Le rinnovabili: il futuro dell’energia

Pannelli solari - Foto di Patrick MooreLe energie rinnovabili stanno prendendo sempre più piede nello scenario energetico mondiale. L’Italia rimane ferma e fatica a seguire l’Europa per sviluppo, diffusione e utilizzo delle risorse energetiche rinnovabili a causa di un forte ritardo legislativo e dell’inadeguatezza della rete di distribuzione energetica. Al sondaggio “Quale fonte di energia rinnovabile si diffonderà maggiormente in Italia nei prossimi decenni?”, i lettori di ScienzeNews hanno votato il Solare.

Che cosa sono le energie rinnovabili

Le energie rinnovabili possono essere definite come forme di energia generate da fonti che hanno la possibilità di rigenerarsi nel tempo e, proprio per questo motivo, il loro sfruttamento non danneggia irreparabilmente le risorse naturali che potranno così essere impiegate dalle generazioni future.

Tradizionalmente le fonti energetiche vengono classificate come
Non rinnovabili: non possono essere rigenerate in tempi compatibili con la vita umana, infatti prevedono lunghi periodi di formazione e il rapido consumo da parte dell’uomo provocherà nel futuro l’esaurimento di queste fonti energetiche.
Il petrolio, il gas naturale, il carbone, gli isotopi radioattivi (energia nucleare) sono esempi di energie non rinnovabili.
Rinnovabili: si possono rigenerare rapidamente in base alla scala dei tempi umani, il loro sfruttamento non intacca lo stock disponibile per il futuro.
Il sole, il mare (maree e onde), il vento, il calore interno della Terra sono esempi di energie rinnovabili.

Energie sostenibili e fonti alternative di energia sono considerati, nel linguaggio comune, sinomini di energie rinnovabili, ma non è esattamente vero, infatti per energie sostenibili si intendono tipologie di produzione e fruizione dell’energia tali da consentire una maggiore efficienza energetica con lo scopo di attuare uno sviluppo delle attività umane senza danni ambientali; invece le fonti alternative di energia sono quelle diverse dagli idrocarburi fossili.

Le energie rinnovabili risultano sostenibili, quindi a basso impatto ambientale, perchè riducono le emissioni di CO2 e quindi non contribuiscono all’effetto serra, sebbene non siano ancora stati verificati tutti i passaggi inerenti la filiera produttiva. Non tutte le energie rinnovabili sono sostenibili poiché, oltre all’emissione di CO2 lungo il ciclo produttivo, si possono verificare danni ecologici come nel caso della costruzione di bacini idroelettrici.

Fonti di Energie rinnovabili:
Energia da biomasse (biocarburanti)
Energia eolica
Energia geotermica
Energia idroelettrica
Energia marina (correnti marine, mareomotrice, moto ondoso)
Energia solare (termico e termodinamico, fotovoltaico)

Le fonti rinnovabili vengono distinte in “classiche” come l’energia idroelettrica e la geotermica, sfruttate ormai da decenni, e in “nuove” come l’energia solare, l’eolica e da biomassa.

Fonti rinnovabili classiche

Le fonti rinnovabili “classiche” vengono sfruttate per la produzione di energia elettrica dall’inizio dell’era industriale.

L’energia idroelettrica è una delle fonti rinnovabili più antiche. Le centrali idroelettriche hanno lunga durata, infatti, molte tra quelle esistenti, sono operative da oltre 100 anni, inoltre hanno una bassa produzione di emissioni che diventano apprezzabili solo in bacini poco profondi di località a clima tropicale.
Lo svantaggio degli impianti idroelettrici consiste nel notevole impatto ambientale dovuto alla perdita di spazi ecologici e disagio della popolazione locale per la creazione degli invasi necessari alla raccolta dell’acqua oltre al rilascio di ingenti quantità di CO2 durante la costruzione e l’allagamento della riserva.
La produzione idroelettrica, iniziata in Italia nel 1920-1930, ha avuto una buona espansione fino al 1960, periodo in cui tale fonte energetica rappresentava l’82% della produzione complessiva, per poi ridursi al 25% negli anni ’80, al 19% alla fine del secolo e diminuire ancora di più oggi, contestualmente all’incremento della produzione termoelettrica.
L’energia prodotta da fonte idroelettrica, oggi in declino in occidente, sta prendendo piede in Asia e in Cina, in particolare, grazie ad una ripresa della ricerca scientifica e tecnologica spinta dal desiderio diffuso di energia pulita, rinnovabile ed economica.

