Energie rinnovabili 3

Energia rinnovabile disponibile per anno. Il volume dei cubi rappresenta la quantità di energia (in TW) geotermica, eolica e solare in principio disponibile ogni anno, ricordando tuttavia che è possibile recuperarne soltanto una minima parte. Il piccolo cubo rosso mostra proporzionalmente il consumo energetico globale per anno. [12] .

Nel 2004, le energie rinnovabili fornivano attorno al 7% dell'energia elettrica consumata nel mondo [13] , soprattutto rappresentate dalle classiche, idroelettrico e biomasse. Il settore delle energie rinnovabili è cresciuto significativamente dagli ultimi anni del ventesimo secolo , e nel 2005 il totale delle nuove inversioni era stimato attorno 38 miliardi (38 x 10 9 ) di dollari USA. La Germania e la Cina guidano la graduatoria, con investimenti di circa $ 7 miliardi ognuna, seguiti dagli Stati Uniti , dalla Spagna , dal Giappone , e dall' India . Questo ha comportato l'aggiunta di 35 GW di energia rinnovabile di picco durante l'anno.

Legna da ardere, proveniente da taglio di bosco naturale, la cui richiesta sul mercato è oggi in ripresa causa gli alti costi dei combustibili fossili

La combustione di biomassa rappresenta, storicamente, la più antica forma di energia sfruttata dall'uomo. La combustione di legno o altri materiali organici facilmente disponibili rappresenta infatti la più antica maniera di produrre calore e quindi energia, ancora oggi con un peso preponderante nei Paesi più poveri del mondo.

Ultimamente, tuttavia, una rinnovata coscienza ambientale , unita ad una crescente preoccupazione per il reperimento delle risorse energetiche, hanno fatto tornare di attualità questa fonte anche nei paesi più industrializzati.

In tale ambito, la combustione di combustibili rinnovabili viene intesa come combustione di scarti di lavorazione dell'industria agroalimentare o del legno, nonché anche come combustione di biomassa a crescita stagionale appositamente coltivata. È da notare che per la normativa italiana di riferimento vengono considerati combustibile rinnovabile anche i rifiuti organici o inorganici urbani ( rifiuti solidi urbani , o "RSU") o industriali [14] . La UE considera invece "rinnovabile" solo la parte organica di tali rifiuti (ovvero gli scarti vegetali) ed ha pertanto aperto procedure di infrazione contro l'Italia per la violazione delle discipline in merito.

Attualmente in Italia tale fonte (anche grazie alla diffusione dell' incenerimento sovvenzionato dai contributi CIP6 ) è in forte crescita, seppur ancora con valori percentuali molto bassi (nel 2004, tale contributo è giunto infatti fino all'1,7% del fabbisogno energetico nazionale [15] ). Tali valori evidenziano comunque ancora una netta distanza rispetto agli altri Paesi UE, in particolare dell'Europa settentrionale [16] .

L' energia idroelettrica usa l' energia potenziale di acqua posta in alta quota in bacini montani, che cadendo agisce su una turbina , producendo elettricità. Il principio è il medesimo di una centrale termoelettrica: la differenza è che il mezzo che fa girare la turbina è l'acqua, e non il vapore. Per aumentare la portata di acqua che agisce sulla turbina, è possibile costruire delle dighe, che accumulano acqua in modo da creare un bacino artificiale. L'acqua viene quindi incanalata in speciali tubi, detti condotte forzate, che convogliano l'acqua ad alta velocità contro le turbine. Questi sistemi possono essere molto grandi: la diga di Itapu, fra il Brasile e il Paraguay, genera 14000 MW elettrici. È in operazione dal 1984.

Attualmente, il 16% dell'elettricità mondiale è di origine idroelettrica: uno degli svantaggi dell'energia idroelettrica però è proprio l'impatto ambientale e sociale della costruzione di dighe. Infatti, se l'impatto ambientale di piccole dighe non è grave, grandi dighe che creano grandi invasi non sono così innocue come potrebbero sembrare. In Cina, per esempio, quasi 2 milioni di persone dovranno cambiare abitazione, come effetto della costruzione della diga delle Tre Gole , sul fiume Yangtze . La presenza di dighe influisce sulle specie animali presenti nel fiume, e per esempio anche sulle specie di pesci che si riproducono nei fiumi. Un altro svantaggio è che l'energia idroelettrica è geograficamente molto localizzata, e può essere utilizzata solo in Paesi montani o che dispongono di salti naturali, come grandi cascate.

Per approfondire, vedi le voci Energia geotermica e centrale geotermoelettrica .

