Le fonti rinnovabili e la crisi climatica

di Domenico Coiante.

 Giuseppe Claudio Polizzi

Giuseppe Claudio Polizzi

La Conferenza di Parigi dell’ONU sui cambiamenti climatici del dicembre 2015 (COP21 Conference Of Parties), ha avuto indubbiamente il merito di focalizzare l’attenzione mondiale sulla crisi climatica mettendo in risalto l’urgenza di assumere i necessari provvedimenti per contrastarla. Contenere l’innalzamento della temperatura media mondiale entro 1,5 °C per il 2050 costituisce l’obiettivo degli interventi. Tra questi si è indicato, come argomento principale per mitigare l’effetto serra, la riduzione dell’emissioni di CO2 nell’atmosfera da parte del sistema energetico. Si valuta necessario un decremento pari al 90% rispetto alla quantità immessa nel 2010.
Ciò comporta che, oltre alle misure di risparmio energetico e di miglioramento dell’efficienza da diffondere in tutti i settori delle attività umane, si debba procedere a “decarbonizzare” la produzione ed il consumo d’energia, naturalmente senza penalizzare lo sviluppo economico (che dai consumi energetici è direttamente dipendente). La combustione degl’idrocarburi fossili è da ritenere come la principale causa delle emissioni atmosferiche di carbonio e, quindi, un forte aumento del ricorso all’energia rinnovabile è proposto come indispensabile a compensare la riduzione dell’impiego dei combustibili.
Un consistente incremento della penetrazione nell’uso delle fonti rinnovabili, (tra cui energia solare nelle sue varie forme), è stato indicato tra i principali strumenti per realizzare l’obiettivo. In particolare, i risultati conseguiti nel trascorso decennio pongono il fotovoltaico e l’eolico tra i migliori candidati per la progressiva sostituzione dei combustibili fossili.
Ma quest’azione è poi così scontata? Oppure l’obiettivo è condizionato al realizzarsi di altre condizioni?

Il quadro
La produzione mondiale di energia rinnovabile è aumentata significativamente negli anni recenti fino a divenire una componente, oggi apprezzabile nell’insieme dell’offerta. La Fig.1 mostra la situazione mondiale al 2013 secondo i dati più recenti del rapporto 2015 dell’IEA (International Energy Agency).

Fig.1 – Ripartizione per fonti della produzione mondiale d’energia nell’anno 2013 (Fonte dei dati: 2015 IEA Key World Energy Statistics)

Fig.1 – Ripartizione per fonti della produzione mondiale d’energia nell’anno 2013 (Fonte dei dati: 2015 IEA Key World Energy Statistics)

E’ possibile vedere come le fonti rinnovabili (idroelettrico, biocombustibili ed altre) incidano significativamente per il 13,8 % del totale. Il contributo delle nuove fonti solari è tutto contenuto nella fetta “altre” ed è pari all’1,2 %. Si tratta di una quota piccola, ma in rapida crescita soprattutto per merito dell’eolico e del fotovoltaico.
Poiché queste fonti producono elettricità, per apprezzare meglio il loro contributo conviene far riferimento alla produzione mondiale elettrica come in Fig.2.

Fig.2 – Ripartizione della produzione mondiale d’elettricità per fonte nel 2013 (Fonte dei dati: 2015 IEA Key World Energy Statistics)

Il contributo del solare elettrico (essenzialmente eolico e fotovoltaico, perché la produzione del solare termodinamico è in confronto molto limitata) comincia ad assumere un valore rilevante, circa 1330 TWh/anno, pari al 5,7 % del totale. Si tratta ancora di una quota piccola, ma che offre la dimostrazione della validità tecnica e commerciale delle due tecnologie. In pochi anni esse hanno aumentato esponenzialmente il volume di mercato e stanno assumendo sempre più il ruolo e la consistenza di vere e proprie fonti energetiche.
Questo aspetto è meglio osservabile nella Fig.3, che mostra la crescita della capacità cumulata di potenza installata nel mondo per l’eolico ed il fotovoltaico negli ultimi dieci anni.

