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Verso un nuovo paradigma energetico

Written by Álvaro Rodrigues Thursday, 09 September 2010 16:50 Print

L’utilizzo delle fonti rinnovabili si presenta oggi come via indispensabile per la soluzione del problema della sostenibilità energetica, ma concorre anche a soddisfare altre esigenze, come quella della sicurezza degli approvvigionamenti. La generazione decentralizzata di energia, la microgenerazione e, in futuro, anche le microreti, se adeguatamente integrate all’interno dei sistemi elettrici, ne migliorano l’affidabilità e permettono lo sfruttamento di risorse energetiche non convenzionali, ovvero, nella fattispecie, di quelle rinnovabili.

Offerta di energia e necessità energetiche

Le politiche energetiche sono state per molto tempo, e in parte sono ancora oggi, dettate dalle esigenze dell’offerta; sono cioè concepite senza tenere debito conto delle reali necessità dei consumatori. Per quanto riguarda le fonti e le tecnologie da preferire, soltanto negli ultimi decenni del XX secolo i concetti di sostenibilità e compatibilità ambientale sono diventati effettive preoccupazioni per gli ideatori delle politiche energetiche. Fino a quel momento, l’efficienza energetica e l’adeguamento delle fonti di energia in vista del soddisfacimento delle necessità effettive erano considerate, tranne poche eccezioni, oggetto di interesse per un’esigua minoranza, e raramente veniva loro riconosciuta una valenza politica.
La pianificazione dei sistemi energetici poneva l’esigenza di procurarsi quantità sempre maggiori di energia da mettere a disposizione dei consumatori, sottintendendo che tale disponibilità fosse base indispensabile per il progresso. Nel passato recente il progressivo aumento della richiesta di energia era assunto come un dato di fatto e non veniva messa in discussione l’inefficienza con cui le sempre crescenti quantità di energia venivano utilizzate; non si rifletteva sull’appropriatezza delle forme di energia utilizzate, né tantomeno sul fatto che alcuni obiettivi di sviluppo avrebbero potuto essere raggiunti ugualmente utilizzando un numero minore di risorse o, addirittura, evitando l’uso di qualsiasi tecnologia energetica attiva.
Le conseguenze di tali pratiche – in termini di uso intensivo delle risorse, di prezzo delle materie prime e di impatto ambientale derivante dal loro utilizzo – sono ora ben note.
È oggi opinione condivisa che il paradigma energetico debba cambiare e stia per farlo. Numerosi segnali indicano che tale cambiamento è già in corso a diversi livelli della catena energetica. E a imprimergli un carattere distintivo rispetto al passato è probabilmente la “democratizzazione delle questioni energetiche”, nel senso che al consumatore è oggi riservato un ruolo più attivo nell’intero processo. Le questioni energetiche vengono discusse, la consapevolezza dei problemi connessi all’utilizzo dell’energia è in aumento, e la volontà di esercitare un diritto di scelta in questo ambito è diventata una realtà.
Gli utenti sono sempre più consapevoli del fatto che ciò di cui hanno bisogno si compone di beni e servizi, e che più le loro necessità energetiche sono ridotte più ampia sarà la loro possibilità di scelta delle soluzioni per soddisfarle. La prossimità fra generazione e consumo di energia favorisce, ampliandolo, questo ventaglio di  scelte e schiude, inoltre, nuove prospettive per l’utilizzo delle fonti di energia, magari di intensità minore, ma indubbiamente preferibili in termini di sostenibilità. Le fonti rinnovabili sono da annoverare fra queste opzioni.

