto lungo la linea focale, dove siriscalda a temperature intorno ai 500 °C.Segue un ciclo termico acqua-vapore ana-logo a quello degli impianti termoelettri-ci convenzionali, comprendente una tur-bina a vapore accoppiata ad un genera-tore elettrico, un condensatore e i sistemidi preriscaldamento dell’acqua di alimen-to. L’efficienza totale netta ottenuta neigrossi impianti industriali si aggira su valo-ri compresi tra il 10% e il 12%. Questa tec-nologia viene detta DCS (DistributedCollector System).L’impianto solare a concentrazione concollettori parabolici lineari per la produzio-ne di energia elettrica, è costituito essen-zialmente da tre sistemi (fig. 9.2): � un sistema primario,� un sistema secondario,� un sistema di conversione termoelet-

trica.Il sistema primario è costituito dal camposolare, dove avviene la concentrazionedella radiazione solare, dal circuito di rac-colta e trasporto del calore e dai serbatoidi accumulo del fluido vettore.Il campo solare, che rappresenta il cuoredell’impianto e in pratica sostituisce lacaldaia di un impianto termico, è compo-sto da collettori parabolici lineari dispo-sti in file parallele ciascuna formata da seicollettori collegati in serie.Esso presenta quindi una struttura di tipomodulare; aggiungendo moduli (insiemedi file di collettori) si aumenta l’energiatermica raccolta e quindi la potenza del-l’impianto.I collettori sono costituiti da un riflettoredi forma parabolica che concentra inmaniera continua, tramite un opportunosistema di controllo, la radiazione direttadel sole su un tubo assorbitore (ricevito-re) disposto sul fuoco della parabola.All’interno del tubo ricevitore viene fatto

do un ciclo termodinamico convenziona-le alimentato dal calore proveniente dallaconcentrazione della radiazione solare. Si tratta del “solare termico a concentra-zione”.

[9.2]Le tecnologie attualmente disponibili

Ci sono fondamentalmente tre tipi didispositivi che producono energia elettri-ca attraverso cicli termodinamici lavoran-do a medie o alte temperature:� i collettori parabolici lineari (Parabolic

Trough),� il sistema a torre centrale (Solar Tower),� i dischi parabolici (Parabolic Dish).

I collettori parabolici lineari(Parabolic Trough)I Parabolic Trough sono costituiti da spec-chi semicilindrici a sezione parabolica cheinseguono la radiazione ruotando soloattorno al loro asse e la concentrano sullalinea focale del paraboloide lineare. Il fluido primario scorre all’interno di un


Figura 9.1Collettore parabolico lineare. Specchi a sezione parabolicaconcentrano la radiazione solare su un tubo posto lungo la linea focale

secondario per generare energia elettricafacendo uso di un ciclo termico acqua-vapore analogo a quello degli impiantitermoelettrici convenzionali e compren-de una turbina a vapore accoppiata ad ungeneratore elettrico, un condensatore e isistemi di preriscaldamento dell’acqua dialimento. L’energia solare viene così trasferita al flui-do vettore termico prelevato dal serbato-io freddo ad una temperatura di 290 °C,fatto circolare attraverso la rete di collet-tori dove si scalda fino ad una tempera-tura di 550 °C e inviato al serbatoio caldoa costituire l’accumulo dell’energia termi-ca. Quando è richiesta la produzione dienergia elettrica, i sali del serbatoio caldovengono inviati ad uno scambiatore dicalore dove si produce vapore ad altapressione e temperatura, per poi far ritor-no al serbatoio freddo. Il vapore vienefatto espandere in turbina, per generarel’energia elettrica, quindi condensato, pre-riscaldato e successivamente inviato algeneratore di vapore.La portata dei sali nel circuito primarioviene regolata in funzione dell’intensitàdella radiazione solare in modo da man-tenere costante la temperatura dei sali iningresso al serbatoio caldo. Poiché i saliutilizzati presentano una elevata tempe-ratura di solidificazione (238 °C), in assen-za di radiazione solare (nuvolosità enotte) è necessario mantenere una por-tata minima attraverso il circuito del flui-do primario per impedire che la tempe-ratura dei sali scenda al di sotto di que-sto valore.Il gruppo di potenza dell’impianto solaredeve essere posizionato in una zona otti-male rispetto al campo specchi in mododa minimizzare lo sviluppo della rete diraccolta del calore, per ridurre sia il costodella rete, sia le dispersioni termiche e la

circolare il fluido per l’asportazione del-l’energia termica solare (ad esempio unamiscela costituita per il 60% di nitrato disodio e per il 40% di nitrato di potassio).La disposizione dei collettori sul camposolare dipende essenzialmente dalla con-formazione del sito. Le disposizioni clas-siche sono quelle con collettori orientatilungo la direzione Nord-Sud oppure Est-Ovest; la scelta può essere fatta in basealla latitudine del sito e al tipo di funzio-namento che è previsto per l’impianto. Ladirezione N-S consente di ottenere unamigliore raccolta dell’energia solare neimesi estivi rispetto a quelli invernali; glo-balmente l’energia risulta comunqueessere superiore rispetto alla disposizioneE-O. Il sistema secondario utilizza il caloreaccumulato dal sistema primario per pro-durre il vapore necessario al sistema diconversione termoelettrica. Il sistema ècostituito quindi da un generatore divapore e dai rami del circuito di alimen-tazione dal serbatoio caldo e di ritorno alserbatoio freddo.Il sistema di conversione termoelettricoutilizza il vapore prodotto nel sistema

109 Energia solare termodinamica

Schema funzionale dell'impianto solare a concentrazione con collettori parabolici lineariFig. 9.2

� la limitata efficienza di conversionedegli impianti, dovuta, da un lato, allalimitata efficienza di raccolta dell’ener-gia solare termica e, dall’altro, allabassa temperatura di lavoro (inferiore ai400 °C) del fluido utilizzato per la rac-colta dell’energia termica solare, chelimita l’efficienza del ciclo vapore diconversione termoelettrica;

� il costo elevato dell’energia elettricaprodotta, conseguenza della bassa effi-cienza e dell’elevato costo unitariodegli impianti (il sistema di specchi ècostoso, in quanto basato su di unfoglio di vetro fragile e difficilmente alli-neabile con la precisione richiesta);

� l’infiammabilità del liquido portatore dicalore alla temperatura di operazione alcontatto dell’aria e la sua tossicità(quando si utilizzi olio).

Al fine di eliminare tali inconvenienti, sisono andati sviluppando gli impianti atorre.

Il sistema a torre centrale: Solar TowerIl Solar Tower, chiamato anche CRS(Central Receiver System), è un impiantocostituito da numerosi specchi, detti elio-stati, che concentrano la radiazione in unostesso punto dove è collocato il ricevito-re termico, sostenuto da un’alta torre cen-trale. Il fluido primario che circola nel rice-vitore viene scaldato a temperature chepossono superare anche i 1000 °C, indipendenza dal grado di concentrazionedell’impianto. Il fluido primario trasferisce il calore trami-te uno scambiatore ad un fluido seconda-rio che alimenta il ciclo termoelettrico fina-le, costituito dall’usuale gruppo a vaporecon turbina-alternatore. Questa tecnologia ha dimostrato di pos-sedere, in impianti di taglia dell’ordine di

potenza di pompaggio del fluido termo-vettore.Il gruppo di potenza dell’impianto com-prende:� i serbatoi di accumulo termico caldo e

freddo a sali fusi, con relativi sistemi dipompaggio;

� il generatore di vapore a sali fusi;� i serbatoi interrati per il drenaggio dei

sali fusi presenti nel generatore di vapo-re e nella rete di raccolta;

� i componenti del ciclo termico (preri-scaldatori, degasatore, pompa di ali-mento, gruppo turbina-alternatore econdensatore);

� il sistema per il trattamento delle acque(demineralizzatore e addolcitori);

� la sala di controllo.La tecnologia dei collettori parabolici linea-ri, attualmente la più matura per la produ-zione elettrica su grande scala, presenta,tuttavia, alcune serie limitazioni che nehanno impedito una diffusione più ampia. I problemi ancora da risolvere riguardano:� l’intermittenza e variabilità (casuale,

giornaliera e stagionale) della produ-zione di energia elettrica, conseguenzadell’intermittenza e variabilità dellafonte solare; infatti, in questi sisteminon è ragionevolmente possibile stoc-care grandi quantità di olio o sali caldiper mediare le variazioni a breve termi-ne dell’intensità solare e il ciclo giorno-notte. Quindi la turbina e l’alternatoredevono essere progettati per la poten-za solare di picco e essere capaci disopportare appieno le variazioni aleato-rie di flusso solare. Queste variazioni eil ciclo giorno/notte sono spesso inte-grati da un riscaldatore a combustibiledi supporto, che produce una frazioneapprezzabile dell’energia a partire dafossili convenzionali. Essi sono dunquesistemi “ibridi” solare-fossile;


10 MWe, un’efficienza totale, dalla cattu-ra della radiazione solare all’elettricitàimmessa in rete, tra l’8% e il 12%. A mediotermine promettono efficienze di conver-sione superiori e investimenti inferiori. I principali miglioramenti introdotti in que-sto tipo di impianti rispetto alla preceden-te tecnologia sono:� la sicurezza del liquido trasportatore di

calore, che è un nitrato di sodio epotassio, noto concime di origine natu-rale, non infiammabile e non tossico;

� il miglioramento del rendimento delciclo termodinamico, legato all’innalza-mento della temperatura di operazioneda 390 a 565 °C;

� la possibilità di introdurre un accumulotermico per ovviare alle variazioni gior-naliere dell’intensità solare. Ciò com-porta importanti vantaggi di continuitàper il gruppo turbina-alternatore (chepuò essere dimensionato secondo lapotenza media e non più di picco, paria circa 3 volte la potenza installata), conconseguenti riduzioni del costo dell’in-stallazione;

� la riduzione del costo per unità di areadegli specchi ottenuta con l’adozionedi una nuova tecnologia basata sumateriali compositi (honeycomb), piùleggeri, robusti e economici della sem-plice lastra di vetro usata nei SEGS(Solar Electricity Generating Systems).

I dischi parabolici: Parabolic DishNei Parabolic Dish la superficie rifletten-te è costituita da un disco a sezione para-bolica mobile che insegue su due assi laradiazione solare concentrandola nelpunto focale, in cui è posto un collettoretermico. Il calore immagazzinato dal col-lettore alimenta direttamente un motore(motore Stirling), grazie al quale si ottie-ne la trasformazione dell’energia termica


Figura 9.3Collettore a torre centrale. Numerosi specchi concentrano la radiazione solare in unostesso punto dove, sostenuto da una torre centrale, è collocato il ricevitore

Figura 9.4Collettori a dischi parabolici. La superficie riflettente insegue su due assi la radiazionesolare e la concentra nel punto focale dove è posto il ricevitore

presentano più del 50% del costo di unimpianto solare termoelettrico. Ciò èdovuto soprattutto al piccolo volume diproduzione attuale e rappresenta la prin-cipale barriera all’introduzione nel merca-to di tale tecnologia. A tale riguardo:� una domanda forte e sostenuta di que-

sto tipo di sistemi solari permetteràsostanziali economie di scala che do-vrebbe ridurne i costi di un fattore alme-no quattro rispetto a quelli attuali.

� nuove tecniche di fabbricazione do-vrebbero ridurre i costi attuali almenodel 40% senza richiedere grossi capita-li di investimento.

I sistemi di produzione termoelettricasolare sono oggi una tecnologia larga-mente provata, con applicazioni commer-ciali dall’inizio degli anni ottanta. Specchiparabolici lineari sono oggi operativi negliUSA con una potenza elettrica comples-siva installata di 354 MW. Essi hannogenerato ben 6 miliardi di kWh e hannodimostrato anche la longevità di impian-ti, specchi ecc.I costi effettivi e proiettati dalla fase inizia-le fino alla realizzazione finale di sistemimaturi, basati su un insieme di semplicistime di costi e volumi di produzione futu-ri, sono stati prodotti da diverse Agenzie,come ad esempio dal U.S. DOE (1997) edalla World Bank (1999). Le stime del DOE sono illustrate nellafigura 9.5. Questi sono i costi reali con-frontati con i bassi costi del kWh da com-bustibili fossili. Si noti che, grazie a diver-si programmi promozionali, si prevedeche intorno al 2015 il costo del solaretermo-elettrico avrà raggiunto il costo dacombustibili fossili. Una recente proposta di direttiva Europeaper l’uso di fonti rinnovabili nella produ-zione di energia elettrica – all’esame del

in energia elettrica. Il rendimento di que-sto motore può raggiungere anche il 40%e permette di usare direttamente la radia-zione senza ulteriori perdite di calore,però questi impianti sono molto costosi edifficili da gestire.


La produzione di elettricità da impiantisolari termodinamici è la più economicatecnologia di utilizzo dell’energia solareoggi disponibile per applicazioni connes-se alla rete. Ampie opportunità sussistono per ulterio-ri riduzioni sostanziali dei costi:� il costo unitario dell’elettricità prodotta

dalle più recenti installazioni da 80 MWelettrici di specchi parabolici lineari(SEGS) è dell’ordine di 12 co/kWh, circa1/2 - 1/3 del prezzo dell’elettricità pro-dotta oggi da impianti fotovoltaici;

� le torri solari con accumulo di energiapromettono efficienze di conversionesuperiori e investimenti iniziali inferiori;

� i concentratori parabolici indipendentisono oggi competitivi per la produzio-ne di energia in una nicchia ad altocosto per installazioni non connesse allarete. Si prevede che essi potranno rag-giungere gradualmente costi confronta-bili con quelli delle torri solari su largascala;

� miglioramenti nel progetto, basati sul-l’esperienza acquisita, potranno ridurrei costi di operazione e di manutenzio-ne (O&M) dal 30 al 50% per tutte le tec-nologie.

Il maggiore contributo al costo nei siste-mi solari termodinamici si identifica nellafabbricazione dei componenti solari,come ad esempio i concentratori, che rap-


re il programma nazionale sono quelle dicui si è parlato in precedenza. Come abbiamo visto, esistono tre fonda-mentali tipologie di impianti:� Specchi parabolici lineari - Denominati

con il termine SEGS, sono usati perfocalizzare i raggi solari su un tuboricevente, posizionato lungo la lineafocale dei concentratori. Un mezzoportatore di calore, ad esempio olio,pompato attraverso il tubo ricevente,alimenta una stazione di potenza loca-lizzata centralmente. Il calore solareè trasformato in vapore allo scopo difar funzionare un turbogeneratore elet-trico.

� Torri solari - Un sistema di specchi cheinseguono il moto del sole su doppioasse, chiamati eliostati, riflettonol’energia solare su di un ricevitoremontato in cima ad una torre centra-le. Il calore solare è raccolto da un flui-do, ad esempio un nitrato fuso, che haanche la funzione di accumulo di ener-gia. Con il calore accumulato nei salifusi si produce del vapore (565 °C), alloscopo di fare girare un turbogenerato-re elettrico.

� Concentratori parabolici indipenden-ti - Consistono in uno specchio para-bolico mobile che segue il moto delsole e riflette i raggi solari nel puntofocale, dove sono assorbiti dal ricevi-tore. Il calore assorbito è trasferito (a750 °C) da un sistema fluido-vapore almotore-generatore, ad esempio unmotore lineare tipo Stirling, quantun-que altri metodi (Brayton) siano ancheutilizzati. Le dimensioni dei singolimoduli possono variare nell’intervalloda 5 a 50 kW elettrici; con una seriedi tali concentratori si possono realiz-zare impianti di qualsiasi taglia epotenza.

Parlamento europeo nei prossimi mesi –fissa un traguardo specifico per ognipaese al 2010: per l’Italia, tale obiettivo èproposto nella misura del 15% escluden-do l’idroelettrico di grossa taglia, il cheequivale a un aumento di circa il 250%rispetto all’attuale contributo delle rinno-vabili “non tradizionali”, ovvero, in termi-ni assoluti, ad un incremento di circa25.000 GWh di produzione annua in diecianni, quindi una media annua di 2.500GWh incrementali. Un impianto termoe-lettrico pilota di 200 MW produce annual-mente l’equivalente di circa 500 GWh.Il solare termoelettrico può rientrareanche nel meccanismo di incentivazioneprevisto dai fondi strutturali comunitari, inquanto specifico alle Regioni del Mez-zogiorno (Obiettivo 1), che godono dellecondizioni ambientali di insolazione piùfavorevoli.

[9.4]Lo stato attuale delle tecnologie

Attualmente le tecnologie ben sviluppa-te a livello internazionale su cui imposta-


Proiezioni del costo dell'energia elettrica prodotta con il solare termoelettricoFig. 9.5

termico a compensare la discontinuitàdella sorgente solare.

L’impianto dimostrativo dell’ENEAConsiderato il grado d’innovazione intro-dotto nel progetto dell’impianto, risultanecessario realizzare un impianto dimo-strativo, su scala industriale, dove effettua-re le sperimentazioni e verificare sulcampo la validità delle soluzioni proget-tuali innovative adottate, per passare poialla realizzazione dei prototipi dei futuriimpianti industriali, col definitivo trasferi-mento della tecnologia agli operatoricommerciali. Il potenziale tecnico del solare termoelet-trico è stato ampiamente provato.L’obiettivo immediato dell’ENEA è quel-lo di aiutare l’industria nazionale ad utiliz-zare le possibili nicchie di mercato e nellostesso tempo, a più lungo termine, quel-lo di migliorare la posizione competitivadella nostra industria nella riduzione deicosti dell’energia prodotta con questatecnologia. Qualora la nostra industria non fossesostenuta nella penetrazione nel campointernazionale, estremamente competiti-vo, della produzione innovativa di energia,essa perderebbe il vantaggio della inevi-tabile crescita del mercato delle energierinnovabili. A lungo termine, saremmo for-zati, anche in queste tecnologie, ad unapesante dipendenza estera. Le linee strategiche dell’ENEA sono:� sostenere le opportunità commerciali a

breve termine realizzando, come pro-motore anche finanziario, impiantidimostrativi di produzione energeticain quantità sensibile al fabbisogno delPaese;

� dimostrare i miglioramenti di qualità edi funzionalità dei componenti e disistema.

Il ruolo dell’ENEAENEA ha avviato un programma di ricer-ca per la realizzazione, dimostrativa suscala industriale, di impianti per la gene-razione di energia elettrica a partire dal-l’energia solare attraverso la produzione el’accumulo del calore a media temperatu-ra (550 °C). Il programma di ricerca saràorientato agli aspetti più innovativi intro-dotti nella tecnologia (collettore, ricevito-re, accumulo) e prevede:� circuiti sperimentali (centri ENEA);� impianto dimostrativo da 0,5 km2 (sito

da definire).Completata la fase di sperimentazioneverranno realizzati uno o più impianticommerciali di grandi dimensioni nel-l’Italia Meridionale. La tecnologia indivi-duata è quella del “Solare termico a con-centrazione”.Importanti innovazioni progettuali sonostate apportate rispetto alle soluzioni oggipresenti sul mercato, con lo scopo diaumentare l’efficienza del sistema, ridur-re i costi, ampliare la possibilità di impie-go dell’energia prodotta garantendo lagenerazione anche nelle ore notturne o incondizioni di copertura nuvolosa. Il progetto ENEA si è largamente ispiratoalla tecnologia SEGS su cui sono basatiimpianti che hanno operato con succes-so come impianti ibridi solare-gas inAmerica a Kramer Juntion. I miglioramenti apportati riguardano:� nuovi specchi parabolici per aumentar-

ne la robustezza e diminuirne il costo,� una più elevata temperatura di funzio-

namento (550 °C) che richiede un nuovorivestimento selettivo del sistema cheassorbe la radiazione concentrata,

� l’uso di un fluido termovettore conminore impatto ambientale e noninfiammabile,

� l’introduzione di un grande accumulo


mento delle ricadute benefiche per l’am-biente giocheranno un ruolo essenzialeper assicurare che la tecnologia trovi ladovuta nicchia di mercato.

Il costo del kWhI costi stimati di produzione di energiatermica e energia elettrica con sistemibasati sulla tecnologia ENEA, nelle loca-lità italiane a più alta insolazione, permoduli da 400 MW, con un’efficienza dicaptazione e stoccaggio dell’energia sola-re incidente prevista pari al 65%, per unavita dell’impianto di 25 anni e tecnologiaindustrializzata e a scala sufficientementegrande, sono:� 2,85 $/GJ per l’energia termica (a

550°C) per l’alimentazione di processitermo-chimici industriali, da confronta-re con i costi estrapolati (IEA) al 2020 di3 $/GJ da gas naturale (compresespese di trasporto, mentre a bocca dipozzo sarebbe molto più basso: 0,5$/GJ), e di 0,88 $/GJ da carbone;

� 4 ¢/kWh per l’energia elettrica, da com-parare con quello di impianti a polveri-no di carbone PCSE (Pulverised CoalSteam Electric) da 500 MW, con desol-forazione, e impianti a gas naturale aciclo combinato NGCC (Natural GasCombined Cycle) da 400 MW, che pro-ducono energia elettrica al costo dicirca 3,3 ¢/kWh

Ovviamente l’impianto solare non emet-te la CO2 e gli altri inquinanti propri degliimpianti a combustibili fossiliIl tempo di ritorno energetico è stimato insei mesi circa, mentre la vita attesa è di 25-30 anni, dopo i quali la vita dell’impiantopotrà certamente essere prolungata ope-randone un refreshement tecnologico.

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Le attività ENEA si concentreranno su:� sviluppo di componenti e sistemi in par-

tenariato con l’industria;� sviluppo di sistemi ibridi per una pene-

trazione nei mercati emergenti;� sviluppo di joint ventures con l’industria

per la dimostrazione di nuovi sistemipiù promettenti;

� sviluppo di piattaforme di prova persostenere lo sviluppo, la valutazione ele prove a lungo termine;

� risposte alle richieste di consulenze tec-niche da parte dell’industria;

� Identificazione delle nuove necessitàtecnologiche e valutazione continua deiprogrammi industriali;

� ridurre i costi al fine di assicurare l’ac-cettabilità della tecnologia del termo-elettrico solare (è necessario ridurredrasticamente sia l’investimento inizia-le sia i costi di operazione. La costruzio-ne e l’operazione di impianti dimostra-tivi commerciali dovrebbe permetteredi raggiungere ambedue gli obiettivi);

� sviluppare sistemi e applicazioni inno-vativi con il solare termico con concen-tratori, per cogliere possibilità interes-santi nel campo delle applicazioni nonelettriche, come la produzione di idro-geno, reazioni chimiche e calore perprocessi industriali.

Combattere lo scetticismo contro la diffu-sione del solare termoelettrico e portaresul mercato italiano tecnologie nuove nonè cosa facile. Nel caso del solare termoe-lettrico, molte delle barriere non possonoessere superate solamente con argomen-ti di carattere tecnico. Tra essi, la riduzio-ne del rischio per ottenere finanziamenti,la politica di incentivazioni fiscali e sulcosto dell’energia prodotta, il riconosci-


Capitolo Dieci

soltanto le radiazioni del campo visibile;infatti le radiazioni ultraviolette sotto 0,3µm (che sono dannose per l’organismoumano) vengono arrestate, ad una altez-za di 25 km, dalla fascia di ozono atmosfe-rico mentre le radiazioni infrarosse sonobloccate dal vapore d’acqua e dall’anidri-de carbonica. Pertanto se consideriamoanche il fenomeno di riflessione nello spa-zio da parte dell’atmosfera e delle nubi, laradiazione solare che arriva sulla superfi-cie terrestre è pari a circa il 47% di quellapotenzialmente disponibile. La banda disensibilità dipende dal tipo di cella solareutilizzata; in particolare per le celle al sili-cio è compresa tra 0,4-1,1 µm.È opportuno osservare che l’intensità del-l’irraggiamento disponibile al suolo e lasua distribuzione spettrale dipendonooltre che dalle condizioni ambientalianche dalla massa d’aria attraversata dallaradiazione solare (AM, Air Mass).La densità di potenza In, raccolta fuori del-l’atmosfera terrestre su di una superficienormale alla radiazione solare, è definita“costante solare” e assume un valore paria circa 1366 W/m2.Per tener conto degli effetti dovuti allapresenza dell’atmosfera, viene definita lamassa d’aria unitaria AM1 (Air Mass One)come lo spessore di atmosfera standardattraversato dalla radiazione solare in dire-zione normale alla superficie terrestre emisurato al livello del mare con cielo lim-

[10.1]La conversione fotovoltaica

La radiazione solareLa sorgente energetica primaria di unsistema fotovoltaico è rappresentata dalSole, in particolare dalla radiazione sola-re che investe la Terra. Per radiazione sola-re si intende l’energia elettromagneticaemessa dal Sole come risultato dei pro-cessi di fusione dell’idrogeno in esso con-tenuto. Con buona approssimazione il Sole puòconsiderarsi come un perfetto emettitoredi radiazioni (black body) ad una tempe-ratura di circa 5.800 °K.La distanza media tra il Sole e la Terra èdi circa 1,5•108 km e il diametro del Soleè di circa 3•105 km pertanto, consideratol’elevato valore del rapporto distanza/dia-metro, alla suddetta distanza la radiazio-ne solare vista dalla Terra appare come unfascio ben collimato con una dispersioneangolare di circa mezzo grado.La radiazione solare copre un ampiocampo di lunghezze d’onda, e quindi dienergie, con una distribuzione spettraledall’infrarosso (IR) all’ultravioletto (UV) inun intervallo di lunghezze d’onda com-preso tra 0,2 e 2,5 µm, con un punto dimassimo nel campo del visibile (da 0,38 a0,78 µm) intorno a 0,5 µm. La sua pene-trazione attraverso l’atmosfera è moltoselettiva e in pratica giungono alla Terra

Energia fotovoltaica

Nell’attraversare l’atmosfera terrestre laradiazione solare incidente sulla Terraviene in parte assorbita dall’atmosfera, inparte riflessa nello spazio esterno e inparte diffusa dall’atmosfera stessa. Nella figura 10.1 sono indicate le diversecomponenti della radiazione solare raccol-ta al suolo su una superficie inclinatarispetto al piano orizzontale.

L’effetto fotovoltaicoL’effetto fotovoltaico consiste nella con-versione diretta della radiazione solare inenergia elettrica. Tale fenomeno avvienenella cella fotovoltaica, tipicamente costi-tuita da una sottile lamina di un materia-le semiconduttore, solitamente silicio.Quando un fotone, dotato di sufficienteenergia, viene assorbito nel materialesemiconduttore di cui la cella è costituita,si crea una coppia di cariche elettriche disegno opposto, un “elettrone”, aventecarica negativa, e una “lacuna”, di caricapositiva (fig. 10.2), “disponibili per la con-duzione di elettricità”.Per generare effettivamente una correnteelettrica, però, è necessaria una differen-za di potenziale, e questa viene creatagrazie all’introduzione di piccole quantitàdi impurità nel materiale che costituisce lecelle. Queste impurità, chiamate anche“droganti”, sono in grado di modificareprofondamente le proprietà elettriche delsemiconduttore. Se il materiale semicon-duttore, come comunemente accade, è ilsilicio, introducendo atomi di fosforo, siottiene la formazione di silicio di tipo “n”,caratterizzato da una densità di elettroniliberi (cariche negative) più alta di quellapresente nel silicio normale (intrinseco). Latecnica del drogaggio del silicio conatomi di boro porta, invece, al silicio ditipo “p” in cui le cariche libere in ecces-so sulla norma sono di segno positivo.

pido e pressione dell’aria pari ad 1,013 bar(1 atm).Il valore massimo della costante solare,misurato sulla superficie terrestre in pre-senza di una giornata limpida e soleggia-ta, è di circa 1.000 W/m2. La sua variazio-ne a causa dell’ellitticità dell’orbita terre-stre è percentualmente assai modestaessendo contenuta entro il ±3% del valo-re medio. In generale la potenza com-plessiva proveniente da una sorgenteradiante che investe una superficie di areaunitaria è detta irradianza.


Componenti della radiazione solare raccolta al suoloFig. 10.1

Struttura della cella fotovoltaicaFig. 10.2

La cella fotovoltaica: efficienza di conversioneLa cella fotovoltaica può utilizzare solo unaparte dell’energia della radiazione solareincidente. L’energia sfruttabile dipendedalle caratteristiche del materiale di cui ècostituita la cella: l’efficienza di conversio-ne, intesa come percentuale di energialuminosa trasformata in energia elettricadisponibile per celle commerciali al silicioè in genere compresa tra il 12% e il 17%,mentre realizzazioni speciali di laboratoriohanno raggiunto valori del 24%.L’efficienza di conversione di una cellasolare è limitata da numerosi fattori, alcu-ni dei quali di tipo fisico, cioè dovuti alfenomeno fotoelettrico e pertanto assolu-tamente inevitabili, mentre altri, di tipotecnologico, derivano dal particolare pro-cesso adottato per la fabbricazione deldispositivo fotovoltaico.Le cause di inefficienza sono essenzial-mente dovute al fatto che:� non tutti i fotoni posseggono un’ener-

gia sufficiente a generare una coppiaelettrone-lacuna;

� l’eccesso di energia dei fotoni nongenera corrente ma viene dissipata incalore all’interno della cella;

� non tutti i fotoni penetrano all’internodella cella, in parte vengono riflessi;

� una parte della corrente generata nonfluisce al carico ma viene shuntata all’in-terno della cella;

� solo una parte dell’energia acquisitadall’elettrone viene trasformata in ener-gia elettrica;

� non tutte le coppie elettrone-lacunagenerate vengono separate dal campoelettrico di giunzione, una parte siricombina all’interno della cella;

� la corrente generata è soggetta e per-dite conseguenti alla presenza di resi-stenze serie.

Una cella fotovoltaica richiede l’intimocontatto, su una grande superficie, di duestrati di silicio p e n (fig. 10.2). Nella zonadi contatto tra i due tipi di silicio, detta“giunzione p-n”, si ha la formazione di unforte campo elettrico.Le cariche elettriche positive e negative,generate per effetto fotovoltaico dal bom-bardamento dei fotoni costituenti la lucesolare, nelle vicinanze della giunzione ven-gono separate dal campo elettrico. Talicariche danno luogo a una circolazione dicorrente quando il dispositivo viene con-nesso ad un carico. La corrente è tantomaggiore quanto maggiore è la quantitàdi luce incidente.Ai fini del funzionamento delle celle, ifotoni di cui è composta la luce solarenon sono tutti equivalenti (fig. 10.3): perpoter essere assorbiti e partecipare al pro-cesso di conversione, un fotone deve pos-sedere un’energia (hν) superiore a uncerto valore minimo, che dipende dalmateriale di cui è costituita la cella (Eg).In caso contrario, il fotone non riesce adinnescare il processo di conversione.

119 Energia fotovoltaica

Spettro della radiazione solareFig. 10.3

La tecnologia del silicioAttualmente il materiale più usato è lostesso silicio adoperato dall’industria elet-tronica, il cui processo di fabbricazionepresenta costi molto alti, non giustificatidal grado di purezza richiesti dal fotovol-taico, che sono inferiori a quelli necessa-ri in elettronica.Il processo più comunemente impiegatoper ottenere silicio monocristallino peruso elettronico parte dalla preparazione disilicio metallurgico (puro al 98% circa),mediante riduzione della silice (SiO2) concarbone in forni ad arco.Dopo alcuni processi metallurgici inter-medi consistenti nella:� purificazione del silicio metallurgico a

silicio elettronico (processo Siemens);� conversione del silicio elettronico a sili-

cio monocristallino (metodo Czochralskj)vengono ottenuti lingotti cilindrici (da 13a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghez-za) di silicio mono cristallino, solitamentedrogato p mediante l’aggiunta di boro.Questi lingotti vengono quindi “affettati”in wafer di spessore che va da 0,25 a 0,35mm.Da alcuni anni l’industria fotovoltaica stasempre più utilizzando il silicio policristal-lino, che unisce ad un grado di purezzacomparabile a quello del monocristallinocosti inferiori. I lingotti di policristallino,anch’essi di solito drogati p, sono a formadi parallelepipedo e vengono sottopostial taglio, per ottenerne fette di 0,2÷0,35mm di spessore.

