Le fonti energeticherinnovabili

Merceologia delle Risorse Naturali

Sommario

Introduzione

Aspetti normativi

La diffusione delle fonti rinnovabili

L'energia idroelettrica

L'energia da biomasse

L'energia geotermica

Le energie marine

Introduzione

Le fonti energetiche rinnovabili

Fonti energetiche rinnovabili (FER):– Energia idroelettrica– Energia eolica– Energia solare– Energia da biomasse– Energia geotermica– Energie marine

Concetti introduttivi• Definizione

– Sono considerate fonti energetiche rinnovabili (FER) tutte le fonti la cui velocità di utilizzo è inferiore alla velocità di rigenerazione

• Tutte le FER derivano dal sole, ad esclusione dell'energia geotermica• Distinguiamo tra FER tradizionali:

– Energia idroelettrica– Energia da biomasse

• …e innovative– Energia eolica– Energia solare– Energia geotermica– Energie marine

I costi delle FER e delle fonti convenzionali a confronto

Fonte 2005 (€/MWh) 2030* (€/MWh)

Petrolio 70-80 80-95Carbone 30-50 45-70Gas naturale 37-70 40-85Energia nucleare 40-45 40-45Energia idroelettrica 25-95 25-90Energia da biomasse 25-85 25-75Energia eolica onshore 35-175 28-170Energia eolica offshore 50-170 40-150Energia solare fotovoltaica 140-430 55-260*con costo della CO2 pari a 20-30 €/t

I costi degli impianti per la produzione elettrica da FER

Fonte Costi d’investimento (€/kW)

Costi operativi e di gestione (€/kW/anno)

Biomasse* 220-4500 50-185Energia geotermica 2000-3500 100-170Energia idroelettrica 800-6050 35-40Energia solare fotovoltaica 5080-5930 38-47Energia mareomotrice e del moto ondoso 2135-3025 44-53

Energia eolica onshore 1115-1295 33-36Energia eolica offshore 1590-2070 55-68*Biomassa solida, da rifiuti e biogas

Gli impatti socio-economici dell’utilizzo di FER nell’UE

PIL 2020 2030

Scenario BAU +0,11-0,14% +0,15-0,30%

Scenario tecnologico ambizioso +0,23-0,25% +0,36-0,40%

Occupazione* 2020 2030

Scenario BAU +115-201 +188-300

Scenario tecnologico ambizioso +396-417 +509-545

*migliaia di posti di lavoro

Vantaggi e svantaggidell’utilizzo di FER

• Vantaggi– Riduzione dell'inquinamento e delle emissioni di gas serra– Fonti diffuse che impediscono la creazione di cartelli e l'insorgere di conflitti per il

controllo della risorsa– Minore incertezza su disponibilità futura e costi di approvvigionamento– Nuovi posti di lavoro– Nuove industrie tecnologicamente avanzate– Nuovi settori del mercato finanziario

• Svantaggi– Intermittenza della fonte

• Connessione alla rete (smart grids)• Soluzioni di accumulo ancora costose• Utilizzo di superconduttori ad alta temperatura

– Tecnologie ancora poco mature• Efficienza ridotta• Costi elevati

Aspetti normativi

L’evoluzione normativa europea

•COM(97)599•Libro bianco che incoraggia la diffusione di FER attraverso meccanismi economici

1997

•Direttiva 2001/77/CE•Promozione delle FER nel mercato europeo

2001

•COM(2005)627•Richiede agli Stati membri di aumentare la stabilità legislativa, ridurre le barriere

amministrative, fornire incentivi fiscali e promuovere gli avanzamenti tecnologici

2005

•Libro verde•Road map sulle FER

2006

L’evoluzione normativa europea

•Strategia del 20-20-202008

•Direttiva 2009/28/CE2009

•Nuova strategia europea2010

•COM(2011)31•Necessità di implementare i piani d’azione nazionali, ridurre le barriere di rete e

incoraggiare gli investimenti

2011

La strategia 20-20-20• Nel dicembre 2008 l’UE ha approvato la comunicazione COM(2008)30 che

prevede entro il 2020:– Riduzione delle emissioni di gas serra del 20%– Riduzione del consumo energetico del 20%– Energia da FER pari al 20% dei consumi

• Dispone obiettivi nazionali obbligatori per la quota complessiva di energia da fonti rinnovabili sul consumo energetico e fissa al 10% la quota di energia da fonti rinnovabili nei trasporti