Fonti rinnovabili ed elettricità

Nelle economie moderne l’elettricità, in quanto forma finale di energia, è in grado di soddisfare soltanto il 20-25% delle necessità energetiche. Malgrado ciò, il fatto che si tratti della più “nobile” delle forme di energia, per via della sua grande versatilità ma anche della catena di conversione necessaria per ottenerla, giustifica la grande attenzione che essa suscita.
Alcune fonti energetiche rinnovabili, come quella fotovoltaica, quella idrica e quella eolica, possiedono una particolare attitudine per la produzione di elettricità. Di fronte alle attuali preoccupazioni in merito alla sostenibilità ambientale, l’incorporazione di queste tecnologie nei sistemi elettrici registra un notevole incremento, dopo quasi un secolo in cui le grandi centrali idriche hanno incarnato l’unica modalità di partecipazione delle fonti rinnovabili allo sforzo di approvvigionamento di elettricità.
Nell’Unione europea il settore della produzione elettrica ha subito negli ultimi anni una modificazione significativa in merito alle fonti primarie utilizzate. Nel corso del decennio 2000-09, le tecnologie di produzione da fonte rinnovabile e di approvvigionamento elettrico da riciclaggio di rifiuti hanno complessivamente superato, in termini di nuova potenza installata, quelle che fanno ricorso ai combustibili fossili e al nucleare, apportando il 64% dei circa 135 GW di saldo di capacità “installata/soppressa”. Nonostante il grande aumento delle centrali a gas naturale – 81 GW installati nel decennio –,  la cessazione dell’attività di centrali che utilizzavano altri combustibili fossili per 25 GW e di centrali nucleari per 7,2 GW ha permesso alle fonti rinnovabili di assurgere, negli ultimi dieci anni, al ruolo di grandi protagoniste della nuova capacità produttiva, con menzione di riguardo per l’energia eolica, che ha prodotto ben 65,1 GW. Il ruolo di queste fonti risulta assai significativo per quanto riguarda l’apporto energetico e nonostante il carattere intermittente delle risorse.
In risposta ai programmi di incremento delle fonti rinnovabili attivi in diversi paesi, il 2009 ha confermato la tendenza del decennio: le fonti rinnovabili hanno ampiamente superato le altre tecnologie di produzione dell’energia in termini di nuova capacità produttiva (62%).
L’energia eolica, con un susseguirsi di anni che hanno registrato una considerevole crescita, ha raggiunto nel 2008 lo status di tecnologia energetica con maggiore capacità produttiva annua installata nell’Unione europea; primato che si è ripetuto nel 2009. Dei circa 26,4 GW di nuova capacità generatrice installati l’anno scorso, 10,2 GW, ovvero il 39%, hanno fatto ricorso al vento come fonte primaria.
Al pari di quella eolica, anche l’energia fotovoltaica ha fatto riscontrare una enorme crescita nella capacità generativa installata, e anche in questo caso l’Europa è risultata leader del mercato. Nel 2009 sono stati installati nell’Unione europea 5.485 GW, portando così la capacità complessiva a 15.861 GW. L’installazione di pannelli fotovoltaici presso abitazioni private e condomini, secondo il principio della microgenerazione decentralizzata, è una realtà in crescita, ma l’interesse di promotori e investitori nei confronti delle centrali produttive di piccole dimensioni, legate alla rete di media tensione con l’obiettivo esclusivo di produrre e vendere elettricità, è stato incentivato dalle politiche tariffarie di alcuni paesi.
È dunque importante riflettere sulle potenzialità e sui mutamenti necessari al sistema elettrico per inglobare questi nuovi centri di produzione, come pure sugli elementi virtuosi portati dalle fonti rinnovabili e sugli eventuali rischi in merito alla sicurezza dell’approvvigionamento energetico e alla sostenibilità su cui, a parità di competitività, si giocano le politiche energetiche moderne.
Vale la pena di soffermarsi brevemente anche sull’ambito rappresentato dall’energia idrica. In quanto fonte rinnovabile, se si eccettuano le mini e microcentrali, essa non partecipa direttamente a questo cambiamento dell’impianto concettuale in favore di una generazione energetica decentrata e più vicina all’utilizzatore finale. Tuttavia, essa svolge un ruolo importantissimo nel creare le condizioni per una migliore incorporazione delle altre fonti, nella misura in cui costituisce il modo tecnologicamente più maturo ed economicamente più competitivo di immagazzinare eventuali eccessi di produzione derivanti dall’intermittenza delle risorse.[1] Ed essa è ancora, fra  le tecnologie per lo sfruttamento delle energie rinnovabili, quella più adatta a fornire alcuni servizi indispensabili alla qualità del sistema energetico generale e, fra tutte le tecnologie per la produzione di energia, è quella in grado di soddisfare più prontamente bruschi mutamenti nelle richieste del mercato.