Le nuove tecnologie, i film sottili, la terza generazioneGli sforzi della ricerca e delle industriefotovoltaiche sono mirati alla riduzionedei costi di produzione e al miglioramen-to dell’efficienza di conversione attraver-so la realizzazione di celle innovative e lo


Questa tecnologia sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un sot-tilissimo strato di materiali semiconduttori, in pratica silicio amorfo e alcu-ni semiconduttori composti policristallini quali il diseleniuro di indio erame (CuInSe2) e il telluriuro di cadmio (CdTe).Tale tecnologia punta sulla riduzione del costo della cella e sulla versa-tilità d'impiego (ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare qualielementi strutturali delle facciate degli edifici), anche se resta da supera-re l'ostacolo rappresentato dalla bassa efficienza e dell'instabilità inizia-le. Questa tecnologia potrebbe rappresentare la carta vincente per tra-sformare il fotovoltaico in una fonte energetica in grado di produrre ener-gia su grande scala.La tecnologia a film sottile può risolvere il problema dell'approvvigio-namento del materiale, in quanto, comportando un consumo di mate-riale molto limitato, pari a circa 1/200 di quello richiesto per la tecno-logia del silicio cristallino (in questo caso la “fetta” ha uno spessoreridottissimo dell'ordine di pochi micron), potrebbe permettere lo svi-luppo di processi produttivi dedicati, che non dipendano dall'industriaelettronica.Inoltre, utilizzando questa tecnologia è possibile ottenere moduli legge-ri e flessibili, fabbricare il modulo con un unico processo e avere la pos-sibilità di realizzare celle tandem.Il processo di fabbricazione prevede infatti la deposizione su un substra-to (tipicamente vetro) di un sottilissimo strato di materiale trasparente econduttore (ad es. ossido di stagno).Tale strato viene parzialmente asportato ottenendo in tal modo una seriedi elettrodi che costituiscono i contati anteriori delle singole giunzionip-n. Successivamente viene depositato in sequenza il silicio amorfo ditipo p, intrinseco e di tipo n. Anche in seguito al deposito del silicio amor-fo si procede alla parziale asportazione del materiale (mediante laser sput-tering) in modo da realizzare una serie di giunzioni p-n. Infine, tramitedeposizione e parziale asportazione di alluminio o argento viene realiz-zata una nuova serie di elettrodi che costituiscono i contatti posterioridelle giunzioni. In questo modo, mediante un unico processo che preve-de varie sequenze di deposizione e di asportazione di materiale si realiz-za un insieme di giunzioni p-n collegate in serie fra loro che costitui-scono l'intero modulo.Potenzialmente i film sottili hanno un costo inferiore al silicio cristalli-no, sia per la maggiore semplicità del processo realizzativo, sia per il minorpay-back time, periodo di tempo che il dispositivo fotovoltaico impiegaa produrre (restituire) l'energia spesa per realizzarlo. Per le celle al sili-cio cristallino il pay-back time è di circa 3,2 anni mentre per quelle afilm sottile è pari a circa 1,5 anni.

I film sottili

studio e la sperimentazione di nuovimateriali.In ordine alla fabbricazione di celle inno-vative, sono stati messi a punto, ad esem-pio, procedimenti per il taglio delle fettedi materiale semiconduttore di grandearea (400 cm2) e di piccolo spessore (0,15mm) che rendano minimi sia i quantitativirichiesti, sia gli sprechi di materia prima.Riguardo ai nuovi materiali si è puntato asviluppare varie tecnologie, basate sudiversi materiali, semplici e composti. Lepiù rilevanti sono il silicio cristallino digrado solare, i “film sottili” e i dispositividi terza generazione.In particolare, nel silicio di grado solare èprevista la purificazione del silicio metal-lurgico, anziché attraverso i costosi pro-cessi Siemens e Czochralskj, medianteprocessi a basso contenuto energetico ea basso costo. La disponibilità di questomateriale, a differenza del silicio di gradoelettronico, è praticamente illimitata. Conil silicio di grado solare, essendo caratte-rizzato da un minor grado di purezzarispetto a quello elettronico, è possibileinoltre realizzare celle con efficienzadell’11-13%.

Moduli fotovoltaici e stringheIl modulo fotovoltaico, l’elemento basedegli impianti, è costituito da celle foto-voltaiche collegate elettricamente tra diloro e incapsulate al fine di garantire:� protezione agli agenti atmosferici� isolamento elettrico� supporto strutturale (protezione mec-

canica).Fra le caratteristiche dell’incapsulante sievidenzia l’importanza della stabilità airaggi ultravioletti, la tolleranza alle tempe-rature, la capacità di smaltire il calore el’autopulizia.Al fine di minimizzare i costi di impianto


Studi teorici su materiali non convenzionali (intermediate band PV, otte-nuti inserendo nella struttura del cristallo un metallo di transizione tipoTi) mostrano la possibilità di ottenere efficienze pari al 63% mentre altrisu molecole di materiali discotici, capaciti di aggregarsi in modo da favo-rire una elevata mobilità di cariche, ne evidenziano la potenziale appli-cazione nel fotovoltaico.A livello di celle tandem vengono investigati vari aspetti (high bandgaptop cell on TCO, tunnel junction, impatto delle proprietà del TCO) i cuimodelli forniscono valori di efficienza intorno al 25%. In pratica i risul-tati conseguiti si aggirano intorno a efficienze dell'8,8%Per quanto riguarda le celle dye-sensitized sono state investigate alcunestrutture, in cui e stato ottimizzato il foto-elettrodo, che hanno fornitovalori di efficienza pari a 7,9%. Sono stati inoltre evidenziati i vantaggi(rispetto alle celle di tipo tradizionale Gratzel) nel realizzare dispositivicon due anodi (TiO2) e un catodo metallico intermedio.

La terza generazione

Nel campo dei TCO vengono studiati nuovi ossidi semiconduttori traspa-renti basati su chemical bounding.I materiali emergenti per la realizzazione di nuove celle riguardano l'os-sido di indio depositato mediante radio frequenza, il solfuro di stagno(che ha caratteristiche di semiconduttore di tipo P) e il β-FeSi per il suocoefficiente di assorbimento.Vengono inoltre studiati alcuni approcci per l'innalzamento dell'efficien-za riguardanti il termofotonico e la conversione up and down. Il termo-fotonico riesce a superare lo svantaggio del termofotovoltaico ricorren-do ad un led estremamente selettivo con una elevata efficienza quanti-ca. La conversione up and down implica l'adattamento dello spettro allecaratteristiche della cella. Per celle a giunzione singola in combinazionecon la conversione up and down è stata calcolata un’efficienza pari al35%.

Fig. 10.4 Opzioni e principi della terza generazione

Il numero di moduli da collegare in serieper formare una stringa dipende dalla ten-sione del modulo (nota una volta indivi-duato il tipo di prodotto) e da quella del-l’intera stringa che viene scelta in basealle considerazioni di seguito riportate.Occorre innanzitutto precisare che la strin-ga è caratterizzata da:� tensione massima pari alla somma delle

Voc dei moduli collegati, che corrispon-de alla tensione a cui si porta la stringaquando è scollegata dall’inverter o daicarichi (tensione a vuoto);

� tensione di funzionamento pari alla ten-sione nel punto di massima potenza(Vm) della caratteristica della stringa (odalla tensione nel punto di incontrodelle caratteristiche tensione-correntedella stringa e della batteria).

Ciò premesso, la scelta della tensione distringa va effettuata in funzione di:� parametri che influenzano la tensione:

Voc e Vm variano in modo inverso conla temperatura dei moduli FV (–2,2mV/°C/cella) e in modo diretto e loga-ritmico con l’irraggiamento incidentesui moduli fotovoltaici;

� limiti di sicurezza: al fine di classificarel’impianto come sistema di bassa ten-sione, le norme CEI fissano il limite a1.500 VDC (e il DPR 547 a 600 VDC);

� correnti di stringa per le quali dovràessere dimensionato il generatore: aparità di potenza le correnti aumenta-no con il diminuire della tensione;

� inverter: la tensione va scelta all’inter-no della finestra di tensione ammessa;

� dispositivi d’interruzione: alte tensioniimplicano il ricorso a dispositivi specia-li con aggravio dei costi;

� modulo fotovoltaico: è caratterizzato dauna tensione massima ammessa versomassa pari tipicamente a 1.000 V.

Sistemi a tensione più elevata richiedono

in relazione alle superfici disponibili, imoduli devono essere scelti in modo daavere, compatibilmente con i costi, valoridi efficienza pari a quelle dei migliori pro-dotti attualmente in commercio. Oltre aivalori di efficienza dei moduli al silicio cri-stallino riportati in precedenza, si ricordache i moduli al silicio amorfo sono carat-terizzati da un’efficienza pari a circa l’8%mentre quella degli altri film sottili si aggi-ra attorno al 10%.Nell’optare fra cristallino e film sottili puòessere utile tener presente i pro e i con-tro delle due tecnologie.In particolare il cristallino è caratterizzatoda una tecnologia matura e affidabile, conuna vita utile testata in campo maggioredi 25 anni. I valori dei rendimenti sonodiscreti e viene registrato un continuo pro-gresso. Per contro il margine di riduzionedei costi si va sempre più assottigliandoe comincia a scarseggiare la disponibilitàdel materiale di base per la realizzazionedei dispositivi.Per quanto riguarda invece i film sottili,essi hanno il vantaggio di essere adattiper l’architettura nel senso che sono fles-sibili, consentono di realizzare tegole elamiere grecate o conseguire effetti di tra-sparenza per finestre o facciate di edifici.Inoltre, hanno ampi spazi di riduzione deicosti e maggiore producibilità a parità dipotenza. Per contro, la vita utile è nonancora stata testata, presentano fenome-ni di degrado nelle prime 100 ore di espo-sizione, il rendimento è basso con unlento progresso tecnologico.Più moduli, collegati elettricamente inserie in modo da fornire la tensione richie-sta, formano una stringa.Le stringhe sono costituite dalla serie disingoli moduli fotovoltaici, tutti della stes-sa classe di corrente al fine di minimizza-re le perdite per mismatch.


Per ciò che concerne i difetti riscontrati suimoduli fotovoltaici, va precisato che alcu-ni di questi presentano fessurazioni sultedlar posteriore, altri, appartenenti aduna serie diversa dello stesso modello dimodulo, hanno il foglio di tedlar, a coper-tura del back di alluminio, quasi comple-tamente distaccato. Va comunque dettoche i difetti sul tedlar non hanno prodot-to conseguenze negative sulla prestazio-ne dei moduli fotovoltaici, infatti non èstata notata alcuna significativa degrada-zione di efficienza, essendo questa in lineacon quella media misurata.Lo stesso discorso vale per quei moduli cheappaiono ingialliti o che mostrano le grigliedi raccolta delle cariche parzialmentearrugginite. Le scatole di giunzione sonoapparse in ottime condizioni, solo in unaera entrata acqua, probabilmente per uncattivo serraggio fatto in precedenza. Dalcampione di 59 moduli testati solo uno èrisultato interrotto (tale modulo nel 1991aveva comunque fornito un valore di effi-cienza inferiore alla media); risulta un tassodi mortalità dei moduli dell’1,7% circa.

[10.2]Il sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico, un sistema cioèin grado di raccogliere l’energia lumino-sa, convertirla in energia elettrica in formautile all’utenza e trasferirla alla rete uten-te o alla rete di distribuzione, il tutto incondizioni di assoluta sicurezza nei riguar-di dell’utente e della rete elettrica di distri-buzione, è costituito dai seguenti sottosi-stemi:� il campo o generatore fotovoltaico;� le strutture di sostegno moduli;� il sistema di conversione della potenza;� il sistema di interfaccia rete.

il punto centrale a terra, che garantisce alsingolo modulo di trovarsi con tensioneverso massa pari alla metà rispetto al siste-ma floating. Lo svantaggio principale delpunto centrale a terra consiste nel fattoche il primo guasto a terra dà luogo adun corto circuito, pertanto è necessariointerrompere il servizio.Più stringhe collegate, generalmente inparallelo, per fornire la potenza richiesta,costituiscono il campo o generatore foto-voltaico.Il generatore fotovoltaico, il sistema dicontrollo e condizionamento della poten-za (inverter) e altri dispositivi accessori diinterfacciamento alla rete o al sistema diaccumulo costituiscono l’impianto foto-voltaico.

Il degrado dei moduliSono state effettuate misure (ENEA) voltea verificare il decadimento delle prestazio-ni di lotti di moduli fotovoltaici al siliciomonocristallino, che si trovano da oltre 25anni in esposizione continua alla radiazio-ne solare. Il tempo trascorso consente difare considerazioni sul tempo di vita deimoduli fotovoltaici. Questa stima, solita-mente, viene effettuata in laboratoriomediante una serie di test che sottopon-gono i moduli a stress ambientali partico-larmente gravosi, tipicamente cicli termi-ci accelerati in ambienti ad elevato gradodi umidità, estrapolando poi i risultatiottenuti al fine di prevedere il comporta-mento dei moduli nelle reali condizionioperative.Il degrado in termini di efficienza, se rife-rita alla misura fatta all’accettazione deimoduli, è stata dell’8,4% negli ultimi 22anni. Il tasso di degradazione è quindirisultato praticamente costante durantetutti i 22 anni e risulta circa pari allo 0,4%annuo.


Tipicamente questa misura viene esegui-ta in laboratorio con un simulatore solarein quanto è molto difficile riprodurre que-ste condizioni in un ambiente esterno.Le caratteristiche del generatore fotovol-taico vengono in genere definite median-te due parametri elettrici: la potenzanominale Pn e cioè la potenza erogata dalgeneratore FV in condizioni standard(STC) e la tensione nominale Vn ossia latensione alla quale viene erogata lapotenza nominale.Nella fase di progettazione di un campofotovoltaico riveste una particolare impor-tanza la scelta della tensione nominale diesercizio. Infatti, le elevate correnti che simanifestano per piccole tensioni compor-tano la necessità di adottare cavi di mag-giore sezione e dispositivi di manovra piùcomplessi; di contro elevate tensioni dilavoro richiedono adeguate e costoseprotezioni. Pertanto, un’opportuna sceltadella configurazione serie/parallelo delcampo fotovoltaico consente di limitare leperdite e di incrementare l’affidabilità delsistema. In figura 10.6 viene mostrata la configu-razione tipica di un generatore fotovoltai-co, dove più moduli sono collegati in serieper formare una stringa e più stringhesono connesse in parallelo per costituireil campo. Nello schema è possibile osser-vare la presenza dei diodi di by-pass (Dbp)disposti in parallelo ai singoli moduli edel diodo di blocco (Db) posto in serie aciascuna stringa idoneo ad impedire chegli squilibri di tensione tra le singole strin-ghe, nel caso di sbilanciamento nell’ero-gazione di potenza da parte delle stesse,possano dar luogo alla circolazione di unacorrente inversa verso le stringhe a tensio-ne minore.I diodi di blocco, dimensionati sulla basedelle specifiche elettriche del campo foto-

Il campo o generatore fotovoltaico Un “campo fotovoltaico” è costituito (fig.10.5) da un insieme di stringhe di modu-li fotovoltaici installati meccanicamentenella sede di funzionamento e connesseelettricamente tra loro. Dal punto di vistaelettrico il campo FV costituisce il “gene-ratore fotovoltaico” dell’impianto. Il cam-po FV poi, nel caso di potenze significati-ve, è costituito da sub campi (collegamen-to elettrico in parallelo di un certo nume-ro di stringhe).La potenza nominale (o massima, o dipicco) del generatore fotovoltaico è lapotenza determinata dalla somma dellesingole potenze nominali (o massima, odi picco) di ciascun modulo costituente ilgeneratore fotovoltaico, misurate allecondizioni standard (STC, Standard TestConditions).Per Condizioni Standard (STC) si intendo-no le condizioni di riferimento per la misu-razione dei moduli:� irraggiamento a 1.000 W/m2;� spettro solare riferito ad un Air Mass di

1,5;� temperatura di cella di 25 °C.


Figura 10.5

Le strutture di sostegno moduli Si tratta di sistemi costituiti dall’assemblag-gio di profili, generalmente metallici, ingrado di sostenere i moduli fotovoltaici,ancorarli al suolo o ad una struttura edilepreesistente e ottimizzarne l’esposizione.Si distinguono in struttura a cavalletto, apalo e per l’integrazione o il retrofit. In particolare le strutture di sostegnodevono essere calcolate per resistere alleseguenti sollecitazioni di carico perma-nente costituite dal:� peso delle strutture, che dipende dalle

dimensioni e dai materiali costituenti iprofilati e la bulloneria,

� peso delle zavorre, che dipende dalledimensioni e dal materiale,

� peso dei moduli, generalmente fornitodal costruttore,

e alle sollecitazioni accidentali dovute aisovraccarichi quali il carico da neve, laspinta del vento, gli effetti sismici sullastruttura.

Il sistema di conversione e controllo della potenza: inverterLa caratteristica di variabilità di tensionee corrente in uscita dal generatore foto-voltaico al variare dell’irraggiamento sola-re mal si adatta alle specifiche dell’uten-za, che richiede corrente in alternata, peralimentare direttamente il carico o per ilcollegamento alla rete elettrica di distribu-zione, nonché un valore costante per latensione in uscita dal generatore.Nei sistemi fotovoltaici il generatore èquindi collegato, a seconda dei casi, allabatteria, agli apparecchi utilizzatori o allarete, tramite un sistema di controllo e con-dizionamento della potenza.L’inverter raggruppa in un unico apparec-chio i dispositivi elettronici deputati a:� conversione energia elettrica da DC a

AC;

voltaico (corrente di cortocircuito delmodulo Isc, tensione a vuoto della stringaVoc), sono generalmente contenuti all’in-terno del quadro di parallelo stringhe ilquale raccoglie il contributo elettrico for-nito dalle singole stringhe. Il diodo di by-pass consente di cortocircuitare e quindiisolare il singolo modulo, o parte di essoin presenza di due o più diodi per modu-lo, nel caso di un malfunzionamento, limi-tando in tal modo la brusca riduzione dellapotenza erogata dal modulo e/o dalla strin-ga che si manifesterebbe in sua assenza.Infine, è opportuno ricordare che l’ener-gia prodotta da un generatore fotovoltai-co è proporzionale alla quantità di radia-zione solare raccolta sul piano dei modu-li. Infatti, questi ultimi al fine di ottimizza-re la produzione di energia elettrica ven-gono orientati verso sud (angolo di azi-mut uguale a zero) con un’inclinazionerispetto al piano orizzontale (angolo ditilt) prossima alla latitudine del sito diinstallazione, in modo tale da renderemassima l’energia solare raccolta sullaloro superficie.


Configurazione elettrica tipica di un campo fotovoltaicoFig. 10.6

Field Effect Transistor), pilotati consequenze di impulsi di comando control-lati. Nella maggior parte degli invertercommerciali la commutazione del ponteavviene ad una frequenza superiore diquella di rete (qualche decina di migliaiadi Hz) mediante la tecnica PWM (PulseWidth Modulation) di modulazione delladurata degli impulsi, la quale consente digenerare una successione di treni diimpulsi di durata proporzionale al valore,assunto in quell’istante, dell’onda sinusoi-dale richiesta. Negli impianti fotovoltaici connessi ad unarete elettrica di distribuzione (grid-con-nected) la tensione continua da converti-re in alternata è quella generata dalcampo fotovoltaico, mentre nei sistemiisolati con accumulo (stand-alone) è quel-la presente nel nodo di generazionecampo fotovoltaico-sistema di accumulo.Gli inverter per sistemi connessi a retesono sempre provvisti del dispositivo diinseguimento del punto di massimapotenza MPPT il quale consente al con-vertitore di variare la propria impedenzadi ingresso per assumere quella necessa-ria a realizzare il massimo trasferimento dipotenza all’utilizzatore. Questa funzioneviene svolta generalmente da un primoponte di conversione DC/DC per mezzodi una unità di controllo a microprocesso-re. In particolare, viene regolata la tensio-ne o la corrente di uscita (a seconda delletecniche utilizzate) in modo tale che l’in-verter sia visto dalla rete, nel primo caso,come un generatore di tensione che rego-la il suo angolo di carico (sfasamento trale tensioni del generatore e di rete) pertrasferire la massima potenza, e nel secon-do caso, come un generatore di correnteche inietta in rete una corrente proporzio-nale alla massima potenza trasferibile. Unsecondo stadio di conversione DC/AC,

� inseguimento del punto di massimapotenza;

� interfaccia verso la rete di distribuzione.Il convertitore DC/AC è un dispositivo checonverte la corrente continua in correntealternata. Questo dispositivo assume ilruolo di sistema di condizionamento econtrollo della potenza erogata dal gene-ratore. Esso infatti, a fronte della variabi-lità dei parametri tensione e corrente ero-gati dal campo in dipendenza delle con-dizioni di irraggiamento solare e dellatemperatura delle celle FV, si adopera,funzionando come un trasformatore incorrente continua con rapporto di trasfor-mazione variabile, per fornire un valorecostante per la tensione in uscita dalgeneratore FV.L’inseguitore del punto di massima po-tenza MPPT (Maximum Power PointTracker) è un dispositivo convertitoreDC/DC ad alta efficienza, interno all’in-verter, che esercita la funzione d’interfac-cia tra l’utilizzatore e il generatore fotovol-taico; esso fa sì che il generatore fotovol-taico veda sempre ai suoi capi un caricoottimale per cedere il massimo dellapotenza. Esso varia il suo punto di lavoroin modo da estrarre dal generatore, istan-te per istante, la massima potenza dispo-nibile.I convertitori statici di potenza utilizzatinegli impianti fotovoltaici consentono diconvertire le grandezze elettriche in cor-rente continua di uscita del generatorefotovoltaico in grandezze alternate ido-nee per il trasferimento dell’energia aduna rete o utenza in corrente alternata. Laconversione da corrente continua in cor-rente alternata viene realizzata tramite un“ponte di conversione” il quale utilizzadispositivi semiconduttori, generalmenteIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oMOSFET (Metal-Oxide Semiconductor


da un regolatore interno in grado di assi-curare valori costanti di tensione e fre-quenza di uscita al variare della tensionecontinua di ingresso entro un campo divalori stabilito. Allo stadio di conversionefa seguito una sezione di filtraggio dellearmoniche e un’altra comprendente idispositivi di protezione lato carico. Per quanto riguarda il sistema di interfac-cia rete, la CEI 11-20 costituisce il princi-pale riferimento normativo. Con la prescri-zione DK 5940 - 02/2006, ENEL considerala possibilità di far allacciare alla propriarete di distribuzione in BT gli impianti diproduzione fino ad una potenza nomina-le complessiva non superiore a 75 kW:“La scelta del livello di tensione cui allac-ciare un produttore dipende dalla poten-za dell’impianto di produzione e da quel-la dei carichi passivi e di altri impianti diproduzione presenti sulla stessa rete.Generalmente gli impianti di produzionedi potenza nominale complessiva ≤ 50 kWvengono allacciati alla rete di BT ed allac-ciati alla rete di MT se di potenza nomi-nale complessiva superiore a 75 kW”. Perpotenze minori di 6 kW è ammesso l’allac-ciamento in monofase. Inoltre, se l’impian-to è collegato in MT con un trasformato-re e la potenza dell’impianto è minore del2% della potenza del trasformatore, pos-sono essere applicate le prescrizioni per ilcollegamento in BT.Gli impianti devono comprendere sempreil sistema di interfacciamento alla rete,costituito da una protezioni interposta tral’inverter e la rete al fine di salvaguardarela qualità del servizio elettrico e evitarepericoli per le persone e danni alle appa-recchiature. Gli impianti fotovoltaici nondevono concorrere al mantenimento dellatensione e frequenza di rete (effetto isola)e devono poter essere staccati in qualsia-si momento senza pregiudizio per la con-

sincronizzato con la frequenza di rete,provvede a fornire la potenza di uscitacon le caratteristiche desiderate di tensio-ne e frequenza. Nel caso in cui non sianecessario realizzare un particolare “adat-tamento di tensione” tra l’ingresso (latogeneratore FV) e l’uscita (lato carico orete), le azioni di controllo dell’MPPT e diregolazione delle grandezze di uscita (ten-sione e corrente) possono essere entram-be effettuate mediante un unico stadio diconversione DC/AC. A valle dello stadio di conversione finalesono sempre presenti una sezione di fil-traggio delle armoniche di corrente iniet-tate in rete e i dispositivi di protezione diinterfaccia lato carico (generalmentedispositivi di massima e minima tensione,massima e minima frequenza, massimacorrente) idonei a soddisfare le prescrizio-ni per il collegamento alla rete elettricastabilite dalle norme tecniche di riferimen-to. Lo schema a blocchi di principio di unconvertitore idoneo ad essere connessoalla rete elettrica è riconducibile in gene-rale a quello riportato in figura 10.7.Gli inverter per sistemi stand-alone sonocostituiti da un ponte di conversione,generalmente con trasformatore a valle, e


Schema a blocchi generico di un convertitore DC/ACFig. 10.7

canza rete o guasti sulla rete (valori fuorisoglia di tensione e frequenza);

� del generatore, che interviene per gua-sto o malfunzionamento dell’impiantofotovoltaico (può coincidere con ildispositivo di interfaccia nel caso diimpianto fotovoltaico unico).

[10.3]Tipologie impiantistiche e applicazioni

Come detto, un impianto fotovoltaico è co-stituito da un insieme di componenti mec-canici, elettrici e elettronici che captanol’energia solare, la trasformano in energiaelettrica, sino a renderla disponibile all’uti-lizzazione da parte dell’utenza. Esso saràquindi costituito dal generatore fotovoltai-co, da un sistema di controllo e condizio-namento della potenza e, per gli impiantiisolati, da un sistema di accumulo.Il rendimento di conversione complessivodi un impianto è il risultato di una serie direndimenti, che a partire da quello dellacella, passando per quello del modulo,del sistema di controllo della potenza e diquello di conversione, e eventualmente diquello di accumulo, permette di ricavarela percentuale di energia incidente che èpossibile trovare all’uscita dell’impianto,sotto forma di energia elettrica, resa alcarico utilizzatore.Collegando in serie-parallelo un insiemeopportuno di moduli si ottiene un gene-ratore o un campo fotovoltaico, con lecaratteristiche desiderate di corrente etensione di lavoro. I moduli o i pannellisono montati su una struttura meccanicacapace di sostenerli e ancorarli; general-mente tale struttura è orientata in mododa massimizzare l’irraggiamento solare.Negli impianti isolati (stand-alone) il siste-

tinuità del servizio elettrico. In particolare,per eliminare il sostentamento della reteda parte dell’inverter, in assenza di ali-mentazione della principale si utilizzanoprotezioni basate sul monitoraggio dellarete che intervengono per valori fuorisoglia di tensione e frequenza di rete.Nel caso però di valori di potenza atti-va/reattiva erogata dall’inverter prossimi aquelli assorbiti dal carico, si può verifica-re che la tensione e la frequenza restinoall’interno della soglia di intervento delleprotezioni, con conseguente mancatospegnimento dell’inverter. Per evitare talecondizione vengono adottate protezioniaggiuntive che intervengono in caso dibrusca variazione dell’impedenza di rete.In un sistema funzionante in parallelo allarete, si distinguono 3 dispositivi di prote-zione (fig. 10.8):� generale, che interviene per guasto del

sistema fotovoltaico o dell’impianto diutente;

� di interfaccia, che interviene per man-


Collegamento alla rete in media tensioneFig. 10.8

Gli impianti isolati (stand-alone)In ragione degli elevati costi legati allarealizzazione di linee di distribuzione inzone a bassa densità abitativa e bassi con-sumi, oltre che del negativo impatto sulpaesaggio, la disponibilità di energia elet-trica fornita da un generatore fotovoltaicorisulta spesso economicamente conve-niente rispetto alle altre fonti concorrenti.Anche nei casi in cui non esistono impe-dimenti di ordine economico all’approv-vigionamento di elettricità tramite gruppielettrogeni, bisogna considerare, a frontedei costi di investimento indubbiamentepiù bassi, gli inconvenienti legati all’ap-provvigionamento del combustibile, allarumorosità, all’inquinamento indotto e ainon trascurabili costi di manutenzione.Piccoli generatori fotovoltaici sono utili adalimentare utenze elettriche situate inlocalità non ancora raggiunte dalla rete

ma di condizionamento della potenzaadatta le caratteristiche del generatorefotovoltaico a quelle dell’utenza e gestisceil sistema di accumulo attraverso il regola-tore di carica. In particolare il regolatore dicarica serve sostanzialmente a preservaregli accumulatori da un eccesso di carica adopera del generatore fotovoltaico e da uneccesso di scarica dovuto all’utilizzazione,entrambe condizioni nocive alla salute ealla durata degli accumulatori.Negli impianti connessi ad una rete elet-trica di distribuzione (grid-connected) ilsistema di controllo della potenza conver-te la corrente prodotta dal generatorefotovoltaico da continua in alternata, adat-ta la tensione del generatore a quella direte effettuando l’inseguimento del puntodi massima potenza e, infine, controlla laqualità della potenza immessa in rete intermini di distorsione e rifasamento.


Impianti isolatiLe applicazioni

Esempi o campi di applicazioni per uten-ze isolate sono:� il pompaggio dell’acqua, soprattutto in

agricoltura;� l’alimentazione di ripetitori radio, di sta-

zioni di rilevamento e trasmissione dati(meteorologici, sismici, sui livelli dei corsid’acqua), di apparecchi telefonici nelsettore delle comunicazioni;

� la carica di batterie, nella marina dadiporto, nel tempo libero, per installa-zioni militari ecc.;

� la segnalazione o prevenzione incendi,nei servizi di protezione civile;

� l’alimentazione di refrigeratori nei servizisanitari di Paesi in via di sviluppo, ad es.per la conservazione di vaccini e sangue;

� l’illuminazione e, in generale, la fornitu-ra di potenza per case, scuole, ospeda-li, rifugi, fattorie, laboratori, ecc.;

� la potabilizzazione dell’acqua;� la segnaletica sulle strade, le segnalazio-

ne di pericolo nei porti e negli aeroporti;� la protezione catodica nell’industria e

nel settore petrolifero e delle strutturemetalliche in generale.

Tali impianti richiedono sistemi di accu-mulo che garantiscano la fornitura di ener-gia anche di notte o in condizioni meteo-rologiche sfavorevoli e, se gli utilizzatorisono in corrente alternata, viene ancheadottato un inverter, che trasforma la cor-rente continua in uscita dal generatorefotovoltaico in alternata, assicurando ilvalore desiderato di tensione. Nel caso digeneratori fotovoltaici al servizio diimpianti di pompaggio, il sistema di accu-mulo è generalmente costituito dal serba-toio idrico.

Gli impianti collegati alla rete (grid-connected)Gli impianti grid-connected sono utilizza-ti dove la produzione di energia elettrica

elettrica, o in luoghi in cui il collegamen-to alla rete comporta costi di investimen-to troppo elevati rispetto alle piccolequantità di energia richieste.Una simile applicazione può essere, inol-tre, molto utile per portare l’energia elet-trica a rifugi, case isolate e siti archeolo-gici, evitando onerose e problematicheoperazioni di scavo per i collegamentielettrici e costose gestioni di linee di tra-smissione e sottostazioni elettriche. Inoltre,le caratteristiche dei sistemi fotovoltaicipermettono risposte adeguate ai proble-mi di mancanza di energia elettrica neiPaesi in via di sviluppo: oltre due miliar-di di persone, abitanti nelle regioni piùpovere del pianeta, sono prive di collega-mento alla rete elettrica di distribuzione.Rispetto alle fonti tradizionali il fotovoltai-co è facilmente gestibile in modo autono-mo dalle popolazioni locali e può essereapplicato in modo capillare, senza dovercostruire grandi reti di distribuzione, risul-tando quindi economico e compatibilecon eco-ambienti ancora non contamina-ti da attività industriali.


Impianto isolato per utenza domesticaFig. 10.9

Tali impianti sono adatti per essere instal-lati su edifici e infrastrutture (modularità,assenza rumori, parti in movimento eemissioni). La potenzialità di questa appli-cazione è enorme nel senso che se si rico-prissero i tetti disponibili si produrrebbeenergia sufficiente a tutti i fabbisogni elet-trici del Paese. Per questo tipo tipologia di impianti ilcosto dell’energia prodotta risulta peròancora doppio rispetto a quello pagatodall’utente alla società elettrica.I principali vantaggi offerti da questa ap-plicazione riguardano:� l’impiego distribuito di una sorgente

diffusa per sua natura,� la generazione di energia elettrica nel

luogo del consumo, evitando perdite ditrasmissione,

� la semplicità di collegamento alla retee la facilità di quest’ultima ad assorbirela potenza immessa,

� la possibilità di impiego di superfici inu-tilizzate,

� la valenza architettonica positiva delfotovoltaico nel contesto urbano.