• L’Italia deve raggiungere una quota del 17% di energia da FER• Come raggiungere gli obiettivi in materia di FER:

– Promuovendo l'efficienza energetica– Cooperando con altri Paesi membri nella produzione di energia da FER– Cooperando con Paesi terzi alla costruzione o al potenziamento di impianti che

producano energia da FER a patto che l'energia sia consumata nel Paese membro

Gli strumenti di supporto

• I governi promuovono le FER mediante strumenti incentivanti di vario tipo– Incentivi in conto esercizio (con tariffa o premio)– Quote obbligatorie (certificati verdi)– Sovvenzioni per gli investimenti– Esenzioni ed incentivi fiscali

La promozione delle FER nell’UE

La promozione delle FER nell’UEItalia Germania Francia Regno

Unito Spagna

Tariffa x x x x x

Premio x

Quota x x

SovvenzioniEsenzioni fiscali x x

Incentivi fiscali x

Le direttive comunitarie• Direttiva 2001/77/CE sulla promozione dell'energia elettrica prodotta da

fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità– Istituisce un quadro comunitario per promuovere fonti energetiche rinnovabili

nella produzione di energia elettrica– Fissa un obiettivo del 21% come contributo delle fonti energetiche rinnovabili– Prevede misure specifiche per la valutazione dell'origine dell'energia elettrica, la

connessione alla rete e le procedure amministrative• Direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti

rinnovabili– Stabilisce un quadro comune per l'utilizzo di fonti rinnovabili al fine di limitare le

emissioni di gas ad effetto serra e di promuovere un trasporto più pulito– Definisce dei piani di azione nazionali e le modalità di utilizzo dei biocarburanti

Il ruolo degli strumenti di supporto

Maggiore diffusione dell’uso di FER

Riduzione dei costi grazie ad economie di scala

Produzione su larga scala

Miglioramento dei processi produttivi

Maggiori investimenti in R&S

Maggiore certezza per gli investitori

La diffusione delle fonti rinnovabili

Le fonti rinnovabili nel Mondo

• L’Europa è storicamente la zona in cui le FER sono state più popolari

• I Paesi emergenti stanno investendo in misura crescente in FER

• Il mercato cinese ha subito una rapida espansione1. Forti investimenti in grandi impianti idroelettrici2. Investimenti in eolico e fotovoltaico con

importazione di componenti e know-how dall'estero3. Costituzione di aziende leader a livello mondiale

La produzione mondiale di energia

1973

2009

86.6

80.9

0.9

5.8

10.6

10.2

1.9

3.1

Quota delle diverse fonti nella produzione elettrica mondiale (%)

Combustibili fossili NucleareBiocombustibili e rifiuti FER

Gli investimenti in FER# Paese Investimenti 2009

(M$) Var. 2005-2009 (%) Capacità installata (GW) Var. 2005-2009 (%)

1 Cina 34,6 147,5 52,5 79,0

2 USA 18,6 102,7 53,4 24,3

3 Regno Unito 11,2 127,4 7,5 30,0

4 EU - altri 10,8 87,0 12,3 17,0

5 Spagna 10,4 79,7 22,4 9,1

6 Brasile 7,4 147,8 9,1 13,9

7 Germania 4,3 75,0 36,2 14,4

9 Italia 2,6 111,0 9,8 12,4

10 India 2,3 72,0 16,5 31,0

11 Messico 2,1 91,9 3,2 10,1

13 Turchia 1,6 178,0 0,6 30,0

Le fonti rinnovabili in Europa

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

5.8 5.8 5.76.0

6.46.7

7.1

7.8

Quota delle FER nel consumo totale di elettricità dell'UE-27 (%)

Le fonti rinnovabili in Europa

Consumo

Produzione

59.0

59.0

19.9

19.8

19.2

19.4

Quota delle diverse FER nella produzione e nel consumo elettrico di FER dell’UE-27 al 2007 (%)

Idroelettrico Eolico Biomassa Solare Geotermia

Le fonti rinnovabili in Europa

2005

2010

2020

2030

14.3

19.2

26.0

32.1

21.2

23.9

22.8

18.7

30.0

26.9

24.9

22.2

30.5

28.0

24.5

25.9

Fonti per la produzione di elettricità nell’UE (%)

FER Petrolio GasSolidi Nucleare

2005

2010

2020

2030 355 368 276 75 241

Produzione di elettricità da FER nell’UE (TWh)