Fig.3 – Crescita della potenza totale installata nel mondo per l’eolico ed il fotovoltaico negli anni fino al 2014 (Fonti dei dati: Wind Global Statistics, Solar Power Europe 2015)

Su scala mondiale, l’andamento è fortemente crescente in entrambi i casi. Si ritiene che questo vistoso aumento sia dovuto principalmente alle favorevoli condizioni offerte dall’assistenza governativa del mercato. Infatti, a seguito dell’applicazione del Protocollo di Kyoto del 1997, sono state introdotte consistenti incentivazioni governative (Certificati Verdi, Conto Energia, ecc.) per l’istallazione d’impianti eolici e fotovoltaici. Questa politica ha avuto indubbiamente il merito di produrre un grande abbattimento dei prezzi degli impianti, portando il costo di produzione del kWh vicino alla concorrenzialità economica ed in qualche caso (zone fortemente ventose e/o intensamente soleggiate) anche alla competitività. Tutto ciò lascia presumere che molto presto le fonti rinnovabili elettriche non abbiano più bisogno delle incentivazioni e che il loro sviluppo impetuoso possa continuare indisturbato nel futuro.
Visto che il potenziale energetico mondiale per le due fonti è enorme, tutto lascerebbe supporre che il loro contributo d’energia possa presto raggiungere dimensioni confrontabili con le fonti convenzionali. Infatti lo spazio ulteriormente disponibile per la crescita, aggregando geograficamente tutti i mercati, è ancora notevole, ma, se osserviamo il settore suddividendolo per aree geografiche, dobbiamo fare alcune distinzioni tra i paesi industriali e quelli emergenti.

L’intermittenza e i limiti
Dobbiamo prima di tutto ricordare due caratteristiche tecniche: 1) la produzione delle due fonti riguarda esclusivamente il settore elettrico; 2) la generazione di potenza non è continua nel tempo, ma è aleatoriamente intermittente.
Per motivi di convenienza economica, l’attuale paradigma d’impiego prevede lo sfruttamento significativo delle fonti soltanto in collegamento diretto ad una rete elettrica alimentata in maggioranza da generatori termoelettrici convenzionali. Infatti questi sono essenziali per mantenere la stabilità della fornitura elettrica agli utenti in risposta alla variabilità temporale della generazione, tipica dell’eolico e del fotovoltaico. Senza l’intervento di compensazione dell’intermittenza da parte degl’impianti termoelettrici non sarebbe possibile coprire le esigenze di continuità del carico con i soli impianti eolici e/o fotovoltaici. Da ciò segue che le rinnovabili intermittenti non possono sostituire integralmente i generatori convenzionali, ma possono soltanto parzialmente contribuire alla produzione elettrica totale.

Per una determinata rete elettrica, la quantità di fonti intermittenti direttamente allacciabili ha un limite tecnico preciso. Sull’entità di questo esiste un’accesa discussione tra gli esperti, perché il suo valore dipende dalla specifica configurazione della rete (tipologia dei generatori, collocazione sul territorio, topologia delle linee elettriche di collegamento, capacità del sistema di controllo e dispacciamento, ecc,). Pertanto ogni rete può essere caratterizzata da un valore diverso del limite. In ogni caso, però, il suo superamento mette la rete a rischio di black out.

Nei paesi industriali, tutti dotati di reti elettriche ben strutturate, è stato possibile finora accogliere senza particolari problemi tecnici gli impianti delle fonti intermittenti in misura notevole. In alcuni paesi, tra cui l’Italia, la penetrazione di potenza ha raggiunto valori intorno al 35%. Come si è visto, anche grazie alle incentivazioni governative applicate, la crescita del numero e delle dimensioni delle centrali è stata esponenziale, almeno fino ad oggi. Sta avvenendo, però, che, in molti casi come in Italia, la quantità della produzione d’elettricità intermittente si stia avvicinando pericolosamente al limite di stabilità della rete. Ciò sta producendo una situazione economica sfavorevole per l’aggiunta di nuovi impianti perché è divenuto necessario continuare a tenere accesi in stand by, cioè senza erogare energia, alcuni generatori tradizionali (tipicamente impianti termoelettrici) remunerandoli comunque con una tariffa, chiamata capacity payment, o ad aggiungerne altri (centrali turbogas di rapido avviamento) con la sola funzione d’intervento d’emergenza per compensare l’intermittenza della produzione rinnovabile. Tutto ciò ha un impatto negativo sul costo di produzione del kWh dei nuovi impianti delle rinnovabili, a cui si deve addebitare l’extracosto del capacity payment, con la conseguenza di un aumento delle tariffe in bolletta.
Stante questa situazione, le organizzazioni dei consumatori stanno reclamando a gran voce che le incentivazioni governative alle rinnovabili siano ridotte o eliminate in quasi tutti i paesi industriali. Pertanto, difficilmente la crescita della potenza potrà continuare in questi paesi con lo stesso ritmo come in passato.
Tuttavia, nei paesi emergenti il mercato mondiale resterà in aumento e continuerà ad espandersi. Infatti qui ci si trova ancora ben lontani dal limite di penetrazione in rete. La crescita continuerà, ma sarà sicuramente meno impetuosa a causa, sia della minore sensibilità ambientale, sia della penuria di capitali generalmente presente in tali paesi. In seguito, l’aumento rallenterà fino a fermarsi perché inevitabilmente, prima o poi, si presenteranno gli stessi problemi di stabilità della rete oggi presenti nei paesi industriali.