[10.4]Vantaggi del fotovoltaico

Malgrado i costi elevati, il fotovoltaico rap-presenta, fra le varie fonti rinnovabili, pro-prio per le sue caratteristiche intrinseche,l’opzione più attraente e promettente nelmedio e lungo termine.I sistemi fotovoltaici, infatti:� sono modulari e consentono quindi di

dimensionare facilmente il sistema, inbase alle particolari necessità, sfruttan-do il giusto numero di moduli;

� per il loro uso essi non richiedono com-bustibile, né riparazioni complicate;questa è la caratteristica che rende il

da fonte convenzionale è costosa e/o aelevato impatto ambientale: tipiche appli-cazioni riguardano la generazione diffusamediante piccoli impianti collegati allarete elettrica di distribuzione in bassa ten-sione, che, a differenza delle utenze iso-late, non vedono l’utilizzo di batterie.Una tipica applicazione in questo settoreè quella relativa ai sistemi fotovoltaici inte-grati negli edifici.Questo tipo di utilizzazione, in rapido svi-luppo, richiede l’impegno non solo del-l’industria fotovoltaica e delle capacitàprogettuali di architetti e ingegneri che nerendano possibile l’integrazione tecnica,estetica e economica nelle strutture edili-zie, ma soprattutto degli organi politicipreposti all’emanazione di leggi che neincentivino lo sviluppo e la diffusione.Altre applicazioni riguardano il supportoa rami deboli della rete di distribuzione oalle reti di piccole isole. In quest’ultimocaso il costo del kWh fotovoltaico è pros-simo a quello prodotto mediante un siste-ma diesel.Non meno importanti nel lungo periodosono, infine, le applicazioni costituite davere e proprie centrali di generazione dienergia elettrica, collegate alla rete, rea-lizzate sino ad oggi, principalmente, conpropositi di ricerca e dimostrazione, al finedi studiare in condizioni reali le prestazio-ni del sistema e dei vari componenti. Atitolo di esempio, la centrale fotovoltaicarealizzata dall’ENEL a Serre, in provincia diSalerno, occupa una superficie totale di 7ettari, ha una potenza nominale di 3,3 MWe una produzione annua di progetto di 4,5milioni di kWh.

La generazione diffusaLa generazione diffusa viene realizzatamediante tanti piccoli impianti (1-50 kW)collegati alla rete in BT senza batterie.


L’impatto ambientaleGli impianti fotovoltaici non causanoinquinamento ambientale:� dal punto di vista chimico, non produ-

cono emissioni, residui o scorie;� dal punto di vista termico, le tempera-

ture massime in gioco non superano i60 °C;

� dal punto di vista acustico, non produ-cono rumori.

La fonte fotovoltaica è l’unica che nonrichiede organi in movimento né circola-zione di fluidi a temperature elevate o inpressione, e questo è un vantaggio tecni-co determinante.

Il risparmio di combustibileSi può ragionevolmente valutare in 30anni la vita utile di un impianto (ma pro-babilmente “durerà” anche più); il chesignifica che esso, ipotizzando un pay-back time pari a 5 anni e una producibi-lità annua di 1.300 kWh/kW, nell’arco dellasua vita efficace produrrà mediamente1.300 • (30 – 5) = 32.500 kWh per ogni kWinstallato.Dato che per ogni kWh elettrico al conta-tore dell’utente occorre bruciare circa 0,25kg di combustibili fossili, ne risulta che ognikW di fotovoltaico installato produrràdurante la sua vita quanto le centrali con-venzionali producono “bruciando” 32.500× 0,25 = 8.000 kg di combustibili fossili.

Tempo di ritorno dell’investimento energeticoUna volta accertata dal punto di vistaeconomico la non immediata competiti-vità sul mercato del fotovoltaico rispettoalle tradizionali fonti non rinnovabili ameno di incentivi statali, è interessanteindagare dal punto di vista del bilancioenergetico su quanto si assottigli questadifferenza. Si osserva, infatti, che i siste-

fotovoltaico una fonte molto interes-sante, in particolare per i Paesi in via disviluppo, in quanto l’altra possibilità èrappresentata da generatori che richie-dono sia combustibile, la cui fornituraè spesso irregolare e a costi molto one-rosi, che interventi di manutenzione piùimpegnativi;

� non richiedono manutenzione; quest’ul-tima è sostanzialmente riconducibile aquella degli impianti elettrici e consistenella verifica annuale dell’isolamento edella continuità elettrica; inoltre i modu-li sono praticamente inattaccabili dagliagenti atmosferici e si puliscono auto-maticamente con le piogge, comedimostrato da esperienze in campo e inlaboratorio;

� funzionano in automatico e non richie-dono alcun intervento per l’esercizioordinario dell’impianto;

� hanno positive implicazioni sociali; peresempio, l’illuminazione di una scuolain una zona rurale permette un’educa-zione serale e attività comunitarie e l’ali-mentazione di frigoriferi aiuta l’efficaciadei programmi di immunizzazione allemalattie endemiche;

� sono più affidabili rispetto ai generato-ri diesel e a quelli eolici, come l’espe-rienza sul campo ha dimostrato;

� hanno una elevata durata di vita e leprestazioni degradano di poco o nien-te dopo 20 anni di attività; norme tec-niche e di garanzia della qualità, stabi-lite per i moduli da alcuni paesi euro-pei, garantiscono tale durata di vita;

� consentono l’utilizzo di superfici margi-nali o altrimenti inutilizzabili;

� sono economicamente interessanti perle utenze isolate (a fronte del costodelle linee di trasmissione dell’energiaelettrica, valutate in decine di migliaiadi euro al km).


Energia per la produzione, trasporto, installazione, esercizio

e rimozione/Energia prodotta annuale.

Attualmente, a parte i problemi legatiall’esaurimento del combustibile fossileche portarono alla sperimentazione du-rante le crisi energetiche, le ricerche sonomosse dalla nuova consapevolezza “am-bientale” del fatto che le emissioni digas serra causate da questa tecnologiasono nettamente inferiori rispetto a quel-le provocate dall’uso dei combustibilifossili. Questa osservazione richiede unaanalisi in cui tutte le emissioni di CO2 e dialtri gas-serra siano valutate durante tuttoil ciclo di vita dell’impianto fotovoltaico.

L’impatto sul territorioPer rendersi conto delle potenzialità ener-getiche e dell’impegno di territorio lega-ti ad una centrale di potenza, si conside-ri un sistema fotovoltaico di potenza paria 1000 kW (1 MW), che produce circa1300 MWh/anno e che rappresenta, ap-prossimativamente, la potenza sufficien-te a soddisfare le esigenze elettriche di650 famiglie, occupa un’area di circa 1,5ettari, di cui il 50% è dedicato ai modulie alle parti del sistema, mentre il restan-te 50% è costituito dalle “aree di rispet-to”, di fatto libere, ma necessarie perevitare l’ombreggiamento.A fronte della richiesta di energia elettri-ca consumata in Italia (300 milioni di MWh)sarebbe necessario un impegno di terri-torio pari a 3.400 km2. Tale impegno di ter-ritorio, sebbene enorme, costituisce soloun sesto dei terreni marginali in Italia(20.000 km2). Inoltre occorre ricordare chegli impianti non richiedono per la loroinstallazione opere fisse e che possonoessere installati o integrati nelle struttureedilizie esistenti.

mi fotovoltaici generano più energiadurante tutto il periodo di vita rispetto aquella necessaria alla produzione, instal-lazione e rimozione.La valutazione va fatta con riguardo a tuttigli input energetici relativi ad ogni fasetemporale di utilizzo di materiali necessa-ri alla esistenza e allo smaltimento dell’im-pianto e poi messi in relazione con la pro-duzione energetica attesa. Il risultato diquesto bilancio può essere espresso intermini di “tempo di ritorno dell’investi-mento energetico” (TRIE). Il TRIE è un indicatore che è usato di fre-quente per valutare i bilanci di energia disistemi di produzione energetici. Spessoil TRIE è semplicisticamente definito comel’energia di fabbricazione del sistema divi-so la sua produzione energetica annua.Con maggiore esattezza la formulazioneconsidera un calcolo di tutti gli input ener-getici considerandone il valore di energiaprimaria:

Tempo di ritornodell’investimento energetico =


La più recente categoria di applicazioni della tecnologia fotovoltaica èquella dei sistemi integrati negli edifici. L'inserimento dei moduli foto-voltaici nei tetti e nelle facciate risponde alla natura distribuita della fontesolare. La possibilità di integrare i moduli fotovoltaici nelle architetturee di trasformarli in componenti edili ha notevolmente ampliato gli oriz-zonti del fotovoltaico. Il variegato mondo della casistica dell'integrazio-ne fotovoltaica può essere suddiviso in due categorie, quella dell'integra-zione negli edifici e quella nelle infrastrutture urbane. Fra le tipologieintegrate negli edifici si evidenziano le coperture (piane, inclinate, curve,a risega), le facciate (verticali, inclinate, a risega) i frangisole (fissi, mobi-li), i lucernai, gli elementi di rivestimento e le balaustre.Le principali tipologie integrate nelle infrastrutture urbane riguardano lepensiline (per auto, o di attesa) le grandi coperture, le tettoie, i tabello-ni informativi e le barriere antirumore.

Il fotovoltaico e l’architettura

ancora superiore al costo dell’energiaelettrica prodotta con una centrale con-venzionale di grande dimensione. Perquesto motivo, sebbene i costi siano for-temente diminuiti nell’ultimo decennio aseguito della crescita del mercato e delmiglioramento tecnologico, la convenien-za alla installazione di un impianto fotovol-taico sembra dipendere ancora fortemen-te da eventuali forme di incentivi.Nei costi del kWh prodotto da fotovoltai-co non emergono però i fattori positiviche un tale impianto determina sull’uten-za: minore dispersione nella rete di distri-buzione, indipendenza dal gestore di rete,minore impatto sull’ambiente. Tutti que-sti elementi fanno del fotovoltaico la solu-zione più praticabile per la generazioneelettrica distribuita in ambiente urbano.Appare quindi evidente come gli sviluppidi questa tecnologia siano legati al siste-ma degli “usi finali” dell’energia piuttostoche a quelli della generazione di poten-za. Sono infatti le applicazioni integratecon l’edilizia che possono contribuire inmodo significativo al decollo di questatecnologia; una indicazione in questosenso ci viene dal Giappone, che ha pun-tato in modo strategico su tale tecnologiail cui mercato sta rapidamente crescendoin un contesto di graduale diminuzionedegli incentivi statali.Il costo complessivo di realizzazione di unimpianto fotovoltaico dipende essenzial-mente dalla tipologia e dalla taglia del-l’impianto (fig. 10.10).Per un impianto di piccola taglia, adesempio da 3 kWp, collegato alla rete, ilcosto di realizzazione è di circa 6.500l/kWp. Questo costo è dovuto, per circail 50%, ai moduli e, per la parte rimanen-te, al costo degli altri componenti delsistema e dell’installazione. I costi annui dimanutenzione e gestione sono dell’ordi-

[10.5]Costi

I costi dei moduli fotovoltaici, sebbeneancora molto elevati, sono suscettibili diuna notevole riduzione. Dal 1980 ad oggisono stati fatti passi da gigante e per lafine di questo decennio è previsto un ulte-riore dimezzamento dei costi. Le cause ditale riduzione sono da attribuirsi essenzial-mente al fatto che questa tecnologia èancora giovane, quindi sia dal punto divista della ricerca che dell’ottimizzazionedei processi di produzione si possonoavere repentini miglioramenti.La peculiarità di un impianto fotovoltaicoconsiste nel forte impegno di capitale ini-ziale richiesto per la sua realizzazione enelle basse spese di manutenzione. InItalia, il costo di investimento di unimpianto varia indicativamente tra i 5.000-8.000 l/kWp a seconda della taglia e tipodi applicazione, considerando sintetica-mente il costo totale composto dalleseguenti voci: moduli, inverter, strutture disupporto dei moduli, installazione e costitecnici.Nella maggior parte dei casi il costo del-l’energia prodotta, 25-40 cl/kWh, risulta


I prezzi dei sistemi isolati e connessi alla reteFig. 10.10

Gli elementi che concorrono a formare ilcosto attualizzato del kWh sono il costodell’investimento e il costo annuale diesercizio e di manutenzione, il fattore diattualizzazione dell’investimento e il nu-mero di kWh prodotti dall’impianto in unanno.Il fattore di attualizzazione dipende dalladurata dell’impianto, di solito stimata in 30anni, e dal tasso di interesse reale, cioèdepurato del tasso di inflazione, postopari al 3%.Il costo attualizzato tiene conto degli onerifinanziari dell’investimento. Sia i costi d’in-vestimento, sia quelli di esercizio e manu-tenzione dipendono in larga misura dalledimensioni dell’impianto, dal tipo di appli-cazione per cui è costruito e dalla locali-tà in cui è installato.Nel caso di sistemi fotovoltaici integratinegli edifici e collegati direttamente allarete in bassa tensione, a fronte di un costodi impianto di circa 6.000-7.000 l/kWp edi un costo di manutenzione paria 100l/anno si ottiene un costo attualizzatodell’energia elettrica prodotta quantifica-bile in circa 0,3 l/kWh in condizioni disoleggiamento medio (circa 1.600 kWh/m2 per anno).Nel caso invece di sistemi fotovoltaici perutenze isolate, i cui costi sono dell’ordinedei 9-11 kl/kWp, il corrispondente costoattualizzato del kWh è dell’ordine di 0,5-0,7 l.Il costo del kWh da fonte fotovoltaicaviene istintivamente confrontato con quel-lo pagato dall’utente alle società elettri-che distributrici di elettricità. Tale costo è,oggi, diverso a seconda del tipo di uten-za e dei livelli di consumo; un valoremedio per la famiglia tipo italiana è del-l’ordine dei 18 cl/kWh. Per il caso degliimpianti isolati il confronto non è signifi-cativo, a fronte dei costi di allacciamento

ne dello 0,5% del costo dell’investimento.Nel caso di sistemi fotovoltaici per uten-ze isolate, i costi sono dell’ordine dei 8-12 kl/kWp. Tali elevati valori dipendonodalla necessità di dotare il sistema di accu-mulatori.Nel caso invece di sistemi fotovoltaici inte-grati negli edifici e collegati direttamentealla rete in bassa tensione, il costo dell’im-pianto è attualmente pari a circa 7.000-8.000 l/kWp. Tale costo è legato al tipodi componenti scelti e alla tipologia diimpianto installato. Il prezzo dei modulifotovoltaici varia dai 3 ai 4 l/W e incideper il 45-55% sul costo dell’impianto.L’inverter non pesa considerevolmente sulcosto dell’impianto (13-15%). Il costo dellastruttura di sostegno dei moduli è diffici-le da stimare perché dipende da vari fat-tori quali il materiale utilizzato, il luogo diinstallazione, la superficie di appoggioecc. In prima approssimazione essa inci-de sul costo dell’impianto per circa il 10%. Analoghe percentuali sono relative all’in-stallazione e trasporto, all’ingegneria e aicavi e accessori.


Costo del kWh. Piccoli sistemi collegati alla rete (Pnom< 5 kWp)Fig. 10.11

Infine, da un punto di vista socio-econo-mico il fotovoltaico crea lavoro indotto,migliora le condizioni di vita e può averericadute tecnologiche in altri settori.Se a questi vantaggi si aggiungono leincentivazioni previste per il futuro, si puòcertamente concludere che i sistemi sola-ri fotovoltaici, sia isolati sia connessi allarete, si possono considerare già oggi unainteressante opzione energetica alla por-tata di un gran numero di utilizzatori.

[10.6]Mercato e prospettive

La potenza installata nel mondocresce a ritmi esponenzialiLa produzione mondiale annuale di mo-duli fotovoltaici nel 2007 è cresciuta del50% rispetto al 2006, con 3.800 MWp pro-dotti. È questa la stima presentata dalEarth Policy Institute (www.earth-policy.org).La crescita annuale era stata di circa 2.520MWp nel 2006. Alla fine del 2007 la pro-duzione cumulativa mondiale ha toccatoquota 12.400 MWp.

alla rete di distribuzione. Per quantoriguarda gli impianti connessi alla rete, ilcosto del kWh fotovoltaico è invece circadoppio rispetto a quello pagato allasocietà elettrica.Bisogna tuttavia tenere conto del fattoche nessuno può prevedere quale sarà ilcosto dell’energia negli anni a venire e deivantaggi, in termine di valore aggiunto,offerti dalla fonte fotovoltaica.In primo luogo gli impianti fotovoltaicihanno un valore aggiunto di tipo elettri-co nel senso che migliorano i parametridella rete (picchi di assorbimento, perdi-te di trasmissione), possono fornire ener-gia in situazioni di emergenza e nel casodi utenze isolate non richiedono spese diallacciamento alla rete e trasporto del car-burante. Nel campo ambientale il valoreaggiunto del fotovoltaico si traduce inriduzione delle emissioni e piogge acide.Da un punto di vista architettonico l’ele-mento fotovoltaico sostituisce i compo-nenti tradizionali di rivestimento, contri-buisce ad aumenta l’isolamento termico eacustico, protegge dall’acqua e dal fuocoe riflette le onde elettromagnetiche.


Tempo di ritorno dell'investimento (caso dell'Italia)

Programma tetti fotovoltaici

Incentivo in conto capitale: 75%Costo impianto: 7.000 i/kWp

Spesa soggetto richiedente: 7.000 • 0,25 + 700 (IVA al 10%) = 2.450 i/kWp - 36% (detr. Irpef) = 1570 i/kWp

Energia prodotta: 1.100 kWh/kW/anno • 15 ci/kWh = 165 i/annoTempo di ritorno dell'investimento: 10 anni (15 anni senza detrazione Irpef)

Conto energia

Incentivo in conto capitale: 0%Costo impianto: 7.000 i/kWp

Spesa soggetto richiedente: 7.000 + 700 (IVA al 10%) = 7.700 i/kWp

Energia prodotta: 1.100 kWh/kW/anno • 60 ci/kWh = 660 i/annoTempo di ritorno dell'investimento: 9,5 anni

La tecnologia evolve rapidamenteNel medio e lungo periodo ci sarannoperò diverse novità tecnologiche, ogginella fase post-sperimentale, che potreb-bero comportare una riduzione ancora piùdrastica dei prezzi.Un fatto nuovo e significativo è che nel2006, per la prima volta, oltre la metà dellaproduzione di polysilicon è andata al foto-voltaico anziché ai chip dei computer.La scarsità di questa materia prima ha poiportato ad una crescita dei film sottili, cheperò hanno ancora una quota di mercatoinferiore al 10%.Tra i paesi produttori è stata impressio-nante la crescita cinese, passata da unaquota mondiale dell’1% del 2003 al 18%nel 2007. La leadership mondiale per laCina è prevista per quest’anno, quandosupererà anche Europa e Giappone. Nelleprime tre posizioni tra le aziende produt-trici troviamo la giapponese Sharp, latedesca Q-Cells e la cinese Suntech.Il Giappone resta il primo paese al mondoper produzione di fotovoltaico, anche senegli ultimi anni, in fatto di installazioni, haregistrato un lieve rallentamento dei tassidi crescita, ma i valori sono pur sempre diun certo rilievo: 350 MWp nel 2006 e unastima di 402 MWp per lo scorso anno. Ilgoverno nipponico ha però annunciatol’obiettivo di installare impianti fotovoltai-ci sul 30% degli edifici entro il 2030.La Germania è nettamente la nazione lea-der nelle installazioni con circa 1.260 MWp

installati nel 2007 (erano 1.050 nel 2006).La Cina non ha invece ancora raggiuntograndi numeri per quanto concerne gliimpianti in esercizio sia nel corso del 2006che del 2007.Molto meglio hanno fatto, oltre al Giap-pone, gli Stati Uniti e la Spagna che que-st’anno potrebbe superare gli 800 MWp diinstallato totale.

L’istituto di ricerca valuta che i tassi mediannuali di crescita dal 2002 sono stati del48%: ogni due anni, quindi, la produzio-ne fotovoltaica è raddoppiata.La curva di apprendimento del settore haportato ad un dimezzamento del prezzodel modulo fotovoltaico dal 1990: da 7,47$/Wp a 3,84 $/Wp (dato 2006); con l’au-mento dell’offerta di silicio i prezzipotrebbero scendere a 2 dollari già nel2010.


Potenza installata cumulataFig. 10.12

Produzione industriale annuale di moduli fotovoltaiciFig. 10.13

pati raggiungerebbero la ragguardevolecifra di 76.000.

Conto Energia – potenza installatain Italia al Marzo 2008La potenza installata degli impianti foto-voltaici incentivati dal Conto Energia haraggiunto, a oggi, oltre 83 MWp su tuttoil territorio nazionale. Tale potenza si rife-risce a 8.030 impianti entrati in esercizio(tra Vecchio e Nuovo Conto energia) daquando è attivo il meccanismo di incenti-vazione dell’energia prodotta da fotovol-taico gestito dal GSE. Di questi impianti,3.911 sono relativi ai piccoli impianti (com-presi tra 1 e 3 kW), 3.583 ai medi impian-ti (compresi tra 3 e 20 kW) e 536 ai gran-di (superiori a 20 kW). Le regioni con unamaggiore potenza installata sono TrentinoAlto Adige (9,5 MW) e Lombardia (8,9MW), mentre quelle con minore potenzainstallata il Molise (139 kW) e la ValleD’Aosta (106 kW).Il Gestore dei Servizi Elettrici ha ricono-sciuto, da quando è attivo il ContoEnergia, 15 milioni di euro in incentivi.

Le prospettive della tecnologiaPer quanto riguarda la tecnologia, laquota di produzione di celle al silicio è increscita e resta la predominante con il94,2% del totale prodotto. Il silicio policri-stallino, con il 60% del mercato, risultaessere il più utilizzato rispetto al mono-cri-stallino, all’amorfo e al film sottile.Tuttavia, nuova spinta sta avendo il siliciomonocristallino che è passato ad unaquota di mercato del 36% (era del 32% nel2003), a causa della crescente domanda dicelle a più elevato rendimento. Il Giappone è il maggiore produttore dicelle al silicio policristallino e a film sotti-le (silicio amorfo e altri materiali); perquanto riguarda le celle al silicio monocri-

Buona la posizione dell’Italia che, secon-do quanto indicato dal GSE, nel 2007 hamesso in esercizio poco più di 50 MWp:un incremento di 5 volte rispetto al 2006.

Scenari del solare fotovoltaicoIl Rapporto preliminare sul solare delCNES (Comitato Nazionale EnergiaSolare), in accordo con la segreteria tec-nica del Ministero dell’Ambiente e dellaTutela del Territorio e del Mare, analizzala potenzialità di crescita del mercatonazionale del FV. Questa è stata valutatain base alle stime di crescita annuale delmercato mondiale realizzate dalla BancaSarasin. Sono stati realizzati tre scenari cheipotizzano che il fotovoltaico in Italia cre-sca in modo da ricoprire una quota del 5,10 o addirittura 15% di quello globale.Se ad esempio venisse mantenuta unaquota del 10% (scenario intermedio) sulmercato mondiale, in Italia nel 2020 ver-rebbero installati in totale 11.000 MWp

con una produzione di energia elettricapari al 5% del totale (15 TWh). Il giro d’af-fari sarebbe di 9 miliardi di euro e gli occu-


Incremento annuale della potenza di picco installataFig. 10.14

la produzione di massa di energia; altretecnologie già emergenti o ancora daesplorare, basate sui film sottili, sono leuniche che potranno consentire, qualoraopportunamente sviluppate, di raggiun-gere nell’arco di uno o due decenni, queicosti che renderanno il fotovoltaico unavera opzione energetica.Per ciò che concerne gli inverter, infine, sulmercato internazionale sono attualmentepresenti circa 300 modelli e taglie diver-se. L’inverter non è unicamente un com-ponente che permette la conversione dicorrente continua in corrente alternatacompatibile con la rete, ma un dispositi-vo in grado di monitorare l’intero sistemae la connessione in rete.Quasi la metà della produzione di inver-ter avviene in Europa, con la Germaniache da sola produce il 48% del totale. Altriproduttori significativi a livello mondialesono gli USA con il 12% del mercato, ilGiappone con il 9% e il Canada con il 7%.In crescita anche in questo settore la pro-duzione dei paesi emergenti del sud-estasiatico (Taiwan 2%).

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stallino, invece, il primo posto spettaall’Europa.Nei prossimi anni è ragionevole pensarea una diminuzione dei prezzi dei modulipassando dagli attuali 3,2 $/W ai 2 $/W siaintroducendo miglioramenti tecnologicisia sfruttando l’effetto di scala. I migliora-menti tecnologici si basano sostanzial-mente su nuovi risultati della ricerca e sul-l’affinamento delle tecnologie produttive(uso razionale dei materiali, aumento del-l’efficienza di conversione, innovazionetecnologica nell’assemblaggio dei modu-li). Per quanto riguarda l’effetto di scala, èstato valutato che esso ha implicazionipositive fino a livelli di produzione pari acirca 20 MW/anno/turno.Dal punto di vista delle tecnologie impie-gate per la realizzazione dei moduli, oggiè preponderante quella basata sul siliciocristallino e tutto fa pensare che la situa-zione non muterà significativamente nel-l’arco dei prossimi anni. Nel medio-lungotermine, però, il silicio cristallino non saràcapace di far raggiungere al fotovoltaicoun opportuno livello di competitività per


Capitolo Undici

Energia eolica

all’aria soprastante gli oceani. Riscal-dandosi, l’aria espande verso l’alto deter-minando una pressione atmosferica infe-riore a quella presente sul mare, da dovealtra aria, più fredda e umida, corre aprenderne il posto, generando così ilvento. Di notte, il fenomeno si inverte per-chè l’aria si raffredda più velocementesulle terre emerse che sul mare.Allo stesso modo, a causa dell’inclinazio-ne dell’asse terrestre e del moto di rota-zione della Terra, vaste zone del pianetavengono maggiormente irraggiate rispet-to ad altre. Queste condizioni determina-no differenze di temperatura tali da pro-vocare spostamenti di grandi masse d’arianell’atmosfera del pianeta: le zone mag-giormente irraggiate (in prossimità del-l’equatore) agiscono da fonte calda, quel-le zone meno irraggiate (in prossimità deipoli) operano da fonte fredda, costituen-do globalmente una sorta di gigantescomotore meteorologico.

Misurare il ventoPer verificare su base locale le possibilitàdi sfruttamento della fonte eolica ènecessario misurare gli spostamenti dimasse d’aria. Esistono due metodi prin-cipali che consentono di effettuare que-ste misurazioni:� la Scala di Beaufort, metodo empirico

che suddivide la forza del vento in 12gradi e ne stabilisce l’entità osservandoi suoi effetti sull’ambiente circostante

[11.1]La risorsa eolica

Il ventoL’energia eolica che utilizziamo quale fonterinnovabile trae origine da differenze dipressione generate dal riscaldamento nonuniforme della superficie terrestre da partedel Sole. I continenti, e in genere le terreemerse, esposti all’irraggiamento solare siriscaldano più rapidamente dei mari edegli oceani circostanti, essenzialmenteper il coinvolgimento di uno strato di ter-reno di spessore inferiore rispetto allo stra-to d’acqua interessato negli oceani, e perdifferenze nei coefficienti di scambio ter-mico e nelle capacità termiche.Come conseguenza, durante il giornoanche l’aria presente sopra le terre emer-se si scalda più velocemente rispetto

dalle caratteristiche del suolo lambitodalle masse d’aria: più un terreno è rugo-so, cioè presenta variazioni brusche dipendenza, boschi, edifici e montagne, piùil vento incontrerà ostacoli che ridurrannola sua velocità. In generale la posizione ideale di un aero-generatore è quella che lo vede localizza-to in un terreno appartenente ad unabassa classe di rugosità e che presentauna pendenza compresa tra i 6 e i 16gradi. Il vento deve superare la velocità dialmeno 5,5 metri al secondo e deve sof-fiare costante in gran parte dell’anno. Imigliori siti eolici off shore sono invecequelli con venti che superano la velocitàdi 7-8 metri al secondo, che hanno bassifondali (da 5 a 40 metri) e che sono situa-ti ad oltre 3 chilometri dalla costa.

[11.2]Impianti eolici, sottosistemie tipologie

Di seguito descriveremo le diverse tipo-logie di macchine deputate alla conversio-ne dell’energia cinetica del vento in ener-gia elettrica.La captazione dell’energia eolica si attuamediante macchine in cui un certo nume-ro di pale fissate su di un mozzo raccolgo-no l’energia cinetica della massa d’aria inmovimento e la trasformano nel movimen-to rotatorio dell’asse di un rotore.L’insieme che consente la trasformazionedell’energia cinetica del vento in energiameccanica di rotazione costituisce l’aero-motore. L’asse di quest’ultimo trasmettel’energia raccolta all’asse primario di ungruppo di ingranaggi, moltiplicatore digiri. Questo ha la funzione di determina-re sull’asse secondario una velocità dirotazione adatta a pilotare un alternatore.Infine, il generatore elettrico realizza la

(un esempio sono l’altezza e la formadelle onde in mare, con le quali i mari-nai stabiliscono quale forza abbia ilvento in quel momento);

� l’anemometro, metodo meno sogget-tivo rispetto alla scala di Beaufort, serveper ottenere dati attendibili (di normala torre anemometrica dovrebbe esse-re alta almeno due terzi della turbinache si intende installare).

Infine, per rilevare le direzioni dei venti siutilizzano le banderuole, mentre i sensoridi temperatura servono per identificare lecondizioni con potenziale formazione dighiaccio e conseguente alterazione dellemisure.

Dove installare un impianto eolicoCondizione fondamentale per produrreenergia elettrica in quantità sufficiente èche il luogo dove si installa l’aerogenera-tore sia sufficientemente ventoso. In par-ticolare, per determinare l’energia eolicapotenzialmente sfruttabile in una dataarea, bisogna conoscere la conformazio-ne del terreno e l’andamento nel tempodella direzione e della velocità del vento.La conformazione del terreno influenza lavelocità del vento, il cui valore dipende,oltre che da parametri atmosferici, anche


fa, sono stati via via sostituiti con profiliappositamente studiati per l’utilizzo eoli-co. Considerando le pale in vetroresina,che sono di gran lunga quelle più diffuse,si è passati dalla stratificazione manuale,simile a quella utilizzata per la costruzio-ne delle barche, alla stratificazione di tes-suto di fibre di vetro preimpregnato, conla tecnica del sacco sotto vuoto, tecnolo-gia che fino a qualche anno fa era usatasolo in aeronautica per la realizzazione dipannelli alari.

GeneratoreI primi generatori usati nelle macchineeoliche erano dei motori elettrici conven-zionali che venivano usati come genera-tori normalmente collegati alla rete. Unodei principali svantaggi di questa soluzio-ne era rappresentato dalla curva di rendi-mento che aveva generalmente un mas-simo piuttosto pronunciato in corrispon-denza della potenza nominale del moto-re. Quando la turbina funzionava a poten-ze diverse da quella nominale il rendimen-to crollava a valori molto più bassi inciden-do negativamente sulla resa energeticacomplessiva. Nel tentativo di ottenere curve di rendi-mento più piatte che consentissero unamigliore resa in un arco di funzionamen-to più ampio, l’industria ha sviluppato pro-dotti specifici classificati come generato-ri per impiego eolico, facilmente reperibi-li sul mercato, da utilizzare sulla configu-razione di turbina più classica con molti-plicatore di giri.

Elettronica di controlloIl sistema di controllo di una modernaturbina eolica è costituito fondamental-mente da un microprocessore a cui arri-vano le informazioni da tutta una serie disensori posizionati in vari punti dellamacchina.

conversione dell’energia associata almovimento rotatorio dell’aeromotore inenergia elettrica da immettere nella retedi trasmissione. L’insieme costituito dal-l’aeromotore, dal moltiplicatore di giri, dalgeneratore elettrico e dai relativi sistemidi controllo, freni e limitatori di velocità,trasforma l’energia eolica in energia elet-trica e viene definito aerogeneratore.I singoli elementi che compongono unaerogeneratore sono chiamati sottosiste-mi, alcuni di questi influenzano maggior-mente le prestazioni della macchina ehanno subito, nel tempo, una notevoleevoluzione. Tali sottosistemi sono il roto-re, il generatore/convertitore e l’elettroni-ca di controllo.