Idroel. E. onshore E. offshoreSolare Biomasse

Le fonti rinnovabili in Italia• Nel 2008 le fonti rinnovabili di energia hanno contribuito

complessivamente al consumo interno lordo italiano per una percentuale di poco superiore al 9,6%

• Nel 2008 si è registrato un aumento della produzione da FER in Italia del 18% (+2860 ktep) circa rispetto a quella del 2007 (15641 ktep)

• L'idroelettrico, che fornisce la quota più rilevante, è caratterizzato da una forte fluttuazione da attribuire a fattori di idricità

• La geotermia mostra un contributo relativamente costante, che nel periodo 200-2008 oscilla intorno a 1,4 Mtep

Le fonti rinnovabili in Italia

• Incremento della produzione eolica (+20%)• Forte crescita dei biocombustibili (+227%)• Meno marcati gli aumenti di biomassa legnosa

(+5%) che si attesta su valori ancora lontani da quelli tipici dei Paesi europei, dei rifiuti (+3%) e dei biogas (+11%)

• Buona la crescita della produzione da fonti solari quali il solare termico (+44%) e il fotovoltaico (quasi quattro volte superiore rispetto al 2007)

L’energia idroelettrica

Concetti generali

Energia ricavata dallo sfruttamento

dell’energia cinetica dell’acqua

Energia cinetica

Energia meccanica

Energia elettrica

Tipo di

centrale

Ad acqua fluente

A bacino

Con impianti ad

accumulazione

PotenzaMicro

Mini

Piccolo

Grande

Concetti generaliComponenti:– Bacino artificiale a monte– Diga (eventuale)– Tubature– Turbine– Generatori– Bacino a valle (eventuale)

Concetti generali– Circa il 20% dell’energia prodotta nel Mondo deriva da impianti

idroelettrici– Le più potenti centrali elettriche sono di tipo idroelettrico– Il maggiore potenziale di sviluppo risiede ormai negli impianti di

piccole dimensioni– Le centrali più grandi si trovano in Cina, Sud America (Brasile e

Venezuela), USA, Canada e Russia

Centrale Potenza (GW) PaeseTre gole 22,5 CinaItaipu 14 BrasileGuri 10,2 VenezuelaTucurui 8,4 BrasileGrand Coulee 6,8 USA

I principali Paesi produttori

PaesePotenza

installata* (GW)

Cina 200Canada 89USA 80Brasile 70Russia 45*anno 2009

Mondo UE-27

PaesePotenza

installata* (GW)

Francia 25Italia 21Spagna 18Svezia 17Austria 12*anno 2007

Vantaggi e svantaggi dell’utilizzo

di energia idroelettrica

– Costi nulli per l’approvvigionamento di combustibile

– Nessuna emissione inquinante

– Costi iniziali per la costruzione dell’impianto

– Impatti ambientali notevoli

– Alterazione degli ecosistemi fluviali

– Interramento dei bacini

Vantaggi Svantaggi

L’energia da biomasse

Concetti generali– Definizione: insieme delle sostanze organiche di origine vegetale

o animale– È la più antica forma di energia sfruttata dall’uomo e tutt’ora la

più utilizzata nei Paesi poveri– Dalle biomasse si possono ricavare:

– Calore– Elettricità– Biocombustibili

– La velocità con la quale le biomasse si rigenerano, se correttamente gestite, le rende una risorsa rinnovabile

– Lo sfruttamento delle biomasse, diversamente da quello dei combustibili fossili, non altera l'equilibrio della CO2

– La combustione può comunque produrre particolato e gas inquinanti, seppure in quantità decrescenti al migliorare delle soluzioni tecnologiche e dell'efficienza degli impianti

Tipologie di biomasse

Biomasse

Residui organici

Forestali AgricoliIndustriali

Terrestri

Colture energetiche

RSU Fanghi di depurazione

Acquatiche

Valorizzazione energetica

Processi

Combustione Pirolisi Fermentazione anaerobica

Trasformazione idrolitica

BiochimiciTermochimici

Combustione– Approccio più tradizionale– Richiede biomassa secca– Si possono produrre:

– Calore– Elettricità– Calore ed elettricità

(cogenerazione)– L’efficienza può

raggiungere il 90% negli impianti di riscaldamento per utenze domestiche di piccole e medie dimensioni

– Si parla di co-combustione quando si impiega biomassa (fino al 20%) insieme a carbone in centrali termoelettriche (efficienza: 45%)

