Baraonda energetica, II: il solare

Il Sole! La nostra stella! La nostra grande stella, che poi, a ben guardare, tanto grande non è… ma forse è meglio, perché dopo 5 miliardi di anni di vita ne ha circa altrettanti davanti, mentre altre stelle nascono e muoiono nel giro di qualche milione di anni, di fatto impedendo la nascita della vita. E comuque non è neppure così piccola, dato che nella cinquantina di sistemi stellari entro i 17 anni luce di distanza da noi, il Sole è la quinta stella più luminosa dopo Sirio, Altair, Procione ed Alpha Centauri.

Il Sole splende nel nostro cielo in maniera prepotente ed incurante di ciò che succede nel nostro pianeta, emettendo in un solo secondo la quantità di energia che tutte le centrali elettriche della Terra produrrebbero in oltre due milioni di anni. Ovviamente, però, solo una minima parte di questa potenza arriva sulla Terra: si tratta di ben 174 400 TW (terawatt, cioè mille miliardi di watt), quando tutto il mondo ha bisogno di una potenza media di appena 16 TW circa. Cioè, neanche di una parte su diecimila… In realtà, di tutta quella potenza solo la metà circa arriva effettivamente al suolo, mentre il resto viene riflesso nello spazio o assorbito dall’atmosfera, ma è sempre un quantitativo enorme.

Ma, come è naturale, è difficile avere una dovuta comprensione di questi dati. Meglio rispondere subito: quanta di questa energia possiamo sfruttare? È presto detto: il progetto PVGIS della Comunità Europea ci viene incontro e ci dice che a Roma, come media in un intero anno, su ogni metro quadro di suolo arrivano 4.041 kWh di energia dal Sole ogni giorno. Cioè, neanche 170 W di potenza, su un metro quadrato di superficie. Rispetto ai numeri stratosferici snocciolati poco fa, questi sembrano davvero poca roba. Intendiamoci, non sono poi malaccio: è come se ci fosse una lampada alogena sempre accesa in ogni metro quadrato dei dintorni di Roma! È un sacco di energia che ci viene fornita gratis, e dobbiamo solo trovare un modo di recuperarla. Il grande quesito ora è: come?

Pannelli fotovoltaici (da Wikipedia)

Pannelli fotovoltaici (da Wikipedia)

Un modo per produrre direttamente elettricità è quello di utilizzare i pannelli fotovoltaici. Si tratta di un sistema che trovo molto elegante per produrre elettricità, perché estremamente diretto e modulare (cioè, è possibile costruire impianti di qualsivoglia dimensione). Molte persone indicano questo metodo come il futuro della produzione di energia elettrica, tralasciando alcuni particolari: in primis, il fotovoltaico è estremamente costoso, nell’ordine del migliaio di euro per ogni metro quadrato di pannelli installati; in secondo luogo, l’efficienza dei pannelli commercialmente venduti è relativamente bassa, tra l’8% ed il 16%, e ciò vuol dire che solo una piccola parte di quei 170 W per metro quadrato vengono effettivamente convertiti in potenza elettrica (i pannelli delle applicazioni aerospaziali raggiungono efficienze dell’ordine del 40%, ma grazie a materiali estremamente costosi ed inquinanti). Per fare i conti, una centrale fotovoltaica che produca una media di 1 GW (gigawatt, un miliardo di watt) nell’arco di un anno, supponendo un’efficienza dei pannelli del 15%, nei dintorni di Roma dovrebbe occupare ben 40 ettari, e costare la cifra esorbitante di 40 miliardi di euro… Cioè, più della manovra economica di Padoa Schioppa nel 2007!

Senza ancora aver menzionato il fatto che è necessario un inverter per convertire la corrente continua proveniente dai pannelli nella comune corrente alternata della rete elettrica, con un’ulteriore perdita del 10% circa, e che i pannelli fotovoltaici perdono circa l’1% di resa ogni anno, credo che sia chiaro che il fotovoltaico non può essere, attualmente, un metodo economicamente valido per la produzione di massa di energia elettrica, e non lo sarà nemmeno nei prossimi decenni. Non finché i costi saranno così elevati e le efficienze così basse. I pannelli fotovoltaici hanno il loro perché nelle piccole apparecchiature volte a soddisfare le esigenze elettriche di piccoli utilizzatori distaccati dalla rete elettrica, non di più.