RotoreIl rotore propriamente detto è costituitoda un certo numero di pale fissate su diun mozzo progettate per trasformarel’energia cinetica del vento in energiameccanica di rotazione. Le pale delle moderne turbine eolichesono il frutto di ricerche specifiche sia nelcampo dell’aerodinamica che in quellodei materiali. I profili classici della serieNACA, presenti sulla maggior parte dellemacchine fino ad una quindicina di anni

143 Energia eolica

ne eoliche di piccola taglia (D < 20 m e P< 100 kW), di media taglia (20 < D < 50 me 100 < P < 800 kW), di taglia intermedia(D ≈ 50 m o poco più e 800 < P < 1000 kW),di grande taglia (D > 50 m e P > 1000 kW);si hanno esempi di macchine da 3000 kW.

Velocità del rotorePrendendo in considerazione la velocitàdel rotore avremo macchine con movi-mento lento, (modalità di funzionamentotipica del multipala o mulino americano,o veloce, modalità tipica delle macchinecon poche pale, in genere fino a 4.

Numero di paleIn relazione al numero di pale avremomacchine multipala (mulino americano) adelevata solidity, caratterizzate da una cop-pia molto alta anche a basso numero digiri; o macchine con numero di pale da 1a 3-4 al massimo, a bassa solidity.

Tipo di regolazione di potenzaÈ importante ricordare che una caratteristi-ca rilevante di un aerogeneratore è rappre-sentata dalla modalità di rotazione del roto-re, che può essere a velocità fissa, nei casiin cui il generatore elettrico è collegatodirettamente alla rete, o a velocità variabi-le. In questo ultimo caso si riesce a control-lare la velocità di rotazione del rotore rego-lando, a valle, quella del generatore, inmodo che il rotore possa funzionare ad effi-cienza massima per un tratto più o menoesteso della curva di potenza e possa adat-tarsi alle diverse condizioni di vento.Il controllo della potenza, per quantoriguarda il sistema e i carichi agenti sulsistema, è stato ed è uno dei fattori deter-minanti per la sicurezza strutturale dellaturbina ed ha giocato un ruolo di prima-ria importanza nello sviluppo dei sistemieolici. Il sistema di controllo interviene perlimitare i carichi quando la velocità del

Tipologie di impiantiLe macchine eoliche possono esseredistinte in funzione di numerosi parametri.

Modalità di sfruttamentodell’energiaIn base alle modalità di sfruttamento del-l’energia si parla di aeromotori e di aero-generatori.Gli aeromotori effettuano la trasformazio-ne dell’energia meccanica del vento inenergia meccanica dell’asse di rotazionee, tramite una catena puramente cinema-tica, movimentano materiali (aeropompe),macinano e frantumano materiali (mulini)e azionano macchine operatrici in generecome motori primi eolici. Gli aerogeneratori effettuano la conver-sione dell’energia meccanica del vento inenergia elettrica continua o alternata;sono le macchine eoliche per definizionee, in genere, quelle più significative sonoad asse orizzontale oppure ad asse verti-cale; possono essere isolati o in cluster eancora essere collegati ad utenze isolate,piccole reti locali (solitamente in sistemaintegrato con motori diesel) o alle retiregionali e nazionali; possono alimentaredirettamente macchine operatrici aziona-te da motori elettrici.

Posizione dell’asse di rotazione Le macchine possono essere ad asse oriz-zontale, ad asse esattamente orizzontale(HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine), adasse inclinato sull’orizzontale (esiste il solorotore Poulsen), ad asse verticale (VAWT,Vertical Axis Wind Turbine), RotoriDarrieus, Rotori Savonius, Rotori Giromille macchine di difficile catalogazione (deltipo ad ala battente e a tapis roulant).

Taglia di potenza In base al diametro del rotore (D) e allapotenza (P) si possono individuare macchi-


razioni quali l’identificazione del sito in cuisi vuole installare la centrale eolica.Una volta identificato il sito si procedecon la selezione del modello di aeroge-neratore. Sulla base dei criteri stabilitidalle norme del CEI, si seleziona la turbi-na insieme al tipo di torre e in particolareall’altezza del mozzo. Lo stesso aerogene-ratore può essere certificato per diversiclassi utilizzando diverse torri.Avendo a disposizione delle mappe digi-tali in formato vettoriale e delle misureeseguite sul sito o nelle immediate vici-nanze, si può calcolare il flusso dei ventinella zona, e quindi identificare le aree piùventose.Il software più diffuso per questo tipo dicalcolo è il WasP sviluppato dall’ente diricerca danese Risø. Questo programmaè ben collaudato per terreni pianeggian-ti o colline fino a pendenze del 17%.

Identificazione e idoneità delle aree d’interesseL’individuazione delle aree di maggiorinteresse per l’installazione di fattorie delvento inizia da un macrositing (analisi pre-liminare) del territorio in esame.L’estensione di territorio può essere paria quello di una o più province, ove ragio-nevolmente si troveranno zone a maggiorventosità.Il macrositing consiste nell’analisi di unacarta topografica digitale sulla quale ven-gono inseriti i dati anemologici a grandescala rilevati dal servizio meteorologiconazionale. L’obiettivo è quello di indivi-duare delle linee di isoventosità (lineeideali che collegano punti con uguale ven-tosità) che permettano l’individuazionedei siti maggiormente ventosi all’internodel territorio preso in esame.È importante, oltre ad una adeguata ven-tosità definita da opportuni parametri sta-tistici, la disponibilità di terreno di impie-

vento, e quindi la potenza sviluppata,supera il valore nominale per cui la mac-china è dimensionata. I due sistemi più usati per la limitazionedella potenza sono il controllo dello stal-lo e il controllo di passo. Il primo, usatosu macchine a velocità fissa, è di tipo pas-sivo e richiede un progetto aerodinanicodell’elica tale che, oltrepassata una certavelocità del vento, si creino delle turbo-lenze a partire dal centro, e poi via viaverso l’estremità del rotore, ostacolandola spinta sulle pale e portando gradual-mente in stallo il rotore a pale fisse. Ilsecondo controllo è di tipo attivo e pre-vede che esistano dei dispositivi di tipomeccanico e elettronico che facciano ruo-tare le pale intorno al loro asse modifican-do gli angoli di incidenza secondo moda-lità prefissate.Altre variabili utili alla classificazioneriguardano la tipologia della torre (metal-lica tubolare o a traliccio, in cemento) e iltipo di progetto delle macchine soft ohard in funzione della rigidezza del roto-re (generalmente interessa le macchinead asse orizzontale).Una ulteriore classificazione, oltre quellagià citata in macchine a velocità variabileo a velocità fissa, si basa sul tipo di gene-ratore elettrico:� sincrono, � asincrono,� a magneti permanenti. In quest’ultima ripartizione esistono mac-chine che posseggono due generatori emacchine con generatori a numero dicoppie polari variabile.

[11.3]La progettazione

Le fasi preliminari della progettazione pre-vedono l’esecuzione di una serie di ope-

145 Energia eolica

finalizzata all’installazione della centraleeolica. Prima di tutto occorre una valuta-zione dettagliata della producibilità del-l’impianto mediante una misura accuratadella velocità e della direzione del vento,possibilmente all’altezza del mozzo dellemacchine che si intendono installare e,comunque, non inferiori a 30 metri.

Progettazione esecutiva della centrale Dopo aver concluso le operazioni prece-denti, si procede alla progettazione ese-cutiva attraverso una valutazione tecnicae economica delle opere civili e elettro-meccaniche da realizzarsi per l’installazio-ne dell’impianto. La progettazione di unacentrale eolica presuppone, tuttavia, laconsiderazione di un altro aspetto fonda-mentale: l’impatto e l’interazione dellacentrale con l’ecosistema circostante,quindi la compatibilità ambientale e l’im-patto acustico.La turbina eolica tipo è una macchina digrandi dimensioni, al fine di generarediscrete quantità di elettricità da una fontedi energia a bassa densità di potenza. Ècaratterizzata da una torre con un altezzache va dai 50 agli 80 metri e da un rotoredi alcune decine di metri di diametro.Volendo produrre una quantità significa-tiva di energia sarà necessario installare undiscreto numero di aerogeneratori e inte-ressare un’ampia superficie di territorio.Pertanto occorre tenere conto di questoaspetto.L’impatto acustico degli aerogeneratorioggi è mitigato moltissimo dall’introduzio-ne, ormai su molte macchine, della velo-cità variabile, che permette di ridurre ilnumero dei giri del rotore quando il ventoè più debole e consente velocità linearidelle estremità delle pale più contenute,a tutto vantaggio dell’abbattimento delrumore. La valutazione delle infrastruttu-

go marginale che abbia un’area adegua-ta ad ospitare un numero sufficiente diaerogeneratori e che sia libero da vincoliambientali e d’uso che ne impediscanol’impiego per installazioni eoliche. Altra condizione è l’andamento di velo-cità e direzione del vento e un terrenoprivo di irregolarità con assenza di inse-diamenti abitativi nelle immediate vici-nanze del sito.

Valutazione dettagliata del sito e sviluppo del layout della centrale eolicaIn seguito all’esito positivo della valutazio-ne preliminare precedentemente effettua-ta, si inizia la fase propriamente operativa


Un primo effetto determinante sul flusso del vento è determinato dal tipodi copertura del terreno sul territorio, fattore che, oltre a condizionarecome si vedrà la possibilità fisica di installare aerogeneratori, influenzaconsiderevolmente l'andamento della velocità nello strato limite super-ficiale.Per questi aspetti le caratteristiche del terreno vengono rappresentate conun parametro, z0 (m), detto “lunghezza di rugosità” (roughness length).Nel caso più semplice di terreno piatto, si osserva che la velocità del vento(U) aumenta in generale con l'altezza (z) con un tasso di crescita chedipende dal grado di scabrosità macroscopica del suolo, e secondo unarelazione teorico-sperimentale di tipo logaritmico:

Il valore della lunghezza di rugosità per una determinata superficie diterritorio viene normalmente attribuito in base ad una classificazione pre-definita, frutto di esperienze di lunga data. Così ad esempio un'area urba-na sarà caratterizzata da un valore di circa 1 m, una prateria con erbabassa e qualche cespuglio da un valore di circa 0,03 m, una superficieinnevata liscia da un valore di circa 0,0005 m.Un altro effetto determinante è quello dei rilievi montuosi. È ben notoche il vento subisce una accelerazione sulle sommità di creste montuo-se o collinari, effetto che si combina con l'incremento della velocità dovu-to all'altezza. Il profilo della velocità del vento risulta perciò general-mente alterato rispetto alla legge logaritmica sopra descritta.

Un fattore determinante: la rugosità

U (z) ∝ In z z0( )

Nelle wind-farm la distanza tra gli aeroge-neratori viene calcolata per evitare inter-ferenze reciproche che potrebbero causa-re diminuzioni di produzione di energia.Di regola gli aerogeneratori vengonosituati ad una distanza di almeno cinque-dieci volte il diametro delle pale. Nel casodi un aerogeneratore medio, con pale lun-ghe circa 20 metri, questo significa instal-larne uno ogni 200 metri circa. Esistono siawind-farm terrestri (on shore) che in mareaperto (off shore).In generale lo sfruttamento della risorsaeolica ha luogo in ambiente terrestre (onshore), ma sta assumendo un ruolo sem-pre più rilevante la tecnologia off shoreche prevede l’installazione delle macchi-ne in ambiente marino.

Le applicazioni on shoreLa produzione di energia elettrica per viaeolica destinata ad utenze isolate o allac-ciate alla rete elettrica di bassa tensione,si effettua con aerogeneratori general-mente singoli e di piccola taglia, cioè perpotenza inferiore a 100 kW. La generazio-ne di elettricità può essere abbinata, neisistemi ibridi, ad altre fonti di energia qualimini idraulica, fotovoltaico e convenziona-le (diesel). Nel caso di utenze isolate è consigliabilel’uso di accumulo elettrico o di pompag-gio dell’acqua. Il mercato di questa tipo-logia di macchine è in continua espansio-ne sia nei paesi sviluppati sia nei paesi invia di sviluppo.Nel caso della produzione e vendita dienergia elettrica su scala industriale, que-sta si effettua con aerogeneratori dipotenza compresa tra 500 kW e 3.000 kWcollegati singolarmente o in più unità(centrali eoliche) alla rete elettrica dimedia-alta tensione. Tale applicazione,preminente a livello mondiale, ha contri-buito in modo determinante all’evoluzio-

re è molto importante ai fini della corret-ta realizzazione della centrale eolica.Questa deve essere eseguita su più fron-ti e prima di iniziare la costruzione, per evi-tare brutte sorprese proprio nella fase rea-lizzativa.Gli aspetti principali da valutare preventi-vamente sono:� viabilità e accessibilità, con studio di

eventuali modifiche che permettano unaccesso migliore al sito da parte deitrasporti più impegnativi, sia dal puntodi vista dei pesi, sia delle dimensioni;

� allaccio alla rete elettrica in media ten-sione (MT) o in alta tensione (AT), constudio su eventuali situazioni critiche disovraccarico.

Ultimate le operazioni precedentemen-te descritte e installato l’aerogenerato-re, si procede all’avviamento della turbi-na eolica.Le operazioni da effettuarsi in questo casoprevedono una serie di controlli del mac-chinario e dei sistemi ausiliari, compresi icablaggi elettrici, affinché al momento delprimo avviamento tutto sia in ordine perpoter entrare in servizio.La tabella dei lavori prevede, dunque, unaserie di azioni che preludono alla succes-siva prova dell’aerogeneratore, come lamessa in tensione degli impianti, la tara-tura dei sistemi di controllo, la messa inbandiera delle pale, e altro ancora.

[11.4]Le applicazioni

Gli impianti eolici vengono generalmen-te suddivisi e classificati in base alle appli-cazioni alle quali sono destinati. Più aero-generatori collegati insieme formano lecosì dette “fattorie del vento” (wind-farm).Si tratta di vere e proprie centrali elettri-che.

147 Energia eolica

sistemi galleggianti e semi-sommersivariamente connessi al fondo del mare oalla costa.Un esempio di potenziale riutilizzo di piat-taforme off shore è stato proposto dallasocietà Edison, riguardo alla piattaformaVEGA, ubicata a 22 chilometri dalla costasiciliana, in un tratto di mare avente pro-fondità di 120 metri. Essa è sostanzial-mente costituita da un jacket a 8 gambedi acciaio, con dimensioni geometriche di80x60 metri, per un peso complessivo di26.000 tonnellate.

Strutture galleggianti e semi-sommerseLo studio di strutture floating per lo sfrut-tamento dell’energia eolica, nasce dadiversi bisogni, legati alla necessità di evi-tare fondazioni fisse, di migliorare cosìl’impatto ambientale degli aerogenerato-ri e di favorire un eventuale spostamentodell’insieme aerogeneratore-struttura. La possibilità di equipaggiare la piattafor-ma galleggiante/mobile con impiantidiversi (per produrre energia elettrica consistema ibrido, acqua dolce da dissalato-re ad osmosi inversa, ecc.) può fungerecome fonte sussidiaria anche nei siti conforti punte di domanda stagionale diacqua e elettricità, ad esempio.


L’investimento iniziale per la costruzionedell’impianto rappresenta la voce di costopiù significativa di cui tenere conto nel-l’analizzare la redditività di una iniziativanel settore eolico. Nel suo complesso l’in-vestimento può suddividersi nei seguen-ti raggruppamenti di spesa:� sviluppo iniziativa (2-5% investimento

totale),

ne tecnologica del settore, all’abbatti-mento dei costi e allo sviluppo commer-ciale, con rilevanti benefici ambientali.

Le applicazioni off shoreLa tendenza verso la quasi totale satura-zione dei siti disponibili sulla terraferma haindotto negli ultimi anni a far convergerel’interesse verso la scelta di siti off shoreo semi off shore, cioè impianti ubicatirispettivamente in mare aperto o lungopennelli a mare o dighe foranee di portio località direttamente aggettanti sulmare. I vantaggi che permette una collocazioneoffshore sono la disponibilità di un poten-ziale eolico migliore, la minor turbolenzadel vento con guadagno significativo intermini di durabilità delle pale e un pro-babile miglior accoglimento da partedella popolazione per un ridotto impattovisivo.

Piattaforme petrolifere off shore Negli ultimi anni, fermo restando il tenta-tivo di aumentare la potenza unitaria dellemacchine installate offshore, si è comin-ciato a considerare il concetto di aeroge-neratori eolici installati a mare, utilizzan-do piattaforme off shore già esistenti, o


eoliche, eventuale edificio di servizio; � opere elettromeccaniche quali box a

piè di macchina con quadri elettrici etrasformatore della corrente da bassatensione a media tensione, apparec-chiature per il controllo a distanza, ca-blaggi interrati per il collegamento elet-trico delle macchine al punto di uscitadell’impianto;

� collegamento alla rete con cavidottoaereo o interrato per il collegamentodell’impianto alla rete di trasmissione inmedia o alta tensione.

Il costo di produzione del kWh elettricoda fonte eolica è costantemente diminui-to negli ultimi venti anni, ovvero da quan-do l’industria del settore ha cominciato araggiungere la maturità commerciale. I maggiori contributi a tale riduzione deri-vano da economie di scala legate all’otti-mizzazione dei processi produttivi, dalleinnovazioni progettuali e dal miglioramen-to delle prestazioni delle macchine.Notevoli benefici sono stati ottenuti anchegrazie ad una più efficace valutazione esfruttamento delle risorse eoliche dei siti.Le applicazioni dell’energia eolica su scalaridotta sono tipiche della generazionecosiddetta “distribuita” che utilizza mac-chine di piccola taglia (5-50 kW) per ali-mentare utenze isolate o per interfacciar-si sulla rete di bassa/media tensione. Inquesto specifico segmento il mercato è ingrado di offrire una discreta gamma diprodotti, tecnologicamente validi anchese economicamente non ancora maturi,soprattutto se confrontati con i modelli ditaglia maggiore.Le spese di funzionamento di un impian-to eolico riguardano l’amministrazione, ilcanone agli enti locali e ai proprietari perl’utilizzo del sito, i premi assicurativi e lamanutenzione sia ordinaria che straordi-naria degli impianti.

� fornitura e installazione macchine eoli-che (65-78% investimento totale),

� opere accessorie e infrastrutture (18-25% investimento totale).

La fase di sviluppo dell’iniziativa compren-de l’individuazione e qualificazione ane-mologica del sito, la progettazione del-l’impianto, l’espletamento dell’iter autoriz-zativo per la concessione edilizia, la valu-tazione dell’impatto ambientale e il colle-gamento alla rete. Economicamente essarappresenta solo il 2-5% dell’investimen-to totale.La fornitura delle macchine eoliche rap-presenta la spesa più rilevante in assoluto.La potenza nominale degli aerogenerato-ri presenti sul mercato varia da pochi chi-lowatt ad oltre 2.500 kW. La potenzamedia delle singole macchine installatenel mondo durante l’anno 2002 si attestaintorno ai 1.000 kW (770 kW in Italia, 800kW in Spagna, 1.300 kW in Danimarca,1.400 kW in Germania), confermando lacrescita in atto da diversi anni. Il costo diuna turbina eolica installata, inclusivo diacquisto, trasporto, montaggio e avvia-mento, è direttamente legato al diametrodel rotore e all’altezza della torre piutto-sto che alla semplice potenza nominale.Esso ha tratto benefici di scala dall’au-mento delle dimensioni unitarie dellemacchine e oggi in Italia per una macchi-na da 850 kW si aggira tra 600.000 e700.000 n. La realizzazione delle opere accessorie edelle infrastrutture raggruppa le voci dicosto strettamente collegate alla com-plessità del sito in relazione alla morfolo-gia e natura del suolo, all’accessibilità ealla connessione alla rete. I costi si riferi-scono a:� opere civili quali fondazioni, scavi per

cavidotti, viabilità necessaria a traspor-tare sul sito le sezioni delle macchine

149 Energia eolica

[11.6]Il mercato

Le politiche dei singoli stati variano sen-sibilmente in funzione delle circostanzecontingenti e delle reali volontà a perse-guire gli obiettivi ambientali, anche se,talvolta, dichiarati e sottoscritti.Stati che attualmente si interessano a que-sto tipo di tecnologia sono: Austria, Fin-landia, Canada, Germania, Danimarca,Grecia, Giappone, Olanda, Spagna, Nor-vegia, Svezia, Stati Uniti.Di seguito descriveremo il mercato relati-vo alle macchine di media e piccola taglia,concludendo con gli impianti offshore.

Macchine di piccola tagliaIl mercato degli aerogeneratori di picco-la taglia, di potenza nominale inferiore a50 kW, sebbene tuttora relegato in unarea di nicchia del settore e quasi semprerelativo ad applicazioni quantitativamen-te limitate in termini di numero di macchi-ne e di potenza complessiva, sta rapida-mente crescendo con interessanti pro-spettive per il prossimo.Questo rinnovato interesse per le applica-zioni eoliche di piccola taglia è principal-mente da imputare alla crescente neces-sità di generazione distribuita e di alimen-tazione delle utenze, ancora numerose nelmondo, non raggiunte dalla rete elettrica.A testimonianza di questo risveglio delpiccolo eolico vi è l’interesse concretoverso tale settore di recente mostrato,attraverso lo sviluppo di progetti ad hoc,da costruttori di aerogeneratori tradizio-nalmente inclini alla realizzazione di mac-chine di grande taglia.

Macchine di media e grande tagliaMolti ritengono che le macchine di gran-de taglia siano una evoluzione pura e

Non vi sono costi di combustibile, e perquanto riguarda l’esercizio, è da sottoli-neare che gli impianti sono controllati adistanza e non richiedono presidi perma-nenti sul sito.I benefici che si acquisiscono con il ricor-so all’energia eolica sono di due tipi, ingenere difficile trovare abbinati: econo-mico e ambientale.Gli stati membri dell’IEA (InternationalEnergy Agency) hanno individuato i prin-cipali effetti benefici associati all’impiegodell’energia eolica che, nel tempo, hannocontribuito ad aumentare l’interesse deimercati nuovi e già esistenti:� emissioni molto contenute di gas noci-

vi, soprattutto CO2, nell’intero ciclo divita, per unità di elettricità generata;

� risorsa diffusa con costi dell’energiagenerata prossimi a quelli degli im-pianti termici;

� disponibilità di elettricità da fonte diver-sa e sicura;

� rimozione delle incertezze connessealla fluttuazione dei prezzi dei combu-stibili;

� nuove prospettive industriali e occupa-zionali, attraverso la realizzazione deicomponenti e del loro assemblaggio,installazione degli aerogeneratori, pre-disposizione infrastrutture e esercizio emanutenzione degli impianti.

Inoltre, negli USA e in Svizzera, si è riscon-trato che l’eolico e l’idroelettrico hannoelevate capacità di integrazione e posso-no coesistere con ottimi risultati. L’eolicogenera quantitativi di elettricità maggioriin inverno quando si ha, in concomitanza,nei paesi freddi, una richiesta superiore dienergia elettrica. L’energia eolica aumenta la disponibilitàdi elettricità anche attraverso l’accumulo,effettuato con il pompaggio dell’acqua,per soddisfare i consumi di picco.


le stesse stiano soppiantando del tutto lemacchine di media taglia. Queste infatti,nelle versioni con potenza a partire da 600kW, continuano ad essere richieste nel casodi molti siti con scarsa accessibilità.

Macchine off shoreNel corso del 2002 è stato realizzato il piùgrande impianto off shore in Danimarca,la centrale di Horns Rev, con 80 aeroge-neratori da 2 MW Vestas V80-2,0 MW. Contale impianto, realizzato a 14 chilometridalla costa occidentale, la potenza com-plessiva dell’eolico off shore nel mondo èora superiore a 270 MW (per la stragran-de maggioranza localizzata in Danimarca).Nell’ambito off shore si sta assistendo adun continuo aumento delle dimensioni e,quindi, delle potenze sia dei singoli aero-generatori che delle centrali eoliche. Talicentrali saranno sempre più assimilabiliper la potenza impegnata e l’energiagenerata a quelle convenzionali termoe-lettriche e nucleari.

In conclusione, gli accertamenti sinoraeffettuati confermano la grande disponi-bilità di energia eolica utilizzabile in quasitutte le aree del globo. Il totale di questaenergia tecnicamente ottenibile è statostimato intorno a 53.000 TWh/anno, cioèoltre il doppio della richiesta mondiale dielettricità stimata al 2020. Affinché l’energia eolica possa soddisfarela domanda di elettricità nel 2020 per il12% è necessario che generi qualcosacome 3.000 TWh/anno. Non ci sono osta-coli insormontabili per l’immissione di talepercentuale di elettricità nel sistema elet-trico, poiché in Danimarca sono già statiraggiunti nella parte occidentale livelli dipicco di penetrazione eolica del 50%. Unlimite cautelativo del 20% è quindi facil-mente ipotizzabile.

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semplice di quelle di media taglia, comese queste ultime lo fossero di quelle dipiccola taglia.In realtà se da un punto di vista funziona-le e aerodinamico questo è generalmen-te vero, bisogna tuttavia considerare cheil gigantismo introduce problemi di rilie-vo, specialmente per quanto riguarda icarichi imposti alla struttura. Per questomotivo i grandi aerogeneratori hannosistemi attivi di regolazione della poten-za, con numero di giri variabile e passovariabile, in modo tale da diminuire, perquanto possibile, proprio quei carichi chepotrebbero pregiudicare la durata e l’af-fidabilità di tali impianti.Le macchine di taglia più grande sonouna seria ipoteca, da parte delle casecostruttrici, verso ordinativi importanti incampo off shore, nel momento in cui ipaesi interessati a questa attività comin-ceranno a richiederle. Infatti tali granditurbine, a volte con rotori di oltre 100metri di diametro, sono studiate apposi-tamente per l’off shore.Il fatto che stia aumentando il numero dellemacchine di grande taglia, sia disponibilisul mercato sia installate, non significa che

151 Energia eolica

Capitolo Dodici

Energia dalle biomasse

i rifiuti domestici in raccolta differenziata,i reflui civili e le deiezioni animali.Le biomasse possono essere impiegateper la produzione di energia utilizzandodiversi processi di conversione, sia cheesse derivino da colture energetiche dedi-cate (foreste a corta rotazione, colturealcoligene e oleaginose) ovvero siano pro-dotti residuali (agricoli, forestali e agroin-dustriali). Questi processi fanno riferimento a meto-di biochimici (digestione anaerobica,digestione aerobica, estrazione di olii eproduzione di biodiesel, fermentazionealcoolica) o termochimici (combustione,gassificazione, pirolisi), per la cui sceltavanno presi in considerazione i contenutiin carbonio e azoto (rapporto C/N) el’umidità presente nella materia organicada trattare.I processi di conversione biochimica per-mettono di ricavare energia per reazionechimica dovuta al contributo di enzimi,funghi e micro-organismi, che si formanonella biomassa sotto particolari condizio-ni, e vengono impiegati per quelle bio-masse in cui il rapporto C/N sia inferiorea 30 e l’umidità alla raccolta superiore al30%. Risultano idonei alla conversionebiochimica le colture acquatiche, alcunisottoprodotti colturali (foglie e steli di bar-babietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zoo-tecnici e alcuni scarti di lavorazione (bor-lande, acqua di vegetazione, ecc.), non-

[12.1]Le biomasse e la loro conversione energetica

Viene definita “biomassa” ogni sostanzaorganica di origine biologica, in forma nonfossile, prodotta direttamente o indiretta-mente dalla fotosintesi.Le biomasse si possono considerare fontirinnovabili di energia: attraverso determi-nate tecnologie di conversione energeti-ca, residui agro-industriali e scarti di lavo-razione, nonché risorse derivanti dalla fra-zione organica dei rifiuti solidi urbani(RSU), si inseriscono in un virtuoso rappor-to funzionale tra ciclo biologico e cicloproduttivo. A seconda del tipo e dellacomposizione, le biomasse possono esse-re bruciate per fornire calore, convertite incombustibile (metano, etanolo, metanolo,prodotti carboniosi) mediante l’impiego dimicrorganismi, l’azione di elevate tempe-rature o di agenti chimici, o utilizzate pergenerare energia elettrica. Le biomasse impiegate a fini energeticisono disponibili in varie forme: i residuiforestali e di lavorazione (frascami, rama-glie, scarti di segherie) le colture agricole(girasole, colza, sorgo da fibra, kenaf,miscanto) i residui dell’industria agroali-mentare e agroindustriale (potature dialberi da frutta, paglie di cereali, vinacce,sanse, noccioli e gusci di frutta), la frazio-ne organica dei rifiuti solidi urbani (RSU),

tricità. In quest’ultimo caso, l’aspettoenergetico riveste un ruolo complemen-tare rispetto a quello più propriamenteambientale (oltre alla depurazione deireflui, la combustione del metano cheandrebbe altrimenti disperso in aria);

� la trasformazione in combustibili liquididi particolari categorie di biomasse col-tivate come le specie oleaginose (produ-zione di biodiesel, estrazione degli oli esuccessiva conversione chimica deglistessi in miscele di esteri metilici e/o eti-lici) e specie zuccherine (produzione dietanolo via fermentazione alcoolica).

L’utilizzo della biomassa come fonte rinno-vabile può essere realizzato nell’ambitodi due sistemi: quello in cui si recuperamateria prima vegetale residuale (manu-tenzione forestale, residui agricoli, indu-stria del legno, industria agro-alimentare),e quello in cui la materia prima vegetaledeve essere prodotta con apposite colti-vazioni energetiche prima di essere rac-colta, trasformata e impiegata. È importante sottolineare, inoltre, chel’utilizzo a fini energetici delle biomassepuò essere vantaggioso quando queste sipresentano concentrate e disponibili consufficiente continuità nell’arco dell’anno,mentre una eccessiva dispersione sul ter-ritorio e una concentrata stagionalità deiraccolti, rendono più difficili e onerosi laraccolta, il trasporto e lo stoccaggio.Di seguito descriveremo le tecnologierelative ai vari processi di conversioneenergetica.

[12.2]Le tecnologie di conversionetermochimica

L’energia prodotta dalla raccolta e inseguito dall’utilizzo delle biomasse per-

ché la biomassa eterogenea immagazzi-nata nelle discariche controllate.I processi di conversione termochimicasono basati sull’azione del calore che per-mette le reazioni chimiche necessarie atrasformare la materia in energia, e sonoutilizzabili per i prodotti e i residui cellu-losici e legnosi in cui il rapporto C/N abbiavalori superiori a 30 e il contenuto di umi-dità non superi il 30%. Le biomasse piùadatte a subire processi di conversionetermochimica sono la legna e tutti i suoiderivati (segatura, trucioli, ecc.), i piùcomuni sottoprodotti colturali di tipoligno-cellulosico (paglia di cereali, residuidi potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.)e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula,gusci, noccioli, ecc.).


LLee bbiioommaassssee,, aa sseeccoonnddaa ddeell ttiippoo ee ddeellllaa ccoommppoossiizziioonnee,, ppoossssoonnoo eessssee--rree bbrruucciiaattee ppeerr ffoorrnniirree ccaalloorree oo ggeenneerraarree eenneerrggiiaa eelleettttrriiccaa,, ooppppuurree ccoonn--vveerrttiittee iinn ccoommbbuussttiibbiillee ((mmeettaannoo,, eettaannoolloo,, mmeettaannoolloo,, pprrooddoottttii ccaarrbboo--nniioossii)) mmeeddiiaannttee ll''iimmppiieeggoo ddii mmiiccrroorrggaanniissmmii oo ppeerr aazziioonnee ddii eelleevvaatteetteemmppeerraattuurree oo aaggeennttii cchhiimmiiccii..

