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Fonti Rinnovabili: limiti e prospettive

7-8 Novembre 2006

L'Energia per il futuro: Nucleare e Fonti Rinnovabili

Alberto Rota

Andrea Casalegno

Facoltà di Ingegneria

Dipartimento di Energetica

Indice

Le energie rinnovabili

Il contributo delle Rinnovabili

L’idroelettrico

Le biomasse

L’energia eolica

L’energia solare

Alberto Rota

Andrea Casalegno

Il contributo delle rinnovabili

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Fonti primarie

Radiazione solare

Calore geotermico

Maree

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Alberto Rota

Andrea Casalegno


Radiazione solare

Fotovoltaico ElettricitàTermico Calore/Ele.Fotosintesi Biom. Calore/Ele.Int.atmosfera Vento ElettricitàEvaporazione Idraul. Elettricità


Alberto Rota

Andrea Casalegno



2004 Fuel shares in World Total Primary Energy Supply

Natural Gas20.0%

Coal24.0%

Nuclear6.2%

Hydro6.2%

Oil32.8%

Other0.6%

Biomass and waste10.1%

Other Renewables: Geothermal, Wind, Solar, Tide.(Elaborazioni da dati IEA)

Alberto Rota

Andrea Casalegno


• Offerta di energia primaria in Italia, anno 2002– Petrolio: 54%– Gas: 30%– Combustibili solidi: 7%– Rinnovabili: 9%– Importazione En. Elettrica: 6%

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Alberto Rota

Andrea Casalegno


• Energia primaria da fonti rinnovabili in Italia(2001)– Biomasse: 52%– Idroelettrico: 42%– Geotermico: 5%– Eolico,solare e maree: 1%

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Alberto Rota

Andrea Casalegno



Alberto Rota

Andrea Casalegno



La struttura energetica di una nazione andrebbe costruita con gli stessi criteri con cui si struttura un portafoglio azionario.Dovrebbe quindi basarsi su un mix ragionevolmente ampio di fonti con costi e rischi di approvvigionamento tra loro non correlati.Le fonti rinnovabili devono quindi trovare una collocazione in questo quadro fornendo un contributo interessante ma che non deve essere sovrastimato.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


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-253.150.5(17%)Italia163.3390.755(9%)Germania

-29.36.6(18%)DanimarcaNucleareFossiliRinnovabili

Produzione annua di EE [TWh]

-64.623.7(27%)Italia

20.480.229.1(22%) (0.8 solare)

Germania

-10.83.18(22%)DanimarcaNucleareFossiliRinnovabili

Potenza installata [GW]

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Energia idroelettrica

Tecnologia matura ed economicamente competitiva, richiede elevati investimentiIn Italia i siti idonei per la realizzazione di grandi impianti sono pressoché esauriti.I pochissimi ancora disponibili difficilmente possono essere realizzati per la forte opposizione sociale.Un certo spazio rimane ancora per il mini-idraulico.

Energia idroelettrica

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Alberto Rota

Andrea Casalegno


Mini Idraulico

Con questo termine si indicano generalmente impianti idroelettrici ad acqua fluente di potenza inferiore ai 10 MW e spesso di poche centinaia di kW.

I piccoli impianti idraulici, rilanciati dallo sviluppo dei sistemi di controllo a distanza, hanno raggiunto un buon livello di sviluppo che garantisce elevate affidabilità e lunghe vite di impianto (30-50 anni).

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Mini Idraulico

Gli elementi base dell’impianto sono l’opera per il convogliamento dell’acqua, la condotta forzata di adduzione alla turbina, il blocco turbina-generatore elettrico ed il sistema di controllo.

I salti idraulici di questi impianti sono modesti (inferiori ai 20 m) e per incrementare la potenza si tenta di utilizzare tutta la portata disponibile.

Alberto Rota

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Mini Idraulico

Alberto Rota

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Mini Idraulico

Anche se, come detto,questa fonte non potràfornire un rilevante contributo al soddisfacimento della domanda di energia elettrica, è importante utilizzare al meglio le risorse disponibili in quanto in molti casi i costi dell’energia sono interessanti.

Infatti sebbene gli investimenti siano elevati e molto variabili da sito a sito, 1500-3000 €/kW, l’elevato fattore di utilizzo ( indicativamente 5000 h/anno) e la lunga vita utile consentono di raggiungere costi di produzione competitivi:40-90 €/MWh.

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Mini Idraulico

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Mini Idraulico

Il mini-idraulico fruisce di certificati verdi.