L’energia geotermica è generata dal calore interno della Terra.
Il geotermico in Italia ha una lunga storia, già nel 1904 iniziò l’utilizzo di tale fonte energetica e nel 1913 l’Italia fu il primo Paese al mondo ad ottenere un impianto di generazione a Larderello, in Toscana. L’espansione del geotermico consentì al nostro Paese di detenere il 70% della produzione geotermica mondiale nel 1963 per poi scendere al 10% alla fine degli anni ’80.
L’energia geotermica è considerata una fonte energetica rinnovabile, sebbene a scala locale si possano verificare nel tempo cali significativi della produttività. Le centrali geotermiche possono funzionare 24 ore al giorno, fornendo un buon apporto energetico, tuttavia questo tipo di energia è accessibile solo in aree limitate di alcune zone del mondo come Italia, Islanda, Stati Uniti, America centrale, Africa orientale, Indonesia e Filippine.

Nuove fonti di energia rinnovabile

Le tecnologie per lo sviluppo delle energie rinnovabili sono in rapida espansione, la diffusione in un Paese riduce sia i costi della tecnologia per gli utenti locali sia per gli altri Paesi, contribuendo a una riduzione generale dei costi e al miglioramento delle prestazioni.

Il solare è in continua crescita e i nuovi sviluppi in campo tecnologico consentiranno un significativo abbattimento dei costi che attualmente sono ancora molto elevati. L’energia proveniente dal Sole viene convogliata per produrre calore impiegato sia per riscaldare l’acqua domestica e le abitazioni sia per applicazioni industriali o come sorgente energetica per altri usi.
Aree climatiche favorevoli possono consentire un uso ottimale dei sistemi di riscaldamento solare che possono fornire circa il 75% dell’energia necessaria a riscaldare l’acqua domestica.
Dalla metà degli anni ’90 la ricerca tecnologica in campo industriale ha permesso lo sviluppo di pannelli fotovoltaici integrati negli edifici e centrali fotovoltaiche allacciate alla rete elettrica. Le centrali fotovoltaiche più grandi si trovano in Germania (Waldpolenz), Nord America, Australia.

Alcune tecnologie per le energie rinnovabili, come il solare, possono essere prodotte in piccoli impianti domestici che soddisfano il bisogno energetico di una singola abitazione o gruppo di abitazioni. Questo consente un notevole risparmio di energia che solitamente viene persa lungo la rete distributiva.

L’eolico, ha raggiunto grossi potenziali di crescita a fronte di bassi costi di produzione, comparabili con quelli delle altre fonti di energia. L’eolico attualmente fornisce meno dell’1% del fabbisogno mondiale di elettricità, però raggiunge buone percentuali in molti Paesi Europei come Danimarca, Spagna, Germania.
Per ragiorni estetiche e paesaggistiche di tutela del territorio esistono molte resistenze all’impianto di turbine eoliche in diversi Paesi, inoltre l’inadeguatezza delle reti elettriche non permette in alcune zone l’integrazione con l’eolico.

Secondo l’IEA, le nuove tecnologie bioenergetiche attualmente in sviluppo, come le bioraffinerie per estrarre etanolo dalla cellulosa, potrebbero permettere ai biocarburanti di giocare un ruolo cruciale nel futuro poiché l’etanolo da cellulosa si può ottenere dalla materia organica vegetale ricca di cellulosa e quindi non commestibile. Essa va a costituire i residui delle coltivazioni, gli scarti di legno e i rifiuti solidi cittadini che diventano sorgenti di biomassa ricche di cellulosa. Oltre agli scarti delle coltivazioni, stanno prendendo piede vere e proprie colture dedicate alla produzione energetica, come quelle di Panicum virgatum L. una pianta erbacea molto diffusa nelle praterie di “alte erbe” americane, che rappresenta una fonte di cellulosa prodotta in modo sostenibile in molte aree degli Stati Uniti.

Il Brasile ha avviato un grande programma per l’energia rinnovabile che gli ha permesso di raggiungere la completa autosufficienza petrolifera. Grazie alla produzione di bioetanolo dalla canna da zucchero e l’etanolo ha coperto quasi il 20% del fabbisogno di carburante. Insieme allo sfruttamento delle riserve petrolifere locali, il Brasile non ha più necessità di importare petrolio.
Negli Stati Uniti la maggior parte delle automobili usate oggi può usare miscele fino al 10% di etanolo. I costruttori di motori stanno producendo dal 2006 veicoli “flexible-fuel”  progettati per usare miscele di benzina e etanolo fino all’85% di etanolo (E85).

Accanto allo sviluppo delle tecnologie per implementare l’uso e il rendimento delle fonti energetiche rinnovabili già sfruttate, sono ancora in studio nuove tecnologie come la gassificazione avanzata delle biomasse, la bioraffinazione, il solare termodinamico, l’energia geotermica da rocce calde e asciutte (Hot-dry-rocks) e l’energia oceanica (onde e maree). Queste hanno elevati costi e una commercializzazione limitata sebbene il loro potenziale sia comparabile con le più diffuse tecnologie per le energie rinnovabili oppure non sono ancora completamente sviluppate, necessitano pertanto di ulteriori test e di investimenti.