2)Serbatoio di accumulo; 4)Pannello di assorbimento (da Wikipedia)

2)Serbatoio di accumulo; 4)Pannello di assorbimento (da Wikipedia)

Molti dei pannelli solari che vediamo già oggi installati sui tetti delle case, invece, sono dei collettori solari termici, il cui scopo è quello di riscaldare l’acqua contenente in un serbatoio per fornire acqua calda all’abitazione. Non si tratta, quindi, di elettricità, ma comunque di qualcosa che si utilizza comunemente ed in abbondanza. Il costo è comunque alto, intorno ai 600-800 euro al metro quadrato (in dipendenza anche dalle dimensioni del serbatoio), e con il problema della maggior efficacia proprio quando meno serve, cioè d’estate. Tuttavia, a seconda dei casi si può arrivare ad ammortizzare l’investimento (cioè, a risparmiare tanti soldi quanti sono stati necessari per comprare l’impianto) in 3-8 anni, quando l’impianto ha una vita di circa 20 anni, e può essere un modo importante per risparmiare, soprattutto il gas per il riscaldamento: si tenga conto che l’efficienza di questi impianti si aggira intorno al 70%, cioè del calore che ci arriva dal Sole sette parti su dieci vengono effettivamente trasferite al serbatoio d’acqua. Contando che riscaldamento ed acqua calda corrispondono a circa il 70-80% del fabbisogno energetico di un’abitazione italiana (il resto è elettricità), il risparmio può farsi interessante. Ma è chiaro che non è un metodo per produrre energia elettrica e non può essere sfuttato in grandi centrali, se non per qualche progetto di teleriscaldamento.

Solare termodinamico (a concentrazione)

Solare termodinamico (a concentrazione)

Un altro metodo per la produzione di energia elettrica dal sole è quello del solare termodinamico. Questo sistema riprende l’antichissimo concetto degli specchi parabolici per concentrare i raggi solari su un tubo contenente una miscela di oli o sali, in grado di raggiungere la temperatura di circa 400-550 °C. Tale miscela viene poi coinvogliata nelle turbine per la produzione di corrente, e quindi reimmessa nell’impianto. In totale, l’efficienza della centrale si attesta intorno al 15%, simile a quella dei sistemi fotovoltaici, ma a costi più contenuti (meno della metà). Si tratta, però, sempre di costi molto elevati.

Un vantaggio di queste centrali, rispetto al fotovoltaico, è che la produzione è molto più stabile perché i sali vengono tenuti in tubi coibentati e può lavorare anche durante la notte; tra gli svantaggi, oltre ai costi già citati, c’è la grande occupazione del territorio e la parziale perdita della modularità dell’impianto. Al mondo, esistono pochi esempi di queste centrali, tutte di recente costruzione. L’americana Nevada Solar One produce una media di 15.3 MW di potenza elettrica, su una superficie di 160 ettari. Per coprire il fabbisogno di elettricità italiana ci vorrebbero più di 2500 centrali di questo tipo, con una superficie complessiva di 4000 chilometri quadrati (quasi quanto il Molise) ed un costo ancora astronomico (basti pensare che gli Statunitensi hanno speso 266 milioni di dollari per il Nevada Solar One).

La più recente centrale spagnola di Andasol-1, indicata spesso come esempio per un futuro sfruttamento dell’energia solare, ha una potenza media di circa 18 MW, occupa circa 2 chilometri quadrati di superficie ed è costata 310 milioni di euro. Non sono affatto valori più concorrenziali della sopra citata centrale americana. Il nostro premio Nobel Carlo Rubbia negli ultimi anni ha spinto molto nella direzione del solare termodinamico, collaborando durante la sua presidenza dell’ENEA con il Progetto Archimede dell’ENEL, che mira a costruire un impianto termodinamico da 40 MW installati a Priolo Gargallo (Siracusa). Rubbia ha anche immaginato scenari per cui ricoprendo la Sicilia con tali impianti si può soddisfare il fabbisogno elettrico italiano, ma dal momento che i costi sono del tutto improponibili la sua affermazione non si riduce ad altro che una sparata pubblicitaria cui far abboccare i meno informati tra politici ed attivisti.

Allora, dopo tutto questo discorso sull’energia solare, cosa possiamo concludere? È presto detto:

  1. La produzione di massa di elettricità tramite pannelli fotovoltaici occuperebbe grandissime superfici, dell’ordine di chilometri quadrati, e con costi proibitivi, circa 40 volte quelli di una centrale a carbone.
  2. Il solare termico è comodo e può risultare conveniente anche a medio termine, ma può produrre solo acqua calda ed in grandi impianti può funzionare solo come teleriscaldamento.
  3. Il solare termodinamico, invece, ha ancora problemi di estensione occupata, sempre nell’ordine dei chilometri quadrati, ed ancora costi di costruzione elevatissimi, circa 17 volte quelli di una centrale a carbone.