Infrastrutture per l’approvvigionamento energetico e la generazione decentralizzata

Le attuali infrastrutture di approvvigionamento energetico sono state concepite in un’ottica di generazione centralizzata. Quello che è certo è che alle reti energetiche, tanto a quelle alimentate da combustibili primari quanto a quelle alimentate da elettricità, è richiesta un’affidabilità e una sicurezza che esigono grande ponderazione a monte di qualsiasi cambiamento. È tuttavia anche vero che, in un mondo in cui le altre infrastrutture sperimentano di continuo nuovi percorsi di evoluzione, rivoluzionando così alcuni aspetti della vita di coloro che le utilizzano – si tratti di istituzioni, imprese o semplici cittadini – il tradizionalismo sotteso al concetto di rete energetica vada inevitabilmente messo in discussione.
Per quanto riguarda l’elettricità, le reti sono state pianificate per il transito di flussi di energia provenienti dai grandi centri di produzione, in larga maggioranza generati a partire da combustibili fossili o nucleari. Una rete dalle maglie più strette e con una tensione inferiore porta ai consumatori finali l’energia sufficiente a soddisfare le loro necessità. Ma i consumatori sono soggetti passivi di questo processo, senza alcuna capacità di intervento e con poca influenza nella gestione di questa rete, che funziona a senso unico.
L’introduzione delle reti  di gas naturale è stato un contributo alla diversificazione delle fonti per alcune utilizzazioni, compresa la generazione di elettricità, ma la natura di questa fonte non permette il cambiamento del concetto di rete di approvvigionamento descritto sopra.
Fra le caratteristiche delle fonti rinnovabili di energia vale qui la pena di sottolineare la loro natura decentralizzata, con flussi energetici in taluni casi di bassa intensità, però in grado di essere captati e convertiti in una grande varietà di luoghi, tramite tecnologie diverse e scale distinte – dalla grande centrale idrica capace di soddisfare le esigenze di milioni di consumatori al piccolo pannello fotovoltaico che alimenta un telefono di emergenza.
La grande maggioranza delle fonti rinnovabili viene trasformata in energia grazie a installazioni di ampiezza contenuta se paragonate alle centrali tradizionali. Fanno eccezione alcuni parchi eolici di vaste dimensioni e le grandi centrali idroelettriche di cui si è già detto e la cui capacità generativa equivale (e in taluni casi supera) quella delle centrali a combustibili fossili. Molte di queste installazioni sono legate a medi o bassi livelli di tensione, secondo un concetto che viene correntemente definito generazione distribuita o decentralizzata. È importante perciò discutere quale sia la recettività dei sistemi energetici nei confronti dell’incorporazione di questi centri di produzione elettrica e quale genere di sforzo venga a essi richiesto per accedervi.
L’energia eolica, proprio per il trend di crescita che ha sperimentato nell’ultimo decennio, rappresenta un buon caso su cui riflettere. Quando – poco più di dieci anni fa – i gestori e i tecnici responsabili delle reti elettriche di alcuni paesi presero coscienza del fatto che l’energia eolica stava passando dall’essere una mera curiosità tecnologica al ruolo di tecnologia matura, con l’ambizione di contribuire in maniera significativa al soddisfacimento del fabbisogno di elettricità, da tutte le parti si sono visti scattare segnali di allarme: stavano, alla luce della già menzionata mancanza di affidabilità, delle limitate attitudini tecniche delle tecnologie, e dell’evidente intermittenza della disponibilità della risorsa stessa, per essere poste a rischio la qualità del servizio e la sicurezza dell’approvvigionamento.
La realtà dell’incorporazione dei parchi eolici nel sistema elettrico è ben diversa nei paesi che hanno sviluppato questa opzione come una seria opportunità finalizzata al raggiungimento degli obiettivi di approvvigionamento energetico e di riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. La connessione con i parchi eolici ha costretto a ripensare i criteri di pianificazione della rete di fornitura energetica e a rinforzarla nelle zone dove era più carente, creando alternative di passaggio e approvvigionamento di energia che, nel loro insieme, hanno portato ad una maggiore affidabilità della rete stessa.[2] Al tempo stesso è stata promossa quella conoscenza tecnica e scientifica che oggi permette un migliore controllo dei rischi potenziali e una maggiore efficienza delle operazioni di sistema. I timori hanno progressivamente lasciato spazio alla fiducia e a una significativa convergenza degli sforzi di concessionari di rete e promotori. Sforzi e investimenti sono stati in gran parte supportati da chi ha investito nell’energia eolica – aspetto questo non sempre riconosciuto in maniera adeguata.
L’integrazione delle fonti rinnovabili nei sistemi energetici spinge, da un lato, alla decentralizzazione di questi ultimi e contribuisce, dall’altro, alla loro maggiore robustezza complessiva, diversificando la possibilità di soddisfare i consumi e riducendo i rischi di grosse falle. Nel momento in cui vengono utilizzate le tecnologie più adeguate aumenta di conseguenza la sicurezza dell’approvvigionamento.
La generazione decentralizzata presenta poi ulteriori vantaggi. È più prossima all’utilizzatore finale, quindi riduce le perdite e i costi da trasporto e distribuzione. Tale risultato può riflettersi positivamente sull’efficienza dei sistemi elettrici e sui costi per il consumatore, contribuendo così a mitigare alcuni sovraccosti nei quali possono incorrere le tecnologie per la produzione da fonti rinnovabili. Incorporando tali tecnologie, inoltre, i sistemi diventano subito meno inquinanti.
La generazione elettrica su piccola e media scala è dunque tendenzialmente più affidabile, efficiente, economica ed ecocompatibile della generazione esclusivamente centralizzata.