Il valore dei Certificati Verdi (CV) è stato di 97 e 108,92 €/MWh rispettivamente nel 2004 e 2005.

Le procedure di autorizzazione prevedono l’ottenimento di una concessione per l’uso dell’acqua rilasciata dalla provincia.

Quando a livello locale non insorgano più o meno giustificate gelosie, per un bene sentito fortemente come pubblico, l’iter autorizzativopuò risultare relativamente semplice.

Alberto Rota

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Biomasse

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Biomasse

Con questo termine si indica una famiglia di sostanze tra loro molto diverse che necessitano per la loro conversione di tecnologie differenti.

“Materia organica di origine animale o vegetale, esclusa la materia organica di origine fossile”

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La conversione della biomassa

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Biomasse

Considerando solo le BM impiegate nella generazione di elettricità la situazione italiana, sempre in base a dati IEA è la seguente:

943

276 stime

1428

2647

224

290

378

892

2002

67%

30%

28%

15%

43%

19%

Tasso 90-02

1100

400

1850

-

-

-

-

2003 (stime)Anno

MWe di cui:

RSU (f. rinn.)

BM solide

Biogas

Biogas

BM solide

RSU (f. rinn.)

EE GWh di cui:

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Biomasse

Non è facile valutare quale ulteriore contributo potranno dare le BM alla produzione elettrica nazionale.

Sulla loro evoluzione influiscano fortemente anche scelte di politica agricola e di gestione del territorio.

Una valutazione ottimistico realistica potrebbe essere il 5-7% del fabbisogno complessivo

Come mostra il seguente grafico anche le BM si sviluppano a tassi inferiori a quelli previsti dalla CE.

Alberto Rota

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Biomasse

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Biomasse

Gli impianti alimentati a BM sono tecnicamente dispacciabili e possono raggiungere fattori di utilizzo molto elevati.

Nel passato si rilevavano vari problemi sia per quanto concerne l’approvvigionamento del combustibile sia per l’insorgere di guasti frequenti; gli impianti alimentati a RSU, ad esempio, presentavano gravi problemi di corrosione.

La situazione è in evoluzione ed èragionevole attendersi forti incrementi dell’efficienza e dei fattori di utilizzo

Alberto Rota

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Biomasse

Per la conversione delle BM solide e della frazione organica degli RSU gli impianti piùutilizzati sono le caldaie a griglia fissa o mobile e a letto fluido ( 95% degli impianti presenti in Italia).

Cominciano ad essere presi in considerazione i processi di gassificazione e di pirolisi.

Le taglie di impianto variano da pochi kW a decine di MW t. Raramente viene superata la taglia di 50 MWt per problemi sia autorizzativi sia connessi alla raccolta della BM.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Biomasse

I costi di investimento sono elevati e variano in un campo piuttosto esteso in funzione della taglia di impianto e del tipo di BM: 2000-3000 €/kW.

Nel caso delle BM il costo del kWh dipende, oltre che dai parametri già considerati per le altre fonti (investimento, fattore utilizzo,tasso attualizzazione, gestione e manutenzione) anche dal prezzo della BM che ad esempio, se si considera legno cippato, può variare tra i 25-50 €/ton.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Biomasse

Quando invece si trattino rifiuti il costo del combustibile può addirittura essere negativo;la forbice tra i valori minimi e massimi è quindi molto ampia potendo variare tra 40 e 140 €/MWh.

Gli impianti a BM possono essere utilizzati in assetto cogenerativo incrementando l’efficienza energetica del processo.

Se i costi connessi alla rete termica non risultano troppo elevati, come avviene in alcune strutture industriali, la cogenerazionepuò risultare economicamente interessante.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Biomasse

Le BM godono dei CV

Per quanto riguarda l’iter autorizzativo le BM “vergini” e comunque quelle indicate nella relativa tabella del decreto Ronchi, se con taglia inferiore ai 50 MW fruiscono di una procedura semplificata e relativamente agevole che fa riferimento alla provincia.

Per impianti di maggior potenza e rifiuti non contemplati dal citato elenco risulta necessaria un’Autorizzazione Ambientale Integrata di competenza regionale.

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Geotermia

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Geotermia

Sempre secondo l’IEA nel 2002 in Italia erano operativi 666 MW geotermici con un tasso di crescita medio annuo nel periodo 1990-2002 del 2,5%. L’energia prodotta ammontava a 4662 GWh annui (circa 7000 h di funzionamento) con un tasso di sviluppo sullo stesso periodo del 3,1 %; (5337 GWh 2003).