Delusi? Sì, francamente lo sono anche io. Personalmente credo che ci sia ancora tanto, tantissimo lavoro da fare, tanta ricerca da effettuare. Il problema, però, è il tempo: già da oggi abbiamo il barile di petrolio a sfiorare i 150 $ ed il gas naturale sempre più caro. È evidente che al momento non possiamo permetterci di sfruttare il solare per generare elettricità in percentuali che siano minimamente significative, ma ci si chiede allora quando questo sarà possibile. E nel frattempo che facciamo? Beh, ci sono ancora tanti modi per produrre energia…

Published in: on giovedì, 24 luglio 2008 at 17.38  Comments (12)  
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Baraonda energetica, I

Era da tempo che volevo parlare di fonti di energia e di approvigionamento energetico, in ottica principalmente futura. L’argomento è quanto mai non solo “di moda”, perché la questione è di un’importanza che va oltre la moda, ma proprio di interesse nazionale. Il prezzo del petrolio ha raggiunto livelli che solo due anni fa avremmo definito da capogiro, i carburanti sono sempre più salati, e di conseguenza i trasporti incidono sempre di più sui prezzi finali, col risultato di avere un’inflazione al 3.8% senza avere una crescita economia che lo giustifichi (e dunque anzi ne risente terribilmente). Senza contare, poi, i costi dell’elettricità e del gas per il riscaldamento e per la cucina.

Questo sarà il primo di una serie di articoli che voglio scrivere sull’argomento, perché sento che in giro c’è parecchia disinformazione, che riguarda soprattutto la comprensione delle cifre in gioco, che invece giocano un ruolo fondamentale nella progettazione di un piano nazionale energetico decente nei prossimi decenni. Il premier Silvio Berlusconi negli ultimi mesi ha rilanciato l’opzione nucleare per la produzione di energia in Italia; ma sempre più spesso si parla di “energie rinnovabili” (vedremo poi cosa vuol dire), come il solare e l’eolico, e dell’utilizzo di idrogeno al posto di benzina e gasolio; ed ancora di biocarburanti, termovalorizzatori, risparmio energetico e tutta una serie di concetti conciati alla bell’e meglio dai media italiani, per cui uscirne con le idee confuse può essere comprensibile.

Cominciamo innanzitutto col distinguere il concetto di energia, che viene intuitivamente compreso praticamente da tutti come “quantità di sforzo” usato da una persona od un apparecchio, da quello di potenza, che talvolta viene spesso confusa con l’energia e che invece è la quantità di energia che viene fornita o consumata nell’unità di tempo. Affermare quindi che un apparecchio è più potente di un altro, o che assorbe più potenza, significa rispettivamente che può fornire uno sforzo energetico maggiore, o può consumare una quantità di energia maggiore, in un secondo (o in un’ora, un mese, un anno…) rispetto all’altro.

Secondo il Sistema internazionale, l’unità di misura della potenza è il watt, con simbolo W, così chiamata in onore del fisico scozzese James Watt. È comune trovare quest’unità di misura in relazione alle lampadine ed alla loro capacità di illuminare; ma anche relativamente agli elettrodomestici in generale, come un forno a microonde, un asciugacapelli, un aspirapolvere, e pure un frigorifero, un televisore, una radiosveglia. Gli allacci elettrici più comuni forniscono ad ogni abitazione una potenza massima di 3 kW (cioè tremilla watt). Questo significa che la somma della potenza consumata dagli apparecchi e dalle lampadine di una casa non può superare i 3 kW, pena il distacco automatico della fornitura elettrica (e la noiosa pratica di dover riattivare il contatore… al buio, pure).

Invece, in ambito automobilistico (ed in generale motoristico), si rimane fedeli all’utilizzo del cavallo vapore (con simbolo HP, o spesso in Italia CV), corrispondente a circa 745.7 W, per indicare la potenza meccanica fornita da un motore. Questo significa che anche un’utilitaria, come può essere ad esempio la recente Fiat 500 1.2 che ha un motore da 69 HP e quindi 51 kW, è in grado di fornire una potenza ben 17 volte superiore a quella che il gestore elettrico fornisce comunemente alle abitazioni. C’è da ricordare, ovviamente, che in un caso si tratta di potenza elettrica e nell’altro meccanica, e trasformare quest’ultima nella prima è un’operazione con un’efficienza al più del 65% in impianti industriali (cioè, il 65% diventa elettricità ed il restante 35% se ne va in calore); mentre l’operazione inversa ha un’efficienza di oltre il 95%, e dunque anche da questo si capisce come l’elettricità sia una forma di energia grandemente più pregiata rispetto a quella meccanica e, soprattutto, quella termica, oltre che per gli ovvi motivi di praticità e trasportabilità.

