Sole, mare, vento, acqua: dalla natura un giacimento di energia pulita

Focus - L'innovazione per migliorare il nostro presente e il nostro futuro - ENEA per la scuola secondaria di secondo grado

DOI 10.12910/EAI2021-067

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di Laura Moretti - Unità Relazioni e Comunicazione, ENEA

L’utilizzo di fonti fossili come petrolio, gas e carbone è tra le principali cause del surriscaldamento dell’atmosfera che minaccia gli equilibri climatici del nostro pianeta. E’ quindi molto importante sostituirle con le fonti rinnovabili, ovvero l’energia prodotta da elementi come acqua, terra, mare, vento e sole che la natura ci mette a disposizione e che non si esauriscono come le fonti fossili.

Chi di voi ascoltando la radio, la tv o navigando sui social, non ha sentito parlare dell’importanza di sostituire le fonti fossili con le fonti energetiche “rinnovabili” per contrastare il cambiamento climatico? Ma che cosa sono le cosiddette fonti ‘green’ e perché hanno un ruolo fondamentale per raggiungere gli obiettivi di salvaguardia del clima? Scopriamolo insieme!

Le fonti rinnovabili si basano sullo sfruttamento dell’energia solare, idrica, del vento, geotermica, delle biomasse (come i rifiuti organici), delle onde, delle correnti e delle maree e sono accomunate da un insieme di caratteristiche:

sono in grado di rigenerarsi almeno alla stessa velocità con la quale vengono consumate (si va dalla disponibilità continua dell’energia solare, ad alcuni anni nel caso delle biomasse);
sono liberamente disponibili in natura;
non si esauriscono a causa dell’utilizzo umano - mentre i combustibili fossili come petrolio, gas e carbone si esauriscono e i tempi per ricostituirle sono lunghissimi;
sono fonti per le quali esiste una tecnologia che consente il loro utilizzo a fini energetici;
a differenza dei combustibili fossili, il loro utilizzo produce un inquinamento ambientale del tutto trascurabile.

Oggi le fonti fossili soddisfano ancora circa l’80% della domanda di energia nel mondo, ma nell’ultimo decennio le rinnovabili si sono sviluppate molto rapidamente. In Italia, tra il 2005 e il 2018, la produzione di energia ‘green’ è raddoppiata e copre ormai circa il 17,8% del consumo finale lordo nazionale. Unica tra i principali Paesi europei ad aver raggiunto ed anche superato gli obiettivi UE al 2020 (tabella 1), l’Italia oggi è il terzo produttore di rinnovabili in Europa, con oltre un terzo dell’energia da rinnovabili: in primis l’idroelettrico, seguono solare fotovoltaico, bioenergie, eolico e geotermico (fonte GSE).

Tabella 1 - Obiettivi di copertura da fonti rinnovabili fissati al 2020 e ottenuti nel 2018 ^[1]

	Obiettivo al 2020 (Direttiva 2009/28/CE)	Risultati 2018
UE	20%	18%
Italia	17%	17,8%
Francia	23%	16,4%
Germania	18%	16,7%
Spagna	20%	17,5%

Energia dal sole

Esistono diverse tipologie di energia solare, ma tutte partono dallo stesso principio: sfruttare i raggi del sole per produrre calore ed energia. Nel corso della storia sono state sviluppate diverse tecniche di utilizzo dei raggi solari, per cuocere i cibi, fondere i metalli o per combattere guerre (pensiamo agli specchi di Archimede). Attualmente le tecnologie più diffuse sono il solare termico, che converte i raggi solari in calore per riscaldare l’acqua, gli ambienti e per applicazioni nell’industria, il solare fotovoltaico per produrre energia elettrica con celle fotovoltaiche installate su pannelli e il solare termodinamico, o anche solare termico a concentrazione, utilizzato per la produzione di energia elettrica.^[2]