Questi dati probabilmente pongono l’Italia al terzo posto, tra i paesi OECD, per lo sfruttamento della fonte geotermica preceduta da USA e Messico.

Alberto Rota

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Geotermia

La tecnologia geotermica è matura per quanto riguarda lo sfruttamento di serbatoi contenenti vapore o acqua surriscaldata; molto interesse è pure rivolto allo sfruttamento dell’energia termica contenuta in rocce calde ma asciutte.

Si ritiene che la generazione elettrica da fonte geotermica potrà crescere anche in futuro ma sempre con tassi contenuti.

Il grafico seguente mostra invece le grandi potenzialità delle risorse a bassa entalpia per usi termici eventualmente abbinate a pompe di calore

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Geotermia

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Geotermia

I pozzi geotermici possono raggiungere profondità di migliaia di metri e la loro trivellazione è la voce che più incide sui costi d’investimento.

I gruppi geotermici hanno normalmente potenze dell’ordine delle decine di MWe ma difficilmente superano i 50 MW.

I costi unitari variano indicativamente tra i 2900 e 3800 € /kW (fonte CESI) e la trivellazione incide generalmente per più del 60% del costo totale.

Alberto Rota

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Geotermia

Nonostante l’elevato costo di impianto, dovuto anche ai bassi rendimenti termodinamici (indicativamente 15 %), il costo del MWhrisulta interessante collocandosi tra i 70 e 90 €/MWh.

Ciò è reso possibile dall’elevato fattore di utilizzo.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Energia Eolica

Alberto Rota

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Energia Eolica

L’evoluzione degli aerogeneratori ha portato negli ultimi 30 anni, ad una riduzione del costo per kW installato dell’ordine del 75% ed ulteriori progressi sono attesi per i prossimi 10-15 anni.

Questo processo ha reso l’Energia Eolica (EE) forse la più competitiva tra le nuove e ne ha favorito il forte sviluppo.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Energia Eolica

Alberto Rota

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Energia Eolica

Si constata una progressiva crescita sia della taglia media degli aerogeneratori sia della potenza installata nei singoli campi eolici.

La potenza media delle turbine installate nel 2004 è risultata di 918 kW contro una media generale di 673 kW.

Attualmente sono disponibili turbine con potenze variabili da pochi kW ad alcuni MW.

Le società Repower e Multibrid (D) hanno sviluppato unità da 5 MW che presentano rotori con diametri dell’ordine dei 120 m con torri d’altezza superiore ai 100 m.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Alberto Rota

Andrea Casalegno


Energia Eolica

I costi del kw installato variano significativamente da paese a paese e da impianto a impianto. Per l’Italia, facendo riferimento ad impianti di potenza di alcune centinaia di kW, il costo specifico può variare tra 1000 e 1500 €/kW.

Indicativamente tale cifra può essere attribuita per il 75% al costo della turbina e per il 25 % al Balance of Plant (BOP).

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Energia Eolica

Il costo specifico è influenzato da vari parametri: taglia, trasporto, caratteristiche del sito, allacciamento alla rete.

Una variabilità ancora superiore si può riscontrare sul costo del kWh prodotto.

Tale costo infatti dipende fortemente dalle ore di funzionamento e dalla velocità media del vento.

Questo ultimo parametro è estremamente importante come evidenzia la seguente formula.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Energia Eolica

Significative variazioni si riscontrano anche nelle ore equivalenti di funzionamento (kWhgenerati diviso la potenza nominale della turbina) come evidenzia la tabella II ricavata dai dati di tabella I.

42593,0

23 D

VP ⋅⋅⋅⋅= πρ

Alberto Rota

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Energia Eolica

Stime Ore equivalentiPaese3000Canada

2110Danimarca1460Finlandia2115Grecia1452Italia1728Olanda922Nuova Zelanda

1746Svezia647Svizzera

1430Inghilterra

1715Spagna2299Portogallo

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Energia Eolica

In situazioni particolarmente favorevoli (in Irlanda ad esempio sono stati individuati siti in cui le ore di funzionamento equivalente raggiungono le 3500 ore annue) il costo dell’energia può risultare inferiore a 35 €/MWh.

In Italia le condizioni non sono certo cosìfavorevoli ma comunque si può stimare che i costi varino tra 70 e 110 €/MWh.

Alberto Rota

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Energia Eolica

I valori precedentemente indicati includono i costi di manutenzione che sono variabili nel tempo avendo un’incidenza del 1% del costo di impianto quando le installazioni sono nuove ma possono salire al 4,5 % dopo 15-20 anni di funzionamento (IEA).

