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Rinnovabili: il punto sulla innovazione

  • Autore: Giorgio Palazzi

di Giorgio Palazzi – Consigliere del Commissario, ENEA

Att_App_Loghi/ART_INT/G_Palazzi.jpgL’impegno che i Paesi dell’Unione Europea assumono sulle fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell’uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
– il sole
– il vento
– l’acqua
– la geotermia
– le biomasse
rappresenta non solo un importante elemento programmatico nel settore energetico, ma anche un preciso obbligo. Con la Direttiva 2009/28/CE si sono stabiliti gli obiettivi vincolanti per ciascuno stato. Il quantitativo di energiaenergia
Fisicamente parlando, l’energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L’unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
da fonti rinnovabili da raggiungere è una percentuale dei consumi finali dell’anno 2020 (per l’Italia è pari al 17%). Ciascuno Stato dovrà elaborare e indicare il percorso, definito da un modello fisico, che permetta di realizzare l’obiettivo nei settori specifici delle fonti rinnovabili: settore elettrico, settore termico (riscaldamento e raffrescamento) e trasporti. Tali obiettivi di settore devono essere stabiliti anche in funzione territoriale, e quindi per l’Italia in sede regionale.
L’Italia ha assolto il proprio compito inviando a Bruxelles nell’estate 2010 il “Piano di Azione Nazionale per le Energie RinnovabiliEnergie Rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell’uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
– il sole
– il vento
– l’acqua
– la geotermia
– le biomasse
” che definisce in modo puntuale le linee d’azione per le fonti rinnovabili e la strategia di sviluppo.
Gli elementi essenziali in termini numerici sono:

  • 131 Mtep, il consumo finale di energia al 2020 (quindi un valore analogo a quello del 2008)
  • 22 Mtep di fonti rinnovabili (pari al 17%) suddivisi in elettricità 9,1 Mtep; calore 9,5 Mtep; trasporti 2,5 Mtep e 1,1 Mtep trasferiti da altri Stati.

Rispetto allo scenario tendenziale (146 Mtep al 2020) si prevede che il piano sull’efficienza energeticaefficienza energetica
Con questi termini si intendono i miglioramenti che si possono apportare alla tecnologia per produrre gli stessi beni e servizi utilizzando meno energia, con conseguente riduzione dell’ impatto ambientale e dei costi associati.
faccia risparmiare circa 15 Mtep.
In ultima analisi si prevede una sostanziale stabilità sui consumi energetici intorno ai 130 Mtep per tutto il futuro decennio.