L’energia solare non inquina, non produce scorie ed è inesauribile; tuttavia è discontinua, perchè dipende dal ciclo giorno/notte, dalla presenza di nuvole, dall’inclinazione dei raggi solari e non può essere ‘immagazzinata’. Per questo l’innovazione tecnologica è di fondamentale importanza. I ricercatori ENEA sono impegnati su questo fronte dagli anni ’80 e nei Centri di Portici (Napoli) e Casaccia (Roma) sono stati sviluppati impianti come il PCS (Prova Collettori Solari)^[3] , che si presenta sostanzialmente come una distesa di 30 metri di specchi lucidissimi, o un gigantesco disco solare parabolico, il ‘solar dish’; e poi vi sono nuovi materiali, componenti e brevetti per migliorare la resa delle celle fotovoltaiche e sistemi di accumulo per ‘immagazzinare’ l’energia e renderla disponibile quando serve. Una nuova tecnologia molto promettente è l’agrivoltaico che consente di produrre energia elettrica da pannelli fotovoltaici e, al tempo stesso, di coltivare i terreni sottostanti.

Energia dall’acqua

L’energia dall’acqua viene utilizzata dall’uomo da millenni: oggi la produzione di energia idroelettrica è una tecnologia matura, largamente utilizzata in circa 160 Paesi per produrre elettricità rinnovabile a basso costo e impatto ambientale, di facile gestione e in grado di servire anche zone isolate^[4]. Gli impianti idroelettrici sono classificati in base alla loro potenza in grande idroelettrico, piccolo idroelettrico, mini idroelettrico e micro idroelettrico e possono essere di diverse tipologie. In particolare, le centrali a serbatoio sfruttano le masse d’acqua accumulate in grandi bacini naturali ad alta quota e sbarrati da dighe che vengono aperte al momento opportuno; l’acqua ‘cade’ a livelli più bassi e confluisce in turbine collegate a un alternatore che produce energia. Per produrre elettricità si può sfruttare anche la potenza dei fiumi con sbarramenti per creare piccoli bacini d’acqua; dopo il filtraggio, l’acqua viene condotta alla vasca di carico e alle turbine per produrre energia elettrica.

L’Italia detiene una storica tradizione nel settore idroelettrico. Fino agli anni ’60, l’energia dall’acqua ha rappresentato circa l’82% della capacità installata, ma è stata progressivamente sostituita dalle centrali a combustibili fossili per soddisfare la crescente domanda di elettricità e far fronte alla diminuzione delle risorse idriche provocata dalla riduzione delle piogge.

Energia dal vento

Il vento è una fonte di energia inesauribile, non produce rifiuti, non inquina e sin dall’antichità l’uomo ne ha impiegato la forza per navigare, per muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare i cereali, per spremere olive o pompare l’acqua. Da diversi decenni l’energia eolica viene utilizzata per produrre elettricità con aero-generatori: il vento spinge le pale e il movimento di rotazione viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità. Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensione: possono, infatti, avere una, due o tre pale di varie lunghezze, con pale lunghe da 50 centimetri fino a oltre 80 metri. Più aerogeneratori collegati insieme formano le cosiddette wind-farm, “fattorie del vento”, o parchi eolici, che sono delle vere e proprie centrali elettriche, costruite sui crinali delle colline (tra i 600 e i 15000 m di altitudine), in valli ventose ma anche in mezzo al mare, off-shore, dove il vento è forte e costante.

Negli ultimi 15 anni si è osservato uno sviluppo molto veloce dei parchi eolici in Italia: dai 120 del 2004 con potenza pari a 1.131 MW^[5] ai quasi 5.642 impianti, con potenza pari a 10.265 MW del 2018^[6]).

La produzione da fonte eolica è pari al 15,5% della produzione elettrica totale da fonti rinnovabili; il 96,8% della potenza eolica complessiva nazionale si concentra nel Sud Italia e, in particolare, in Puglia, Sicilia e Campania.

