Energie rinnovabili: cosa sono?

Fino ad oggi le fonti di energia fossile, come il petrolio, il carbone e il gas naturale, sono state quelle più sfruttate per il fabbisogno mondiale. Ma, con il rapido esaurimento di queste sorgenti e l’aumento della domanda energetica, è stato necessario porre l’attenzione su nuove fonti. Inoltre, per limitare le emissioni di gas serra e i cambiamenti climatici, molti Paesi hanno incentivato a svolgere intense ricerche su fonti maggiormente “green” al fine di produrre un più basso impatto ambientale. Perciò si è cominciato ad investire sulle cosiddette energie rinnovabili.

Introduzione

Le energie rinnovabili sono fonti energetiche potenzialmente infinite che vengono continuamente reintegrate  dalla natura. Esse possono provenire direttamente dal sole come l’energia solare termica e l’energia fotovoltaica, indirettamente dal sole come l’energia eolica, idroelettrica e quella derivante da biomasse, o possono provenire da altri meccanismi e movimenti naturali come l’energia geotermica e l’energia mareomotrice.

Le tecnologie sviluppate per le energie rinnovabili consentono di utilizzare le varie fonti per la produzione di energia elettrica, calore e combustibili. La capacità attuale delle energie rinnovabili è di circa 2200 GW. È stato stimato che la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nel 2035 dovrebbe essere circa il doppio di quella attuale così come il consumo di biocombustibili e la produzione di calore.

Di seguito si riporta una descrizione generale delle differenti tipologie di energie rinnovabili e come esse possono essere sfruttate.

Energia da Biomasse

Con il termine biomassa in genere si intendono una serie di materiali organici, di origine animale o vegetale, dai quali è possibile produrre energia. A tal scopo le biomasse possono essere convertite attraverso processi di tipo termochimico o biochimico in differenti forme di energia come l’elettricità, il calore e i biocombustibili (biodiesel, bioetanolo, biogas etc.). L’energia da biomassa è rinnovabile in quanto principalmente deriva da raccolti di prodotti vegetali (mais, barbabietola da zucchero, semi di girasole, etc.) che sono coltivati appositamente o da materiali di scarto degli stessi (paglia, etc.) oppure da altri materiali di origine organica (rifiuti legnosi, rifiuti solidi urbani, scarti dell’industria alimentare).

L’utilizzo di queste fonti rinnovabili per la produzione di energia è già una realtà in Paesi come il Brasile, gli USA e nei Paesi del nord Europa (Svezia e Germania in primis), che hanno fortemente incentivato l’utilizzo dei  biocombustibili per il trasporto.  Gli investimenti su questa fonte rinnovabile sono sempre crescenti ed è previsto che la generazione di potenza passerà dai circa 80 GW attuali ai 270 GW entro il 2035.

Energia Geotermica

L’energia geotermica è un modo potente ed efficiente per estrarre energia rinnovabile dalla terra attraverso processi naturali. Essa è caratterizzata dal calore che viene rilasciato naturalmente dai processi di decadimento nucleare di isotopi radioattivi all’interno di nucleo, mantello e crosta terrestre.  Le risorse di energia termica sfruttabili sono costituite sia dal calore direttamente immagazzinato nelle rocce che dal vapore o dall’acqua liquida intrappolato in esse. Ci sono differenti sistemi geotermici, ma quelli maggiormente utilizzati sono i sistemi idrotermali. Essi sono caratterizzati dalla presenza di acqua che si infiltra nel sottosuolo e che viene riscaldata da rocce ignee ad elevata temperatura. A seconda della pressione e dello stato dell’acqua si possono distinguere sistemi idrotermali a vapore dominante o ad acqua dominante. Questi sistemi sono pressoché gli unici che attualmente sono sfruttati a livello industriale.