Alberto Rota

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Energia Eolica

Le procedure autorizzative per l’installazione di un campo eolico possono essere piuttosto laboriose sia per quanto concerne i rapporti con le popolazioni e le autorità locali sia riguardo le autorizzazioni per l’allacciamento alla rete.

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Energia solare

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Energia solare

La radiazione solare può essere sfruttata con metodologie tra loro molto diverse anche in base all’obiettivo desiderato.

Le tecnologie di utilizzo dell’energia solare si possono sinteticamente suddividere in 3 famiglie:

• Solare termico

• Solare termodinamico

• Solare fotovoltaico

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Solare termico

Può essere impiegato per produrre acqua o aria calda a bassa temperatura (< 100°C).

La tecnologia è sostanzialmente matura e potenzialmente competitiva anche se i non trascurabili costi dei sistemi di controllo possono incidere negativamente sui piccoli impianti.

Il suo contributo al soddisfacimento dei fabbisogni energetici è in prospettiva piuttosto limitato, in quanto la difficoltà di accumulare calore per lunghi periodi lo rende idoneo alla solo produzione di acqua sanitaria.

Alberto Rota

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Solare termico

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Solare termodinamico

Le numerose soluzioni impiantistiche proposte, tutte basate su sistemi a concentrazione, mirano a generare calore ad alta temperatura da utilizzare in cicli termodinamici per la produzione di energia elettrica.

Si tratta di una tecnologia ancora in fase di ricerca. Anche se sono gia stati realizzati numerosi prototipi non risultano impianti operanti commercialmente o prodotti offerti sul mercato.

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Solare Fotovoltaico

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Solare Fotovoltaico

In base a dati IEA in Italia nel 2002 risultavano installati 22 MW di potenza FV con una produzione stimata in 21 GWh.

Nel 2004 la potenza installata ha raggiunto i 30,7 MW.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Non essendo i CV sufficienti a stimolare lo sviluppo del FV nel 2005 è stato emanato un decreto per sostenere con tariffe incentivanti la costruzione di impianti per una potenza complessiva di 100 MW e ci si è posti l’obiettivo di raggiungere i 300 MW nel 2015.

Si tratta di valori molto modesti soprattutto se confrontati allo sviluppo dell’eolico.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

I costi del FV come evidenziano i successivi grafici non hanno infatti avuto negli ultimi anni una drastica riduzione nonostante la tecnologia del silicio sia ormai matura.

Nel contesto Italiano si può valutare che per gli impianti connessi in rete (oggetto della presente relazione) i costi specifici siano compresi tra 6000 e 8000 € /kW.

Per impianti isolati 12000-14000 €/kW.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

L’elevato investimento ed i fattori di utilizzo modesti( indicativamente 1500 h/anno) portano a costi elevati l’energia prodotta che nei casi più frequenti oscilla tra i 400 e 550 €/MWh.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Il citato decreto (28/8/2005) fissa i seguenti livelli di incentivazione.

a gara (max 490 €/MWh)50-1000 kW

460 €/MWh20-50 kW

445 €/MWh1-20 kW

Tariffa incentivantePotenza

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Se il FV rimarrà legato alla tecnologia del silicio (Si) mono o poli cristallino che attualmente copre l’ 85% delle installazioni, èa mio avviso impossibile che possa diventare una fonte anche solo minimamente competitiva salvo per nicchie di mercato.Le celle solari al silicio si basano infatti su una tecnologia consolidata ma complessa ed intrinsecamente costosa sulla quale gli effetti di scala potranno incidere poco.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Solare Fotovoltaico

Sarebbe probabilmente più opportuno, invece di incentivare tecnologie con scarse prospettive, investire sullo sviluppo di nuovi materiali fotovoltaici i cui risultati non sarebbero certi ma in caso di successo molto più utili della ripetizione di azioni dimostrative che oramai non aggiungono nulla alle conoscenze nel settore.

Alberto Rota

Andrea Casalegno


Bibliografia

• IEA Renewable Information 2004

• Eurobserver Energy Barometer 2005

• Dati sito Terna

• IEA Trends in photovoltaic application IEA Wind

Energy 2004 Renewable

• energy development and prospects in the EU 15-

EREC Berlino 2004

• Ricerca di Sistema: progetto GEN 21- Sottoprogetto

RINN CESI

• Enea, Rapporto Energia ed Ambiente 2004

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