Nel 2005, anno di riferimento, le fonti rinnovabili sono state ~ 7 Mtep. Dobbiamo triplicarle, ma lo sforzo è molto differente settore per settore.
La produzione di energia da fonti rinnovabili nel settore elettrico dovrà raddoppiare (da 4,8 a circa 9,1 Mtep). Tale obiettivo è raggiungibile distribuendo l’impegno sull’eolico, sul solare e sulle biomasse. È un impegno notevole, ma alla portata del nostro Paese. La suddivisione degli obiettivi fra le Regioni (burden sharing) dovrà essere molto oculata e condivisa.
Un’analisi ‘lato offerta’ mostra una capacità di intervento delle imprese italiane sulle fonti rinnovabili sicuramente apprezzabile nei settori dell’installazione, della componentistica tradizionale e della messa in esercizio. Risulta invece deficitaria nella produzione della componentistica high tech. Ad esempio, nel fotovoltaico i moduli con le celle, vero cuore del sistema, vengono importati per l’85%.
Il settore termico – che riguarda il riscaldamento e il raffrescamento – dovrà contribuire all’obiettivo nazionale per un valore di 9,5 Mtep.
Il contributo delle rinnovabili nel 2005 è stato di 1,9 Mtep; sarà, pertanto, necessario incrementare di quasi 5 volte l’energia del settore termico.
Uno sforzo particolare dovrà essere compiuto nel teleriscaldamentoteleriscaldamento
Sistema che consente di distribuire calore presso le utenze, a partire da una centrale di produzione (per esempio centrale di cogonerazione, termovalorizzatore, ecc…). Il calore viene trasportato sotto forma di acqua calda o vapore all’interno di condotti interrati e può servire per riscaldare gli ambienti oppure per produrre acqua calda sanitaria. Nelle abitazioni servite dal teleriscaldamento la caldaia viene sostituita da uno scambiatore di calore, consentendo una diminuzione delle emissioni e un risparmio di combustibile.
, sia aumentando i rendimenti degli impianti, sia con l’utilizzo più efficiente del calore proveniente da centrali elettriche a biomasse (cogenerazionecogenerazione
Processo di produzione congiunta di energia elettrica e calore utile, in cascata, che può essere impiegato per scopi industriali (calore di processo) o per il teleriscaldamento. La cogenerazione comporta un sensibile risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata di elettricità a calore.
).
Nel settore trasporti la situazione delle rinnovabili è particolarmente critica. L’obiettivo UE è almeno pari al 10% del consumo complessivo del settore quindi da 0,18 Mtep (anno 2005) a 2,5 Mtep.
Un contributo essenziale al raggiungimento di questo difficile obiettivo, deve essere compiuto attraverso un salto a livello tecnologico che permetta l’introduzione dei biocombustibili di seconda generazione. Si possono produrre biofuel da biomassabiomassa
In generale si identifica con biomassa tutto ciò che ha matrice organica ad eccezione delle plastiche e dei materiali fossili. Come indicato nel decreto legislativo del 29 Dicembre 2003 n. 387, per biomassa si intende ” la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonchè la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani “. Ciò che accomuna le diverse tipologie di biomassa è la presenza di carbonio che mette a disposizione un elevato potere calorifico eventualmente sfruttabile per fini energetici.
ligno-cellulosica, quindi residui agricoli, scarti forestali, piantagioni no-food (sorgo, canna, miscanto ecc.) che hanno rese nettamente superiori alle biomasse di prima generazione (girasole, colza, mais etc.).

Uno sforzo di sostegno alla creazione di una industria “verde” nazionale deve fare leva su attività di ricerca & sviluppo che permetta di ampliare la capacità di offerta tecnologica. Alcuni esempi positivi in questa direzione possono essere riportati nel settore solare e delle biomasse dove i laboratori dell’ENEA svolgono varie attività per il Ministero dello Sviluppo e per i progetti europei.

Sviluppo tecnologico nel solare

Le tecnologie avanzate in corso di studio sono: a) solare termodinamico; b) fotovoltaico a concentrazione; c) fotovoltaico a film sottili; d) solare per usi termici.

Solare Termodinamico
Numerosi studi internazionali concordano nel prevedere interessanti sviluppi di mercato per la tecnologia solare termodinamicatermodinamica
Parte della fisica che studia le leggi con cui i corpi scambiano (ricevono o cedono) lavoro e calore con l’ambiente che li circonda. In particolare, la termodinamica studia le trasformazioni di calore in lavoro all’interno di macchine termiche.
: le analisi della Banca Mondiale valutano una potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
cumulativa installata a livello mondiale di oltre 10 GW al 2020. Nella tecnologia solare attualmente disponibile vi sono limiti nella temperatura (inferiore ai 400 °C) e nella discontinuità di esercizio legata alla variabilità solare.
Le innovazioni tecnologiche introdotte da ENEA permettono, mediante l’utilizzo dei sali fusi e di sistemi di accumulo termico, di arrivare a temperature di 550 °C e di utilizzare serbatoi ad elevata capacità termica che permettono un esercizio continuo dell’impianto. I tubi ricevitori, che hanno la funzione di trasferire al fluido la quantità massima di energia solareenergia solare
Energia radiante derivante dal Sole e che raggiunge la Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. Ad oggi esistono fondamentalmente due modi per sfruttare l’energia solare direttamente: attraverso i pannelli solari (per la produzione di energia termica ed elettrica), pannelli fotovoltaici (per la produzione di energia elettrica). L’energia dal Sole è fondamentale anche per lo sviluppo delle altre forme di energia rinnovabili (per esempio per la crescita della biomassa, per i moti dei venti, per il ciclo idrologico delle acque, ecc..).
concentrata dagli specchi riflettori, riescono ad ottenere elevate prestazioni mediante un rivestimento metallico-ceramico con elevatissima efficienza fototermica (assorbanza oltre 94% ed emissività inferiore a 14%).
Il trasferimento della tecnologia all’industria nazionale ha permesso di passare dalla fase di R&S&D alla costruzione del primo prototipo italiano da 5 MWe da parte di ENEL, in Sicilia presso l’area di Priolo a nord di Siracusa.