Riassumendo

In particolare, dal punto di vista tecnolo-gico e industriale le alternative per la valo-rizzazione energetica delle biomasse giàmature sono sostanzialmente tre: � la combustione diretta, con conse-

guente produzione di calore da utilizza-re per il riscaldamento domestico, civi-le e industriale o per la generazione divapore (forza motrice o produzione dienergia elettrica);

� la produzione di biogas mediante fer-mentazione anaerobica di reflui zoo-tecnici, civili o agroindustriali, e la suc-cessiva utilizzazione del biogas prodot-to per la generazione di calore e/o elet-

La tecnologia più diffusa per la produzio-ne di energia elettrica è la combustionein caldaia di biocombustibili solidi conproduzione di vapore che alimenta unaturbina accoppiata ad un alternatore perla generazione di elettricità. Per quanto riguarda l’uso civile, l’utilizzodi materiale legnoso per fini energetici sista intensificando in relazione all’aumen-to di caldaie a legna, passando dai vec-chi sistemi a caricamento manuale allemoderne e sofisticate caldaie ad elevatogrado tecnologico, dotate di dispositividi controllo automatici, e in grado di sod-disfare da sole il fabbisogno energeticodelle unità abitative con rendimenti termi-ci che possono raggiungere il 90%. Le caldaie moderne bruciano combustibi-li legnosi di alta qualità, come i pellets, ilcippato e gli scarti di lavorazione, conemissioni paragonabili a quelle dei siste-mi convenzionali a gas e gasolio. La combustione in caldaie industriali, inve-ce, è economicamente concepibile solo inimpianti di significative dimensioni, chequindi prevedano una soglia minima del-l’ordine di 1 MWe, corrispondenti ad unconsumo di biomassa (al 35% di umidità)pari a circa 25 tonnellate al giorno. Il ren-dimento elettrico di questi impianti ègeneralmente dell’ordine del 25%, per cuiè fondamentale, da un punto di vista eco-nomico e ambientale, massimizzare ilrecupero del calore di processo, pari al75% dell’energia immessa con il combu-stibile: ciò non sempre è possibile, ancheconsiderando che le possibili utenze ter-miche sono normalmente stagionali e, permotivi ambientali, non localizzate vicinoagli impianti.Le tecnologie di conversione termochimi-ca che verranno analizzate di seguito,sono:� la combustione;

155 Energia dalle biomasse

Combustibili legnosi

PPeelllleettss

Il pellet è una estrusione in continuo che viene suddivisa poi in tron-chetti di differenti dimensioni (diametro da 6 a 12 mm altezza da 12 a18 mm) idonei per l'alimentazione di stufe e caldaie. Si ottiene grazieall'azione di macchine pellettizzatrici che agiscono comprimendo residuilegnosi di ridotte dimensioni, trucioli, segatura, corteccia, appartenenti adiverse specie legnose. La fase di compressione può essere preceduta, senecessario, da interventi di triturazione qualora il pezzame presentidimensioni elevate, e di essiccazione, tenendo presente che per avere uncombustibile che assicuri ottima resa e limitato inquinamento, occorreche il livello di umidità non superi il 15%.I pellets sono caratterizzati da un basso contenuto di umidità, 6-10%,così come un basso contenuto di ceneri, approssimativamente 0.5%; pecu-liarità del pellet, che lo contraddistingue dal legno, è quella di presenta-re un volume praticamente costante. Questa sua caratteristica è conse-guenza del processo di formazione: la compressione di materiale fine,infatti, porta alla realizzazione di un prodotto con porosità nettamenteinferiore rispetto al legno. Il pellet ha un potere calorico inferiore di circa4200 kcal/kg, nettamente superiore rispetto agli altri combustibili di ori-gine legnosa.Queste proprietà contribuiscono ad evidenziare le qualità del prodotto dalpunto di vista della commercializzazione e degli spazi necessari per lostoccaggio.

CCiippppaattoo

L'etimologia del termine è la derivazione dall'inglese chips “pezzettini”;nel caso specifico si tratta di pezzettini di legno ricavati da scarti in lavo-razione da piante prive di sostanze inquinanti (quali vernici, ecc.). Il cip-pato, infatti, è ottenuto da scarti di legno puro delle segherie, scarti dipotature e di tagli derivanti da manutenzione dei boschi e delle aree verdi.Utilizzando il cippato, si riscontrano notevoli risparmi complessivi, in piùsi evitano sprechi essendo questa una risorsa che altrimenti andrebbedispersa.Dato il prezzo molto basso, essendo non inquinante e rinnovabile, in alcu-ne regioni viene molto usato, in particolare nel teleriscaldamento, conun risparmio dell'80% sui gas e idrocarburi.

mette di produrre sia energia elettrica, siaenergia termica. Le tecnologie di conver-sione possono essere realizzate su gran-de scala (ad es. centrali di generazione dienergia elettrica) o su scala ridotta (ad es.caldaie per uso civile).

Già da diversi anni sono in funzione nume-rosi impianti di media-grossa taglia ali-mentati a biomassa che generalmente pri-vilegiano la produzione combinata di elet-tricità e calore e in diversi casi alimenta-no dei sistemi di teleriscaldamento. Lasoluzione della produzione combinataelettricità e calore (CHP, Combined Heatand Power), per esempio, è stata adotta-ta in Danimarca, dove vengono impiega-ti generalmente combustori a griglia ali-mentati da paglia, cippato di legna e rifiu-ti. La potenzialità di questi impianti è rela-tivamente bassa, con taglie che partonoda circa 2 MWe per arrivare ad oltre 20MWe. La combustione di biomasse, nelcomplesso, fornisce un significativo am-montare di energia, sia come calore checome energia elettrica.I diversi sistemi di combustione utilizzatisono:� a griglia – fissa o mobile la griglia è un

elemento fondamentale oltre che per lareazione termica, anche per la rimozio-ne delle ceneri; i sistemi fissi sono gene-ralmente usati per i combustori di pic-cola taglia. Per gli impianti industriali siadoperano le griglie mobili che facilita-

� la gassificazione;� la pirolisi;� la termovalorizzazione dei rifiuti.

CombustioneLa combustione consiste nell’ossidazionecompleta di una sostanza, che brucia inpresenza dell’ossigeno contenuto nel-l’aria, il quale agisce da comburente. Sitratta di una reazione esotermica nel corsodella quale l’energia chimica contenutanel combustibile si libera sotto forma dicalore.Gli schemi classici prendono in conside-razione quattro fasi distinte, caratterizza-te dalla trasformazione del combustibile:riscaldamento e essiccazione (fino a circa200 °C), pirolisi, fase gassosa, reazioni diossidazione del carbonio.Per quanto riguarda la combustione, isistemi di piccola taglia sono impiegatinel settore industriale essenzialmente perla produzione di energia termica: solo inItalia il loro numero è stimato in oltre 3.000unità. Per la produzione combinata dienergia elettrica e termica, invece, sonoimpiegati sistemi di taglia maggiore e piùsofisticati.


Caratteristiche di baseTipo di biomasse Rapporto C/N Contenuto H20 Processo

Piante e residui legnosi e cellulosici C/N>30 H20 = 30% CombustioneCarbonizzazioneGassificazionePirolisi

Piante e residui cellulosici e amilacei * H20 > 30% Idrolisi e fermentazione alcoolica

Piante e residui zuccherini * 15 < H20 < 90% fermentazione alcoolica

Piante e residui fermentiscibili 20<C/N<30 H20 > 30% Digestione anaerobica

Piante e residui oleoginosi * H20 > 30% Estrazione di olio

Deiezioni animali 20 <C/N< 30 70 < H20 < 90% Digestione anaerobica

(*) Il rapporto C/N può essere qualsiasi

Biomasse utilizzabili a fini energetici e relativi processi di conversione energetica

mente riempita con materiale inerte,quale la sabbia o l’allumina, che vienefluidificato dall’aria di combustione pri-maria in modo da costituire il “lettobollente” o, nel caso di maggiore velo-cità dell’aria e di trascinamento delmateriale, il cosiddetto “letto ricircola-to”, il quale viene recuperato e reim-messo nella camera di combustione.Oltre al materiale inerte può essereimmesso anche del materiale che per-mette di variare le condizioni dell’am-biente nel quale si verifica la combu-stione: infatti, nel caso di combustibiliinquinati con composti acidi o conte-nenti ceneri basso-fondenti, si puòusare del calcare o della dolomite perabbattere gli inquinanti acidi e per evi-tare la fusione delle ceneri nelle condi-zioni operative del combustore.

I principali dispositivi per il settore civile(riscaldamento degli ambienti) che vedo-no numerosi modelli in commercio sia alivello nazionale che europeo, possonoessere così raggruppati:� termocucine a legna, di uso prettamen-

te mono-familiare, adibite sia al riscal-damento di ambienti sia per la cotturadei cibi, aventi un rendimento globaledi circa il 70-75%;

� termocamini a legna, anche questi peruso mono-familiari, con scambiatori adacqua o ad aria, aventi una efficienzamedia pari a circa il 50%;

� caldaie a legna di piccola-media po-tenza (20-300 kWth), aventi una efficien-za media variabile tra il 60-80%, ingrado di garantire il riscaldamento disingole unità abitative o di piccoli com-plessi residenziali, dotati nel caso delletaglie più piccole di griglia fissa e dicaricamento manuale del combustibile,mentre per le potenzialità maggiorisono presenti tramogge di carico, siste-

no la movimentazione, il rimescolamen-to del combustibile e la rimozione dellesue ceneri; tali griglie possono esseredi vario tipo, vibranti orizzontalmentee/o verticalmente, a nastro, rotante, agradini, a rulli, ecc., e in alcuni casi ven-gono raffreddate con aria o con acquaper consentirne un carico termico spe-cifico maggiore;

� in sospensione – scelta indicata per lebiomasse polverulenti e leggere tipo lalolla di riso, la segatura, la polvere dilegno e la paglia triturata, in cui la bio-massa viene alimentata nella parte su-periore del combustore e brucia men-tre cade sulla griglia sottostante, aven-te principalmente la funzione di scaricodelle ceneri;

� a tamburo rotante – soluzione utilizza-ta per applicazioni in cui il combustibi-le ha caratteristiche termo-fisiche parti-colarmente povere e contenente eleva-ti carichi di inquinante. La biomassa incombustione è continuamente rime-scolata dalla lenta rotazione del tambu-ro e il percorso dei prodotti di combu-stione può essere in equicorrente o incontrocorrente con la direzione di avan-zamento della biomassa;

� a doppio stadio – processo in cui siverifica preliminarmente la gassificazio-ne e la pirolisi del materiale, in unaprima camera, e una completa combu-stione dei prodotti gassificati in unaseconda, costituente il corpo principa-le del trasferimento dell’energia al flui-do vettore;

� in letto fluido – soluzione che consen-te di trattare vari tipi di biomassa, inclu-si i materiali carboniosi “difficili” qualiligniti, torbe, rifiuti solidi urbani selezio-nati, fanghi di varia natura, anche adelevata percentuale di umidità (> 40%).La camera di combustione è parzial-


masse lignocellulosiche coltivate, residuiagricoli o rifiuti solidi urbani, in un gascombustibile molto più versatile da utiliz-zare. Tale gas può infatti essere impiega-to in motori a combustione interna (MCI),per l’alimentazione di turbine a gas o ciclicombinati o anche per applicazioni piùavveniristiche come l’alimentazione di fuelcells.Il processo di gassificazione (fig. 12.1)consiste nella trasformazione di un com-bustibile solido, nel caso specifico la bio-massa, in combustibile gassoso, tramite lareazione con l’ossigeno. Da questo pro-cesso si ottiene, infatti, un gas a bassopotere calorifico (detto gas di gasogeno)variabile tra 900 e 1200 kcal/Nm3, per rea-zione della biomassa stessa con una quan-tità di aria tale da non consentire comple-ta ossidazione.L’utilizzazione del gas di gasogeno qualevettore energetico, pone alcune limitazio-ni legate essenzialmente ai problemi con-nessi con il suo immagazzinamento e tra-sporto, causa il basso contenuto energe-tico per unità di volume. Ciò fa sì che risul-ti eccessivamente costoso il trasporto sulunghe distanze. Tali inconvenienti posso-no essere superati trasformando il gas inmetanolo (CH3OH), che può essere age-volmente utilizzato per l’azionamento dimotori.Le tecnologie relative alla gassificazione sidistinguono in base a un determinatoparametro che è la pressione di esercizio.Si hanno così gassificatori che operanosotto pressione oppure a pressione atmo-sferica. La composizione del gas e il pote-re calorifico non sono significativamentediversi per i due sistemi, tuttavia, rispettoai gassificatori atmosferici i gassificatoripressurizzati:� hanno un sistema d’alimentazione più

complesso e costoso,

mi di alimentazione, griglie fisse omobili, sistemi di evacuazione delleceneri e abbattitori di polveri primadello scarico dei fumi al camino. Le cal-daie per il riscaldamento dell’acquasono del tipo a tubi di fumo, in cui i gascaldi di combustione attraversano i fascitubieri immersi nell’acqua cui trasferi-scono il calore.

Per quanto riguarda il settore agricolosono particolarmente interessanti i com-bustori a larga camera e a griglia mobile,dotati di opportuni sistemi per l’alimenta-zione di paglia in balle, dei residui di pota-tura degli alberi, residui della lavorazioneagro-industriale.Da quanto esposto si desume che leapparecchiature adoperate per la com-bustione puntano a recuperare la massi-ma parte dell’energia sviluppata duranteil processo. Tale recupero può avvenire inmodo diretto tramite le pareti del dispo-sitivo (stufe), oppure in modo indiretto permezzo di fluido vettore (caldaie). La pre-senza della sezione di recupero del calo-re non solo è conveniente dal punto divista energetico e economico, ma si rendenecessaria per ridurre la temperatura deifumi in uscita della camera di combustio-ne (si può arrivare a 1200 °C) a livelli talida rendere possibile il loro trattamento(non superiore a 300 °C). I dispositivi dicombustione delle biomasse presentanodelle caratteristiche costruttive differenti aseconda che il loro impiego sia destinatoal settore civile, agricolo o industriale.

GassificazioneSi tratta di un processo non ancora matu-ro e in via di sviluppo, in particolare la gas-sificazione per la produzione di combusti-bili liquidi sun-diesel.Attraverso la gassificazione è possibileconvertire materie prime quali legno, bio-


� comportano investimenti più alti a pari-tà di dimensioni,

� non richiedono la compressione del gasprodotto per l’accoppiamento con tur-bogas, permettendo più alti contenutidi catrame nel gas e la depurazione acaldo dello stesso,

� hanno efficienza più alta, grazie allaritenzione del calore sensibile e all’ener-gia chimica del catrame nel gas.

I gassificatori atmosferici comunque:� producono senza particolari oneri gas

idoneo per impieghi nei motori a com-bustione interna (MCI) per i quali non èrichiesta pressione;

� presentano costi di investimento poten-zialmente inferiori a più basse potenze(sotto i 30 MWe).

Il gas può essere usato per un elevatonumero di applicazioni; idealmente si con-sidera la completa conversione di tutti iprodotti condensabili, gli idrocarburi e ilparticolato solido nel gassificatore, perottenere gas combustibile.Il processo di gassificazione, inoltre, puòessere impiegato per la produzione diidrogeno, combustibile primo di fuel cells(v. anche capitolo 13).

PirolisiUn altro processo di conversione è la piro-lisi, che mira ad ottenere combustibililiquidi più facilmente trasportabili (bio-oli),e la produzione di bioetanolo da biomas-se lignocellulosiche.La pirolisi è un processo di decomposizio-ne termochimica di materiali organici,ottenuto mediante l’applicazione di calo-re, a temperature comprese tra 400 e 800°C, in completa assenza di un agente ossi-dante, oppure con una ridottissima quan-tità di ossigeno (in quest’ultimo caso ilprocesso può essere descritto come unaparziale gassificazione). Il calore è gene-


GassificazioneFig. 12.1

Produzione energia elettricaGas per sintesiProduzione idrogeno (fuel cell)

FiltrazioneGassificazione

Pretrattamento

• Comminuzione• Essiccazione

• Aria• Vapore• Ossigeno

• Residuilignocellulosici

• SRF

PCI 5-15 MJ/NmcProduttività: 1-3 kggas/kgblom

Gas combustibilePurificazione:filtri ceramici,

cicloni, scrubber

Le moderne celle a combustibile sono reattori elettrochimici in grado diconvertire l'energia chimica delle reazioni che in essi avvengono diret-tamente in energia elettrica (v. capitolo 13). Questo passaggio diretto com-porta rendimenti elevati e assai maggiori di quelli dei tradizionali siste-mi per produrre energia. Rispetto alle modalità classiche di generazioneenergetica si evita infatti il ciclo termico intermedio.Si possono qui riassumere una serie di vantaggi derivanti dall'uso di cellea combustibile:� i dispositivi non presentano parti in movimento, assicurando una

maggiore sicurezza per le persone che operano nelle vicinanze, un pro-getto più semplice, una maggiore affidabilità e silenziosità;

� il ridotto impatto ambientale di tipo chimico e acustico, rende questisistemi particolarmente appropriati per la produzione di energia elet-trica, anche nelle vicinanze di centri abitati;

� l'alimentazione di cella può essere costituita da metano, metanolo, gasnaturale e gas di sintesi (da combustibili liquidi, gassificazione del car-bone, biomassa); quasi tutti i tipi di cella offrono una buona flessibi-lità nella scelta dei combustibili;

� sono applicabili in sistemi di generazione dispersa (generatori stazio-nari on-site, piccoli gruppi elettrogeni, autotrazione, ecc.) e, se ope-ranti ad alta temperatura, offrono la possibilità di cogenerazione.

Uno dei maggiori limiti degli impianti tradizionali è costituito dalla fortedipendenza dalle variazioni di carico elettrico e dalle dimensioni minimeper avere un rendimento accettabile: le buone prestazioni in condizioni dioff-design e la flessibilità di taglia delle celle a combustibile costituisconoquindi un ulteriore motivo a favore della loro affermazione, la loro modu-larità inoltre permette di soddisfare eventuali richieste di potenze maggio-ri senza influire troppo sul piano economico e sui tempi di costruzione.

Fuel cells (celle a combustibile)

dei componenti elementari della biomas-sa sono considerati troppo alti. Ad esempio, la separazione di lignina eemicellulosa pure risulta molto difficolto-sa, e quindi particolarmente costosa, acausa dei cambiamenti strutturali cheintervengono nei processi, mentre è rela-tivamente facile ottenere cellulosa pura.Le più comuni modalità di esecuzione delprocesso di pirolisi sono:� la carbonizzazione, il più antico e cono-

sciuto processo di pirolisi, che avvienea temperature comprese tra i 300 e 500°C; da tale processo si recupera solo lafrazione solida (carbone vegetale), percui si procede in modo da minimizzarele altre frazioni;

� la pirolisi convenzionale, che avviene atemperature moderate, minori di 600°C, con moderati tempi di reazione; datale si ottengono approssimativamentele tre frazioni in uguale proporzioni;

� la fast pirolisi, che avviene a tempera-ture relativamente basse (da 500 a 650°C); in questo processo le reazioni dellagassificazione avvengono velocementee con tempi di contatto brevi in mododa ridurre il riformarsi di composti inter-medi, favorendo la produzione dellafrazione liquida fino al 70-80% in pesodella biomassa in entrata;

� la flash pirolisi, realizzata in modo damantenere gli stessi tempi di contattodella fast pirolisi, ma a temperaturesuperiori a 700 °C e con tempi di con-tatto inferiori ad un secondo, in mododa favorire la produzione di una frazio-ne liquida intorno all’80% in peso dellabiomassa in entrata, ma con una varia-zione di composizione più ristretta.

In sintesi, con il processo di pirolisi si tra-sforma un combustibile a bassa densitàenergetica (3000-4000 kcal/kg) in un altroa più elevato contenuto energetico spe-

ralmente fornito indirettamente in varimodi, sebbene la parziale gassificazionepossa essere sfruttata per fornire diretta-mente calore a spese delle sostanze car-bonizzate e dei prodotti liquidi.In questo processo si sfrutta la genericabiomassa: una miscela di emicellulosa, cel-lulosa, lignina e altre sostanze organichepresenti in quantità minore. Ciascun com-ponente subisce il processo di pirolisi indiversa misura e con diversi meccanismi(fig. 12.2); il grado di decomposizione diciascuno dipende dai parametri di proces-so della pirolisi: temperatura di reazione,livello di riscaldamento della biomassa epressione. I prodotti della pirolisi sono siagassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzio-ni che dipendono dai metodi e dai para-metri di reazione. Il grado della reazionesecondaria dei prodotti gas-vapore dipen-de dalla storia (tempo-temperatura) a cuiessi sono stati sottoposti. Sebbene alcu-ne ricerche mirate siano state condotterelativamente ai singoli componenti dellebiomasse, la maggior parte degli studi edelle sperimentazioni finora effettuati si èconcentrata sull’intera biomassa, in quan-to, a tutt’oggi, i costi di pre-separazione


Energia dalle biomasseFig. 12.2

energetico, la bonifica dei fumi e un fornoinceneritore.Inoltre, la parziale sostituzione dei combu-stibili fossili con rifiuti (o combustibili deri-vati dai rifiuti) in centrali termoelettriche oimpianti industriali, detta co-combustione,consente numerosi vantaggi quali elimina-zione dei rifiuti e risparmio di combustibi-li fossili, nonché risparmio di materia conriduzione dell’effetto serra e incrementodell’efficienza energetica. La maggior parte delle esperienze di co-combustione hanno riguardato particola-ri tipologie di rifiuti speciali o di rifiuti tipi-ci della produzione industriale in relazio-ne alle necessità di smaltimento dellediverse realtà locali. Le principali tipologiedi rifiuti utilizzati sono:� pneumatici usati,� fanghi attivi dei processi di depura-

zione,� carta,� paglia,� rifiuti di legno (segatura, demolizioni,

ecc.),� biomasse (pellami, scarti mercatali,

ecc.),� letame,� plastiche.Infine, è importante ricordare che grazieall’evoluzione tecnologica dei sistemi diabbattimento degli inquinanti prodottidurante la combustione, oggi è possibilerealizzare inceneritori con un impattoambientale assolutamente accettabile.

[12.3]Le tecnologie di conversionebiochimica

I processi di conversione che descrivere-mo riguardano applicazioni sia mature siain via di sviluppo.

cifico (8000-10000 kcal/kg), riducendonedi conseguenza i costi di trasporto.I prodotti liquidi della pirolisi devono subi-re ulteriori processi per aumentarne la qua-lità e la stabilità (up-grading) per ottenereun prodotto chiamato “bio-olio”, utilizza-bile per esempio, come combustibile incampo industriale, per il riscaldamento deiforni di cottura per il cemento e la calce.

La termovalorizzazione dei rifiutiUn’altra importante applicazione delletecnologie di conversione termochimica èla valorizzazione energetica dei rifiuti,quale ottima alternativa al recupero dimateria, in quanto consente:� recupero energetico, � igienizzazione e inertizzazione dei rifiuti, � protezione dell’ambiente, � riduzione della quantità di rifiuti smaltiti

in discarica e conseguente aumento delrendimento volumetrico delle discariche.

In particolare la termovalorizzazione deiRSU può essere condotta secondo trepossibili vie:� incenerimento di RSU tal quali;� incenerimento di una frazione combu-

stibile ricavata da separazione grosso-lana, mediante selezione meccanica deirifiuti urbani;

� incenerimento di combustibile derivatoda rifiuti (CDR), ottenuto attraverso unaseparazione raffinata del rifiuto urbanoin modo da aumentarne il potere calo-rifico.

È possibile bruciare i rifiuti in impiantidedicati oppure in impianti industrialiconvenzionali (cementifici, centrali elet-triche, ecc.). Lo schema generale di unimpianto di incenerimento prevede, oltrealla eventuale sezione di separazione dialcuni componenti dai RSU, una fossabiologica, un sistema di convogliamentoalla camera di combustione, il recupero


Il biogas così prodotto viene raccolto,essiccato, compresso e immagazzinato epuò essere utilizzato per alimentare lostesso processo di bioconversione, veico-li a gas, ovvero caldaie a gas per riscalda-re l’acqua o produrre energia elettrica.Un contributo importante che può darequesto processo è relativo alla riduzionedei gas serra.Le deiezioni animali rappresentano circail 90% delle circa 1.200 milioni di tonnel-late di biomassa prodotta annualmentenei paesi dell’Unione Europea.Le emissioni di metano prodotte dalleattività zootecniche derivano sia dai pro-cessi digestivi (emissioni enteriche) siadalla degradazione anaerobica delle deie-zioni animali (emissioni derivanti dallagestione delle deiezioni). Riduzioni delle emissioni di metano pos-sono essere ottenute attraverso interven-ti sulle strutture di stoccaggio delle deie-zioni, che consistono sostanzialmentenella copertura dei contenitori di stoccag-gio dei liquami, con captazione del bio-gas e combustione dello stesso. In talmodo è possibile da un lato limitaresostanzialmente le emissioni di metano,dall’altro attraverso la combustione diquest’ultimo, produrre energia da fontirinnovabili (elettrica e termica nel caso diutilizzo di cogeneratori, o soltanto termi-ca qualora il biogas venga utilizzato in cal-daia) sostituendo combustibili fossili.

Digestione aerobicaIl processo di digestione aerobica consi-ste nella metabolizzazione delle sostanzeorganiche per opera di micro-organismi,il cui sviluppo è condizionato dalla presen-za di ossigeno. Questi batteri convertonosostanze complesse in altre più semplici,liberando CO2 e H2O e producendo un

Digestione anaerobicaLa digestione anaerobica è un processo diconversione consistente nella demolizio-ne, ad opera di micro-organismi, di so-stanze organiche complesse (lipidi, proti-di, glucidi) contenute nei vegetali e neisottoprodotti di origine animale, che pro-duce un gas (biogas) costituito per il 50-70% da metano e per la restante partesoprattutto da CO2, e avente un poterecalorifico medio dell’ordine di 23.000kJ/Nm3. Tale processo si svolge in assen-za di ossigeno, tramite lo sviluppo dipopolazioni micro-organiche, in tre stadisuccessivi:� idrolisi, ossia rottura per effetto di mole-

cole di acqua, delle grandi molecolequali la cellulosa, le proteine e i lipidi;

� acidificazione e fermentazione di acidivolatili, di anidride carbonica e di idro-geno;

� metanizzazione dei prodotti derivantidal secondo stadio, per azione dei bat-teri metanigeni presenti.

Il processo avviene entro un apposito reci-piente (digestore), in cui viene immessauna massa (substrato) formata da sostan-za secca (solidi totali) e acqua, in concen-trazioni variabili. La materia che vienedemolita è il 40-60% della sostanza orga-nica (solidi volatili) presente nel substrato,il quale deve essere mantenuto nel dige-store ad una temperatura di circa 35-37 °C(nota come fascia mesofila) per un perio-do di ritenzione massimo di 20 giorni,diverso a seconda della tecnologia impie-gata, delle fluttuazioni della temperaturaesterna, nonché della composizione dellostesso substrato. Alcuni nuovi processioperano a temperature maggiori di 55 °C(fascia termofila) offrendo la possibilità diottenere un maggior grado di decompo-sizione.


separare le sostanze grasse dalla matriceproteica che le sostiene, pervenendoall’isolamento di ciascuna di esse. I proces-si tecnologici di estrazione rappresentanouna successione di operazioni la cui com-plessità dipende dalla morfologia dellamateria prima. Gli oli possono essere uti-lizzati come combustibili nello stato in cuivengono estratti oppure dopo esterifica-zione, e il loro utilizzo ha destato ormai datempo un notevole interesse, sia per ladisponibilità di tecnologie semplici di tra-sformazione e utilizzazione, sia perché con-sentono bilanci energetici favorevoli.Il biodiesel, in particolare, deriva dallatransesterificazione degli oli vegetali (soia,colza e girasole) effettuata con alcoolmetilico e etilico: il risultato è un combu-stibile simile al gasolio e utilizzabile siapuro, sia in miscela con il gasolio stesso.Dal 1992 la produzione di biodiesel dacolza e girasole è sensibilmente aumen-tata; inizialmente il business legato al bio-diesel derivava essenzialmente da motiva-zioni agricole mentre oggi si sono affer-mate le motivazioni energetiche eambientali. Le stime della produzione alivello europeo per il 2001 sono di circa750.000 tonnellate di biodiesel, che signi-fica 14 volte la produzione del 1992; levalutazioni sulla produzione del 2007superano i 5 milioni di tonnellate. Grazie ad un importante aumento delvolume di olio di colza prodotto, la Ger-mania si pone al primo posto in Europaper la produzione di biodiesel; la Franciasi colloca al secondo posto; seguonoAustria e Italia. Il Belgio ha una discretacapacità produttiva ma la produzione èfortemente variabile di anno in anno.Esistono numerosi impianti di esterifica-zione in funzione nei Paesi citati oltre aSvezia e Repubblica Ceca.

elevato riscaldamento del substrato, pro-porzionale alla loro attività metabolica.Il calore prodotto può essere così trasfe-rito all’esterno, mediante scambiatori afluido. In Europa viene ampiamente utilizzato(soprattutto in Germania, dove sonoimposte stringenti norme circa la distruzio-ne delle sostanze patogene) il processo didigestione aerobica termofila autoriscal-data (Autoheated Termophilic AerobicDigestion) per il trattamento delle acquedi scarico. Più recentemente tale tecnolo-gia si è diffusa anche in Canada e StatiUniti. Il processo necessita generalmentedi un periodo di ritenzione di circa seigiorni ed è in grado di raggiungere altigradi di stabilizzazione e di distruzionedei microbi patogeni.

[12.4]Produzione di combustibili liquidi

Produzione di biodieselEsistono altre tecnologie che utilizzanoparticolari tipi di sostanze organiche qualiad esempio gli oli vegetali che possonoessere estratti da piante oleaginose tiposoia, colza, girasole, ecc. Caratteristica comune di tutte le oleagino-se è quella di essere ricche di materie pro-teiche le quali, dopo l’estrazione dell’olio,sono impiegabili nell’alimentazione ani-male sotto forma di panelli. I principalipaesi produttori europei sono: � per la colza, Germania, Francia, Gran

Bretagna e Danimarca; � per il girasole, Francia, Spagna e Italia; � per la soia, principalmente Stati Uniti,

Brasile e Argentina.La tecnologia di estrazione consente di


applicazione si è fortemente ampliata apartire dalla metà degli anni settanta, acausa della crisi petrolifera, con l’intentodi costituire una valida alternativa ai car-buranti di tipo tradizionale. Il particolareinteresse verso la filiera dei biocombusti-bili è anche dovuto alla necessità di indi-viduare valide soluzioni per il conteni-mento dell’inquinamento causato daicombustibili fossili usati per i trasporti;infatti, il traffico stradale è responsabileper il 93% delle emissioni di CO e per il12% di quelle di CO2. I biocombustibili,di contro, sono di origine vegetale e quin-di non contribuiscono in maniera nettaall’emissione in atmosfera né di CO2, nédi altre sostanze nocive associate ai com-bustibili fossili.

[12.5]Le principali aree di applicazione

La quantificazione del consumo di legnoa fini energetici è una operazione estre-mamente complessa, in quanto non esi-stono rilevazioni sufficientemente atten-dibili, in particolare per ciò che concernegli utilizzi domestici. Tuttavia, va sottoli-neato che il mercato del calore per ilriscaldamento di edifici (e per usi indu-striali a piccola scala) vede già ora le bio-masse lignocellulosiche in posizione digrande competitività nei confronti deicombustibili fossili.

Energia per uso domesticoNel comparto domestico, stufe, camini,caldaie e termocucine di potenza di qual-che decina o centinaio di kW sono corren-temente commercializzate.Oggi il mercato dei dispositivi di piccola

Il trend va comunque nella direzione del-l’incremento a causa della crescita dinuovi progetti.La Gran Bretagna ha approvato una defi-scalizzazione del prodotto che dovrebbecausare la realizzazione di altri impianti.Francia e Italia prevedono l’esenzione dal-l’accisa per un contingente annuo; inGermania e Austria non vi sono limitiquantitativi per la vendita del biodieselpuro.

Fermentazione alcoolica e bioetanoloLa fermentazione alcolica è un processo,di tipo micro-aerofilo, di trasformazione inbioetanolo dei glucidi contenuti nelle pro-duzioni vegetali; esso interessa tutti i pro-dotti e sottoprodotti agricoli ricchi di glu-cosio, presente sotto forma di zuccheri, dicellulosa, di emicellulosa di lignina o diamido. Questi ultimi, essendo polisacca-ridi, possono essere trasformati in alcooletilico previo trattamento di idrolisi, aven-te il compito di rompere le grandi mole-cole riducendole a glucosio. Il bioetanolo viene prodotto, quindi, tra-mite processi di fermentazione e distilla-zione di materiali zuccherini o amidacei; ladestinazione più considerata è il suo uti-lizzo nella sintesi dell’ETBE (EtilTertioButilEtere), usato in miscela alle benzinecome antidetonante in sostituzione delpiombo tetraetile o degli idrocarburi aro-matici. Il bioetanolo viene oggi prodotto in quan-tità industriale per essere utilizzato comecarburante in Brasile e negli USA, mentrevari programmi di ricerca e sviluppo sonoportati avanti in Germania, Svezia, Italia eFrancia.Tali sostanze sono utilizzabili anche neimotori a combustione interna, e la loro


Energia termica per usi industrialiNel settore industriale ci sono molteplicirealtà che ben si prestano alla valorizzazio-ne degli scarti lignocellulosici, derivantidal loro stesso ciclo produttivo, da riutiliz-zare come risorsa per la produzione dienergia termica (riscaldamento, raffresca-mento, calore di processo) e anche elet-trica di cui necessitano. In molti casi legrandi imprese arrivano a disporre diquantitativi ragguardevoli di biomasseresiduali tali da consentire loro, oltre alsoddisfacimento delle proprie esigenzeenergetiche, la messa in rete del surplusdi energia prodotta. Tale valorizzazionedetermina vantaggi da un punto di vistaeconomico, sia per il risparmio sull’ener-gia da acquistare o eventualmente perquella venduta, sia per la riduzione deicosti di smaltimento dei residui prodotti. Un altro aspetto da non trascurare è datodal ritorno di immagine che una correttapolitica ambientale, rivolta all’uso di fontienergetiche rinnovabili, può produrre avantaggio dell’impresa nei confronti deinumerosi consumatori attenti a questetematiche.