L'energia geotermica è l'energia generata per mezzo di fonti geologiche di calore e può essere considerata una forma di energia rinnovabile . Si basa sulla produzione di calore naturale della Terra ( geotermia ) alimentata dall'energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare di elementi radioattivi quali l' uranio , il torio e il potassio , contenuti naturalmente all'interno della terra. Penetrando in profondità, la temperatura diventa gradualmente più elevata, aumentando di circa 30 °C per km nella crosta terrestre .

Lo sfruttamento di questa fonte consiste nel convogliare i vapori provenienti dalle sorgenti d'acqua del sottosuolo verso apposite turbine adibite alla produzione di energia elettrica . E nel riutilizzare il vapore acqueo per il riscaldamento urbano, le coltivazioni in serra e il termalismo. Allo scopo di aumentare l'efficienza, si ricorre spesso all'immissione di acqua fredda in profondità attraverso pozzi, in modo da recuperare in superficie un flusso costante di vapore.

La prima dimostrazione di utilizzo dell'energia geotermica avvenne il 4 luglio 1904 in Italia per merito del principe Piero Ginori Conti che sperimentò il primo generatore geotermico a Larderello [17] . L' Islanda è uno dei paesi a maggiore sfruttamento di energia geotermica.

L'energia geotermica rappresenta oggi meno dell'1% della produzione mondiale di energia [18] . È inoltre una fonte di energia non omogeneamente distribuita geograficamente.

Turbina a vento. Basso Reno, Germania

L'energia eolica è una delle fonti di energia più antiche: i mulini a vento sono stati utilizzati fin dal settimo secolo d. C. per convertire l'energia del vento in energia meccanica; inoltre, le navi a vela hanno solcato gli oceani per secoli, fino all'avvento delle prime navi a vapore . Nei tempi moderni, le turbine eoliche sono utilizzate per produrre elettricità. Una turbina consiste in un grande rotore con tre pale, che viene messo in azione dal vento. L'energia eolica genera solo lo 0.3% del fabbisogno mondiale di elettricità, ma le sue capacità sono in aumento. Eolica è per il 20% l'elettricità della Danimarca , il 6% in Germania , e il 5% in Spagna . I vantaggi sono costi ridotti, tecnologia semplice, produzione di energia decentrata anche in aree remote (si pensi a piccole isole o a zone montuose impervie).

Gli svantaggi sono la localizzazione geografica (come nel caso della geotermia), ampi spazi necessari per una produzione centralizzata (circa 490 km 2 per un impianto da 1000 MW), e l'impatto ambientale: le turbine eoliche sono infatti rumorose e potenzialmente pericolose nel caso di rottura del rotore. Inoltre, non tutti gradiscono la loro presenza nel paesaggio. Talvolta sono stati segnalati problemi all'allevamento di bovini e ovini, causati dalla rumorosità degli impianti eolici (infatti, per la costruzione di tali impianti si privilegiano aree non coltivate e lontane da insediamenti urbani, come i terreni impiegati per la pastorizia).

Negli Stati Uniti, secondo i promotori dell'eolico, sembra che sia fattibile la convivenza delle cosiddette "fattorie eoliche" assieme alle più tradizionali fattorie, negli Stati a minore densità di popolazione, per es. il Minnesota [19] .

In Europa è stata invece proposta la costruzione di centrali eoliche in mare, ma questo ovviamente complica la costruzione e la manutenzione, e aumenta quindi il costo di un kWh eolico rispetto a fonti di energia tradizionali. Nel caso italiano, la Puglia e la Sardegna sono state individuate come siti adatti allo sfruttamento dell'energia eolica.

Sono inoltre allo studio soluzioni innovative in grado di captare il vendo d'alta quota (più costante ed intenso) garantendo alta efficienza di conversione e costanza della produzione. Tra queste il Kite Wind Generator , brevetto italiano.

L'energia solare è in realtà il motore di qualsiasi attività sulla Terra: anche il petrolio è indirettamente energia solare accumulata dalla fotosintesi di antiche piante, il cui materiale organico si ritiene si sia accumulato e trasformato sottoterra durante intere ere geologiche. L'uso diretto dell'energia solare è basato sul fatto che il Sole a perpendicolo all'equatore invia 1366 W per metro quadro ( costante solare ). È una quantità di energia enorme: tuttavia, solo una parte può essere direttamente convertita in elettricità. È stato calcolato che, qualora si coprisse tutta la superficie terrestre di pannelli solari, l'energia messa a disposizione ogni anno sarebbe di ben 130 000 Gtep . Questo valore, relativo a solo un anno, è enorme se confrontato col valore totale (che una volta esaurito non è più rinnovabile) delle riserve di petrolio le quali ammontano a 150 Gtep per le accertate e a 300 Gtep (+500 se si considera anche il petrolio non-convenzionale) per le riserve stimate.

Esempio di parete di edificio ricoperta di pannelli fotovoltaici: Tubinga , palazzetto dello Sport.