Fotovoltaico a concentrazione
Il fotovoltaico a concentrazione è considerato un’interessante opzione per ridurre in maniera significativa l’incidenza dei costi del componente fotovoltaico. Negli impianti fotovoltaici a concentrazione la radiazione solare non va ad incidere direttamente sulle celle ma viene concentrata da opportune lenti.
L’ENEA e Pirelli Lab hanno progettato e realizzato alcune unità standard da 5 kWp, con ottiche prismatiche rifrattive da 200 soli. L’eliostato ha una elevata precisione di puntamento, sui due assi, con sistema di controllo per il puntamento. Le misure sperimentali sui moduli hanno mostrato una efficienza fino a 19%.

Fotovoltaico a film sottili
La tecnologia a film sottile impiega quantità minime (qualche micron) di un opportuno semiconduttore depositato su substrati a basso costo (plastica, metallo, vetro) anche di grandi dimensioni (oltre 5 m2).
Per incrementare ulteriormente l’efficienza dello strato a film sottili, nei laboratori del Centro di Portici si stanno esplorando strade molto innovative. L’approccio si basa sull’utilizzo di quantum dot (QD) di silicio dispersi in matrici di materiale dielettrico, quali il nitruro e carburo di silicio. In questo caso il materiale fotoattivo è costruito da nanocristalli di silicio, di forma pressoché sferica, con diametro inferiore a 7 nanometri immersi in nitruro o carburo di silicio. Controllando dimensioni e densità dei dot è possibile ingegnerizzare il materiale, conferendogli le caratteristiche elettroniche più adatte allo sfruttamento di una parte dello spettro solare. Questi materiali “nano strutturati” rappresentano la sfida più interessante per incrementare l’efficienza di conversione della energia solare in energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all’energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
.

Solare per usi termici
E’ bene ricordare che presso il Centro della Trisaia in Basilicata l’ENEA mette a disposizione un Laboratorio Solare accreditato SINAL per prove di qualificazione e caratterizzazione delle prestazioni dei collettori termici secondo gli standard europei. Sulla ricerca, le attività sono concentrate sugli sviluppi di modelli dinamici per la determinazione rapida ed attendibile delle prestazioni di un collettore solarecollettore solare
Organo facente parte di un impianto solare termico dove viene convogliato il fluido riscaldato dai raggi solari. Quest’ultimo, successivamente, in un opportuno scambiatore, cede calore all’acqua che arriva all’utenza.
e sulle tecnologie “solar heating and cooling” per una climatizzazione estiva/invernale assistita da fonte solare.

Sviluppo tecnologico nelle biomasse

Energia elettrica da biomasse
L’aspetto più critico per la produzione di energia elettrica da biomasse è costituito dal basso rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra “quanto ottenuto” in un processo e “quanto speso” per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l’input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
di conversione (valori intorno al 20-24% con consumi specifici di 1-1,2 Kg/kWhkWh
Unità di misura dell’energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un’ora.
). Se si considera invece della combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l’ossigeno presente nell’aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
diretta la gassificazionegassificazione
La gassificazione è un processo utilizzato a livello industriale da molto tempo (i primi sistemi risalgono addirittura alla prima metà dell’ ‘800), tutt’oggi oggetto di continui miglioramenti. Essa consiste nella trasformazione di un combustibile solido o liquido in un gas combustibile (syngas), ricco di elementi incombusti (CO e H2), a seguito di complesse reazioni chimiche di ‘ossidazione parziale’. Questo significa che si ‘blocca’ il processo a metà tra la fase di pirolisi (rottura dei legami chimici ad alta temperatura in assenza di ossigeno) e quella di combustione.
della biomassa, il combustibile ottenuto è molto più versatile della biomassa solida con possibilità di maggiori efficienze e minori emissioni. Tale tecnologia richiede però uno sforzo di ricerca e sviluppo su alcuni aspetti critici quali la pulizia del gas e la fluidodinamica del gassificatore. Si stanno sperimentando gassificatori sia a letto fisso che a letto fluido. In particolare con il letto fluido bollente e alimentando l’impianto con gusci di mandorle e altri tipi di biomasse si è ottenuto un syngas con potere calorificopotere calorifico
Il potere calorifico è definito come il calore prodotto dalla combustione di una quantità unitaria di combustibile e si distingue tra potere calorifico superiore (pcs) e potere calorifico inferiore (pci). È misurato in genere in kcal/kg per i combustibili liquidi e solidi, e in kcal/m3 per i gas.
superiore ai 13MJ/Nm3 e particolatoparticolato
Insieme delle sostanze sospese in aria, composto da tutte quelle particelle solide e liquide che si disperdono in atmosfera a causa di fattori naturali (pollini, erosione di rocce, polvere cosmica, ecc..) e di fattori antropici (traffico urbano, emissioni da riscaldamento domestico, fumo di tabacco, centrali termoelettriche, ecc..).
inferiore a 2 mg/Nm3.