Le tecnologie sviluppate per l’utilizzo delle risorse di energia geotermica consentono di produrre energia elettrica e di utilizzare direttamente il calore o la combinazione di calore ed energia nelle applicazioni di cogenerazione. Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica il vapore estratto o che naturalmente proviene dal sottosuolo va ad alimentare una turbina¹. L’energia meccanica messa a disposizione della turbina alimenta un alternatore² che la trasforma  in energia elettrica. Invece per quanto riguarda l’utilizzo diretto del calore è possibile sfruttare l’acqua calda delle fonti a temperatura più bassa (30-150 °C) per il teleriscaldamento oppure utilizzare le GHP (pompe di calore geotermiche) sia per il riscaldamento che il raffreddamento degli ambienti. Quest’ultime si pongono a diretto contatto con il suolo da cui sottraggono o cedono calore in base all’utilizzo che se ne deve fare. Perciò è possibile sfruttare l’energia geotermica sia su piccola scala per fornire calore ad un’unità residenziale, utilizzando ad esempio una pompa di calore geotermica, sia su larga scala per la produzione di energia elettrica attraverso una centrale geotermica.

Gli Stati Uniti hanno la più grande capacità geotermica, seguiti dalle Filippine, Indonesia e Messico. Entro il 2050, la potenza erogabile prevista delle centrali geotermiche (energia elettrica) dovrebbe essere compresa tra i 140 GW e 160 GW, mentre quella per usi diretti del calore potrebbe raggiungere gli 800 GW.

¹La turbina è una macchina motrice dinamica che fornisce lavoro meccanico all’esterno sottraendola ad un fluido. Essa è composta da una cassa fissa detta statore, dove avviene la trasformazione dell’ energia di pressione del fluido in energia cinetica, e da una parte  mobile detta rotore che trasferisce questa energia sotto forma di lavoro meccanico.
²L’alternatore è una macchina elettrica rotante basata sulla legge fisica dell’induzione elettromagnetica (o di Faraday-Neumann), che converte l’energia meccanica fornita in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.

Energia Idroelettrica e Mareomotrice

L’energia idroelettrica è una fonte energetica rinnovabile che deriva dal movimento dell’acqua. Più precisamente consiste nella trasformazione dell’energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d’acqua ad una certa altezza, in energia cinetica quando supera un certo dislivello; infine un sistema di turbine ed alternatori, presenti in una centrale idroelettrica, trasforma l’energia cinetica in energia elettrica.

Esistono diverse tipologie di impianti che possono generare energia idroelettrica. Il più comune è quello detto a “bacino” che sfrutta la caduta dell’acqua di laghi e fiumi accumulata nelle dighe, la quale successivamente viene convogliata forzatamente in delle condutture collegate alla turbina. Correlate a questo tipo di impianto ci sono le centrali idroelettriche a produzione e pompaggio che presentano però anche un bacino a valle.  In questi impianti l’acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno può essere riportata, mediante pompaggio, dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta energetica (ad esempio di notte). Per movimentare le pompe si utilizza l’energia elettrica in eccesso, non accumulabile, prodotta da altre centrali.

Altri tipi di  impianto, invece, sfruttano direttamente l’energia cinetica di un fiume che scorre senza che l’acqua si accumula in un serbatoio di raccolta. Però questo tipo di impianto non permette di avere una produzione costante di energia che varia in base alla stagionalità, alle piogge ed ai periodi di secca.

L’energia idroelettrica è una tecnologia collaudata e all’avanguardia basata su oltre un secolo di esperienza. Ad oggi è una tecnologia di alimentazione estremamente flessibile con la migliore efficienza di conversione rispetto alle altre fonti di energia. Cina (313 GW), USA (103 GW), Brasile (100 GW) Canada (75 GW) e Russia (48 GW) producono più della metà dell’energia idroelettrica mondiale ed in Italia (22 GW) è la seconda fonte energetica più utilizzata dopo quella fossile.

Se l’energia che si produce deriva dagli spostamenti dell’acqua in seguito alle maree, alle onde e alle correnti oceaniche, allora si parla di energia mareomotrice. Le tecnologie di sfruttamento di questa energia sono ancora in fase di sviluppo, perciò attualmente la potenza generata da questa fonte è molto bassa, se paragonata alle altre. Comunque alcuni Paesi come USA, UK e Portogallo stanno investendo per sfruttare al meglio questa energia rinnovabile dalle alte potenzialità.

Energia Solare

La vita in tutte le sue forme dipende dall’energia del sole, che rappresenta il punto di partenza per le catene chimiche e biologiche sul nostro pianeta e allo stesso tempo costituisce la forma energetica più pulita dal punto di vista ambientale. Inoltre è responsabile direttamente o indirettamente di altre fonti energetiche come, ad esempio, l’energia da biomassa, l’energia idroelettrica e l’energia eolica. L’energia solare può essere sfruttata direttamente sia per produrre elettricità che calore.