Attualmente, l'energia del sole può essere catturata usando il solare fotovoltaico . Infatti, una cella fotovoltaica al silicio (Photovoltaic Cell-PV) converte il 15% di questa energia direttamente in elettricità : questo è un vantaggio notevole rispetto alle fonti di energia tradizionali, che devono contemplare il passaggio intermedio in energia termica, poi meccanica, e poi elettrica, attraverso il riscaldamento di acqua, produzione di vapore e azionamento di una turbina e un generatore elettrico, come nel caso dei combustibili fossili.

In Italia, un pannello fotovoltaico di 1 m 2 posto sul tetto di una casa produce mediamente 210 kWh all'anno, che è una frazione considerevole del consumo elettrico di una famiglia italiana media (circa 4100 kWh all'anno). Il valore dell'energia fotovoltaica utilizzabile aumenta andando verso sud, ma anche per pannelli posti in montagna poiché l'irraggiamento è maggiore rispetto ad una stessa latitudine in piano. Attualmente, il solare fotovoltaico produce solo lo 0.01 % dell'elettricità mondiale; uno dei maggiori ostacoli è il costo di un impianto: una casa che ipoteticamente funzionasse a energia fotovoltaica (4100 kWh all'anno), richiederebbe un costo d'impianto dai 15,000 € ai 17,500 €. Attualmente all'utente finale la corrente viene erogata a 0,20 €/Kwh comprendendo imposta dell'erario, addizionali regionali ed IVA al 10%:l'impianto viene pertanto ripagato in venti anni assumendo che non aumenti il costo della bolletta. Ovviamente, anche l'economicità di un impianto fotovoltaico va confrontato con il costo medio di un kWh convenzionale: se tale costo dovesse aumentare, l'economicità degli impianti fotovoltaici aumenterebbe.

C'è da dire infine che il settore della tecnologia delle celle fotovoltaiche è in rapidissima espansione, e nuove tecniche di deposizione del silicio stanno rendendo questo settore energetico sempre più economico (nel 2007 si è raggiunta la efficienza record del 42.5%). Accanto alla ricerca sulle celle tradizionali a semiconduttore , è in piena espansione anche lo studio di celle non-convenzionali, basate su molecole organiche, come i fullereni ("polymer-fullerene solar cells-PFSC), o su materiali coloranti organici comuni, come il succo di mirtillo (le cosiddette "dye solar cells" - DSSC). Allo stadio attuale delle conoscenze, queste celle fotovoltaiche organiche garantiscono il passaggio di correnti basse, e una limitata efficienza (5-6%), tuttavia il loro scarsissimo peso, la grande portabilità (sono praticamente delle strisce flessibili) ed il basso costo le rendono estremamente interessanti per uno sfruttamento futuro. [20]

Solare termodinamico: specchi parabolici vengono disposti in righe per massimizzare l'accumulo di energia solare nel minimo spazio possibile.

Invece di usare celle fotovoltaiche, l'energia del sole può essere utilizzata per produrre energia in un sistema termico ( solare termodinamico ). In questo tipo d'impianto, degli specchi parabolici concentrano la luce diretta del sole su un tubo ricevitore. Dentro il tubo scorre un fluido (detto fluido termovettore perché è adatto a trasportare calore), che assorbe l'energia e la trasporta in un serbatoio. Alla fine, il serbatoio è in contatto termico con uno scambiatore di calore, che genera vapore secondo gli schemi tradizionali visti più sopra per i combustibili fossili, per l'energia geotermica e per le centrali nucleari a fissione.

Nel progetto Archimede dell' ENEA , sviluppato in collaborazione con l' ENEL e fortemente sponsorizzato dal premio Nobel Carlo Rubbia [21] , come fluido termovettore si userà una miscela di sali fusi (60% di nitrato di sodio e 40% di nitrato di potassio ) che permette un accumulo in grandi serbatoi di calore e una temperatura di esercizio molto elevata (fino a 550 °C) [22] . Per inciso, l'uso di sali fusi come fluido di scambio termico compare già da alcuni decenni come una soluzione tecnologica per il reattore nucleare a fusione per la produzione di energia [23] . Anche in Spagna, ad Almerìa , è stato costruito un impianto termosolare con un principio simile [24] .

I critici del solare termodinamico [25] affermano che si tratta di una tecnologia presente da molti anni (anche in impianti imponenti, come per esempio quello di Kramer Junction in California [26] ), e che in tutto questo tempo non ha dato contributi significativi. Inoltre, il solare termodinamico non sarebbe esente da difficoltà progettuali, legate ad esempio al movimento per l'orientamento degli specchi verso il sole o alla loro pulizia.