In definitiva, il paradigma oggi vigente per l’uso degl’impianti (collegamento diretto alla rete) e la presenza del limite di penetrazione in rete delle fonti intermittenti costituiscono un serio ostacolo perché queste tecnologie possano espandersi così tanto da sostituire i combustibili fossili in quota significativa. L’arresto dello sviluppo sarà inevitabile, almeno se non cambierà la presente modalità dell’offerta. Pertanto, sembra lecito dubitare che l’incidenza delle due fonti possa raggiungere la rilevanza quantitativa necessaria a produrre gli effetti attesi per il risanamento atmosferico. Infatti, il combinato disposto tra il limite dovuto all’intermittenza e il fatto che le fonti producano esclusivamente elettricità porta come conseguenza alla esiguità del loro contributo ambientale.

Contributo possibile
Riassumendo l’argomento, il contributo energetico delle due fonti è confinato nel settore dell’elettricità ed è limitato (a causa dell’intermittenza) ad una frazione del fabbisogno elettrico mondiale. Teniamo inoltre presente che l’uso elettrico rappresenta una frazione del fabbisogno energetico globale. Proviamo, pertanto, ad azzardare una stima approssimata dell’incidenza massima possibile di energia eolica e fotovoltaica sul fabbisogno mondiale d’elettricità.
Dai dati statistici dell’EIA (US Energy Information Administration) si ricava che la potenza elettrica cumulativa istallata nelle varie reti nel mondo nel 2013 è stata di circa 6000 GW. Supponiamo in prima approssimazione che la percentuale dovuta alle fonti solari sia trascurabile e che questa cifra rappresenti il totale di tutte le altre fonti. Facciamo l’ipotesi ottimistica che l’eolico ed il fotovoltaico congiunti possano penetrare nelle varie reti fino a raggiungere un totale pari al 40% prima di produrre effetti d’instabilità. In tal caso avremmo una situazione di potenza installabile pari a 2400 GW, che possiamo immaginare suddivisa in parti uguali, 1200 GW per fonte. Applicando un fattore di capacità medio di 1300 ore equivalenti all’anno per il fotovoltaico e 1800 per l’eolico, avremo un contributo di 1560 TWh per il fotovoltaico e 2160 TWh per l’eolico, cioè 3720 TWh in totale. Questo contributo corrisponde a circa il 16% del fabbisogno elettrico mondiale, che nel 2013 è stato pari a 23322 TWh (vedi Fig.2). Si tratta di un valore notevole, tuttavia si deve considerare che il settore elettrico rappresenta a sua volta una frazione del consumo totale d’energia.
La Fig.4 rappresenta la situazione mondiale degli usi energetici per il 2013.

Fig.4 – Ripartizione per fonti del contributo energetico agli usi finali nell’anno 2013 (Fonte dei dati: 2015 IEA Key World Energy Statistics)
Come si può vedere, a livello mondiale, l’elettricità costituisce il 18% del consumo totale d’energia. Poiché il contributo delle fonti rinnovabili elettriche potrà essere al massimo pari al 16 % del fabbisogno d’elettricità, il contributo al totale degli usi finali d’energia sarà pari al 16% del 18%, cioè al 2,8%. Naturalmente la frazione di penetrazione degli impianti solari potrà variare di qualche unità intorno al valore ipotizzato del 40%, ma difficilmente andrà molto oltre. In definitiva, nei limiti di prima approssimazione, potremo concordare su un valore di circa il 3% per il contributo energetico massimo ricavabile dalle fonti rinnovabili elettriche.
Ricordiamo che l’incidenza delle fonti rinnovabili al risanamento ambientale è proporzionale alla quantità d’energia fossile sostituita. Pertanto, da quanto detto, tutti i nostri sforzi per diffondere nell’uso l’energia eolica e fotovoltaica potranno portare ad una cifra massima di circa il 3% sulla riduzione delle emissioni atmosferiche di CO2.
D’altra parte, anche se per assurdo potessimo pensare di aver risolto i problemi tecnici dovuti all’intermittenza mediante l’accumulo d’elettricità e così di arrivare a soddisfare completamente il settore degli usi elettrici con le rinnovabili, raggiungeremmo un contributo pari al 18% del fabbisogno energetico generale e, quindi, ancora un’incidenza minoritaria sul risanamento ambientale.
L’obiettivo del 90% di riduzione delle emissioni di CO2 è ben lontano.