Biocombustibili per i veicoli a motoreEsistono, come spiegato in precedenza,oli vegetali che possono essere estratti dapiante oleaginose. Questi oli sono giàstati impiegati come carburanti nei moto-ri diesel, anche se in alcuni casi si è riscon-trato qualche inconveniente (depositosugli iniettori, usura delle parti metalliche,gelificazione degli oli nei carter, produ-zione di elevata fumosità, aumento delconsumo nel tempo): l’uso degli oli talquali esige dunque una messa a puntoparticolare e impianti di alimentazionespecifici.

potenza (10-50 kW) per riscaldamentodomestico si aggira in Italia in qualchedecina di migliaia di unità all’anno.La convenienza economica di un impian-to di riscaldamento a biomassa si basasui tempi di ammortamento dell’investi-mento, che dipendono dal risparmio digasolio/gas e quindi dall’intensità d’usodell’impianto. Attualmente, in base aiprezzi dei combustibili per riscaldamento,il costo del kWh termico da biomassa puòessere anche di 2-3 volte inferiore a quel-lo del gasolio. Abitazioni di piccole dimensioni o abita-te solo saltuariamente o situate in zone aclima mite, hanno un basso fabbisognoenergetico e richiedono lunghi tempi diripagamento dei costi di investimento.Viceversa, abitazioni di dimensioni relati-vamente grandi e abitate con continuitàper tutto l’anno, presentano sovente fab-bisogni annuali di calore superiori ai50.000 kWh, equivalenti a 5.000 litri digasolio, 5.000 m3 di metano o 6.300 litridi gas liquido (GPL). In queste situazionil’impianto a biomassa può essere moltoconveniente, anche in considerazione deiminori costi unitari per gli impianti di mag-giore potenza.Nei centri urbani si inizia ad utilizzare ilteleriscaldamento, che sfrutta l’energiatermica di cogeneratori alimentati confonti fossili e in qualche caso con rifiutiurbani. Attualmente il teleriscaldamentoin Italia è esteso a 27 città, con un totaledi 53 reti per una lunghezza complessivadi 1091 km e una potenza complessivainstallata di 730 MWe e 3000 MWth.Infine, nel bilancio economico è necessa-rio valutare anche eventuali incentivi pub-blici, disponibili in qualche caso comecontributi a fondo perduto, oppure comedetrazioni di imposta.


di efficienza, minimo impatto ambientalee flessibilità del sistema di generazionenel suo insieme, è ancora impresa diffici-le da realizzare.Un’altra soluzione è rappresentata dalmetanolo. Rispetto alla benzina, il meta-nolo presenta una serie di vantaggi,importante soprattutto il fatto che puòessere convertito in idrogeno a tempera-ture notevolmente più basse (250-300 °Ccontro 800-900 °C); caratteristiche impor-tanti dal punto di vista della sicurezzasono una più bassa volatilità e un più altolimite di infiammabilità inferiore. Il meta-nolo è inoltre un prodotto chimicamentestabile, facile da trasportare, che presen-ta una buona densità di energia, il checonsente al veicolo una autonomia similea quella dei veicoli tradizionali.Tuttavia bisogna ricordare che il metano-lo risulta tossico e che la sua natura cor-rosiva lo rende incompatibile con le infra-strutture di distribuzione esistenti. Da notare che con il metanolo vi è la pos-sibilità di sviluppare celle a combustibileDMFC (Direct-Methanol Fuel Cell) ingrado di utilizzarlo direttamente; i risulta-ti finora ottenuti in questo settore fannocomunque ritenere che questa soluzionesia proponibile solo a più lungo termine.È chiaro che la transizione ad un ampiouso dell’idrogeno avverrà gradualmente eche nel medio termine giocheranno anco-ra un ruolo importante l’utilizzo diretto dicombustibili come metanolo o benzinanel classico motore a scoppio. Nel breve termine l’idrogeno sarà utilizza-to soprattutto per flotte di veicoli circolan-ti nei centri urbani, per le quali è possibi-le centralizzare l’approvvigionamento o leoperazioni di ricarica delle bombole. Il suo impiego per altre tipologie di vei-coli potrà aversi solo in una fase successi-va e richiederà sviluppi particolari delle

Queste esigenze si attenuano, o sparisco-no, se l’olio viene trasformato in esteremetilico o etilico.Il confronto delle emissioni prodotte damotori alimentati a biodiesel (metilestere)e a diesel fossile mostra che i gas di sca-rico di veicoli alimentati a biodiesel pre-sentano valori inferiori per tutti i principa-li inquinanti (tranne che per gli ossidi diazoto), diminuzione del particolato dall’8al 60%, assenza di SO2, indice di fumosi-tà inferiore alla metà, riduzione di 2/3 deicomposti volatili e dal 20 all’80% degliincombusti, diminuzione fino al 40% delCO. Rilevazioni effettuate sui fumi al cami-no di un impianto di riscaldamento delCentro ENEA di Frascati alimentato conmetilesteri della Novaol mostrano unadiminuzione del 66% del CO, del 75%delle polveri, tracce di SO2 e riduzioneoltre il 70% dei composti benzenici, muta-geni e cancerogeni, mentre l’NOx restainvariato. Un altro combustibile, in via di sviluppo,potrebbe essere l’idrogeno, ritenuto ilcombustibile del futuro. L’utilizzo dell’idro-geno presenta problemi connessi con lasua disponibilità a costi contenuti, lo stoc-caggio a bordo del veicolo, la creazionedi adeguate infrastrutture di distribuzionee aspetti di sicurezza e accettabilità daparte degli utenti. La conversione in idrogeno a bordo del-l’auto, di un combustibile fossile o di underivato da biomassa, è al momentooggetto di studio da parte di molte orga-nizzazioni e istituti di ricerca. Il vantaggioconnesso ad una simile scelta sarebbeprincipalmente quello di utilizzare infra-strutture esistenti; tuttavia la complessitàdel processo e la messa a punto di siste-mi di trattamento in grado di generareidrogeno, della purezza necessaria, senzacompromettere le caratteristiche positive


forme fisiche in cui si possono presentare(solide, liquide e gassose), sia per le uti-lizzazioni energetiche finali (energia termi-ca, meccanica, elettrica).Per quanto riguarda la produzione dienergia elettrica da biomasse vegetali, leprincipali motivazioni che rendono nega-tiva l’economicità dei progetti in questosettore, sono, primi tra tutti, gli ingenticosti di investimento in fase di realizzazio-ne e gli elevati costi della biomassa infase di gestione. Inoltre, è proprio questoil settore che presenta le maggiori lacu-ne circa le normative e le forme di incen-tivazione emanate per favorirne lo svilup-po. Basti solo pensare che il costo perMW di potenza necessario per la realizza-zione di un impianto viene stimato quat-tro volte maggiore rispetto a quellonecessario per un impianto a ciclo com-binato. Quindi, al di là della sensibilitàecologica, per rendere possibile il rag-giungimento degli obiettivi fissati dallaComunità Europea, occorre che i proget-ti per la produzione di elettricità da bio-masse possano usufruire di più adeguatiincentivi economici e normativi.Il settore del riscaldamento domestico edel teleriscaldamento, invece, là ove lecondizioni siano particolarmente favore-voli, è l’unico che presenta caratteristichetali da rendere attrattiva la fattibilità eco-nomica dei progetti.Infine, anche il settore dei biocombustibi-li liquidi (biodiesel e bioetanolo) e gasso-si, strettamente legati al comparto agrico-lo, dovrà risolvere alcune difficoltà per ren-dere economicamente vantaggioso ilbilancio dell’intera filiera di produzione.Si può immaginare un percorso di svilup-po delle filiere agro-energetiche soloattraverso l’affermazione di adeguati mec-canismi di incentivazione a sostegno delreddito degli agricoltori, primo anello

tecnologie di stoccaggio dell’idrogenostesso.


Le biomasse, considerate come risorserinnovabili di energia, permettono giàoggi un risparmio di quote rilevanti dicombustibili fossili sia nei paesi industria-lizzati, sia in quelli emergenti o a basso svi-luppo tecnologico (usi domestici). Media-mente il 10-12% dell’energia prodotta econsumata in tutto il mondo provienedalla fonte biomassa.Se si tiene presente poi che il potenzialedelle biomasse tecnicamente utilizzabile alivello mondiale è poco più di 2000Mtep/anno, circa il 30% degli attuali con-sumi primari di energia fossile, si capiscel’importanza da attribuire a questo settore.Secondo alcune stime, il 30% di tali risor-se sono costituite da colture energetichee il 15% da residui agricoli di diversa pro-venienza, risorse che hanno forti intercon-nessioni con il territorio.

Potenziale energeticoUno studio condotto in Italia dal CNR(Consiglio Nazionale delle Ricerche), as-sieme ad ENEA e Università degli Studi diRoma “La Sapienza” CIRPS (Centro Inter-universitario di Ricerca Per lo Svilupposostenibile) ha stimato che da biomassesi potrebbero ottenere 3.360.000 tonnel-late di idrogeno all’anno, equivalenti acirca 170.000 GWh di energia elettrica,come dire che da sole le biomassepotrebbero soddisfare il 50% del fabbiso-gno di energia elettrica o il 30-40% delfabbisogno di combustibili e carburanti.Le biomasse intese come combustibilimostrano una spiccata versatilità sia per le


sia sotto forma di colture dedicate allaesclusiva produzione di energia; al territo-rio ritorna buona parte delle uscite sia intermini di energia, sia in termini di sotto-prodotti utili per il sistema agricolo.

[12.7]Mercato e sviluppi futuri

Il mercato è spesso costituito da impian-ti pilota o dimostrativi. Il mercato futurodipenderà dagli esiti di questa sperimen-tazione. Tra i vari processi per la conver-sione termochimica delle biomasse, di cuisi è parlato, la combustione diretta èsenza ombra di dubbio la più vecchia ematura. Nonostante ciò, sono in corsoricerche volte allo sviluppo di sistemi sem-pre più efficienti e con minore impattoambientale. Come la combustione diretta, anche laproduzione di biogas ad opera della dige-stione anaerobica e la trasformazione dibiocombustibili liquidi sono tecnologiemature per la valorizzazione energeticadelle biomasse. Al contrario, la gassifica-zione e la pirolisi sono più distanti dallamaturità. Il mercato di alcuni combustibi-li, come il biodiesel e il bioetanolo, è increscita. Per quanto riguarda il biodiesel, laGermania si pone al primo posto inEuropa per la sua produzione, mentre laFrancia si colloca al secondo posto. Iltrend va nella direzione dell’incremento acausa della crescita di nuovi progetti.Il mercato dell’etanolo vede invece l’im-pegno di numerosi paesi nell’elaborazio-ne di programmi per la realizzazione diimpianti di produzione sia di grande chedi piccola taglia. L’America Latina, inmodo particolare il Brasile, risulta la regio-ne a maggior produzione di bioetanolo.

della filiera, fino alla defiscalizzazione delprodotto finito.Come già ampiamente spiegato, la bio-massa è l’unica fonte rinnovabile cheprima di essere utilizzata deve essere pro-dotta (coltivata se di origine agricola ocomunque curata se forestale), raccolta etrasportata. In questi aspetti risiede lacausa principale dell’elevato costo dellabiomassa, parametro che limita notevol-mente il ritorno economico, e di conse-guenza anche l’attenzione, delle impresepotenzialmente interessate al settore dellabioenergia. In genere, il costo di approvvigionamen-to della materia prima incide per circa il45% sul costo totale della produzione dienergia.

Biomasse e territorioVi è una stretta interdipendenza fra bio-masse e territorio; l’uso razionale dellerispettive potenzialità può portare notevo-li benefici ad entrambi i sistemi.Ad esempio, l’introduzione nell’uso delterritorio di colture non alimentari innova-tive e la possibilità di utilizzare queste col-ture a fini energetici e industriali, potreb-be fornire un contributo non trascurabilealla rivalutazione dei terreni non più utiliz-zati per la produzione alimentare, e per iquali è necessario definire un programmadi gestione. Tale programma avrà succes-so a condizione che sia attuato in un con-testo produttivo simile a quello previstonel settore agricolo alimentare. D’altraparte, lo stato di salute del territorio, inte-so non solo in senso fisico ma anche insenso socio-economico, è fondamentaleper lo sviluppo delle biomasse.Infatti, il sistema biomasse attinge dal ter-ritorio la materia prima, sia sotto forma diresidui da attività agricole e forestali (edelle relative industrie di trasformazione),


Programmi volti a favorire la produzione dietanolo sono stati realizzati anche in variPaesi africani, che attualmente sono pro-duttori di zucchero, come Zimbabwe,Kenya e Malawi, anche a seguito di alcu-ni fatti contingenti: alcuni di essi hannomodernizzato la propria industria dello

zucchero abbassando i costi di produzio-ne; molti inoltre, sono senza sbocco sulmare, e ciò spesso rende non convenien-te la vendita di melassa direttamentecome co-prodotto nel mercato mondiale,accrescendo la convenienza di un suo uti-lizzo interno per la produzione di etanolo.

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Un innovativo trattamento idrotermico delle biomasse sista affermando in relazione alle numerose aree di appli-cazione. Questo trattamento, denominato Steam Explosion(esplosione di vapore), rende più facile e di minor impat-to ambientale la separazione delle tre differenti frazionicostituenti i comuni substrati vegetali (emicellulosa, cel-lulosa e lignina), consentendo l'utilizzazione totale dellebiomasse.

Il processo consiste nel sottoporre il materiale lignocellu-losico a un particolare trattamento, con l'uso di vaporesaturo ad alta pressione (15-30 kg/cm2) e temperatura(180-230 °C), per riscaldarlo rapidamente in un reattorecontinuo o discontinuo. Il materiale viene tenuto alla temperatura desiderata perun breve periodo (1-10 minuti) nel corso del quale l'emi-cellulosa viene idrolizzata e resa solubile. Alla fine di que-sto intervallo di tempo, la pressione viene rapidamenteriportata al valore atmosferico (decompression) ottenen-do una decompressione esplosiva che sfibra ulteriormen-te la biomassa.È possibile ottenere, da vari tipi di biomassa vegetale, siaprodotti direttamente commerciabili (pasta da carta, pan-nelli in fibra, mangimi, ecc.), sia composti utilizzabili inmolteplici settori (autotrazione, industrie tessili, dolciariee della chimica di base).L'impianto pilota di Steam Explosion Legno (Stele), rea-lizzato in Trisaia dall'ENEA, è uno dei più importanti almondo, vi si possono trattare a ciclo continuo fino a 300kg/h di biomassa secca e consente la conversione di bio-masse residuali in biocombustibili (bioetanolo) e prodottiad alto valore aggiunto (cellulosa, xilotolo ecc.).

Steam Explosion

Schema reattore Steam ExplosionFig. 12.3

L'analisi fin qui condotta sulle tematiche energetico–ambientali, sullo svi-luppo compatibile e sulle fonti energetiche rinnovabili, ci consente ora difare una valutazione sulle prospettive future e i limiti delle rinnovabili, non-ché sull'utilizzo di nuove forme di energia indirizzate allo sviluppo di unoscenario energetico compatibile con le risorse messe a disposizione dal pia-neta che ci ospita.Esistono, a fronte di questa ipotetica possibilità, due principali ostacoli dinatura tecnica alla diffusione delle rinnovabili, che si traducono anche insvantaggi economici: la difficile vettoriabilità (trasportabilità) dell'energiarinnovabile verso altri settori di consumo e l'intermittenza della produzio-ne di energia, propria delle fonti solari.Considerato che le fonti più promettenti producono prevalentemente ener-gia elettrica, l’energia rinnovabile non può essere convenientemente tra-sferita in modo diretto verso altri settori di consumo, quali: il condiziona-mento invernale degli edifici e dei luoghi di lavoro, l'industria nei suoi con-sumi non elettrici, la trazione dei veicoli commerciali e privati, ecc. Il suopotenziale sviluppo è quindi limitato dall'effetto di confinamento nel solomercato parziale dell'energia elettrica, che costituisce oggi il 29% del mer-cato dell’energia in Italia.È poi da tenere presente che tutte le fonti rinnovabili più promettenti sonointermittenti: solare termico e termoelettrico, eolico e fotovoltaico. Possiamoprevedere con una discreta attendibilità la quantità complessiva di ener-gia rinnovabile che verrà prodotta nell'arco dell'anno, ma non potremo maiprevedere il valore istantaneo o anche giornaliero di tale produzione. Peresigenze di corretto funzionamento e continuità di servizio, la rete di distri-buzione elettrica nazionale non può accettare sorgenti di potenza intermit-tente oltre un limite ben definito. Occorre pertanto una adeguata strategiase si vuole profittare dell'occasione offerta dall'energia rinnovabile perrispondere alla richiesta di sviluppo sostenibile.Se si vuole realmente intervenire e por mano al risanamento ambientale,occorre accelerare in modo consapevole il processo, già in atto, di decar-bonizzazione dei combustibili usati nella produzione di energia. Infatti lafase presente del ciclo storico di sostituzione dei combustibili fossili riguar-da il progressivo passaggio dal petrolio al metano. In termini chimico-fisi-

Superare gli ostacoli alla diffusione delle rinnovabili

Capitolo Tredici

Idrogeno e celle a combustibile: energia per il futuro

[13.1]Il futuro energetico: fonti rinnovabili e idrogeno

Il mondo si sta muovendo verso un’erache vedrà il tramonto della “cultura ener-getica” del combustibile fossile, comincia-ta 300 anni fa con il carbone. I petro-geo-logi non sono concordi nel prevederequando la produzione di petrolio raggiun-gerà la sua punta massima (si stima checiò avverrà quando la metà delle riserveconosciute e di quelle già individuate oche si stima di potere ancora scopriresaranno state utilizzate). Una volta rag-giunto quel punto, il prezzo di questaimportantissima fonte primaria di energia,che ha determinato e informato lo svilup-po tecnologico dell’era moderna, saliràcostantemente e la produzione diminuirà.I più pessimisti pensano che ciò avverràentro il 2030; gli ottimisti, invece, sosten-gono che il picco di produzione globalenon si verificherà prima del 2050; in ognicaso abbiamo ancora da 20 a 40 anni di“petrolio facile”. Dopo di che sulla spin-ta dei prezzi crescenti è prevedibile che ilconsumo comincerà a diminuire e, soprat-tutto, il suo utilizzo si sposterà dal setto-re dei trasporti e da quella della produzio-ne di elettricità ad altri settori produttiviper i quali tale combustibile rappresental’unica materia prima.L’idrogeno appare essere il vettore di ele-

ci tale processo comporta la riduzione del contenuto specifico di carbonioper unità di energia prodotta e il contemporaneo aumento del contenutopercentuale di idrogeno.Questa tendenza ha peraltro accompagnato l'intero ciclo storico del con-sumo di energia: si è infatti passati, intorno al 1750, dal consumo dellebiomasse come legna da ardere a quello intensivo del carbone minerale;dopo la seconda guerra mondiale, negli anni cinquanta, il carbone ha ini-ziato la sua parabola discendente in favore del petrolio, che alla fine delsecolo scorso regna sovrano.A partire dagli anni ottanta, si sta però verificando, come abbiamo visto,la graduale sostituzione del petrolio con il gas naturale, il cui consumo èin continua rapida crescita. Mentre la prima fase di questo processo è avve-nuta per motivi essenzialmente economici, la fase attuale sta avvenendoin modo consapevole anche per motivi di utilità ambientale.Quindi l'intero processo evolutivo della storia degli approvvigionamentienergetici può essere visto come un graduale passaggio a combustibili sem-pre più leggeri in termini di contenuto di carbonio.A questo punto ci aspettiamo che il passo successivo consisterà i nel pas-saggio dal metano (CH4) all'idrogeno (H2) che non contiene più alcun atomodi carbonio e che può essere utilizzato per combustione termica diretta oper combustione elettrochimica catalitica nelle celle a combustibile.Per superare i limiti sopra indicati all'apporto energetico delle fonti rinno-vabili, studi e ricerche oggi convergono verso un nuovo modello di svi-luppo, che preveda la possibilità di accumulo e vettoriamento dell'energiasolare primaria verso tutti i settori d'uso.Allo stato attuale della tecnologia, l'idrogeno viene indicato come mezzodi accumulo sotto forma di energia chimica dell'energia solare, in quantopermetterebbe di aggirare i limiti al tasso di penetrazione di questa fontenella rete elettrica con il trasferimento agli altri settori d'uso, oggi inac-cessibili (i trasporti prima di tutto).La scelta di questo vettore energetico emerge da un esame delle diverseopzioni possibili allo stato attuale della tecnologia, soprattutto in relazio-ne alla necessità di avere un mezzo di accumulo di lungo periodo e uncombustibile pulito e versatile.

l’ossigeno formando acqua; la reazioneavviene lentamente a bassa temperatura,con andamento invece esplosivo sopra i550 °C.Il suo limite di infiammabilità è moltoampio, essendo compreso fra il 4 e il 75%in volume. Il potere calorifico superiore èdi 141,9 MJ/kg, quello inferiore di 119,97MJ/kg. Per confronto i corrispondentivalori per il metano sono, rispettivamen-te, 55,53 MJ/kg e 50,02 MJ/kg.

Il vettore idrogeno e la resa energeticaL’idrogeno non può essere consideratouna fonte primaria di energia in quantonon è presente in natura allo stato “libe-ro”, come detto in precedenza, ma è un“vettore energetico”, ovvero è un buonsistema per accumulare o trasportareenergia e deve, quindi, essere prodotto apartire da altre fonti energetiche primarie.Esso può essere estratto dall’acqua, dalcarbon fossile, dagli idrocarburi, da molticomposti organici. L’idea più immediata èovviamente quella di estrarlo dall’acqua dicui tanto abbonda il pianeta; purtroppoperò l’elettrolisi richiede 5 kWh per otte-nere 1 m3 di idrogeno ed è quindi econo-micamente proponibile soltanto dove sidisponga di energia elettrica a bassocosto (ad esempio da idroelettrico).L’idrogeno ha il più alto contenuto ener-getico per unità di massa rispetto agli altricombustibili: bruciando un kg di idroge-no si producono 125.000 kJ di energia ter-mica contro i 44.000 kJ ottenuti da un kgdi benzina.Occorre tuttavia considerare che in con-dizioni normali (temperatura e pressioneambiente) l’idrogeno si presenta in formagassosa, mentre la benzina è liquida equindi con densità di massa molto piùelevata. Il risultato pratico è che 1 litro di

zione per un sistema energetico sosteni-bile, in quanto:� in linea di principio, può essere prodot-

to da una pluralità di fonti (combustibi-li fossili, con separazione della CO2; rin-novabili; nucleare), tra loro intercambia-bili e disponibili su larga scala per legenerazioni future;

� può essere impiegato in applicazionidiversificate, dal trasporto alla genera-zione di energia elettrica per taglie daqualche W a diversi MW, con un impat-to ambientale nullo o estremamenteridotto sia a livello locale che globale.

[13.2]L’idrogeno come “vettore energetico”

ProprietàDal greco hydro e geno, “generatored’acqua”, è il primo elemento chimicodella tavola periodica degli elementi edha come simbolo H. L’idrogeno naturale,costituito da molecole biatomiche (H2), èun gas incolore, inodore, altamenteinfiammabile. Fra tutti gli elementi è il più abbondantenell’universo e, costituito da un solo pro-tone e un solo elettrone, il più leggero; lasua molecola, costituitta da due atomi, è14 volte più leggera dell’aria, quindi l’idro-geno presente in atmosfera tende a di-sperdersi negli spazi siderali. Per questaragione sul nostro pianeta è introvabileallo stato libero, al contrario del carbone,petrolio o gas naturale, e si trova legatosolo ad altri elementi, come per esempionei gas vulcanici. È tuttavia costituentefondamentale dell’acqua ed è presentenei combustibili fossili e in tutte le creatu-re viventi. L’idrogeno si combina facilmente con


nell’industria dei prodotti chimici, soprat-tutto per la produzione di ammoniaca emetanolo, in raffinerie, per trattamenti diraffineria e idrogenazione, e nei campi ali-mentare, elettronico e metallurgico. L’idrogeno può essere prodotto in varimodi: � reforming degli idrocarburi,� ossidazione parziale degli idrocarburi,� decomposizione degli idrocarburi,� gassificazione del carbone,� processi biochimici,� processi termochimici,� processi fotochimici,� elettrolisi.Allo stato attuale tuttavia le modalità perla produzione di idrogeno sono principal-mente due: � la conversione di combustibili fossili tra-

mite processo termochimico, che per-mette l’estrazione dell’idrogeno conte-nuto negli idrocarburi;

� la scissione dell’acqua in idrogeno eossigeno, attraverso processi di elettro-lisi o di termolisi.

Entrambi i processi richiedono un appor-to di energia: il primo di energia termica,generalmente fornita dalla combustionedi una frazione degli idrocarburi da con-vertire, il secondo, di un apporto di ener-gia elettrica, nel caso di elettrolisi, o ter-mica, nel caso di termolisi. La produzione dell’idrogeno dai combu-stibili fossili ha tuttavia l’inconveniente didar luogo alla emissione, come prodottodi scarto, di CO2, gas notoriamente adeffetto serra, in quantità dipendenti dellafonte utilizzata per la produzione di idro-geno. Una delle soluzioni proposte e stu-diate per ovviare a tale problema consi-ste nel sequestro e nel confinamento dellaCO2 prodotta. La produzione di idrogeno invece da fontirinnovabili o da energia nucleare non con-

idrogeno gassoso nelle condizioni norma-li (standard) contiene solo circa 2,48 kcalcontro le quasi 8.000 kcal di 1 litro di ben-zina. Ragionando sull’energia specificaper unità di volume di liquido, l’idrogenoallo stato liquido contiene circa 2.000 kcalper litro, valore comunque inferiore, di unfattore quattro, rispetto a quello dellabenzina; ciò significa che, a parità di tuttele altre condizioni, per avere la resa ener-getica di 1 litro di benzina occorrono 4 litridi idrogeno liquido; la combustione del-l’idrogeno può tuttavia essere realizzatacon un’efficienza più alta.La produzione di idrogeno può divenireun ottimo sistema di utilizzo e accumulodell’energia, e in particolare di quella rica-vata da fonti rinnovabili per loro naturaintermittenti, legate per lo più ad eventiatmosferici, all’alternarsi delle stagioni edel giorno e della notte.Vettore idrogeno e elettricità saranno ingrado di soddisfare pienamente le nostrenecessità energetiche. Questa infattisembra essere per la maggior parte deglianalisti una valida soluzione, se non l’uni-ca percorribile, sia per rispondere inmaniera soddisfacente ai criteri di soste-nibilità, inquinamento globale e locale,sia per ridurre nel breve-medio terminel’eccessiva dipendenza dai combustibilifossili, sia, infine, nel lungo-lunghissimotermine, per soddisfare i bisogni energe-tici globali quando i combustibili fossilisaranno esauriti.

[13.3]Le tecnologie di produzionedell’idrogeno

L’idrogeno viene usato per scopi indu-striali da più di un centinaio di anni. Dueterzi dell’idrogeno prodotto è utilizzato

173 Idrogeno e celle a combustibile: energia per il futuro

zione venivano condotte in unità separa-te (processo wet scrubbing).Impianti di steam reforming sono svilup-pati da Haldor Topsoe, KTI, Howe-BakerEngineering, Linde e Foster Wheeler. Le capacità installate sono normalmenteelevate, dell’ordine di 50.000-100.000Nm3/h. Sono attualmente in corso di svi-luppo unità molto più piccole, realizzatein modo specifico per l’uso su veicoli o perprodurre idrogeno direttamente presso ilconsumatore.Il costo dell’idrogeno prodotto in impian-ti con capacità da 50.000 a 100.000 Nm3/hè compreso tra 5 e 8 $/GJ; in impianti piùpiccoli (10.000 Nm3/h) il costo raddoppia.

I processi di gassificazione del carbone La conversione del carbone in idrocarbu-ri liquidi e gassosi è un processo che èstato commercialmente utilizzato in tuttoil mondo. Nella prima metà del secolo ilcarbone ha costituito la principale fonte diidrogeno con il processo di produzione digas da coke.Ci sono diversi processi di gassificazione:metodo Lurgi, Winkler e Koppers-Totzeko loro modifiche. Le tecniche sono similiin quanto usano tutte vapore e ossigenoe trasformano il carbone in H2, CO e CO2,e portano alla formazione di SOx e NOx,che è necessario eliminare.Sostanzialmente i reattori di gassificazio-ne sono riconducibili a tre tipi: � a letto mobile, che producono a

“basse” temperature (425-650 °C) ungas contenente metano, etano e idro-carburi, come nafta, catrame e oli chedevono essere eliminati;

� a flusso trascinato, che producono gasad alta temperatura (> 1250 °C) essen-zialmente privo di molti dei prodottiindesiderati, e consentono di ottenere

tribuisce alle emissioni di gas ad effettoserra, sebbene risulti in genere economi-camente meno competitiva.

Produzione di idrogeno da combustibili fossili

Steam reformingLo steam reforming del gas naturale è ilprocesso più utilizzato per produrre idro-geno. Circa il 48% della produzione mon-diale è ottenuta con questa tecnologia.Nel processo, il gas naturale (ma anchenafta o GPL) è fatto reagire con vapord’acqua, ad una temperatura di 820-870°C, in presenza di un catalizzatore (normal-mente a base di nichel) per formare ungas di sintesi contenente idrogeno emonossido di carbonio. Il gas di sintesiviene ulteriormente trattato con produ-zione di altro idrogeno e conversione delCO in CO2. La reazione è altamente endotermica edè quindi favorita da alte temperature ebasse pressioni.Il processo di reforming prevede i seguen-ti stadi:� desolforazione del metano;� reazione catalitica del metano con

vapor d’acqua; � reazione catalitica del CO e del vapore

prodotti nel reforming (reazione dishift);

� purificazione dell’idrogeno dagli altrigas prodotti.

Il gas naturale a temperatura ambiente ècompresso e quindi inviato all’unità didesolforazione.La maggior parte degli attuali impianti diproduzione idrogeno, dopo la rimozionedel monossido di carbonio nel reattore dishift, per la purificazione adottano unitàPSA (Pressure-Swing Adsorption); in pas-sato la rimozione della CO2 e la metana-


misure di confinamento, o come suol dirsidi sequestro, dell’anidride carbonica pro-dotta in depositi opportuni (si pensa oggiai depositi di petrolio esausti o agli acqui-feri salini profondi).In prospettiva, la produzione potrà utiliz-zare l’energia nucleare e le energie rinno-vabili, a partire dall’acqua e dalle biomas-se, ma i combustibili fossili rappresenta-no la soluzione oggi più vicina e quella sucui puntare per il medio termine. Quindi, gli sforzi maggiori in questocampo vanno dedicati alla separazione eal confinamento della CO2, prodotta insie-me all’idrogeno. È necessario a tal fine svi-luppare soluzioni economiche e affidabiliper il confinamento della CO2, ottimizzan-do le attuali tecnologie di separazione(membrane, processi di assorbimento o diassorbimento, processi criogenici) o svi-luppando tecnologie innovative, ma so-prattutto affrontando le problematiche deltrasporto della CO2, del suo confinamen-to a lungo termine (giacimenti esauriti dimetano o petrolio, oceani, acquiferi) eincrementando i processi di fissazione bio-logica.Per quanto riguarda la situazione italianail combustibile di riferimento è il gas natu-rale, anche se vanno considerati altri com-bustibili, come i residui petroliferi pesantie i processi di gassificazione degli stessi.In particolare, per il gas naturale occorre-rà seguire con attenzione anche lo svilup-po di processi alternativi allo steam refor-ming e alla ossidazione parziale, comequelli di pirolisi, che portano alla separa-zione diretta del carbonio senza produzio-ne di CO2.Questo “uso pulito” dei combustibili fos-sili costituisce l’alternativa principale aisistemi energetici tradizionali almeno peri prossimi decenni: una sorta di “pontetecnologico” che consenta una transizio-

un prodotto composto quasi intera-mente da idrogeno, monossido di car-bonio e biossido di carbonio;

� a letto fluido, che producono dei pro-dotti intermedi nella composizione,rispetto ai due precedenti, e agisconoa temperature intermedie (925-1040 °C).