Per approfondire, vedi le voci energia oceanica , energia delle correnti marine , Energia a gradiente salino , energia mareomotrice , energia del moto ondoso e energia talassotermica .

Con energia oceanica si intende l'insieme dell'energia racchiusa in varie forme nei mari e negli oceani . Questa immensa quantità di energia può essere estratta con diverse tecnologie: basate sull' energia cinetica dei fluidi (correnti, onde, maree) e sul gradiente (termico e salino). Al giorno d'oggi sono stati sperimentati molti sistemi di estrazione della energia ed alcuni sono già in uno stadio precommerciale.

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La valutazione di una fonte energetica rispetto alle altre passa inevitabilmente per il suo costo [27] .

A conferma dei dati riportati nella precedente tabella, da un recente studio dell'Università di Pisa [28] appare subito evidente che le fonti più economiche sono rappresentate dal carbone e dal nucleare (e si nota come l’energia eolica costi oltre il 64% in più, quella solare addirittura il 198% in più).

Uno dei parametri più importanti per la valutazione di una fonte di energia è il "fattore di guadagno energetico", o, in inglese, "Energy return over input" ( EROI o EROEI ). Esso viene definito come l'energia in uscita da una data fonte, divisa per l'energia spesa per ottenere una singola unità di quella fonte. Per esempio, l'energia ottenuta da un barile di petrolio, divisa per l'energia spesa per produrre quel singolo barile .

Seppure la definizione sia molto semplice, ci si rende subito conto che il calcolo da effettuare sia complesso, in quanto è una funzione del tempo, dipende dalla fonte di energia utilizzata, etc. Inoltre, la valutazione dell'EROEI non è esente da criteri soggettivi e da valutazioni economiche e politiche.

È per esempio da segnalare che non esiste a livello internazionale un accordo sui criteri di calcolo dell' EROI , che quindi, a differenza di altri parametri, è sensibile a valutazioni soggettive. L'ultima valutazione, pubblicata su rivista scientifica internazionale, e quindi quanto meno soggetta a valutazione editoriale, è quella di Cleveland e coautori [29] . Essi definiscono in modo molto preciso i loro criteri, tuttavia i calcoli si riferiscono al 1984 , e quindi al giorno d'oggi hanno un valore relativo. D'altro lato, le valutazioni più recenti rispondono invece a criteri non condivisi pubblicamente.

Le valutazioni economiche di una fonte di energia usualmente contemplano il reperimento e il trasporto di combustibili, la costruzione e il costo d'esercizio di una centrale, il riciclaggio delle scorie, lo smantellamento della centrale stessa a fine esercizio, e il deposito delle scorie e il loro eventuale riciclaggio (questo soprattutto per le centrali nucleari a fissione ). L'accresciuta coscienza ambientalista degli ultimi anni ha però sensibilizzato l'opinione pubblica e i governi a un uso più consapevole delle fonti di energia, includendo nelle valutazioni economiche i cosiddetti "costi esterni" di una fonte di energia, cioè i costi associati a danni ambientali ( effetto serra , emissioni di gas inquinanti, disastri ambientali...). Un esempio è il ventilato utilizzo di eco-tasse per gli eccessi di emissione di CO 2 , previsto dal Protocollo di Kyōto [30] : esso rappresenta una prima presa di coscienza dei costi non diretti (esterni) nell'utilizzo dei combustibili fossili.

Il calcolo delle esternalità non è comunque facile: tuttavia, una stima non eccessiva per il carbone e il petrolio fornisce circa 5-6 centesimi di € per kWh prodotto [31] , confrontabili quindi col costo convenzionale di un kWh (9 centesimi di € nel I trimestre 2007 [32] ). Per il nucleare, idroelettrico, fotovoltaico ed eolico, il costo esterno è nettamente più basso, meno di 1 centesimo di € per kWh prodotto [33] . C'è comunque da dire che per il nucleare, alcuni disastri come quello di Chernobyl hanno creato nell'opinione pubblica un diffuso dissenso verso l'uso di questa fonte di energia e maggior incertezza nel definire gli effettivi costi esterni. D'altro lato, anche lo sfruttamento di altre fonti di energia (petrolio, carbone, gas naturale, idroelettrico, ecc.) è stato caratterizzato da disastri non trascurabili ma in genere con un impatto solamente locale.

Le considerazioni sui costi esterni hanno comunque un ruolo sempre maggiore, corrispondente alla presa di coscienza che non esistono fonti di energia che abbiano solo vantaggi , ma l'utilizzo di una determinata fonte energetica implica sempre degli svantaggi sotto forma di perdita di energia utile (per es., sotto forma di calore, vedi il Secondo principio della termodinamica ), oppure sotto forma di sotto-prodotti di una reazione chimica o nucleare.

• Piero Angela , La sfida del secolo , Mondadori, 2006

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