Microgenerazione e microreti

Il concetto di microgenerazione è la punta di diamante della generazione decentralizzata. Esso concerne il consumo e la generazione dell’energia elettrica ma, in realtà, può inglobare un insieme di tecnologie e di pratiche destinate al soddisfacimento di necessità che implicano l’utilizzazione locale delle fonti energetiche e la mutua conversione fra differenti forme di energia.
L’idea della microgenerazione e la realizzazione delle microreti derivano dai limiti mostrati dalle reti convenzionali nella gestione di alcune tecnologie per la generazione elettrica e dalla condivisione dell’idea che i consumatori possano essere agenti attivi nell’utilizzo e nella gestione delle reti stesse. Le domande di base sono semplici: se la rete riesce a trasportare energia elettrica in un certo luogo, perché non dovrebbe riuscire a trasportare da quello stesso luogo a un altro una quantità di energia elettrica che vi venga prodotta? E se in un’area dove si verificano determinati  consumi di elettricità una parte di essa può essere generata in loco, minimizzando così i trasferimenti in rete e quindi i problemi di distribuzione e le perdite, perché non farlo?
L’attuazione concreta di questi concetti esige tuttavia molto più che la disponibilità di una fonte e di una tecnologia di conversione. Una microrete deve essere una infrastruttura intelligente, con elevato grado di supervisione, automatizzazione e controllo. Oltre a diminuire il numero dei passaggi di energia, la microrete dovrà essere uno strumento di gestione del sistema elettrico e di aumento dell’efficienza energetica, controllando i consumi e contribuendo all’ottimizzazione dei diagrammi di carico, da adeguare alle disponibilità di energia. Una microrete è un sottosistema complesso che può integrare, al di là dei luoghi di consumo e dei generatori, dispositivi di accumulazione, di computo, di informazione e di comunicazione. In una prospettiva ancora più futuristica, a seconda di come si porrà il funzionamento dei mercati di energia, si può immaginare una microrete che proceda alla selezione della fonte e/o del fornitore in funzione del prezzo offerto per l’energia disponibile.
La microgenerazione non è riservata alle tecnologie di produzione energetica da fonti rinnovabili: per la loro disponibilità e il loro carattere decentrato queste fonti si adattano particolarmente all’integrazione della figura del consumatore con quella del produttore. Lo sviluppo e la maturità di alcune tecnologie di conversione permettono il loro utilizzo immediato – circostanza questa peraltro già verificatasi, sebbene ancora su scala ridotta. L’energia eolica e quella solare fotovoltaica ne sono forse gli esempi più evidenti. L’operatività di piccoli aerogeneratori isolati e di pannelli fotovoltaici installati sui tetti degli edifici, con conseguente riversamento sulla rete di bassa tensione dell’elettricità generata, è prevista dalla legislazione di vari paesi, con tariffe differenziate che mirano a promuoverne la diffusione. Su scala minore, esistono anche microturbine idrauliche in grado di ottenere un approvvigionamento energetico da piccoli corsi d’acqua.
La prospettiva della microgenerazione e delle microreti non è quella di sostituire la produzione e le reti convenzionali, bensì di coesistere con esse. Il soddisfacimento dei grandi consumi concentrati o di quelli localizzati entro aree dove non esistono risorse adeguate per la generazione elettrica, come pure l’approvvigionamento delle risorse energetiche rinnovabili su scala maggiore, esigeranno sempre la costruzione di centrali e di reti di notevole capacità.