Il calore necessario per la gassificazione èfornito principalmente dall’ossidazioneparziale del carbone. La temperatura, equindi la composizione del gas prodotto,dipendono dalla quantità dell’agente ossi-dante e del vapore, nonché dal tipo direattore utilizzato nell’impianto.La tecnologia di gassificazione del carbo-ne è matura e attualmente prevede l’im-piego di gassificatori a letto mobile o flui-do (Texaco, Foster Wheeler). Nonostantela percentuale di idrogeno nel gas otte-nuto non sia molto elevata, la gassificazio-ne del carbone con ossigeno e vapore èusata per produrre circa il 18% dell’idro-geno al mondo.Il costo dell’idrogeno prodotto attraversoquesti processi è compreso tra 10 e 12$/GJ con impianti di capacità produttivadell’ordine di 100.000–200.000 Nm3/hdi H2.La tecnologia della gassificazione è parti-colarmente interessante, dal momentoche ben si integra con impianti a ciclocombinato (impianti IGCC, IntegratedGasification Combined Cycle). Il combu-stibile prodotto, ricco di H2 e CO, puòessere bruciato direttamente in una turbi-na a gas oppure sottoposto a purificazio-ne per ottenere idrogeno da inviare adimpianti con celle a combustibile.

Le tecnologie di separazioneLa produzione di H2 potrebbe essere con-siderata “pulita”, ovvero virtualmenteesente da emissione di CO2, se al suoprocesso produttivo venissero associate


no. Se l’energia elettrica che alimenta lecelle elettrolitiche provenisse da fonti rin-novabili questo processo produttivosarebbe completamente pulito.È possibile accoppiare la scissione elettro-litica a centrali fotovoltaiche, eoliche eidroelettriche, permettendo così la con-versione di fonti rinnovabili in idrogeno. Tale applicazione risulta interessante alfine di accumulare in idrogeno energierinnovabili come quella solare, eolica oidroelettrica quando se ne ha una bassarichiesta sulla rete elettrica. Si osservi che l’utilizzo di fonti rinnovabilicomporta un aumento del costo dell’ener-gia elettrica prodotta e di conseguenza unaumento del costo dell’idrogeno prodot-to attraverso elettrolisi.Si stima che l’idrogeno prodotto da elet-trolisi costi indicativamente 25-35 h/GJ, aseconda del costo dell’energia elettrica,compreso fra 0,03 e 0,05 h/kWh. Questo processo, per il quale l’elettricitàha attualmente un costo fino a tre o quat-tro volte superiore a quello del metanoimpiegato per lo steam reforming, puòdiventare economicamente accettabile inprospettiva, in seguito ad innovazioni tec-nologiche e in condizioni di costo estre-mamente basso dell’energia elettrica, seprodotta da fonti rinnovabili (solare, geo-termica, eolica, ecc..) o nucleare.L’elettrolisi dell’acqua, che utilizza 4-5 kWhdi energia elettrica per ogni metro cubodi idrogeno prodotto, è un metodo oggiutilizzato in alcuni grandi impianti sorti invicinanza di centrali idroelettriche, cheproducono elettricità a basso costo e inmodo continuativo utilizzando le ore dibasso consumo (per esempio notturne),ottimizzando così il rendimento.Nel caso di un impianto eolico, general-mente il più economico fra i sistemi adenergia rinnovabile, il costo dell’idrogeno

ne graduale verso la maturazione dei pro-cessi di produzione di idrogeno da fontirinnovabili, nell’ottica di uno sviluppomeglio sostenibile in termini globali emolto più rispettoso dell’ambiente suscala locale.

Produzione di idrogeno da fonti rinnovabiliL’idrogeno è in assoluto il combustibilepiù pulito quando è prodotto da fonti rin-novabili attraverso: � elettrolisi, vale a dire scissione dell’ac-

qua in idrogeno e ossigeno grazieall’elettricità da fotovoltaico, eolico,ecc., oppure termolisi, ovvero scissionediretta dell’acqua in idrogeno e ossige-no ad alte temperature, raggiunte ades. mediante solare termodinamico;

� processi termochimici (attraverso ener-gia solare);

� processi bio/termochimici (estrazionedi idrogeno dalle biomasse).

ElettrolisiLa produzione di idrogeno per elettrolisidell’acqua è un processo abbastanza con-solidato, che consente di ottenere idro-geno praticamente puro, ad un costo chepuò diventare economicamente accetta-bile nel medio termine, solo se l’energiaelettrica necessaria viene generata ad uncosto estremamente basso (da impiantiidroelettrici, da nucleare, da fonti rinno-vabili).La scissione elettrolitica dell’acqua avvie-ne secondo la seguente reazione:

2H2O + Energia elettrica = 2H2 + O2

Fornendo energia elettrica tramite corren-te continua fra due elettrodi immersi inuna opportuna soluzione acquosa, siottiene la decomposizione dell’acqua neisuoi costituenti, cioè idrogeno e ossige-


sarie al processo si possono raggiungerea partire da una sorgente rinnovabile. Tuttavia, l’uso di questo metodo di produ-zione di idrogeno è ancora da considerar-si in fase di sviluppo.

Processi biochimiciI processi biochimici possono produrreidrogeno, più o meno direttamente, a par-tire da biomasse o acqua. Solitamente taliprocessi sono condotti a temperaturemodeste in reattori che operano in con-dizioni anaerobiche o microaerofile.Le biomasse vanno opportunamente con-dizionate per il tipo di processo e il bio-derivato è di norma un combustibile liqui-do o gassoso che dovrà poi essere ulte-riormente processato per produrre idro-geno. Diversi sono i processi biologi in studioper il recupero energetico di biomasse,dei quali certamente la digestione anae-robica risulta quello più conosciuto e dif-fuso.Questo processo è costituito da una seriedi reazioni biochimiche operate da unfolto e eterogeneo gruppo di microorga-nismi, in assenza di aria. Tali reazioni pro-muovono la demolizione della sostanzaorganica in sostanze gassose semplici,quali principalmente metano e anidridecarbonica, e in energia utilizzata dai bat-teri per vivere e moltiplicarsi. Dal punto di vista tecnico l’impianto ècostituito da un reattore, generalmenteriscaldato (35-55 °C), dove avvengono lereazioni biochimiche e dal quale vieneprelevato il biogas. La percentuale dimetano nel biogas varia a secondo deltipo di sostanza organica digerita e dellecondizioni di processo, da un minimo del50% fino all’80% in volume.La fermentazione anaerobica consente ilrecupero energetico di biomassa ad ele-

prodotto è compreso fra 25 e 50 h/GJ, instretta relazione al costo del kWh prodot-to di energia elettrica.La scissione dell’acqua ad alta tempera-tura (termolisi) può essere effettuata inlinea di principio utilizzando fonti di calo-re diverse (solare, nucleare) e diversi pro-cessi (ad es. reazioni chimiche invertibili),ma la sua fattibilità industriale è ancora dadimostrare.

Processi termochimiciEsiste una categoria di processi chimiciche consente di ottenere idrogeno perdissociazione della molecola dell’acqua. Sitratta di una serie di reazioni chimiche “aciclo chiuso” nelle quali, cioè, alla fine delciclo si ottengono gli stessi elementi dipartenza nelle stesse quantità (ad eccezio-ne dell’acqua). L’uso della catena di reazioni consente diottenere la decomposizione della moleco-la di acqua a temperature molto inferioria quelle di naturale dissociazione, scen-dendo a valori compresi nell’intervallo500-800 °C.A partire dai primi studi, intorno alla metàdegli anni sessanta, fino ad oggi, sonostati analizzati oltre 100 processi termochi-mici ed è quindi impossibile una trattazio-ne completa. I più promettenti appaiono,oltre al processo Zolfo-Iodio, l’UT3 e loZnO-Zn.In generale occorre osservare che questimetodi di produzione di idrogeno sonoadatti all’utilizzo in quei casi dove siadisponibile una sorgente di calore ad altatemperatura e dove non risulti convenien-te il ricorrere alla gassificazione od al refor-ming del combustibile. Un’applicazione interessante potrebbeessere la generazione di idrogeno a par-tire dall’energia solare con sistemi a con-centrazione, dove le temperature neces-


forma gassosa, liquida oppure assorbitosu materiali speciali, devono tutte rispon-dere a requisiti di efficienza, praticità eeconomicità; la scelta tra l’una o l’altraopzione sarà determinata, a seconda del-l’applicazione considerata, da specificheanalisi tecnico-economiche. Ad esempio,una grande difficoltà nelle applicazioni perautoveicoli sta nel garantire una sufficien-te capacità del serbatoio di stoccaggio,così da ottenere un buon equilibrio traautonomia di guida e ingombro a bordo.Di seguito vengono descritte brevemen-te le tecnologie più promettenti: � idrogeno compresso,� idrogeno liquido,� idruri metallici,� nanostrutture di carbonio.

Idrogeno compressoIl modo più semplice e economico peraccumulare idrogeno a bordo di un veico-lo è quello di utilizzarlo sotto forma di gascompresso a pressione di 200-250 bar.La tecnologia risulta tuttavia non propo-nibile per uso a bordo di auto tradiziona-li, a causa del peso e ingombro dei ser-batoi attualmente utilizzati, che rappre-sentano un limite all’autonomia e capaci-tà di carico del veicolo.Di recente notevoli progressi sono statifatti con l’introduzione di serbatoi conliner metallico o termoplastico rinforzaticon fibre di carbonio, di vetro e aramidi-che, che presentano un peso 3-4 volteinferiore a quello dei comuni serbatoi, eche consentono quindi di superare inparte le restrizione connesse all’uso dellebombole di tipo tradizionale. Questi ser-batoi sono in grado di operare a pressio-ni più elevate (fino a 700 bar) e consento-no quindi di ottenere densità di accumu-lo di idrogeno adeguate all’uso a bordodi veicoli.

vato contenuto di acqua (80-95% in peso)a seconda della tipologia di residui orga-nici, per la quale sono difficilmente appli-cabili altre tecnologie di recupero energe-tico e anzi richiede processi di smaltimen-to costosi sia in termini economici cheenergetici. La tipologia di biomassa utiliz-zabile può variare dalla frazione organicadi rifiuti solidi urbani, a deiezioni zootec-niche o residui ortofrutticoli o dell’indu-stria agroalimentare. La produzione di idrogeno può avveniretramite la conversione del metano conte-nuto nel biogas, attraverso un tradiziona-le processo di steam-reforming, ma sonoanche in fase di studio processi di fermen-tazione per la conversione diretta di bio-massa in gas ricco in idrogeno, invece chein metano, grazie all’utilizzo di opportunibatteri e di adeguate condizioni di proces-so. Tali innovativi sistemi potrebbero risul-tare economicamente competitivi con latecnologia della gassificazione, consen-tendo così una differenziazione delle tipo-logie di biomasse recuperabili, più secchetramite gassificazione e più umide trami-te fermentazione, ampliando quindi lapotenzialità delle biomasse come fontedi energia rinnovabile, anche per la pro-duzione di idrogeno.

[13.4]Le tecnologie per l’accumuloe il trasporto dell’idrogeno

Tecnologie di accumulo Da vari decenni l’idrogeno viene stocca-to con sicurezza in grandi contenitori indu-striali; può essere immagazzinato in caver-ne sotterranee o in recipienti ad alta pres-sione.Le differenti tecnologie di accumulo del-l’idrogeno, che può essere conservato in


l’idrogeno liquido. Il volume di stoccaggiosi riduce di 3-4 volte, rendendo possibilel’uso di questi sistemi nelle autovetture,mentre l’energia specifica dipende anchedal peso specifico del metallo di base. Le percentuali, in peso, di idrogeno sulpeso totale che si raggiungono vannodall’1% al 12,7% (LiH), per confronto ricor-diamo che per le comuni bombole talepercentuale è di poco superiore all’1%, equindi tali sistemi di stoccaggio sonopotenzialmente molto promettenti.Un punto debole della tecnologia è rap-presentato dal peso di questi sistemi diaccumulo: a parità di peso il veicolo pre-senta una autonomia tre volte inferiore aquella ottenibile con idrogeno liquido oidrogeno compresso con serbatoi di tipoavanzato. Sono invece indubbi i vantag-gi in termini di convenienza, compattez-za, stabilità dello stoccaggio, sicurezzaintrinseca.

Le nanostrutture di carbonioUna tecnologia molto recente e ancorasperimentale riguarda l’utilizzo di nano-strutture di carbonio (nanotubi e nanofi-bre di carbonio) scoperte all’inizio deglianni novanta, che stanno dimostrandoottime capacità di assorbimento dell’idro-geno, con risultati in alcuni casi sorpren-denti e inspiegabili. Su questa nuova tecnologia sono in corsoricerche da parte di numerosi gruppi dilavoro, ma i risultati sono il più delle voltenon confrontabili in quanto riferiti a cam-pioni di materiali di diverso tipo, provatiin condizioni di pressione e temperaturemolto diverse. Il campo di variazione dellapressione va da pochi bar ad alcune cen-tinaia di bar, la temperatura da 80 °K a 800°K, le percentuali di assorbimento in pesovariano da valori inferiori all’1% ad unincredibile 60%.

Idrogeno liquidoL’idrogeno può essere stoccato a bordodel veicolo in forma liquida ad una tempe-ratura di –253 °C. Per mantenere questetemperature sono stati messi a punto ser-batoi a doppia parete, con una intercape-dine ove viene fatto il vuoto (serbatoi tipodewar). Questa tecnologia è ormai conso-lidata in Germania, dove la BMW la utiliz-za da oltre 15 anni su auto ad idrogeno fun-zionanti con motori a combustione interna.L’accumulo in forma liquida è forse la tec-nologia che meglio soddisfa le esigenzedell’autotrazione, pur presentando deilimiti. A sfavore dell’idrogeno liquido giocano lamaggiore complessità del sistema, sia abordo veicolo, sia a terra per la distribu-zione e il rifornimento, nonché i maggio-ri costi ad esso associati. Anche il costoenergetico della liquefazione è considere-vole, corrispondendo a circa il 30% delcontenuto energetico del combustibile,contro un valore compreso tra il 4 e il 7%per l’idrogeno compresso.Nel quadro delle attività del ProgettoH2MUC è stata realizzata, presso l’aero-porto di Monaco di Baviera, la prima sta-zione di servizio pubblica in grado di for-nire idrogeno liquido.

Idruri metalliciL’idrogeno può legarsi chimicamente condiversi metalli e leghe metalliche, forman-do idruri. Questi composti sono in gradodi intrappolare idrogeno, a pressioni rela-tivamente basse. L’idrogeno penetra all’interno del retico-lo cristallino del metallo, andando adoccupare i siti interstiziali. Si raggiungono,a basse pressioni, densità energetichemaggiori di quelle dell’idrogeno com-presso e paragonabili (secondo alcunereferenze, anche maggiori) a quelle del-


trasportare, la distanza cui trasportarlo el’utilizzo finale.

Il trasporto di idrogeno gassosoL’idrogeno compresso è distribuito, dalleaziende produttrici ai consumatori, in ser-batoi mobili usando autotreni o treni. Attualmente l’opzione più rapida e con-veniente per il trasporto di ingenti quan-tità di idrogeno è quella di adattare partedelle infrastrutture usate per il gas natu-rale, per ospitare l’idrogeno. Occorre inquesto caso tenere conto di taluni aspet-ti, ad esempio: il contatto dell’idrogenocon acciai speciali provoca un loro dete-rioramento; sono necessari sistemi visivi eolfattivi per l’individuazione di eventualifughe.Inoltre sono da considerare necessarie leovvie precauzioni per evitare inneschi dicombustione (materiali e sistemi a sicurez-za intrinseca) dati i caratteri chimico-fisicidi facile innesco a combustione di questogas. La modifica di condutture che tra-sportano gas naturale per trasportare unamiscela di gas naturale e di idrogeno (finoal 20% circa idrogeno) può comportareinterventi modeste alla conduttura stessa;modificare le attuali condutture di gasnaturale per distribuire idrogeno puro puòrichiedere modifiche più sostanziali.Attuali ricerche e analisi stanno sperimen-tando entrambe le strategie.

Il trasporto di idrogeno liquidoIl trasporto in forma liquida presenta pro-blematiche più complesse e sembra, inprospettiva, conveniente solo per grandiquantità e percorrenze elevate.La distribuzione dell’idrogeno presso gliutenti, nel caso di una ampia diffusionedel suo impiego (ad es. nel settore del tra-sporto), pone in prospettiva il problema diuna rete adeguata e degli enormi investi-

Il trasporto dell’idrogenoL’idrogeno può essere trasportato informa gassosa, liquida oppure assorbitosu materiali speciali e trasportato permezzo di autocisterne o con idrogeno-dotti. Aspettative confortanti vengonodall’esperienza storica: gasdotti/idroge-nodotti di grandi dimensioni sono stateutilizzate nella Ruhr tedesca per il tra-sporto dai produttori ai consumatori sindal 1938 senza particolari problemi disicurezza; anche in Italia, d’altra parte,per più di 70 anni si è distribuito senzaparticolari problemi il “gas d’acqua”,costituito da miscele di idrogeno (50%) eCO (50%).L’idrogeno per poter essere utilizzatonecessita di particolari infrastrutture chene consentano la distribuzione eil tra-sporto. Per la distribuzione sono possibili diversesoluzioni:� idrogenodotti;� trasporto via terra con autocisterne,

carri bombolai (trailer);� trasporto via mare con navi cisterne.La scelta dell’una o dell’altra modalità èdeterminata da fattori quali la quantità da


metano e stoccaggio in diverse forme(idruri, idrogeno gassoso);

� alimentazione tramite tubazioni e sta-zioni di compressione locale (come peril gas naturale per trazione).

[13.5]Le applicazioni

Oltre al suo attuale impiego come mate-riale per processi chimici, l’idrogeno puòin prospettiva essere utilizzato come com-bustibile per la generazione di energiaelettrica in cogenerazione (cicli termici,celle a combustibile) e per il trasporto(motori a combustione interna, celle acombustibile), con notevoli benefici sia intermini di efficienza che di riduzione del-l’impatto ambientale. Anche in questo caso, le tecnologie ne-cessarie, pur oggetto finora di notevolisforzi di ricerca e sviluppo, richiedonoancora un impegno notevole per giunge-re alla disponibilità di prodotti competitivi.Le celle a combustibile sono in una faseprecoce di commercializzazione e garan-tiscono un uso più efficace dell’idrogeno.I motori a combustione interna installati abordo dei veicoli, alimentati con idroge-no, possono costituire un modo adattoper introdurre questo tipo di energia, inattesa che altre tecnologie siano messe apunto, come i gruppi motopropulsori elet-trici a celle a combustibile.

Motori a combustione internaI motori a combustione interna ad idroge-no (o a miscele gas naturale-idrogeno)sono ormai disponibili con rendimentisensibilmente più elevati e emissioniridotte rispetto a quelli utilizzanti combu-stibili convenzionali. Le diverse caratteri-stiche di combustione dell’idrogeno (velo-

menti necessari per la sua realizzazione. Iprocedimenti tradizionali di trasporto viaterra con autocisterne possono esseremigliorati divenendo più resistenti, legge-ri e economici. Recentemente si è anche ipotizzato il tra-sporto aereo dell’idrogeno per coprirelunghe distanze in tempi brevi e ridurrecosì le perdite per evaporazione.

Distribuzione e sicurezzaIn Europa è già presente, seppure indimensioni limitate, una rete per la distri-buzione dell’idrogeno associata all’indu-stria petrolchimica. Tuttavia, per generaliz-zare tale distribuzione occorreranno note-voli investimenti in infrastrutture. Nel set-tore dei trasporti, per esempio, servirannoanche speciali strutture per il rifornimento.Così come per ogni altro combustibile, lasicurezza è un aspetto della massimaimportanza. Bisognerà definire codici,standard per le attrezzature, linee guidaoperative e regolamenti accettati da tutti,garantire alti livelli di formazione al perso-nale addetto alla manutenzione e predi-sporre esaurienti campagne informative eeducative per i cittadini.

Stazioni di rifornimento Per la realizzazione delle stazioni di rifor-nimento sono possibili diverse opzioni, inrelazione alle tecnologie già industrial-mente disponibili:� produzione locale per via elettrolitica e

stoccaggio in diverse forme (idruri, idro-geno gassoso);

� stoccaggio locale in forma gassosa erifornimento tramite camion (come peri combustibili tradizionali);

� stoccaggio locale in forma liquida erifornimento tramite camion (come peri combustibili tradizionali);

� produzione locale a partire da gas


[13.6]Celle a combustibile

Caratteristiche Le celle a combustibile sono sistemi elet-trochimici capaci di convertire l’energiachimica di un combustibile (in genereidrogeno) direttamente in energia elettri-ca, senza l’intervento intermedio di unciclo termico, ottenendo pertanto rendi-menti di conversione più elevati rispettoa quelli delle macchine termiche conven-zionali.Una cella a combustibile funziona inmodo analogo ad una batteria, in quan-to produce energia elettrica attraverso unprocesso elettrochimico; tuttavia, a diffe-renza di quest’ultima, consuma sostanzeprovenienti dall’esterno ed è quindi ingrado di funzionare senza interruzioni, fin-ché al sistema viene fornito combustibile(idrogeno) e ossidante (ossigeno o aria).La cella è composta da:� due elettrodi (un anodo e un catodo) in

materiale poroso che fungono da siticatalitici per le reazioni di cella; le rea-zioni consumano fondamentalmenteidrogeno e ossigeno, con produzionedi acqua e passaggio di corrente elet-trica nel circuito esterno;

� un elettrolita, che ha la funzione di con-durre gli ioni prodotti da una reazionee consumati dall’altra, chiudendo il cir-cuito elettrico all’interno della cella. Latrasformazione elettrochimica è accom-pagnata da produzione di calore, che ènecessario estrarre per mantenerecostante la temperatura di funziona-mento della cella).

Una singola cella produce normalmenteuna tensione di circa 0,7 V e correnti com-prese tra 300 e 800 mA/cm2, quindi perottenere la potenza e il voltaggio deside-rato più celle sono disposte in serie, a

cità, temperatura) pongono in questocaso, come in quello delle turbine, proble-mi di alimentazione e di materiali chevanno ulteriormente studiati. Si ritiene cheil rendimento di un motore a idrogenopossa risultare superiore al rendimento diun motore a benzina di un fattore compre-so tra 1,5 e 2. Le attuali applicazioni perl’utilizzo dell’idrogeno in motori a combu-stione interna sono state fatte su deimotori standard opportunamente adatta-ti con risultati nettamente inferiori.Esistono anche prototipi di motori alter-nativi a combustione interna che fannouso di idrogeno combinato a combustibi-li tradizionali (benzina, GPL e metano). Solitamente, in tali motori, l’idrogeno è ilcombustibile secondario ed è presente inpercentuali comprese tra il 10% e il 35%.

Celle a combustibileL’idrogeno è il combustibile ideale per lecelle e quello che può consentire a que-sta tecnologia di esprimere tutte le suepotenzialità in termini energetici eambientali. Problemi da affrontare e risol-vere, sia a livello di cella che di sistema,restano sia per le applicazioni alla trazio-ne (con celle a membrana polimerica) cheper quelle stazionarie (soprattutto cellead alta temperatura).

Centrali termoelettriche a idrogenoAnalisi e valutazioni industriali indicano lafattibilità tecnica della realizzazione di cen-trali termoelettriche alimentate ad idro-geno, utilizzanti tecnologie esistenti e giàcommercialmente mature (dall’impianti-stica di produzione dell’idrogeno conreforming catalitico o con ossidazione par-ziale di idrocarburi, al ciclo combinato tur-bina a gas/turbina a vapore per la gene-razione di elettricità), fino a taglie di diver-se centinaia di MW.


Classificazione delle celle a combustibileEsistono diverse tecnologie di cella, con di-verse caratteristiche e diverso grado di svi-luppo. Normalmente le celle vengono clas-sificate sulla base dell’elettrolita utilizzato(celle alcaline, ad elettrolita polimerico, adacido fosforico, a carbonati fusi, ad ossidisolidi) o alla temperatura di funzionamen-to (celle a bassa e alta temperatura).L’elettrolita determina o condiziona forte-mente:� il campo di temperatura operativo;� il tipo di ioni e la direzione in cui diffon-

dono attraverso la cella;� la natura dei materiali costruttivi;� la composizione dei gas reagenti;� le modalità di smaltimento dei prodot-

ti di reazione;� le caratteristiche di resistenza meccani-

ca e di utilizzo;� la vita della cella.

Tipi di celle a combustibile� Celle alcaline o AFC (Alkaline Fuel

Cell), che usano un elettrolita costitui-to da idrossido di potassio e operanoa temperature intorno a 120 °C. Hannoraggiunto un buon grado di maturitàtecnologica soprattutto per usi specia-li (applicazioni militari e spaziali). Le lorocaratteristiche (richiedono gas di ali-mentazione estremamente puri) nehanno limitato fortemente la diffusione,tanto che oggi non vi sono programmidi sviluppo in corso.

� Celle ad elettrolita polimerico o PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell), cheusano come elettrolita una membranapolimerica ad elevata conducibilità pro-tonica e funzionano a temperaturecomprese tra 70 e 100 °C; sono svilup-pate soprattutto per la trazione e lagenerazione/cogenerazione di piccolataglia (1-250 kW).


Energia e celle a combustibileFig. 13.1

Le moderne celle a combustibile sono reattori elettrochimici in grado di convertiredirettamente energia chimica in energia elettrica. Questo passaggio comporta ren-dimenti elevati e assai maggiori di quelli dei tradizionali sistemi per produrre ener-gia, rispetto ai quali evita il ciclo termico intermedio

Elettrochimica delle celle a combustibileFig. 13.2

Le celle sono costituite da due elettrodi separati da un elettrolita; a differenza dellepile, le celle erogano energia consumando reagenti forniti dall'esterno e sono in gradodi funzionare con continuità. Il combustibile (H2) viene alimentato all'anodo e l'ossi-dante (O2) al catodo; gli elettrodi porosi catalizzano le reazioni di cella che produ-cono un flusso di elettroni sul circuito esterno e uno di ioni attraverso l'elettrolita.

mezzo di piatti bipolari, a formare il cosid-detto “stack”.Gli stack a loro volta sono assemblati inmoduli, per ottenere generatori dellapotenza richiesta.

so in un gas di sintesi contenente idro-geno, purificato secondo le necessitàimposte dal tipo di cella.

� una sezione elettrochimica, costituitadalle celle che producono energia elet-trica per via elettrochimica attraversouna reazione tra l’idrogeno alimentatoall’anodo e l’ossigeno alimentato alcatodo; la trasformazione elettrochimi-ca è accompagnata da produzione dicalore.

� un sistema di condizionamento dellapotenza elettrica, che trasforma l’ener-gia, prodotta sotto forma di correnteelettrica continua, in corrente alternatadi opportune caratteristiche.

Completano l’impianto un sistema diregolazione e di recupero del calore, chepuò essere utilizzato sia all’interno del-l’impianto (ad es. per il reattore di conver-sione del combustibile), che per utenzeesterne di cogenerazione, e un sistema dicontrollo che assicura il coordinamentodelle diverse sezioni dell’impianto.

Produzione di energia elettricaLe celle a combustibile rivestono un note-vole interesse al fine della produzione dienergia elettrica, in quanto presentanocaratteristiche energetiche e ambientalitali da renderne potenzialmente vantag-giosa l’adozione.Gli impianti sono caratterizzati da:� rendimento elettrico elevato, con valo-

ri che vanno dal 40-48% (riferito al pote-re calorico inferiore del combustibile)per gli impianti con celle a bassa tem-peratura, fino a raggiungere oltre il 60%per quelli con celle ad alta temperatu-ra utilizzate in cicli combinati;

� possibilità di utilizzo di un’ampiagamma di combustibili come metano,metanolo, gas naturale, gas di sintesi(prodotto da combustibili liquidi, gassi-ficazione del carbone, biomasse);

� Celle ad acido fosforico o PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell), che opera-no a temperature prossime ai 200 °Ccon un elettrolita costituito da una solu-zione concentrata di acido fosforico;rappresentano la tecnologia più matu-ra per gli usi stazionari, con commercia-lizzazione già avviata per le applicazio-ni di cogenerazione nei settori residen-ziale e terziario (100-200 kW).

� Celle a carbonati fusi o MCFC (MoltenCarbonate Fuel Cell), che usano comeelettrolita una soluzione di carbonatialcalini fusa alla temperatura di funzio-namento della cella (650 °C) e contenu-ta in una matrice ceramica porosa; sonopromettenti soprattutto per la genera-zione di energia elettrica e la cogene-razione, da qualche centinaio di kW adalcune decine di MW.

� Celle ad ossidi solidi o SOFC (SolidOxide Fuel Cell), che funzionano a tem-peratura elevata (circa 900-1000 °C) perassicurare una conducibilità sufficienteall’elettrolita, costituito da materialeceramico (ossido di zirconio drogatocon ossido di ittrio); come le celle a car-bonati, sono promettenti soprattuttoper la generazione di energia elettricae la cogenerazione, da qualche kW adalcune decine di MW.

� Celle a metanolo diretto o DMFC(Direct Methanol Fuel Cell), che opera-no a temperature tra 70 e 120 °C e comele PEFC utilizzano come elettrolita unamembrana polimerica. Sono ancoranello stadio di ricerca di laboratorio.

Gli ImpiantiGli impianti con celle a combustibile sonocostituiti da 3 sezioni principali:� una sezione di trattamento del combu-

stibile (gas naturale, metanolo, gas disintesi prodotti dalla gassificazione delcarbone, biogas), che converte lo stes-


Le principali aree di applicazione sono:� applicazioni stazionarie;� trasporto.

Applicazioni stazionarieLa diffusione dei sistemi con celle a com-bustibile richiede il superamento dellebarriere che ancora limitano lo sviluppodelle varie tecnologie, e che venganomessi a punto prodotti in grado di com-petere, per affidabilità, durata e costi congli altri sistemi di generazione di potenzadisponibili sul mercato, come turbine agas e a vapore (semplici o a ciclo combi-nato). Questi a loro volta negli ultimi annihanno fatto registrare notevoli migliora-menti dal punto di vista dell’efficienza, manon hanno tuttavia ancora dimostratoquel livello di accettabilità ambientale cheè proprio delle celle a combustibile.Le celle a combustibile risultano partico-larmente adatte alla generazione dipotenza distribuita.Un impianto a celle a combustibile pre-senta una efficienza energetica sensibil-mente superiore a quella dei sistemi con-venzionali, anche nelle loro configurazio-ni più avanzate. Da ciò deriva una signifi-cativa riduzione della quantità di CO2

emessa, a parità di energia elettrica ecalore prodotti.Prendendo come esempio un impianto da200 kW (emissioni CO2 pari a circa 190kg/MWh), si stima che l’utilizzo delle cellea combustibile, per le quali si assume unrendimento del 40%, porta, rispetto ad unmotore a gas della stessa taglia (rendi-mento 30%), ad un risparmio in termini diemissioni di CO2 di circa 1.000 t/anno, con-siderando un utilizzo medio di 7.000ore/anno. Le ridotte emissioni di inquinan-ti atmosferici locali sono abbinate ad unlivello di rumorosità estremamente basso(inferiore ai 60 dBA a 10 metri), non essen-do presenti grossi organi in movimento.

� modularità, che permette di accresce-re la potenza installata via via che cre-sce la domanda di energia elettrica, connotevoli risparmi sul piano economicoe con tempi di costruzione che posso-no risultare notevolmente ridotti;

� efficienza indipendente dal carico edalle dimensioni dell’impianto in quan-to il rendimento delle celle è poco sen-sibile alle variazioni del carico elettrico,diversamente da quanto avviene congli impianti convenzionali; in pratica unacella può operare tra il 30 e il 100% dicarico, senza perdite consistenti di effi-cienza; il rendimento è inoltre indipen-dente dalla potenza installata entro unampio intervallo di potenza, mentrenegli impianti tradizionali il rendimentodiminuisce al decrescere della tagliadell’impianto;

� ridottissimo impatto ambientale, sia dalpunto di vista delle emissioni gassoseche di quelle acustiche; questo checonsente di collocare gli impianti anchein aree residenziali, rendendo il sistemaparticolarmente adatto alla produzionedi energia elettrica distribuita;

� possibilità di cogenerazione, con calo-re reso disponibile a diversa tempera-tura, in forma di vapore o acqua calda,e impiegato per usi sanitari, condizio-namento di ambienti, ecc.