Per generare energia elettrica si utilizzano dei sistemi fotovoltaici o a concentrazione solare. Un sistema fotovoltaico è caratterizzato da pannelli composti da celle fotovoltaiche che convertono l’energia della luce in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico. Il meccanismo di funzionamento si basa sull’utilizzo di materiali semiconduttori, il più usato dei quali è attualmente il silicio. Le celle fotovoltaiche si connettono tra di loro attraverso dei contatti metallici in modo da formare dei circuiti in serie ed in parallelo (modulo fotovoltaico). L’inverter, gli accumulatori, i componenti elettronici  e le parti di montaggio, insieme ai moduli fotovoltaici costituiscono, infine, il sistema fotovoltaico.

I sistemi a concentrazione solare, invece, trasformano l’energia termica del sole in energia elettrica. Il processo consiste nel concentrare i raggi solari, attraverso degli specchi o delle lenti, su un’area di dimensioni contenute. Qui la luce concentrata si converte in calore ed è in grado di riscaldare dei fluidi di servizio, i quali andranno ad alimentare un motore termico (solitamente una turbina a vapore) collegato ad una macchina elettrica (alternatore).

l sistemi fotovoltaici combinano due vantaggi. Da un lato, la produzione dei moduli può essere realizzata in grandi impianti, il che consente economia di scala. Dall’altra, il fotovoltaico è una tecnologia personalizzabile, adattabile a molteplici situazioni. Inoltre il sistema fotovoltaico ha il vantaggio di non utilizzare solo la luce diretta del sole ma anche la componente diffusa della luce solare, cioè si produce energia anche quando il cielo è coperto. Questa funzionalità ne consente un’efficace implementazione in molte più regioni del mondo rispetto ai sistemi a concentrazione solare.

Attualmente si utilizzano impianti fotovoltaici sia off-grid (non collegati alla rete) che on-grid (collegati in rete). I sistemi off-grid costituiscono un sistema di alimentazione autonomo senza il supporto di una rete elettrica ed hanno portato l’energia elettrica in zone isolate e rurali, rendendo energeticamente autonome anche le aree più remote del pianeta. Così facendo hanno ridotto la dipendenza dai gruppi elettrogeni alimentati a diesel. I sistemi on-grid, invece, sono collegati ad una rete elettrica e si distinguono in sistemi distribuiti e sistemi centralizzati. I primi sono caratterizzati da singole unità (ad esempio gi impianti domestici) collegate in rete, mentre i secondi sono assimilabili a delle vere e proprie centrali elettriche. I sistemi distribuiti, rispetto a quelli centralizzati, permettono di avere dei vantaggi come minori perdite durante il trasporto della corrente, non necessitano di grandi aree per il posizionamento dei pannelli ed hanno un più basso costo di installazione.

Invece, per produrre calore dal sole si utilizzano i pannelli solari termici, i quali convertono la radiazione solare in energia termica, che poi può essere trasferita, ad esempio, verso un accumulatore termico per un uso successivo: produzione di acqua calda (sanitaria o di processo), riscaldamento degli ambienti, raffrescamento solare (solar cooling). Un sistema solare termico normalmente è composto da un pannello che riceve l’energia solare, da uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferirla ed un serbatoio dove si immagazzina l’energia accumulata.

L’Italia è tra i top 5 Paesi mondiali per produzione da fotovoltaico con una capacità attuale di circa 20 GW, posizionandosi in Europa solo dietro alla Germania (42 GW). Nel mondo la Cina negli ultimi anni ha incrementato notevolmente la produzione di energia da fotovoltaico diventando leader con una capacità di 130 GW, seguita al secondo posto da USA e Giappone (50 GW).

Energia Eolica

L’energia eolica è l’energia derivante dal vento e convertibile in una forma utile, come l’energia elettrica tramite le turbine eoliche o l’energia meccanica tramite i mulini a vento.