Il Portogallo sta investendo sull’energia degli oceani con la prima centrale a onde marine, in costruzione dal 2007. Anche la Scozia ha stanziato finanziamenti per la costruzione di una centrale a onde marine, come parte di un pacchetto di investimenti per l’energia oceanica.

L’energia mareomotrice è sfruttata dagli anni ’60 in Francia, nel 2007 la prima centrale ad energia mareomotrice di concezione moderna è stata installata nello stretto di Strangford Lough in Irlanda. La centrale sfrutterà il flusso di marea (fino a 4 m/s) nel braccio di mare e ci si aspetta che l’energia prodotta rifornisca un migliaio di case. L’impatto ambientale è minimo perchè le turbine risultano quasi completamente sommerse e il movimento dei rotori non costituisce un pericolo per la fauna poiché la velocità di rotazione è relativamente bassa.

Le più importanti fonti energetiche rinnovabili per diffusione e quantità di energia generata sono attualmente il solare e l’eolico, tuttavia bisogna considerare che tali fonti energetiche sono discotinue e come tali presentano poca affidabilità nell’erogazione.

Allo stato attuale non è ancora chiaro se l’energia proveniente dalle fonti rinnovabili potrà soddisfare il crescente fabbisogno energetico umano, se quindi sarà l’alternativa alle fonti fossili o se continuerà a rappresentare solo una percentuale contenuta della produzione energetica mondiale andando semplicemente a integrare l’energia fornita da altre fonti.

Energia solare

Il solare è la fonte di energia rinnovabile, termica o elettrica, prodotta sfruttando direttamente l’energia irraggiata dal Sole alla Terra.
Il Sole, la stella del nostro Sistema Solare, trasmette in ogni momento sull’orbita terrestre un’energia pari a 1367 watt/m² e l’irradiamento solare medio è, alle latitudini europee, di circa 200 watt/m².

La quantità di energia che il Sole irradia sul suolo terrestre è quindi enorme, ma poco concentrata cioè è necessario raccogliere energia su aree molto vaste per averne quantità significative ed è difficile da convertire in energia sfruttabile.

Il costo del solare è elevato, ma lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l’uso di tale energia è in forte crescita. Le tecnologie per il solare sono ben conosciute e solitamente consistono di collettori termici solari, un sistema fluido dinamico per trasferire il calore dal collettore al punto di utilizzo e un serbatoio (o cisterna) per lo stoccaggio del calore.

Le ultime prospettive nel campo dei pannelli solari prevedono l’uso delle nanotecnologie che potrebbero ridurre i costi rispetto alle tradizionali celle fotovoltaiche. La produzione commerciale è cominciata alla fine del 2007.

L’energia solare può essere usata per generare elettricità ed in questo caso si parla di fotovoltaico, o per generare calore e si parla di solare termico.
Attualmente sono disponibili tre tecnologie principali:

  • il pannello solare termico cattura i raggi solari per scaldare un liquido, contenuto al suo interno, che cede calore, tramite uno scambiatore di calore, all’acqua contenuta in un serbatoio.
  • il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie di specchi per concentrare i raggi solari su un ricevitore che può essere un tubo in cui scorre un fluido termovettore (olio minerale) o l’estremità di una torre in cui è posta una caldaia piena di sali che per il calore fondono (ad elevatetemperature: 600°C).
  • il pannello fotovoltaico converte la luce solare direttamente in energia elettrica. Sfrutta le proprietà di particolari semiconduttori in grado di produrre energia elettrica quando sollecitati dalla luce.

I pannelli solari vengono attualmente usati per fornire acqua calda e riscaldamento alle abitazioni, alimentare dispositivi distanti dalle reti elettriche o con richieste energetiche ridotte. Per immagazzinare l’energia elettrica prodotta in eccesso, i dispositivi sono dotati di accumulatori per alimentare le apparecchiature di notte. Poiché i pannelli fotovoltaici sono sensibili anche alla radiazione IR dei raggi solari, producono energia elettrica anche quando il tempo è nuvoloso o piove.
Il fotovoltaico ha ottenuto il suo massimo sviluppo in Germania grazie ad una legislazione che consente a chi produce energia in eccesso la possibilità di venderla al fornitore elettrico; in questo modo l’utente paga in bolletta la differenza fra quanto consumato e quanto erogato. Anche in Italia è stata introdotta una simile legislazione entrata in vigore il 19 Settembre 2005, DL 387/2003.

Il futuro del solare è ricco di prospettive, attualmente le ricerche si concentrano prevalentemente in due direzioni: nuove celle fotovoltaiche più efficienti o celle fotovoltaiche di pari efficienza rispetto a quelle attuali, ma meno costose.