Aree di applicazioneLe celle a combustibile presentano pro-prietà tali da renderne molto interessan-te l’impiego nel campo della produzionedi energia elettrica, in quanto rispondonoperfettamente agli obiettivi che si perse-guono nel settore elettrico, e cioè:� miglioramento dell’efficienza di conver-

sione delle fonti primarie;� flessibilità nell’uso dei combustibili;� riduzione delle emissioni di inquinanti

nell’atmosfera.


ne innovativi e l’uso di carburanti alterna-tivi. Azioni queste da svolgere in unapproccio sistemico di interventi, cheabbracciano la gestione e controllo deltraffico e la manutenzione degli autovei-coli circolanti. L’industria automobilistasembra oggi in grado di proporre mezzidai consumi bassissimi e con un minorimpatto ambientale rispetto al passato,ma questa offerta non è ancora in gradodi rispondere alla richiesta di “veicoli azero emissioni” per un mercato semprepiù vincolato ai problemi legati all’inqui-namento. A livello internazionale si guar-da alla propulsione elettrica come unasoluzione ideale.Quindi, l’impiego di sistemi di propulsio-ne veicolare con celle a combustibile rap-presenta una delle alternative più promet-tenti per il medio-lungo termine: la loropotenzialità in termini di bassi consumi eemissioni nulle, o quasi, ne promuove lacandidatura come elemento fondamenta-le della propulsione veicolare per il tra-sporto del prossimo futuro.Le celle a combustibile possono consen-tire di realizzare veicoli che uniscono aivantaggi di silenziosità e assenza di inqui-namento tipici dei veicoli elettrici a batte-ria, caratteristiche d’uso simili a quelle deiveicoli convenzionali in termini di autono-mia e tempi di rifornimento.Grazie all’elevata efficienza della cella, irendimenti previsti per veicoli con celle acombustibile sono sensibilmente superio-ri a quelli dei motori a combustione inter-na. Si raggiungono, a seconda del com-bustibile utilizzato, valori compresi tra il27% e il 41%, contro rendimenti medi del16-18% e del 20-24% misurati rispettiva-mente per i veicoli a benzina e diesel, nelciclo urbano.Qualora alimentate ad idrogeno e aria, lecelle a combustibile presentano efficien-ze ineguagliabili da altri sistemi di gene-

Il settore dei trasporti Pur se negli ultimi anni la tecnologia deiveicoli è notevolmente migliorata condiminuzione dei consumi e aumento diprestazioni, comfort e sicurezza, ciò nonha portato ad una riduzione globale delcontributo del settore alle emissioni e aiconsumi di energia.I livelli di inquinamento atmosferico stan-no assumendo, soprattutto nei grandicentri urbani, dimensioni preoccupanti. Leemissioni di CO2 dal settore trasporti nel2000 già ammontavano a 137,5 Mt e il tra-sporto su strada vi contribuiva per oltre il93% e, nonostante i provvedimenti adot-tati in sede governativa o locale, le emis-sioni dovute alla mobilità di persone sustrada rimane una delle principali sorgen-ti di inquinamento dell’aria nei centri urba-ni. Nel 2000 il consumo finale di energiadovuto al traffico urbano era risultato paria circa il 40% del consumo finale di ener-gia del settore trasporto.Nell’ottica di una mobilità sostenibile,occorre quindi adottare specifiche strate-gie di intervento, che consentano di:� ridurre le emissioni di CO2, anche attra-

verso una riduzione dei consumi ener-getici del settore, per ridurre il rischiodi cambiamenti climatici;

� contenere, nelle aree urbane, i livelli diconcentrazione di inquinanti atmosferi-ci, con particolare riferimento a compo-nenti, attualmente oggetto di maggio-re attenzione come benzene o polverifini;

� ridurre i livelli di inquinamento acustico.Si stima, tuttavia, che l’evoluzione tecno-logica in atto sarebbe ancora insufficien-te e che per portare le emissioni di gasserra ai limiti post-Kyoto occorrerebbeavviare una serie di iniziative diversificate,indirizzate non solo a migliorare l’efficien-za del parco veicolare esistente, ma asostenere lo sviluppo di sistemi di trazio-


duzione non sono infatti tali da permette-re economie di scala. Per arrivare ad unacondizione di concorrenza con le tecno-logie tradizionali, sono necessarie riduzio-ni di costo con fattori che vanno da 3 a 10volte. L’ipotesi di penetrazione fatta richie-de che i costi degli impianti raggiunganovalori compresi tra 1.000 e 1.500 h/kW(con valori maggiori per le piccole taglie)nella fase iniziale della introduzione nelmercato, passando poi a regime a valoridi 600-750 h/kW.L’inserimento nel mercato di una tecnolo-gia innovativa come quella delle celle acombustibile richiede poi che si creinogradualmente le condizioni perché la stes-sa possa competere alla pari con le tec-nologie convenzionali, superando le bar-riere di carattere “ambientale” (conoscen-za della tecnologia, normative specifiche,clausole di manutenzione, ecc.) che pos-sono penalizzarla nella fase iniziale dellacommercializzazione.È chiaro che ci sarà maggiore spazio perle celle a combustibile se gli utenti trove-ranno semplice e conveniente l’autopro-duzione di energia elettrica e calore conimpianti di piccola taglia. Questo com-porterebbe semplicità nelle procedureper l’installazione e avviamento degliimpianti, nonché facilitazioni dei rapporticon la rete elettrica (cessione di energiaalla rete, ecc.).L’introduzione delle celle a combustibilerichiede, oltre allo sviluppo di un conte-sto favorevole alla generazione/cogenera-zione distribuita, che gli utenti prendanoconfidenza con la tecnologia, superandole preoccupazioni connesse con la novitàdella stessa in termini di sicurezza (ad es.presenza di idrogeno), modalità e costi digestione, affidabilità, manutenzione, ecc.,e si sentano garantiti circa la continuità equalità del servizio reso dall’impianto.

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razione, per di più costanti con il variaredel carico, e una dinamica rapidissima,paragonabile a quella di un accumulato-re tradizionale. Tali efficienze si riduconoparzialmente se si considera l’intero ciclodel combustibile, dalla fase di produzio-ne alla sua distribuzione. Da notare cheefficienze maggiori si traducono, a paritàdi energia prodotta, in una riduzione dellaquantità di anidride carbonica emessa,anche con idrogeno prodotto a partire dacombustibili fossili.Le emissioni di sostanze inquinanti nelpunto di utilizzo di un veicolo con celle acombustibile sono praticamente nulle conidrogeno e si mantengono estremamen-te basse con altri combustibili riformati abordo (fino al 90% in meno rispetto aimotori termici).I veicoli alimentati con celle a combusti-bile presentano inoltre una bassa rumoro-sità, poiché la sola sorgente di rumore èquella costituita dall’unità di compressio-ne dell’aria utilizzata per l’alimentazionedello stack.Per generare energia, l’unità costituitadalle celle a combustibile deve essereintegrata in un sistema completo checomprende una sezione di trattamentodel combustibile, la sezione di compres-sione dell’aria, un sistema di condiziona-mento della potenza elettrica, un sistemadi recupero del calore sviluppato e infineuna sezione di regolazione e controllo.L’energia prodotta dalle celle farà muove-re un motore elettrico, il quale darà lapropulsione necessaria agli organi di tra-smissione del veicolo.

CostiIl principale ostacolo alla penetrazione nelmercato degli impianti con celle a com-bustibile è rappresentato dal costo di pro-duzione elevato. Gli attuali volumi di pro-


Allegati

Un mondo di energia più sostenibile

Sfide globaliI governi consumatori devono affrontare le implicazioni, comprese le nuove vulnerabi-lità, del ricorso a grossi rifornimenti dai Paesi MENA. Devono inoltre identificare le poli-tiche e le misure rivolte a ridurre il rischio di catastrofi naturali o dinamiche geopoliti-che che possano rendere i prezzi più elevati.L’approfondimento del dialogo politico con i paesi produttori, specialmente nel qua-dro del dibattito internazionale sull’energia, ha contribuito a richiamare le preoccupa-zioni a breve termine riguardanti la sicurezza, così come a facilitare i movimenti di fondia lungo termine che sono stati necessari per sviluppare le risorse energetiche dell’areaMENA.


Paesi dell’area M.E.N.A.Medio Oriente Nord Africa

I governi dei paesi consumatori, infine, devono considerare delle politiche a lungo ter-mine che promuovano ulteriori differenziazioni delle loro disponibilità di energia, comemezzi sia di abbassamento della loro vulnerabilità alle catastrofi, che di richiamo deiproblemi ambientali, includenti il problema dell’aumento delle emissioni di gas-serra.La riduzione della dipendenza da petrolio e da gas, attraverso una differenziazione deicombustibili e delle loro fonti geografiche e l’uso più efficiente dell’energia, deve esse-re al centro delle politiche a lungo termine puntate sull’aumento della sicurezza del-l’energia.

La vulnerabilità ad uno shock petrolifero di ogni paese consumatore è direttamentecollegata alla quantità di gas e di petrolio necessaria al paese stesso. La sfida è resapiù urgente dalle sempre minori possibilità a breve termine di poter sostituire il petro-lio e il gas provenienti dall’area MENA.Non è la dipendenza da un determinato tipo del combustibile che conta, ma la scar-sità di risorse alternative a quel combustibile e la possibilità di ricorrere ad altri com-bustibili in caso di crisi. Rispetto a questo, le prospettive per i paesi consumatori stan-no peggiorando. I combustibili derivati dal petrolio non possono essere sostituiti neimezzi di trasporto, e la crescita di domanda in questo settore renderà il petrolio ancormeno sostituibile. Queste sfide richiedono delle risposte collettive. Le conseguenze diuna sospensione dei rifornimenti per un paese importatore di petrolio, dipendono dal-l'entità della variazione del prezzo e dal grado di dipendenza dell’importazione.

191 Allegati

Quote dei Paesi MENA nell'offerta di gas e petrolio

Il petrolio, sia in forma grezza che in forma raffinata, è un bene comune globale ed undeficit nella fornitura ad un paese importatore interessa tutti i paesi consumatori, a pre-scindere se i loro rifornimenti ne sono direttamente influenzati, oppure no.Questo discorso vale anche per il gas: in caso d'interruzione del rifornimento non sem-pre si può compensare ricorrendo ad altre fonti. Per cui i paesi consumatori devonodifferenziare le loro fonti.Il rifornimento del GNL (Gas Naturale Liquefatto) è, in linea di principio, più flessibile,poiché la perdita di rifornimento da un produttore potrebbe in teoria essere sostituitadall’emissione di un altro produttore. La crescita della domanda di GNL dovrebbe, quin-di, contribuire a più flessibilità nell’approvvigionamento di gas. Ma, in pratica, potreb-be non esserci disponibilità sufficiente a compensare grandi riduzioni dell'offerta.

L’esigenza di un mondo di energia più sostenibile

La sicurezza dell’energiaIl ruolo dell’area MENA nella disponibilità di energia globale ha implicazioni importan-ti e complesse per la sicurezza dell’energia dei paesi consumatori. L'aumento del com-

mercio internazionale di petrolio e gas può portare benefici alle nazioni esportatrici edimportatrici. Ma poiché l'offerta è concentrata in pochi paesi, aumenta la possibilità diinterruzioni delle forniture, come è già successo in passato, e il rischio che quei paesiad un certo punto cerchino di usare la loro posizione dominante nel mercato per alza-re i prezzi.


Paesi per riserve provate di petrolio

Molte circostanze possono influire sul prezzo del petrolio, compresa la perdita improv-visa (anche attesa) dei rifornimenti, la mancanza di alternative nel rifornimento, il trat-tenere intenzionalmente i rifornimenti per motivi politici e le riduzioni coordinate di pro-duzione. Il crescente dominio dell’area MENA nei mercati globali intensifica questi rischi.In pratica, la vulnerabilità dipende non solo dal rischio e dalla durata di un'interruzio-ne e dalle conseguenze sui prezzi, ma anche dalla flessibilità e dalla capacità dell’eco-nomia di sostenere i prezzi più elevati.Quanto maggiore sarà il bisogno di petrolio e scarsa la possibilità di sostituzione diesso, tanto maggiore sarà la vulnerabilità di un paese.L’esperienza mostra che la perdita improvvisa persino di un volume modesto di petro-lio, conduce ad aumenti netti dei prezzi, specialmente se connesso ad una capacità diricambio limitata od a crescenti tensioni geopolitiche.L’inelasticità crescente della domanda di petrolio sta aumentando la vulnerabilità deipaesi importatori. La quantità richiesta di combustibili derivati dal petrolio nel settoredei trasporti risponde pochissimo ai cambiamenti dei prezzi a breve termine. Questicombustibili non possono essere sostituiti nei veicoli attuali e, poiché il costo del com-bustibile rappresenta soltanto una piccola parte dei costi complessivi di un veicolo, essoinfluisce in misura limitata sulla scelta di un veicolo. Di conseguenza, la richiesta di com-bustibile tende a cambiare pochissimo al variare dei prezzi, specialmente a breve ter-mine. Ad ogni riduzione dell'offerta, il nuovo prezzo di equilibrio, in corrispondenza

del qual la domanda dovrebbe diminuire, ci si aspetta che aumenti, aggravando il costoai paesi di importazione.Nel lungo termine la sicurezza energetica dei paesi importatori dipenderà da investi-menti che garantiscano la soddisfazione delle esigenze energetiche nel mondo ad uncosto accettabile; investimenti che aumenterebbero anche la sicurezza nel breve ter-mine, nella misura in cui potranno permettere la piena sostituibilità dei combustibili,in modo da ridurre il rischio di deficit di rifornimento e di shock dei prezzi.

Vulnerabilità agli shocksLa preoccupazione per la minaccia di interruzioni dei rifornimenti di energia dall’areaMENA deriva dall’esperienza avuta nelle ultime decadi, in cui si sono verificate, in queiPaesi, la maggior parte degli stop globalmente significativi di rifornimento di prodot-ti petroliferi. Dal 1970 ce ne sono state 17 serie, che hanno provocato una perdita ini-ziale di almeno 0,5 milioni di barili al giorno (mb/d) di petrolio grezzo.Tre di esse sono state collegate agli eventi sopravvenuti nei paesi nord africani o inquelli medio-orientali. Le quattro crisi più importanti (la guerra Arabo-Israeliana nel 1973,la rivoluzione iraniana nel 1978-1979, la guerra tra Iran e Iraq nel periodo 1980-1988 ela guerra del Golfo nel 1990-1991) hanno comportato riduzioni iniziali comprese fra i 3ed i 5,6 mb/d.La più grande interruzione dagli anni novanta, è stata la perdita di 2,6 mb/d di produ-zione nel Venezuela tra la fine del 2002 e l’inizio del 2003 per uno sciopero nella com-pagnia petrolifera nazionale. A questa è seguita nel marzo 2003 la perdita della mag-gior parte dei rifornimenti in Iraq, come conseguenza dell’invasione; e ad oggi non siè ancora tornati al livello di produzione precedente al conflitto. Queste perdite si sonounite alla perdita di 800 kb/d di petrolio nigeriano, dovuta ad uno sciopero nell’indu-stria petrolifera.Anche se la sicurezza dei mezzi per la produzione di petrolio in tutti i paesi produtto-ri è andata crescendo negli ultimi anni in risposta alla minaccia incombente del terro-rismo, persistono varie forme di minaccia nella produzione e trasporto di energia nel-l’area MENA, quali gli attacchi ai mezzi di produzione del petrolio, ai giacimenti ed alleautocisterne (ad esempio in Iraq).Le interruzioni dei rifornimenti possono anche derivare da atti politici intenzionali delgoverno del paese produttore.Il commercio lega i fornitori ed i clienti in un rapporto di dipendenza reciprocamentefavorevole, ma il commercio inter-regionale del gas e del petrolio è soggetto a subi-re interruzioni e minacce.Un tema di inquietudine particolare a tale riguardo è il ricorso crescente alle esporta-zioni dall’area MENA attraverso poche reti strategiche di trasporto. La maggior partedel petrolio e del gas esportati dai paesi del Medio Oriente passano attraverso appe-na tre canali, e ciascuno di questi è suscettibile a chiusura improvvisa come conseguen-za di incidenti, pirateria, attacchi terroristici o guerra:� lo stretto di Hormuz, alla bocca del Golfo Persico;� il passaggio di Bab El-Mandab, che collega il golfo di Aden con il Mar Rosso;

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� il canale di Suez e la condotta di Sumed, che collegano il Mar Rosso alMediterraneo.

Capacità di risposta alle emergenzeNel 1974 l’IEA formulò l’International Energy Programma (IEP), un accordo tra paesiOCSE per cooperare e ridurre la dipendenza dal petrolio, attraverso programmi dirisparmio energetico e lo sviluppo di fonti energetiche alternative.Questo programma comprende un piano di emergenza che prevede la conservazio-ne di scorte strategiche di petrolio (equivalenti a 90 giorni delle importazioni nette dipetrolio) da ripartire tra i paesi membri, per fronteggiare un eventuale blocco degliapprovvigionamenti.


Uragano Katrina28 Agosto 2005

Nel settembre 2005, i paesi dello IEA hanno dimostrato la prontezza e l’efficacia di que-sto programma acconsentendo subito a mettere a disposizione del mercato l’equiva-lente di 2 mb/d del petrolio delle scorte strategiche per un periodo iniziale di 30 gior-ni per aiutare a bilanciare la perdita di 1,5 mb/d di produzione di petrolio greggio edi 2 mb/d di petrolio raffinato, derivata dai danni dell’uragano Katrina negli Stati Uniti.Per mantenere il livello di copertura di emergenza, in una situazione di crescentedipendenza dall’importazione di petrolio, il periodo 2003-2030 richiederà grandi aumen-ti nel volume delle scorte strategiche di petrolio. Per l’OCSE, le scorte di petrolio tota-le dovrebbero aumentare di circa 3 miliardi di barili nel 2010 e di 3,7 miliardi di barilinel 2030, affinché le riserve siano pari a 90 giorni di importazioni nette.I costi per lo stoccaggio del petrolio variano significativamente: sono più bassi, circa3,50 dollari per barile, per le attrezzature sotterranee, come le caverne che contengo-no le riserve strategiche di petrolio degli Stati Uniti, diventano più alti per le cisterne,fra i 15 ed i 20 dollari per barile. A questi va aggiunto un costo addizionale di 0,20 dol-lari per barile.

Cina ed India hanno iniziato a sviluppare metodi per lo stoccaggio di scorte strategi-che di petrolio. Anche se i loro programmi a lungo termine sono ancora incerti, si stimache la loro spesa complessiva fino al 2030 potrebbe arrivare a 28 miliardi di dollari, sup-ponendo che l’India immagazzini riserve equivalenti a 45 giorni di importazioni nettee la Cina riserve per 30 giorni.

195 Allegati

Volume di petrolio necessarioa garantire 90 giorni di

importazioni nette nelleregioni OCSE nello Scenario

di Riferimento

Fonte: IEA

La Cina attualmente sta sviluppando quattro complessi per un volume complessivo paria 102 milioni di barili, che saranno in funzione entro il 2008. I costi sono alti, circa 19dollari per barile, e sono negativamente influenzati dai recenti rialzi del prezzo di accia-io e cemento.L’espansione futura del programma di immagazzinaggio della Cina probabilmentecomprenderà anche la costruzione di strutture sotterranee per il petrolio.L’India ha in programma di sviluppare entro il 2007 delle strutture che contengano circa35 milioni di barili di petrolio, corrispondenti a circa 19 giorni di importazioni nette. IlMinistero Indiano per il Petrolio ed il Gas Naturale sta selezionando alcuni luoghi perl’immagazzinaggio di petrolio, come caverne di roccia, che si pensa comportino costiminori, intorno ai 10 dollari per barile.

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Motivazione e situazioni di mercato che influenzano e determinano gli scenarienergetici futuri

La crescita economica di Cina ed India inciderà sempre di più sulla domanda di com-bustibili. Questo trend è iniziato lo scorso decennio, durante il quale, a fronte di unaumento congiunto del 35% nel consumo di petrolio fra il 1990 ed il 2003, le due Nazionihanno contribuito soltanto per il 15% alla produzione mondiale.

Sviluppo economico della CinaNegli ultimi anni il Prodotto Interno Lordo (P.I.L.) cinese è cresciuto ad un tasso del9,5% annuo. La domanda di energia del paese è cresciuta, nel 2004, del 15% annual-mente, fino a 6,37 mb/d, circa un terzo del fabbisogno statunitense, rendendo la Cinail secondo consumatore di energia, dopo gli Stati Uniti e prima del Giappone.


Crescita percentuale del P.I.L. cinese, 1999-2007

Per il 2007 si tratta delrisultato atteso

Attualmente le importazioni coprono circa il 40% della domanda di petrolio, che vienein larga parte utilizzato per la produzione di elettricità, sebbene sia previsto che ladomanda del prezioso combustibile crescerà ancora, a causa dell'aumento del nume-ro di automobili in circolazione e dell'industria petrolchimica.Per fronteggiare la carenza di elettricità iniziano ad essere costruite nuove centrali acarbone, gas naturale, idroelettriche e nucleari.Le compagnie petrolifere di Stato hanno deciso, per questioni di sicurezza, di diversi-ficare i fornitori e di costruire riserve strategiche, mentre il governo inizia ad elabora-re nuove politiche che abbassino la richiesta di petrolio.Con il decimo piano quinquennale (2001-2005) è iniziata la costruzione dei quattro siti

197 Allegati

Produzione e domanda di petrolio in Cina

che conterranno le riserve strategiche: già alla fine del 2008 saranno stoccati circa 100milioni di barili, pari a 35 giorni di importazioni nette.Per diminuire la domanda di combustibile del settore dei trasporti, che nel medio elungo termine sarà il comparto a maggior richiesta di petrolio, già dal 2004 sono statipromossi standard di efficienza per le automobili, mentre si pensa d'introdurre tassesulla benzina, che aumenteranno il prezzo dai 1,6 $ per gallone, a 2-3 $ per gallone(pari a 3,78 litri).

Sino al 1993 le importazioni cinesi venivano quasi esclusivamente dall'Indonesia,dall'Oman e dallo Yemen, mentre oggi l'Arabia Saudita, che garantisce il 14% delleimportazioni, è il principale fornitore, e circa il 60% viene importato da: Oman, Angola,Iran, Russia, Vietnam, Yemen, oltre che dal Sudan, Congo e Guinea Equatoriale.È evidente che il Dragone Rosso vuole rafforzare la sua presenza in Africa, in modo daottenere un ruolo chiave nelle prossime attività di ricerca di giacimenti petroliferi.Nel complesso, la Cina continuerà ad essere forte importatrice di combustibili fossili:è probabile che in futuro acquisterà il 75% dei combustibili necessari al suo fabbiso-gno energetico, arrivando ad importare, nel 2030, una quantità di petrolio pari a quel-la odierna degli Stati Uniti.

Sviluppo economico dell'IndiaL'India è un paese in continua crescita: l’incremento annuo del P.I.L. è passato dal 4,3%nel 2002, all'8,5% del 2006.Il consumo totale di energia è soddisfatto per il 30% dal petrolio, il cui impiego dovreb-be aumentare rapidamente, dai 2,2 mb/d del 2003 (dei quali il 63% sono stati impor-tati) fino ai 2,8 mb/d nel 2010.Per limitare la dipendenza del Paese si cerca di espandere l'esplorazione e la produ-zione nazionale: dal 1997 il governo, con la NELP (New Exploration Licensing Policy)permette nuove ricerche, ammettendo, per la prima volta, la partecipazione straniera.Attualmente il livello di importazioni di greggio è del 70% (solo nel 2004 è aumentato


Composizione della domandadi energia primaria in India

(Millions of tons of oilequivalent)

del 7,3%), e si ritiene che nei prossimi 10-15 anni arriverà all'85%. Questo indica unavulnerabilità dell'economia indiana alle importazioni, alla quale il governo ha deciso dirispondere con la costruzione di riserve strategiche in varie località del paese, ed intro-ducendo misure per promuovere il risparmio di petrolio nei settori del trasporto, indu-striale, agricolo.

Si tratta quindi di una strategia opposta a quella cinese: mentre la Cina cerca di otte-nere un ruolo chiave nelle zone produttive più importanti (l'Africa), l'India cerca di ridur-re il divario fra la domanda di greggio e la produzione nazionale.

Politiche energetiche negli Stati UnitiGli U.S.A. Sono i maggiori produttori, consumatori ed importatori netti di energia. Alprimo gennaio 2005 la loro riserva provata di petrolio, costituita da 21,9 miliardi di bari-li, era l'undicesima del pianeta. Nel 2003 sono stati prodotti 7,8 mb/d, dei quali 5,7milioni erano greggio, mentre il resto, in larga parte, gas naturale liquido. Le importa-

Crescita percentuale del P.I.L. indiano, 1999-2007

Per il 2007 si tratta delrisultato atteso

zioni sono il 60% della domanda, e provengono in larga parte dal Medio Oriente.Stando alle previsioni dell'IEA, in futuro la produzione di petrolio dovrebbe diminuireleggermente (è già successo nel 2003 e 2005), mentre il consumo continuerà a cresce-re fino a doppiare, nel 2025, le importazioni nette.Nel settembre 2004 l'uragano Ivan ha causato una perdita di 29 milioni di barili di petro-lio, e gli uragani del 2005 (Katrina, Rita, Stan) hanno contribuito alla riduzione della pro-duzione. Questo ha portato all'elaborazione di una Politica Energetica Nazionale (NEP),il cui scopo principale è quello di limitare le importazioni ed i consumi, ed alla costi-tuzione del NEDC (National Resources Defence Council), che ha invece il compito dielaborare proposte per ridurre il consumo di petrolio.Anche negli Stati Uniti, per ridurre l'incertezza dell'offerta, già in seguito alle crisi del1973-1974, sono state costruite delle riserve strategiche di petrolio, da utilizzare in casodi interruzioni di rifornimenti.

Il progresso tecnologico indotto dai prezzi dell’energiaL’aumento costante dei prezzi, che contribuisce ad una variazione nel comportamen-to dei consumatori e nelle aspettative sui prezzi futuri del produttore, hanno un impat-to particolarmente forte sul mix dei combustibili e sul cambiamento tecnologico.Lo sviluppo e la diffusione di tecnologie energetiche più efficienti, sia per l’offerta cheper la domanda, sono accelerate dopo le due crisi petrolifere degli anni settanta.Questo ha contribuito a dimezzare, nelle due decadi successive, l’indice di oil intensi-ty (consumo di petrolio per unità di attività) nei paesi IEA.Prezzi dei combustibili convenzionali più alti rendono le fonti di energia alternative piùconvenienti. Chi si occupa di queste tecnologie riceve incentivi per allocare più risor-se al loro sviluppo: l’energia nucleare, eolica, solare, il carbone, la gassificazione, hannoavuto una crescita significativa dopo le crisi petrolifere.Uno dei motivi sta nella crescita, nei settori pubblico e privato, della diffusione dellaricerca e dello sviluppo (R&S).I governi dei paesi IEA hanno raddoppiato la loro spesa in R&S in termini reali duran-te gli anni settanta, con un picco nei primi anni ottanta. Da allora, la spesa di R&S hapiù o meno seguito i prezzi di petrolio, declinando negli anni ottanta e con una sta-bilizzazione negli anni novanta. I prezzi dell’energia influenzano anche la domanda relativa alla tecnologia. Con l’au-mento dei prezzi, i consumatori tendono a scegliere gli apparecchi a maggior efficien-za energetica. Le imprese industriali e commerciali cominceranno ad introdurre appa-recchiature con consumi ridotti di energia nei loro stabilimenti ed uffici.La crisi petrolifera degli anni settanta, insieme alle politiche dei governi, ha portato asignificativi risparmi di energia in tutti settori. L’indice di energy intensity (consumo dienergia per unità di attività) è diminuito drasticamente dopo il crollo del prezzo delpetrolio nel 1986.Con il recente aumento dei prezzi, i risparmi di energia potrebbero ricominciare adaccelerare, poiché consumatori ed imprese dovrebbero ricominciare a prendere in con-siderazione, per i loro acquisti, l’efficacia energetica.

199 Allegati

Prezzi elevati non richiedono incentivi statali per l'introduzione di nuove tecnologie sulmercato, perché si riduce la necessità di ridurre i costiDopo un lungo periodo di miglioramenti modesti nei consumi delle automobili nei paesidello IEA, l’industria automobilistica sta iniziando ad accelerare lo sviluppo di tecnolo-gie più efficienti, come i motori ibridi.Negli ultimi due anni, General Motors ha aumentato le spese annuali di R&S di $ 500milioni e Toyota di quasi $ 1 miliardo.Analisi empiriche hanno dimostrato una relazione positiva fra prezzi energetici ed inno-vazione tecnologica. Le aspettative di prezzi futuri più alti potrebbero stimolare nei pros-simi anni lo sviluppo di migliori tecnologie sia per la domanda che per l’offerta.

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201 Allegati

Unità di misura dell’energia

Diverse sono le unità di misura dell'energia, a seconda del tipo di energia prodotta oconvertita; esistono comunque relazioni di equivalenza fra le unità.Le unità di misura più usate sono: il Joule (J), la kilocaloria (kcal), il British Thermal Unit(BTU), il chilowattora (kWh), e i loro multipli.I fattori di conversione più utili agli scopi del testo sono riportati nelle tabelle seguen-ti. Ogni combustibile ha un proprio “valore energetico”, misurabile dall'energia rica-vabile dalla sua combustione; per darne una misura ci si riferisce convenzionalmentealla quantità di energia ricavabile dalla combustione di 1 kg (o di un m3), espressa inchilocalorie o megajoule, a cui si dà la denominazione di “potere calorifico”.Per fare, quindi, dei bilanci energetici che tengano conto dell’apporto delle diversefonti o combustibili, ognuna di esse, mediante un calcolo di equivalenza a partire daidiversi poteri calorifici inferiori (p.c.i.), viene convertita in una unità di misura, commer-ciale, di uso generale: la tonnellata equivalente petrolio (tep) ed il suo multiplo milio-ni di tep (Mtep). Considerato che il potere calorifico del petrolio è di 10.000 kcal/kg, risulterà che 1 kgdi carbone (pci = 7.000 kcal/kg) equivale a 0,7 kg di petrolio ed 1 m3 di gas naturale(pci = 8.250 kcal/m3) “vale” 0,825 kg di petrolio. La densità di riferimento del petrolioè assunta pari a 0,8636 kg/litro.

1 kilocaloria (kcal) = 3,968 Btu = 4,187 kJ

1 British thermal unit (Btu) = 0,252 kcal = 1,055 kJ

1 kilojoule (kJ) = 0,948 Btu = 0,239 kcal

1 barile di petrolio equivalente (bep) = 5,4 . 106 Btu

1 t di petrolio equivalente (tep) = 10 . 106 kcal

1 t di carbone equivalente (tec) = 7 . 106 kcal

1 kWh = 3.600 kJ = 3.412 Btu

Tabella 1Unità di misura dell’energia

e fattori di conversione

tec tep bep Nm3 NG

1 t di carbone equivalente (tec) 1 0,700 5,098 848

1 t di petrolio equivalente (tep) 1,429 1 7,283 1212

1 barile di petrolio equivalente (bep) 0,196 0,137 1 166

1 metro cubo di gas naturale equivalente (Nm3 NG) 1,18·10–3 8,25·10–4 6,0·10–3 1

Tabella 2Fattori di conversione

tra alcune unità di misuracommerciali dell'energia


gal USA gal UK bbl ft3 l m3

Gallone (gal) USA 1 0,8327 0,02381 0,1337 3,785 0,0038

Gallone (gal) UK 1,201 1 0,02859 0,1605 4,546 0,0045

Barile (bbl) 42,0 34,97 1 5,615 159,0 0,159

Piede cubico (ft3) 7,48 6,229 0,1781 1 28,3 0,0283

Litro (l) 0,2642 0,220 0,0063 0,0353 1 0,001

Metro cubico (m3) 264,2 220,0 6,289 35,3147 1000,0 1

Tabella 3Fattori di conversione

tra alcune unità di misura del volume

203 Allegati

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B I B L I O G R A F I A

Edito dall’ENEA

Unità Comunicazione

Lungotevere Thaon di Revel, 76 - Roma

www.enea.it

Edizione del volume a cura di Antonino Dattola

Finito di stampare nel mese di Ottobre 2008da Fabiano Group Srl – Canelli (AT).

energia per un futuro sostenibile e fonti rinnovabili

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