Merceologia delle Risorse Naturali
Le fonti energetiche
rinnovabili
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
80-95
Carbone
30-50
45-70
Gas naturale
37-70
40-85
Energia nucleare
40-45
40-45
Energia idroelettrica
25-95
25-90
Energia da biomasse
25-85
25-75
Energia eolica onshore
35-175
28-170
Energia eolica offshore
50-170
40-150
Energia 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
Costi d’investimento
(€/kW)
Costi operativi e di
gestione (€/kW/anno)
Biomasse*
220-4500
50-185
Energia geotermica
2000-3500
100-170
Energia idroelettrica
800-6050
35-40
Energia solare fotovoltaica
5080-5930
38-47
Energia mareomotrice e
del moto ondoso
2135-3025
44-53
Energia eolica onshore
1115-1295
33-36
Energia eolica offshore
1590-2070
55-68
Fonte
*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%
2020
2030
Scenario BAU
+115-201
+188-300
Scenario tecnologico ambizioso
+396-417
+509-545
Occupazione*
*migliaia di posti di lavoro
Vantaggi e svantaggi
dell’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
1997
• COM(97)599
• Libro bianco che incoraggia la diffusione di FER attraverso meccanismi economici
2001
• Direttiva 2001/77/CE
• Promozione delle FER nel mercato europeo
2005
• COM(2005)627
• Richiede agli Stati membri di aumentare la stabilità legislativa, ridurre le barriere
amministrative, fornire incentivi fiscali e promuovere gli avanzamenti tecnologici
2006
• Libro verde
• Road map sulle FER
L’evoluzione normativa europea
2008
• Strategia del 20-20-20
2009
• Direttiva 2009/28/CE
2010
• Nuova strategia europea
2011
• COM(2011)31
• Necessità di implementare i piani d’azione nazionali, ridurre le barriere di rete
e incoraggiare gli investimenti
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’UE
Tariffa
Italia
Germania
Francia
Regno
Unito
Spagna
x
x
x
x
x
Premio
Quota
x
x
x
Sovvenzioni
Esenzioni
fiscali
Incentivi fiscali
x
x
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 certezza per gli investitori
Maggiori investimenti in R&S
Miglioramento dei processi produttivi
Produzione su larga scala
Riduzione dei costi grazie ad economie di scala
Maggiore diffusione dell’uso di FER
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
espansione
1. Forti investimenti in grandi impianti idroelettrici
2. Investimenti in eolico e fotovoltaico con
importazione di componenti e know-how dall'estero
3. Costituzione di aziende leader a livello mondiale
La produzione mondiale di energia
Quota delle diverse fonti nella produzione elettrica mondiale
(%)
2009
80.9
1973
5.8
86.6
Combustibili fossili
Nucleare
10.2 3.1
0.9 10.6 1.9
Biocombustibili e rifiuti
FER
Gli investimenti in FER
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
# Paese
Le fonti rinnovabili in Europa
Quota delle FER nel consumo totale di elettricità dell'UE-27
(%)
7.8
5.8
5.8
5.7
2000
2001
2002
6.0
2003
6.4
2004
6.7
2005
7.1
2006
2007
Le fonti rinnovabili in Europa
Quota delle diverse FER nella produzione e nel consumo
elettrico di FER dell’UE-27 al 2007 (%)
Produzione
59.0
19.8
19.4
Consumo
59.0
19.9
19.2
Idroelettrico
Eolico
Biomassa
Solare
Geotermia
Le fonti rinnovabili in Europa
Fonti per la produzione di
elettricità nell’UE (%)
2030
2020
2010
2005
32.1
26.0
19.2
14.3
18.7
22.8
23.9
21.2
Produzione di elettricità da
FER nell’UE (TWh)
22.2
25.9
2030
24.9
24.5
2020
28.0
2010
30.5
2005
26.9
30.0
FER
Petrolio
Solidi
Nucleare
Gas
Idroel.
Solare
355
368
276 75 241
E. onshore
Biomasse
E. offshore
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
Tipo di
Potenza
centrale
Ad acqua
fluente
Micro
Mini
Energia meccanica
Energia elettrica
A bacino
Piccolo
Con impianti
ad
accumulazione
Grande
Concetti generali
Componenti:
– 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)
Paese
Tre gole
22,5
Cina
Itaipu
14
Brasile
Guri
10,2
Venezuela
Tucurui
8,4
Brasile
Grand Coulee
6,8
USA
I principali Paesi produttori
UE-27
Mondo
Potenza
installata* (GW)
Paese
Potenza
installata* (GW)
Cina
200
Francia
25
Canada
89
Italia
21
USA
80
Spagna
18
Brasile
70
Svezia
17
Russia
45
Austria
12
Paese
*anno 2009
*anno 2007
Vantaggi e svantaggi dell’utilizzo
di energia idroelettrica
Vantaggi
– Costi nulli per
l’approvvigionamento
di combustibile
– Nessuna emissione
inquinante
Svantaggi
– Costi iniziali per la
costruzione
dell’impianto
– Impatti ambientali
notevoli
– Alterazione degli
ecosistemi fluviali
– Interramento dei
bacini
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
Colture
energetiche
Residui
organici
Forestali
Industriali
Terrestri
Agricoli
RSU
Acquatiche
Fanghi di
depurazione
Valorizzazione energetica
Processi
Termochimici
Combustione
Biochimici
Pirolisi
Fermentazione
anaerobica
Trasformazione
idrolitica
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
Biomassa solida e RSU
Produzione lorda di elettricità da biomassa solida nell’UE-27 (TWh)
Anno
Centrali
elettriche
CHP
Totale
2008
22,3
35,6
57,9
2009
23,3
38,9
62,2
Produzione lorda di elettricità da RSU nell’UE-27 (GWh)
Anno
Centrali
elettriche
CHP
Totale
2008
8381,2
6799,5
15185,4
2009
8536,1
6840,2
15376,3
Biogas
Produzione primaria di biogas nell’UE-27 (ktep)
Anno
Discariche
Impianti di
depurazione
Altre fonti
Totale
2008
2888,3
955,7
4155,3
7999,3
2009
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
21414,6
2009
20394,0
4773,4
25167,4
Biocombustibili
Consumo di biocombustibili per autotrazione nell’UE-27 (ktep)
Anno
Bioetanolo
Biodiesel
Altri
Totale
2008
1805,4
8018,0
397,3
10220,7
2009
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
Sfruttamento dell’energia geotermica
Produzione lorda di elettricità da energia geotermica nell’UE-27 (GWh)
Paese
2008
2009
Italia
5520,3
5341,8
Portogallo
192,0
184,0
Francia
89,0
50,0
Germania
17,6
18,8
Austria
2,0
2,0
Totale
5820,9
5596,6
Sfruttamento dell’energia geotermica
Sfruttamento dell’energia geotermica nell’UE-27 (GWh)
Anno
Capacità
(MWh)
Energia sfruttata
(ktep)
2008
2851,1
747,5
2009
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 fredda
prelevata dagli
abissi è usata per
ricondensare il
liquido
L’acqua calda
vaporizza un
liquido apposito
Il vapore alimenta una
turbina
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)