Biocarburanti
Per ottenere risultati significativi dalle fonti rinnovabili nel settore trasporti (attualmente la quota è un modesto 0.2 Mtep) è necessaria una evoluzione rapida verso soluzioni industriali di seconda e terza generazione ossia biomasse lignocellulosiche e alghe. Infatti occorre realizzare soluzioni industriali che utilizzano biomasse di basso valore ed in particolare che non creino conflitti con gli utilizzi alimentari. Si tratta in sostanza di concentrarsi sulla valorizzazione dei residui agroforestali e dei sottoprodotti organici di coltivazioni pregiate, come ad esempio la paglia per il grano o le foglie ed i gambi per il mais, per ottenere i biocarburanti con un opportuno trattamento.
La soluzione più attraente è la produzione di bioetanolobioetanolo
Biocombustibile prodotto mediante un processo di fermentazione alcolica di prodotti agricoli ricchi di zucchero o amido (per esempio la canna da zucchero, la barbabietola da zucchero, il mais, l’orzo, il grano, le patate, ecc..) o da residui ricchi di cellulosa. Il bioetanolo presenta caratteristiche fisico-chimiche simili alla benzina e questo permette un suo utilizzo nelle miscele in percentuali fino al 20%.
da materiali ligno-cellusolici mediante la tecnologia della “steam explosion” che prevede un pretrattamento della biomassa in particolari condizioni di vapore ad alta pressione e successiva idrolisi e fermentazionefermentazione
Insieme di processi chimici che consistono nella trasformazione dello zucchero contenuto nelle biomasse in etanolo, ad opera di particolari microrganismi.
per l’ottenimento di etanoloetanolo
Termine che indica l’alcol. Esso viene prodotto a partire dalla fermentazione di zuccheri.
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Il biodieselbiodiesel
Biocombustibile derivato da un processo chimico applicato agli oli vegetali (colza, girasole, palma, noce di cocco, soia, …) ma anche ai grassi animali provenienti dall’industria della carne. Esso può essere utilizzato, puro o in miscela (5-20%), come sostituto del gasolio nel settore dei trasporti e del riscaldamento senza modificare motori e caldaie, consentendo una riduzione significativa di emissioni rispetto al gasolio minerale.
di seconda generazione passa attraverso i processi di gassificazione delle biomasse e il Fisher-Tropsh; rientra pertanto nello sforzo di R&S sulla gassificazione e prevede anche la produzione di idrogenoidrogeno
Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell’acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l’idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell’idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell’aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).
del syngas ottenuto.
Infine da ricordare “L’Atlante Italiano sulle Biomasse”. Tale atlante è un geodatabase, accessibile e consultabile sul web in maniera interattiva, contiene tutte le informazioni sulla tipologia e sui quantitativi annuali di biomassa disponibile nelle province italiane. In particolare i dati riguardano la biomassa residuale di derivazione agricola (paglie, potature), agroindustriale (lolla, sansa, vinacce, gusci, noccioli), reflui di allevamenti, produzioni forestali (conifere, latifoglie, arboricoltura), le produttività delle colture energetiche nelle principali aree pedoclimatiche nazionali.

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