– Impianti per la produzione di calore ed elettricità (combined heat and power – CHP) più piccoli di quelli per co-firing e con efficienza minore (32% con biomassa secca, 22% con RSU)

– Sono necessari sistemi di abbattimento per limitare le emissioni inquinanti

Pirolisi– Prevede il riscaldamento delle biomasse in assenza di aria e

permette di ottenere prodotti liquidi, solidi e gassosi in proporzioni dipendenti dalla temperatura alla quale si opera

– A temperature inferiori a 400-500°C la pirolisi è definita carbonizzazione e produce carbone di legna, combustibili gassosi e combustibili liquidi (oli pesanti e leggeri)

– Quando la temperatura raggiunge i 1000°C si ha invece la gassificazione prevalente della biomassa. Viene così ottenuto una maggiore frazione di combustibile direttamente impiegabile nei motori termici per la produzione di energia elettrica

– Il gas è impiegato per produrre elettricità e/o calore, i combustibili liquidi come biocarburanti

Digestione anaerobica– Nella digestione anaerobica, particolari famiglie di

microbi, operando sulla biomassa in assenza di ossigeno, producono biogas, costituito principalmente da metano, anidride carbonica, idrocarburi saturi e tracce di acido solfidrico

– Richiede residui organici caratterizzati da un rapporto carbonio/azoto compreso tra 16 e 30 e da una percentuale di umidità superiore al 50%, quali deiezioni animali e sottoprodotti di colture vegetali

– I sottoprodotti del processo sono ricchi di azoto, potassio e fosforo che li rendono ottimi fertilizzanti

– Impianti di cogenerazione per produrre elettricità e calore

Trasformazione idrolitica– Nella trasformazione idrolitica i materiali cellulosici di

scarto sono convertiti in monomeri zuccherini che, in seguito a fermentazione, diventano alcool etilico (bioetanolo)

– Il bioetanolo può essere impiegato per produrre ETBE (etil-terbutil-etere), usato in miscela alle benzine come additivo ossigenato ed antidetonante in sostituzione degli idrocarburi aromatici

– Il biodiesel deriva dalla transesterificazione degli oli vegetali provenienti da colture oleaginose (colza, soia, girasole) effettuata con alcol metilico ed etilico

– Il biodiesel è impiegabile, sia puro che in miscela, tanto negli impianti di riscaldamento quanto nell’autotrazione

Produzione lorda di elettricità da biomassa solida nell’UE-27 (TWh)

Biomassa solida e RSU

Produzione lorda di elettricità da RSU nell’UE-27 (GWh)

Anno Centrali elettriche CHP Totale

2008 8381,2 6799,5 15185,42009 8536,1 6840,2 15376,3

Anno Centrali elettriche CHP Totale

2008 22,3 35,6 57,92009 23,3 38,9 62,2

Produzione primaria di biogas nell’UE-27 (ktep)

Biogas

Anno Discariche

Impianti di depurazion

eAltre fonti Totale

2008 2888,3 955,7 4155,3 7999,32009 2996,8 1008,4 4340,9 8346,0

Produzione lorda di elettricità da biogas nell’UE-27 (GWh)

Anno

Centrali elettriche CHP Totale

2008 17364,9 4049,7 21414,62009 20394,0 4773,4 25167,4

Consumo di biocombustibili per autotrazione nell’UE-27 (ktep)

Biocombustibili

Anno Bioetanolo Biodiesel Altri Totale

2008 1805,4 8018,0 397,3 10220,72009 2339,3 9620,4 137,3 12097,0

Problematiche– Logistiche

– Stagionalità legata al periodo in cui la risorsa può essere estratta (es.: legname più secco durante i mesi freddi)

– Conservazione di sostanze "vive"– La ridotta densità energetica

(J/kg) implica la necessità di trasportare e stoccare volumi importanti per ricavare una quantità d'energia ridotta

– Legate alle biomassa solida e ai RSU

– Gestione delle foreste– Gestione delle colture

energetiche (conflitto con colture alimentari)

– Sindrome NIMBY

– Legate al biogas– Se prodotto in impianti non

chiusi, si libera fino al 70% del metano, che è un potente gas serra

– Legate ai biocombustibili– Efficienza (rapporto energia

prodotta/consumata)– Sfruttamento di terreni agricoli

per colture energetiche– Una possibile soluzione è

rappresentata dai biocombustibili di 2° generazione, derivanti da materiale lignocellulosico (lignina, emicellulosa e cellulosa) e alghe