Per generare energia elettrica è necessario che l’energia cinetica del vento in movimento venga convertita in energia meccanica e quindi in energia elettrica. Così l’industria ha progetto turbine eoliche efficaci per eseguire questa conversione. La quantità di energia cinetica nel vento che è teoricamente sfruttabile aumenta con il cubo della velocità del vento. Tuttavia, una turbina cattura solo una frazione di quell’energia (40-50%). Per cui la progettazione di turbine eoliche si è focalizzata sull’ottimizzazione della cattura di energia piuttosto che alla gamma di velocità del vento sperimentate dalle turbine eoliche, cercando al contempo di ridurre i costi di impianto e di manutenzione. Perciò sono state progettate pale eoliche con varie configurazioni, in particolare con differente orientazione dell’asse rotorico (orizzontale o verticale) e con differente forma, numero e orientamento delle lame.

Le pale eoliche si posizionano raggruppate su estese superfici o in mare aperto. In tal senso si distinguono gli impianti on-shore ed off-shore. I primi sono posizionati su località in genere distanti almeno 3 km dalla costa più vicina, tipicamente su colline, alture o in zone aperte e ventose. I secondi sono, invece, impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone. Sia per motivi storici che tecnologici gli impianti più diffusi sono quelli on-shore, che possono arrivare anche a generare potenze fino a 20 MW con la possibilità di essere connessi sia alla rete pubblica che ad una rete locale isolata. Nonostante ciò, si continuano a sviluppare gli impianti off-shore per diversi motivi: qualità del vento più alta nelle zone marine; la possibilità di usare turbine di più grandi dimensioni e quindi catturare più energia; possibilità di costruire impianti più grandi; potenziale riduzione della necessità di infrastrutture per la trasmissione di corrente elettrica.

Cina e USA sono i Paesi con la più alta generazione di potenza, rispettivamente con 140 GW e 90 GW. In Europa dominano Germania e Spagna con rispettivamente  60 GW e 23 GW , mentre l’Italia si posiziona al terzo posto con 10 GW di capacità totale.

Vantaggi e Svantaggi

Dopo aver descritto le differenti fonti energetiche rinnovabili in Tabella 1 sono descritti i vantaggi e gli svantaggi per ognuna di esse. Inoltre, in Tabella 2 sono mostrati alcuni degli impatti negativi che le risorse energetiche rinnovabili provocano sull’ambiente.

Tabella 1: Vantaggi e svantaggi delle varie fonti rinnovabili
Tabella 2: possibili impatti negativi delle fonti rinnovabili

Benefici delle Fonti Rinnovabili

Le risorse rinnovabili forniscono una moltitudine di benefici alla società. Oltre che alla diminuzione delle emissioni dei gas serra, i governi hanno promulgato politiche che sostenevano le fonti rinnovabili al fine di raggiungere determinati obbiettivi: la creazione di benefici ambientali locali e per la salute; facilitare l’accesso energetico, in particolare nelle aree rurali; aumentare la sicurezza energetica diversificando il portfolio delle tecnologie e delle risorse energetiche; e migliorare lo sviluppo sociale ed economico attraverso le potenziali opportunità di occupazione.

Perciò si è registrato un incremento notevole nell’utilizzo delle energie rinnovabili, in particolare negli ultimi 7 anni c’è stato un aumento della capacità di generazione da rinnovabile dell’8,3 % annuo. Inoltre, recentemente, il mercato delle energie rinnovabili è stato in forte crescita anche grazie al consolidamento delle tecnologie che ha permesso la diffusione di diversi impianti (pannelli solari, pannelli fotovoltaici, pale eoliche, etc.), abbassando i costi e aprendo a nuove opportunità di investimento. Così il mercato delle energie rinnovabili è diventato competitivo con il mercato dell’energia convenzionale.

Conclusione

A causa della carenza di risorse inesauribili e dei problemi ambientali causati dalle emissioni, le fonti energetiche tradizionali, basate sui combustibili fossili, sono considerate insostenibili a lungo termine. Di conseguenza, vengono fatti molti sforzi in tutto il mondo per introdurre più energie rinnovabili all’interno del mix energetico globale. Le risorse energetiche rinnovabili sono opzioni innovative per la generazione di elettricità ed il loro potenziale è enorme. In linea di principio potrebbero soddisfare molte volte la domanda energetica mondiale.

Fonte: Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg, Renewable energy resources: current status, future prospects and their enabling technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 39, 748-764

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