Ma allora perché le fonti rinnovabili sono indicate come soluzione primaria? Cerchiamo di capirlo.

Cambio di paradigma
Da quanto abbiamo visto si deduce che l’introduzione di un sistema di accumulo elettrico abbinato agli impianti farebbe superare l’ostacolo dell’intermittenza e il contributo combinato delle due fonti potrebbe tendere a coprire il totale degli usi elettrici, cioè guardare all’orizzonte d’incidenza del 18%. Sarebbe indubbiamente un grosso risultato e ci dobbiamo augurare che il sistema produttivo degl’impianti inizi a modificare la tecnologia verso questa direzione (per altro i primi segnali sono già presenti sul mercato). In ogni caso, però, il rimanente 82% dei consumi energetici continuerebbe ad essere soddisfatto dalle inquinanti fonti fossili.
Ne consegue che l’obiettivo di riduzione del 90% delle emissioni non sarà raggiungibile, se non si trova il modo per far espandere le rinnovabili anche negli altri settori degli usi energetici. In altri termini, occorre un cambiamento di paradigma nella produzione e consumo dell’energia. Si tratta di modificare le modalità  presenti degli usi energetici, oggi basate sui fossili, adattandole alle nuove condizioni imposte dalla crisi ambientale. Diviene urgente separare la produzione ed il consumo d’energia dalla contestuale emissione di CO2: cioè decarbonizzare in misura sostanziale, non solo il settore elettrico, ma anche l’intero settore energetico.

Questo processo richiede una strategia energetica accurata che si dispieghi lungo un arco temporale notevole e si articoli nello spazio delle opzioni tecnologiche oggi disponibili ed in quelle nuove in corso di sviluppo.
In tale contesto, le fonti rinnovabili, grazie al fatto che il loro potenziale energetico è sovrabbondante rispetto al fabbisogno presente e futuro dell’umanità e che le rispettive tecnologie di sfruttamento possono considerarsi ormai industrialmente mature, costituiscono uno strumento d’intervento disponibile nel breve. Però, affinché il loro contributo possa divenire più significativo, occorre completare, come già detto, il loro modello di sviluppo inserendo negl’impianti un sistema d’accumulo elettrico così da superare l’ostacolo dell’intermittenza. I nuovi impianti dovranno essere in grado di produrre grandi quantità d’elettricità e d’immagazzinarne una parte in modo da rendere continua nel tempo l’erogazione. Solo così il settore elettrico potrà espandersi verso quello dei trasporti e degli usi termici, che oggi assorbono la maggiore parte dei combustibili fossili più inquinanti.
In questo quadro, il passaggio alle vetture elettriche (alimentate da elettricità rinnovabile) è da ritenere come una prima azione necessaria, ma non sufficiente per conseguire l’obiettivo di riduzione delle emissioni. Infatti, come si è detto, è del pari indispensabile intervenire negli altri settori energivori, come il trasporto pesante e quello degli usi termici residenziali e industriali, dove l’elettricità rinnovabile difficilmente potrà penetrare tale e quale.

A questo punto l’argomento si suddivide in una serie di temi, il cui esame puntuale richiederebbe uno spazio molto maggiore di quello qui disponibile. Per rendersene conto basti elencarne alcuni: auto elettrica a batterie elettrochimiche, nucleare da fissione e da fusione, auto elettrica alimentata a idrogeno, decarbonizzazione degli idrocarburi fossili con la produzione d’idrogeno e sequestro della CO2, produzione d’idrogeno elettrolitico da fonti rinnovabili e suo immagazzinamento per lunghi periodi, sintesi d’idrocarburi (ad es. metanolo) da idrogeno rinnovabile, ecc. Si tratta di una vera e propria rivoluzione che investe il modello attuale di vita e che richiede ingenti sacrifici sul piano del contenimento degli effetti collaterali sull’ambiente (ad es. smaltimento dell’enorme quantità di batterie esaurite, riciclaggio dei panelli fotovoltaici, trattamento degli effluenti chimici tossici derivanti dai processi industriali, occupazione di territorio, ecc.).