L’energia dal mare e dalle maree

Le onde marine sono considerate fra le fonti energetiche più efficaci per la lotta ai cambiamenti climatici e l’Unione Europea prevede una crescita della potenza installata dai 100 MW nel 2025 a 1 GW (inserire nota 7: GW: unità di misura della potenza corrispondente a 1.000.000.000 di watt) usata per misurare la potenza prodotta su grande scala, utilizzando le diverse fonti di energia) al 2030 per arrivare a 40 GW al 2050. Ad oggi, tuttavia, nonostante il basso impatto ambientale, visivo e la bassa variabilità oraria e giornaliera sono poco sfruttate. In questo campo ENEA ha realizzato il PEWEC (Pendulum Wave Energy Converter), un sistema galleggiante in grado di produrre energia elettrica sfruttando l’oscillazione dello scafo per effetto delle onde (FOTO 4 Impianto ENEA PEWEC) e sta sviluppando modelli climatologici e di previsioni ad alta risoluzione del moto ondoso e della circolazione marina per valutare le aree costiere di maggior interesse dove realizzare ‘centrali elettriche’ marine.

Anche le maree oceaniche, con abbassamenti e innalzamenti dell'acqua di 8-10 metri, possono essere utilizzate per produrre energia, come avviene ad esempio in Francia e Norvegia. Tra i siti più promettenti nel Mediterraneo abbiamo gli stretti di Messina e di Gibilterra dove, sfruttando la velocità delle correnti, si potrebbero produrre fino a 125 Gigawattora l’anno, ovvero il fabbisogno annuo di una città come Messina. Con i suoi 8.000 chilometri di costa l’Italia possiede un importante potenziale di energia da moto ondoso, in particolare nella costa occidentale della Sardegna.

L’energia da biomasse

L’energia da biomasse può essere ottenuta da rifiuti organici, alghe marine, erba, foglie, ma anche dal letame degli animali da allevamento, dai rifiuti delle filiere agroindustriali o della lavorazione del legno e da altre biomasse lignocellulosiche di scarto. E’ tra le fonti rinnovabili più versatili e strategiche in una prospettiva di economia circolare, di valorizzazione dei prodotti di scarto e di reintegro nel ciclo produttivo per una transizione energetica sostenibile. Le attuali tecnologie prevedono la fermentazione in ambienti controllati di residui vegetali e animali, per poi bruciarli e ottenere biogas per produrre energia elettrica da immettere in rete.

Rispetto ad altre fonti rinnovabili, la bioenergia è continua e programmabile, e può essere utilizzata sotto forma di elettricità, calore per riscaldamento e raffrescamento. Oltre agli impieghi tradizionali per la produzione di energia termica ed elettrica, le biomasse possono essere utilizzate per produrre biocarburanti alternativi a benzina, gasolio o metano e come fonte di intermedi chimici green in sostituzione di quelli di origine fossile, ad esempio per la produzione delle plastiche.

Attualmente le biomasse soddisfano circa il 15% del fabbisogno mondiale di energia, con notevoli prospettive di sviluppo tecnologico e occupazionale. In Italia nel 2018 le bioenergie hanno fornito il maggior contributo (10,6 Mtep, ovvero milioni di tonnellate equivalenti petrolio) al consumo finale lordo di energia da fonti rinnovabili (21,61 Mtep) soprattutto con la biomassa solida, utilizzata nel settore domestico sotto forma di legna da ardere o pellet. ENEA svolge attività di ricerca, innovazione tecnologica e fornitura di servizi avanzati alle imprese per la conversione di biomasse in bioenergia e biocombustibili, intermedi chimici verdi, biomateriali, bioraffineria, produzione di biogas e biometano, sviluppo di nuove tecnologie per la valorizzazione energetica e di processi innovativi.