L’unità di misura dell’energia è il joule, pronunciato comunemente “giàul” (anche se sarebbe più corretto dire “giùl”, /ˈdʒuːl/, dal fisico inglese James Prescott Joule) ed indicato con il simbolo J. Tuttavia, negli impieghi più comuni non viene usato quasi mai il joule, quanto piuttosto, in ambito soprattutto alimentare, la chilocaloria (o “grande caloria”, o più comunemente ed erroneamente solo “caloria”), con simbolo kcal, corrispondente a 4186.8 joule; ed in ambito più propriamente elettrico il kilowattora, con simbolo kWh, corrispondente a 3.6 milioni di joule. Per i condizionatori d’aria si usa anche il Btu/h, dove un Btu è una british thermal unit, unità britannica di calore, definita in maniera simile alla caloria ma con le unità di misura tipiche anglosassoni. Un Btu equivale a circa 1055 joule. Questo dato però non si riferisce al consumo dell’apparecchio (che può essere anche inferiore, nei modelli più efficienti), ma alla sua capacità di raffreddare o riscaldare l’aria, cioè di immettere o portare via energia termica dall’aria.

Il kilowattora è l’energia consumata da un apparecchio della potenza di 1 kW in un’ora esatta. O da un phon da 1500 W in 40 minuti, o da un condizionatore da 2 kW in mezz’ora, o da un forno a microonde da 750 W in un’ora e venti minuti alla massima potenza. Un kWh, in Italia, costa ad un utente privato circa 19 centesimi di euro.

Per ora, concentriamoci sul fabbisogno di elettricità delle case e delle industrie italiane. Secondo l’ultimo recente rapporto Terna, nel 2007 l’Italia ha consumato 339.9 TWh (terawattora, cioè miliardi di kWh) di energia elettrica, in aumento dello 0.7% rispetto al 2006. Questo quantitativo, che è talmente grande da essere difficile da immaginare, è comunque circa un settimo dell’energia totale consumata in Italia, e circa i due terzi del fabbisogno di carburante per l’autotrazione, cioè per le auto, i camion, i treni diesel, gli aerei.

Di questi 339.9 TWh di energia elettrica consumati dall’Italia, che corrispondono ad una potenza consumata media di 38.7 GW, solo 293.6 provengono dal nostro territorio, ed i restanti 46.3 (il 13.6% del totale) sono acquistati dall’estero. Si noti, inoltre, che ben 21 TWh di energia vengono dispersi dalla rete elettrica. E non si tratta del solito “spreco all’italiana” (o almeno, solo in parte), ma di un fenomeno irrisolvibile e “fisiologico” del trasporto di energia elettrica, noto come effetto Joule (ancora lui!). Ma non è finita.

La nostra produzione di elettricità si basa per ben l’84.3% sul termoelettrico, cioè sulle centrali che sfruttano la combustione di gas, petrolio, carbone e biomasse: sono tutte fonti “deprecabili”, nel senso che sfruttano la combustione e che quindi comportano direttamente inquinamento dell’aria ed aumento dei cosiddetti “gas serra” nella nostra atmosfera. Per di più, dal momento che tale produzione è basata per il 66.1% dal gas naturale, per il 15.7% dal carbone e per l’8.2% da petrolio e derivati (per fortuna in netto calo), e che di tali materie prima l’Italia ne è assai povera, questo si traduce sostanzialmente in un’enorme importazione di tali fonti, e quindi di una colossale dipendenza dall’estero per il nostro fabbisogno di energia elettrica. Non sorprende che in Italia l’energia costi così cara.

E le fonti “rinnovabili”? Con “rinnovabile” s’intende una fonte energetica che è possibile sfruttare indefinitamente nel tempo, come nel caso del sole, del vento, dei fiumi, dei moti ondosi, del calore del sottosuolo. L’energia idroelettrica copre quasi tutto il resto del nostro fabbisogno elettrico nazionale, con il 12.6% (in forte calo rispetto al 2006 a causa della siccità, ma si spera che questo 2008 ben più piovoso riaggiusti le cose); l’energia geotermica ha contribuito nel 2007 per l’1.75%, quella eolica per l’1.3% (con una produzione in aumento del 36.1% rispetto al 2006). E l’energia solare? Parliamo di numeri talmente bassi da sembrare ridicoli: appena lo 0.013% della produzione nazionale, solo 39 GHw in tutto il 2007. Eppure, è un dato oltre 16 volte più alto rispetto al 2006. E per chi se lo chiedesse: no, non siamo un Paese con un occhio particolarmente negligente verso questa fonte di energia. Al limite, sono Germania e Giappone ad essere Paesi particolarmente fiduciosi.

Alla luce di questi dati, vorrei discutere su quali possono essere le migliori opzioni per la produzione energetica nazionale, ed anche europea, se non addirittura globale, per i prossimi decenni, ed inquadrare tutto il fenomeno all’interno del contesto economico, ambientale e politico. Nel prossimo articolo, parlerò proprio della risorsa che Italia pare essere la meno sfruttata, e sui cui in tanti ripongono immensa fiducia: il solare.