A molti la realizzazione generalizzata di questi cambiamenti negli usi energetici sembra poco probabile, soprattutto se si volge lo sguardo alla caotica situazione geopolitica internazionale. Tuttavia, a mio parere, lo stato attuale della tecnica e la situazione urgente ormai conclamata della crisi ambientale non lasciano luogo a tentennamenti in attesa di differenti alternative. Occorre adattarsi rapidamente alle nuove condizioni cercando di contrastare l’ulteriore loro deterioramento, oppure provvederà la natura (e lo sta già facendo) con la sua crudele imparzialità: tertium non datur.

iMille.org – Direttore Raoul Minetti

4 Commenti

  1. Massimo Ippolito

    Caro Domenico,
    ottima analisi come sempre, non mi trattengo dal dirlo benchè vi sia la complicazione di continuare ad annoverare nel ragionamento le supposte nonchè costose NFER come se offrissero ancora delle speranze. L’affermazione che vi sono dei casi in cui hanno raggiunto la concorrenzialità non è verificabile.

    Eolico e fotovoltaico valgono come hai detto solo 1,2% dell’energia primaria, e purtroppo manca un passaggio cognitivo, per ottenere quella percentuale di energia, sono già stati investiti dei capitali e dei sussidi imponenti, e sembra che si continui a reclamarne sempre di più solo per spingere l’installazione di queste inefficaci tecnologie esistenti.

    Ma se le NFER fossero buone sarebbero già decollate autonomamente grazie alla poderosa spinta che tuttora ricevono che ammonta globalmente a diverse migliaia di miliardi. La storia materiale ci insegna che le innovazioni non richiedono investimenti senza limte per imporsi e camminare da sole, altrimenti non sono praticabili.

    Bill Gates, che i calcoli li sa fare lo ha capito e sottolinea la necessità di un miracolo energetico, ovvero di innovazione:
    http://www.techinsider.io/bill-gates-interview-energy-miracle-coming-2016-2
    Guarda caso l’articolo punta anche all’eolico troposferico, di cui porto l’onere, per alcuni la colpa di promuovere e sponsorizzare. Dovremmo averne le sacoccie piene di veder fluire centinaia di miliardi di euro all’anno per far danno all’uomo ed al pianeta mentre per l’innovazione sostenibile non ci sono gli spiccioli nemmeno per la formazione delle risorse umane.
    Il solo costo dell’assurdo referendum contro le trivelle potrebbe dare la spinta decisiva ad una manciata di innovazioni che lo renderebbero di fatto inutile.

    Sono veramente stupito che non venga contata l’energia incorporata nel denaro dedicato al deployment delle NFER.
    Eppure vi è un concetto con dignità scientifica che è l’intensità energetica. Ogni cittadino, stato, settore economico deve consumare una certa energia per produrre reddito.
    Gli europei consumano di fatto 3kWh per ogni euro guadagnato, se si fanno i calcoli questi trasferimenti di denaro in conto capitale e sussidi verso le rinnovabili ne annichiliscono l’energia prodotta nel ciclo di vita, lasciando un bilancio pesantemente negativo:
    1) più energia consumata per produrre, installare, mantenere e sussidiare le rinnovabili di quanta ne restituiscano.
    2) la CO2 emessa è superiore a quella risparmiata.
    Ovvero una gaffe economica e ambientale di dimensioni planetarie.

    Questo valido articolo apparso qui su imille spiega questa metodologia di valutazione in modo numerico e circostanziato:
    http://www.imille.org/2016/01/energie-rinnovabili-sussidi-una-valutazione-delle-politiche/

    penso sia anche necessario interagire nel merito con altre posizioni altrimenti visto dal lato del lettore sembra un dialogo tra sordi:
    http://www.imille.org/2016/02/innovazione-implementazione/
    http://www.imille.org/2016/02/record-di-investimenti-in-rinnovabili/

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