Il futuro delle fonti rinnovabili

Le fonti rinnovabili saranno in grado di provvedere alle necessità energetiche dell’umanità del futuro? Si tratta di una domanda cui è difficile rispondere, sia per il numero delle variabili in gioco sia per i costanti cambiamenti di prospettiva che proprio riguardo a quel futuro vediamo alternarsi. E per di più “il futuro”, come orizzonte temporale indefinito, non facilita certo l’individuazione di una risposta. Una cosa è certa, però: le fonti rinnovabili possono anche non essere sufficienti a soddisfare il fabbisogno energetico di domani, ma senza ambizione e volontà sufficienti, i cambiamenti indispensabili perché questo possa accadere non si verificheranno mai!
In ogni caso, su una arco temporale più alla nostra portata, non avrebbe senso parlare di una determinata fonte rinnovabile come alternativa ai combustibili fossili. È alle fonti rinnovabili, portatrici delle loro potenzialità, disponibilità, complementarietà e persino delle proprie carenze che bisogna guardare come ad un grande contributo per la ricerca di un nuovo paradigma energetico: esigenza questa dettata dall’insostenibilità del modello attuale, stabilito ormai praticamente un secolo fa.
Le peculiarità delle fonti rinnovabili sono state riconosciute in alcuni vertici in materia di politica energetica, con particolare attenzione al loro contributo alla sostenibilità ambientale, ma sono state anche messe in discussione in altri appuntamenti, dove è emerso soprattutto il problema della regolarità nell’approvvigionamento. I recenti casi di incorporazione di queste fonti mostra come sia possibile mitigare eventuali impatti indesiderati della loro integrazione[3] e al tempo stesso trarre vantaggio dalle loro caratteristiche.
Nonostante l’indiscutibile maturità di alcune tecnologie di conversione dell’energia da fonti rinnovabili, va sottolineata la necessità del continuo perfezionamento e approfondimento delle conoscenze in materia. L’adeguamento di tali tecnologie alle esigenze di consumo e all’integrazione nei sistemi energetici – nella loro configurazione attuale e nei profili verso cui evolveranno – richiede una continua ricerca per trovare soluzioni più efficienti e competitive, per un contributo concreto alla soluzione del problema energetico che stiamo affrontando.



[1] L’installazione di gruppi reversibili turbina/pompa oppure di gruppi di pompaggio, nel caso di centrali già esistenti, è una strategia seguita in molti sistemi energetici eolici di portata significativa. È anche possibile utilizzare eventuali eccessi di produzione elettrica nelle ore di minore consumo, pompando acqua che, nelle fasi di maggiore richiesta, viene reimmessa nelle turbine.

[2] Il Portogallo è uno dei paesi dove la produzione elettrica da fonte eolica ha fatto registrare uno fra i maggiori tassi di crescita. La capacità installata si avvicina ai 4 GW e gli indici di potenza per abitante e per km quadrato sono fra i maggiori d’Europa. Eppure non è fin qui mai stato rilevato alcun episodio significativo in cui sia stata posta a rischio la sicurezza degli approvvigionamenti e che possa venire imputato all’utilizzo dell’energia eolica.

[3] La pianificazione territoriale, che cerca di localizzare i centri di produzione in aree dalle risorse diversificate, con diversi modelli di riferimento sulla prospettiva quotidiana e stagionale, permette di sfruttare in maniera complementare le fonti e di risolvere parzialmente il problema dell’intermittenza delle fonti. La previsione della produzione elettrica su un orizzonte che va oltre le 72 ore rappresenta uno strumento fondamentale per la gestione dei sistemi e dell’offerta di produzione su base rinnovabile nei mercati dell’energia.

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