L’energia geotermica

Concetti generali– Si ottiene sfruttando il calore che risiede negli strati più

profondi della crosta terrestre– Il calore deriva dal decadimento di elementi radioattivi– Dalla geotermia si possono ricavare:

– Calore– Elettricità

– È necessario individuare giacimenti geotermici, nei quali il calore è concentrato e si trova a profondità accessibili

– Modalità di sfruttamento– Si sfrutta il vapore che risale naturalmente verso la superficie– Si inettano in profondità acqua o liquidi appositi per mantenere

costante il flusso di vapore in risalita – Il vapore alimenta impianti di teleriscaldamento o turbine a

vapore per la produzione di elettricità

Produzione lorda di elettricità da energia geotermica nell’UE-27 (GWh)

Sfruttamento dell’energia geotermica

Paese 2008 2009Italia 5520,3 5341,8Portogallo 192,0 184,0Francia 89,0 50,0Germania 17,6 18,8Austria 2,0 2,0Totale 5820,9 5596,6

Sfruttamento dell’energia geotermica nell’UE-27 (GWh)

Sfruttamento dell’energia geotermica

Anno Capacità(MWh)

Energia sfruttata (ktep)

2008 2851,1 747,52009 2865,1 909,6

Le energie marine

Concetti generali– Le energie marine si ottengono sfruttando:

– Onde– Maree– Correnti– Gradiente termico– Gradiente salino

– L'IEA (Agenzia Internazionale per l'Energia) stima che l'energia potenzialmente ottenibile da fonti marine (compresa tra 20000 e 90000 TWh/anno) ecceda abbondantemente il fabbisogno energetico mondiale (16000 TWh/anno)

– Lo sfruttamento commerciale di queste fonti è agli inizi– Esistono diversi progetti pilota e pochi impianti produttivi– La scarsità di investimenti dovuta alla crisi finanziaria ha

rallentato lo sviluppo tecnologico negli ultimi anni

Energia del moto ondoso– Potenziale:

– 140-750 TWh/anno con le attuali tecnologie– Fino a 2000 TWh/anno con sviluppi tecnologici

– I costi negli ultimi 20 anni sono scesi fino a 10 ¢/kWh a fronte di un prezzo medio dell’elettricità nell’UE di 4 ¢/kWh

– Impianti:– A terra: costi di costruzione e manutenzione ridotti, costi per

la connessione alla rete elettrica ridotti, minore potenza delle onde

– Nearshore (fino a 25 m di profondità e 500 m dalla costa): stessi vantaggi degli impianti a terra ma con onde più potenti

– Offshore: onde molto potenti ma costi più elevati

Energia mareomotrice e delle correnti marine

– Occorre distinguere tra l’energia derivante dal movimento verticale (differenza di marea) e orizzontale (corrente di marea) delle masse d’acqua

– Energia mareomotrice "verticale"– Il potenziale globale raggiunge i 200 TWh/anno– Costi di manutenzione irrisori (le turbine si sostituiscono ogni 30 anni) ma

costi di impianto elevati– La tecnologia è molto simile a quella delle dighe usate per sfruttare

l’energia idroelettrica dei fiumi– Energia mareomotrice "orizzontale"

– Paesi col maggiore potenziale: Regno Unito, Irlanda, Italia– La tecnologia è simile a quella usata per sfruttare l'energia eolica, con

impianti dotati di eliche ad asse orizzontale o verticale, generalmente ancorate al fondale marino ma anche fissate a piattaforme galleggianti o semigalleggianti ancorate al fondale

– L'energia delle correnti marine presenta molte similitudini con l'energia mareomotrice "orizzontale"

Energia talassotermica– Il potenziale è stimato

pari a circa 10000 TWh/anno

– È possibile sfruttare la differenza di temperatura tra le masse d'acqua superficiali e quelle profonde, che è massima nelle aree costiere equatoriali

– Gli stabilimenti possono essere onshore, offshore o mobili (su navi)

L’acqua calda vaporizza un liquido appositoIl vapore alimenta una turbina

L’acqua fredda prelevata dagli abissi è usata per ricondensare il liquido

Energia a gradiente salino

– Il potenziale è stimato pari a circa 2000 TWh/anno

– Si ottiene a partire dalla differenza nella concentrazione del sale fra l'acqua di mare e l'acqua dolce

– Le tecnologie utilizzabili sono entrambe basate sull'uso di membrane semipermeabili:– Reverse electrodialysis (RED)– Pressure retarded osmosis (PRO)