Geotermia

L’energia geotermica è l’energia immagazzinata in forma di calore sotto la crosta terrestre e può essere utilizzata per produrre energia elettrica, riscaldare ambienti e ottenere acqua calda sanitaria. Non inquina, non dipende dalle condizioni atmosferiche o dalle scorte ed è quindi stabile e affidabile. Tuttavia, per essere utilizzata deve essere portata in superficie; inoltre, è difficilmente trasportabile, quindi si presta ad usi prevalentemente locali. L’Italia ha una lunga tradizione in questo campo, sin dal tempo degli Etruschi, nella zona di Larderello (Pisa) dove è avvenuta la più antica utilizzazione al mondo di questa fonte: ad oggi nel nostro Paese vi sono 34 impianti geotermoelettrici tutti localizzati in Toscana. Secondo il Rapporto Statistico sulle Fonti energetiche rinnovabili del Gestore dei Servizi Energetici del 2018, il contributo della geotermia alla produzione totale rinnovabile è passato dal 10% del 2004 al valore massimo del 12% del 2007, per poi scendere al minimo del 5% del biennio 2013–2014, a causa della produzione progressivamente crescente da tutte le altre fonti rinnovabili. Nel mondo l’uso diretto del calore geotermico soddisfa solo lo 0,3% della domanda di calore globale, ma si prevede un aumento di oltre il 40% al 2024, grazie al contributo di Cina, Stati Uniti e UE.

Impianto pcs presso il centro della casaccia

imbarcazione per produrre energia dal mare

La transizione energetica ed ecologica

Il mondo della scienza e in particolare l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change - Comitato Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici), l’organismo delle Nazioni Unite per la valutazione dei cambiamenti climatici, sono concordi sul legame causa-effetto fra l’utilizzo di fonti fossili e l’incremento delle emissioni di gas come anidride carbonica, metano, protossido di azoto e idrocarburi alogenati che ‘catturano’ il calore irradiato dalla Terra e fanno salire la ‘febbre’ del pianeta. Il termine “transizione energetica” si colloca in questo contesto e definisce il percorso per abbandonare le fonti fossili e sviluppare sempre più le fonti di energia rinnovabili. La decarbonizzazione dell’economia e della società è fra i principali obiettivi dell’Unione Europea: il Green Deal e il piano Next Generation EU da 750 miliardi di euro offrono l’opportunità per investire nella trasformazione in chiave green, da “fossili” a “rinnovabili”, realizzando una ‘transizione energetica’ ed ecologica. Una sfida ambiziosa condivisa dall’Italia nel PNRR, il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza che ha stanziato 23,78 miliardi per rinnovabili, idrogeno, rete e mobilità sostenibile sui 68,6 miliardi di euro della missione “Rivoluzione Verde e Transizione Ecologica”.

ENEA Channel - ITALIA·RINNOVABILE

Riferimenti

^[1]https://ec.europa.eu/eurostat/databrowser/view/nrg_ind_ren/default/table?lang=en

^[2] Con questa tecnologia in Italia si stanno realizzando due centrali in provincia di Trapani, con la supervisione tecnico-scientifica dell’ENEA. A livello mondiale i Paesi in cui questa tecnologia si sta maggiormente sviluppando sono Spagna, Stati Uniti, Cina, Marocco e Sud Africa ma anche Emirati Arabi Uniti e India.

^[3] Questo impianto è finalizzato a sperimentare l'uso dei sali fusi come fluido termovettore nella tecnologia solare dei collettori parabolici lineari,

^[4] In pratica, le centrali idroelettriche convertono l'energia potenziale di una massa di acqua in quiete o l'energia cinetica di una corrente d’acqua, prima in energia meccanica di rotazione attraverso una turbina e poi in energia elettrica tramite un generatore elettrico.

^[5] MW: megawatt, unità di misura della potenza corrispondente a 1 milione di watt

^[6] https://www.gse.it/documenti_site/Documenti%20GSE/Rapporti%20statistici/GSE%20-%20Rapporto%20Statistico%20FER%202018.pdf

Per info: