2015 notiziario n. 3.pdf

spazio e accumulo
breve ricerca per rispondere alla domanda:
è possibile soddisfare tutto il fabbisogno
di energia elettrica dell'Italia
solo con fonti di energia rinnovabili ?
Jon Garcia Aguirre
stagista progetto Fomento San Sebastian
con l'aiuto di
Giulia Baldoni
stagista laureanda in economia
Torino, luglio 2014
Telios
FONDAZIONE ONLUS
Per la promozione e diffusione delle energie rinnovabili, del risparmio energetico, della mobilità sostenibile
Via della Rocca 29/a - 10123 Torino – Italia • Tel./Fax + 39 011 837 182
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C.F. 09689320019
E’ possibile soddisfare tutto il fabbisogno di energia elettrica
dell’Italia solo con fonti di energia rinnovabili ?
I dati ricercati riguardano tutta l’Italia, con approfondimento in particolare per due regioni,
Piemonte e Puglia.
Il fabbisogno ovvero il consumo totale annuo di elettricità in Italia nel 2012 è stato di 5,15
MWh per ciascun abitante 1.
L'elettricità prodotta da fonti rinnovabili è stata per il 12,6% da idroelettrico, per il 5,7% da
fotovoltaico, per il 4,1% da eolico, per l’1,5% da geotermico, per un totale di 23,9%; queste
fonti rinnovabili di energia non producono combustioni, per questo motivo tralasciamo altre
fonti sì rinnovabili ma produttive di combustioni, comunque poco incidenti sul totale.
Il restante 76,1% è stato prodotto da fonti non rinnovabili (gas, carbone, petrolio, ecc.) o
rinnovabili ma produttive di combustioni (biomasse, biogas, rifiuti, ecc) 1 .
Per rispondere alla domanda, abbiamo preso in considerazione:
a) la necessità di spazio per realizzare impianti fotovoltaici (prendendo questa tipologia a
simbolo delle fonti rinnovabili, e per semplicità di calcolo), in grado di coprire con la loro
produzione tutto il fabbisogno italiano
b) la necessità di impianti di accumulo dell’energia così prodotta, in grado di fornire
energia quando necessario indipendentemente dall'intermittenza tipica di questa fonte.
Il capitolo accumulo è tecnicamente molto complesso da inquadrare, ma è indispensabile
farlo poiché il funzionamento della rete elettrica è basato sul principio dell'equilibrio in ogni
istante tra domanda (non programmabile ma solo prevedibile) e offerta (che deve essere
quindi disponibile a comando) di energia.
Potenza: 1 GW = 1000 MW = 1.000.000 kW
Produzione: 1 GWh = 1000 MWh = 1.000.000 kWh
Si ottiene facendo il rapporto tra la domanda energetica totale italiana e il numero totale
di abitanti (dati 2012):
1
307.219.100 MWh consumati / 59.674.377 abitanti = 5,15 MWh/abitante/anno
1
Spazio necessario per collocare impianti fotovoltaici in grado
di produrre il 100% dell’energia elettrica per l’Italia.
A tutto il 2012 sono stati installati impianti fotovoltaici (FV) per un totale di 16.420 MW di
potenza, che avevano prodotto 18.862.400 MWh di energia elettrica in tutt’Italia.
Si ottiene che per ogni MW di potenza installata sono stati prodotti in media 1.148,75 MWh
di energia 2 , che se dividiamo per 365 giorni, risulta 3,14 MWh al giorno.
Per produrre tutta l’energia elettrica necessaria a soddisfare l'intero fabbisogno italiano del
2012 (307.219.100 MWh) 3 sarebbero stati quindi necessari 267.438 MW di potenza
installata 4 .
Focalizziamo lo studio al caso Piemonte.
A tutto il 2012 sono stati installati 1.369,7 MW di potenza da impianti fotovoltaici, che
avevano prodotto 1.426.100 MWh, con una media di 1.041,17 MWh di energia elettrica
prodotta per 1 MW di potenza installata 5 .
Questa regione ha avuto un fabbisogno energetico di 24.723.000 MWh (nel 2012),cioè
15,50 KWh/ab/giorno 6 .
Se tutta la domanda fosse stata soddisfatta solo da impianti fotovoltaici, senza prendere in
considerazione gli altri impianti già installati di energie rinnovabili, si sarebbero dovuti
installare 23.745 MW 7 . Al contrario se si fossero considerati anche questi altri impianti di
2
18.862.400 MWh / 16.420 MW = 1148,75 MWh/ MW
Viene presa in considerazione l’energia utilizzata nei settori primario, secondario, terziario
e l’energia a uso domestico.
3
4
307.219.100 MWh / 1148,75 MWh = 267.437,7 MWh
5
1.426.100 MWh / 1369,7 MW = 1041,1 MWh/ MW
Si ottiene il rapporto tra la domanda elettrica totale annua e l numero di abitanti: (4.363.916)
nella regione. 24.723.000 MWh/4.363.916= 5,66 MWh/ab/anno; 5,66 MWh=5.660 kWh; 5.660
kWh/365=15,50kWh/ab/giorno
6
Questo risultato si riferisce al rapporto tra la domanda energetica totale e la potenza
installata per abitante: 24.723.000 MWh / 1041,17 MW = 23.745 MW
7
2
energia rinnovabile già esistenti (eolica, bioenergie e soprattutto idroelettrica) se ne
sarebbero dovuti installare solamente 15.115 MW 8 .
Quanto spazio occorre per installare 15.115 MW di pannelli fotovoltaici?
Considerato che i moduli fotovoltaici più diffusi sono quelli policristallini (occupano circa
7,5 mq/kWp/modulo) e amorfi (occupano circa 18 mq/kWp/modulo), prendiamo in
considerazione la media tra i due dati (12,75 mq/kWp/modulo) e su questa calcoliamo lo
spazio necessario per collocarli, ricordando che nel caso di installazioni su tetti la
superficie necessaria è solo quella occupata dal modulo (12,75 mq/kWp) mentre per le
installazioni a terra è necessario uno spazio circa doppio (25,5 mq/kWp) a causa della
superficie necessariamente libera tra fila e fila di moduli.
Sappiamo inoltre che gli attuali impianti FV esistenti sono collocati per il 36% a terra, per il
58% sui tetti, per il 3% su serre e pensiline, e per un altro 3% in luoghi diversi (GSE 2012).
Poiché è preferibile installare impianti fotovoltaici sui tetti prima ancora che a terra, per
formulare un’ipotesi realistica abbiamo esaminato l’unico (a nostra conoscenza) studio 9
effettuato sulla adattabilità dei tetti per tale scopo.
Nel comune di Buccinasco (Mi), situato nell’hinterland milanese, di circa 27.000 abitanti, è
stato effettuato un accurato censimento dei tetti esistenti nel 2007, dal quale abbiamo
tratto i dati utili per le nostro ipotesi.
In base a queste ipotesi, in Piemonte si potrebbero ancora utilizzare circa 34.315.277 mq
di tetti, di cui 23.463.602 10 mq su edifici residenziali e 10.851.675 11 mq su edifici
industriali, terziari, e comunque diversi dagli abitativi.
Si considera l’energia totale prodotta al netto delle fonti rinnovabili (solare, l’eolico,
l’idroelettrico e le bioenergie) e la media di produzione per unità installata di FV: (4.723.000 –
1.426.100 – 20.700 – 6.615.400 – 923.500 ) MWh / 1041,75 MWh/MW = 15.115 MW
8
9
Studio Ambientale SAS-Milano in collaborazione con AEM Spa e CESI, 2012.
Si prende in considerazione il numero di edifici di uso abitativo del Piemonte (877.144
edifici). Si prende in considerazione l’area media dei tetti, basato sui dati di Buccinasco
(214mq/per ogni tetto di edificio residenziale). Ma solo il 50% (come ipotesi) di edifici si possono
installare pannelli fotovoltaici sui tetti. Si considera anche che il 25% di spazio disponibile sul tetto
può essere utilizzato per i moduli fotovoltaici (per l’orientamento, l’ombra e fattori di diversa
natura).
10
Quindi: 877.144 · 214 · 0,5 · 0,25 = 23.463.602 m2.
Il numero totale degli edifici in Piemonte è stato preso dal sito dell’ISTAT.
Si prende in considerazione l’area media di quei tipi di edifici in base ai valori riportati nel
studio di Buccinasco (2460m2/per ogni tetto di edificio terziario): 35.290
(edifici
industriali)
·
2
2
2.460m /tetto indust. · 0,5 (50% degli edifici) · 0,25 (% d’uso) = 10.851.675 m .
11
3
E’ possibile quindi installare una potenza di 1.840,3 12 MW su tetti residenziali e 851,1 13
MW su tetti industriali, terziari, ecc.
La differenza tra la necessità (15.115 MW) e l’installabile sui tetti (2.691,4 MW), pari a
12.423,6 MW, va quindi posizionata a terra, occupando 316,8 14 km2 di terreno, che sul
totale di 25.402 km2 della regione Piemonte rappresentano l’1,25% 15 .
A titolo di confronto, è stata considerata l’area occupata dalle strade e autostrade in
Piemonte 16 , (le dimensioni si possono osservare in questo documento 17 ) che rappresenta
circa lo 0,59% rispetto alla superficie totale dell’intera regione.
Per la Puglia, invece i dati sono i seguenti:
A tutto il 2012 sono stati installati impianti fotovoltaici per un totale di 2.449,1 MW di
potenza, 1.985,1 MW di potenza di impianti eolici, e 1,6 MW di potenza di impianti
idroelettrici.
Questa regione ha avuto un fabbisogno energetico di 18.545.700 MWh (nel 2012), cioè
12,54 kWh/ab/giorno 18 .
Si prende in considerazione l’area disponibile sui tetti e l’area richiesta per i moduli
fotovoltaici per produre 1 kWp (si ricorda 12,75 mq/kWp).
12
23.463.602 m2/12,75 = 1.840.283 kWp = 1.840,3 MWp.
13
Analogamente: 10.851.675 / 12.75 = 851.112 kWp = 851,1 MWp
Si prende la quantità di potenza che bisogna installare 12.426,6 MW (12.426.600 kW) e si
considera lo spazio necessario per installare 1 kWp sul terreno (25,5 m2/kWp).
14
12.426.600 kW · 25,5 m2/kWp = 316.801.800 m2 = 316,8 km2
15
Si calcola il rapporto: 316,8 km2 / 25.402 km2 · 100 = 1,25%
In questo link si possono trovare i dati per ogni regione
http://www.aci.it/fileadmin/documenti/studi_e_ricerche/dati_statistiche/Infrastrutture_stradali_in_It
alia/Dotazione_di_infrastrutture_stradali_in_Italia.pdf
16
17
http://www.mit.gov.it/mit/mop_all.php?p_id=06126
Si ottiene facendo il rapporto tra la domanda elettrica totale annua e il numeri di abitanti
(4.052.566 abitanti) nella regione.
18
18.545.700 MWh/ 4.052.566 ab = 4,57 MWh/ab/anno;
4,57 MWh = 4.570 kWh;
4.570 kWh / 365 giorni = 12,53 kWh/ab/giorno.
4
La produzione di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili è stata di 3.491.200 MWh di
produzione fotovoltaica, ovvero il 18,8% della domanda totale di energia; di 3.237.600
MWh di produzione eolica, ovvero il 17,5% della domanda totale, e infine di 6.400 MWh di
produzione idroelettrica, pari allo 0,034%.
Il rapporto tra la produzione e la potenza installata di impianti fotovoltaici in Puglia è di
1.425,5 MWh/MW installato (ben superiore al Piemonte). Se la domanda energetica totale
venisse interamente soddisfatta dall’energia prodotta da fonti fotovoltaiche, senza
considerare le altre fonti rinnovabili, si dovrebbero installare 13.010 MW 19 . Al contrario se
si considerano anche le altre fonti rinnovabili già esistenti, se ne dovrebbero installare
7.253,6 MW 20 .
Quanto spazio occorre per installare 7.253,6 MW di potenza?
In Puglia, gli attuali impianti esistenti sono collocati per il 78% a terra, per il 15% su tetti,
per il 4% su serre e pensiline e per un altro 4% in luoghi diversi (GSE 2012).
In modo similare al calcolo fatto per il Piemonte, utilizzando lo studio sul comune di
Buccinasco, è stata calcolata l’area teoricamente disponibile sui tetti degli edifici della
Puglia. Nella regione si potrebbero utilizzare circa 226.832.294 mq di tetti, di cui
220.084.822 21 mq su edifici residenziali e 6.747.472 22 mq su edifici industriali, terziari,
ecc.
Si calcola il rapporto tra la domanda di energia elettrica totale e la produzione
fotovoltaica (3.491.200 MWh/2.449,1 MW = 1425,5 MWh/MWp).
19
18.545.700 MWh/1.425,5 MWh/MWp = 13.010 MWp
Si considera l’energia totale prodotta al netto delle fonti rinnovabili (solare, l’eolico,
l’idroelettrico e le bioenergie) e la media di produzione per unità installata di FV:
( 18.525.700
– 3.491.200 – 3.237.600 – 6.400 – 1.470.500 ) MWh / 1425,5 MWh/MW = 7253,6 MW
20
Si prende in considerazione il numero di edifici di uso abitativo della Puglia (822.747 edifici). Si
prende in considerazione l’area media dei tetti, basato sullo studio di Buccinasco (214mq/ per ogni
tetto di edificio residenziale). Ma solo il 50% (come ipotesi) di edifici si possono installare pannelli
fotovoltaici sui tetti. Si considera anche che il 25% di spazio disponibile sul tetto può essere utilizzato
per i moduli fotovoltaici (per l’orientamento, l’ombra e fattori di diversa natura).
21
822.747 · 214 · 0,5 · 0,25 = 22.008.482 m2
Si realizza in modo analogo il calcolo qui sotto. Si prende in considerazione l’area media
degli edifici industriali in base ai valori riportati nel studio su Buccinasco (2460m2/tetto/edificio
industriale).
22
21.943 · 2.460 · 0,5 · 0,25 = 6.747.472 m2.
5
E’ possibile quindi installare una potenza di 1.726,7 23 MW su tetti residenziali e 529,2 24
MW su tetti industriali, terziari, ecc.
La differenza tra la necessità (7.253,6) e l’installabile sui tetti (2.255,7 MW), pari a 4.997,9
MW, va quindi posizionata a terra, occupando 127,4 25 km2 di terreno, che sul totale di
19.358 km2 della regione rappresentano lo 0,66 % 26 .
Sempre a titolo di confronto è stata considerata l’area occupata dalle strade e autostrade
in Puglia 27 (le dimensioni si possono osservare in questo documento 28 ), che rappresenta
lo 0,51% rispetto alla superficie totale dell’intera regione.
Focalizzando lo studio sull’energia eolica il rapporto tra la produzione eolica e la potenza
installata in Puglia è di 1.631 MWh/MWinstallato. Se la domanda energetica totale venisse
interamente soddisfatta dall’energia prodotta da fonti eoliche senza considerare le altre
fonti rinnovabili, si dovrebbero installare 11.370,7 29 MW di potenza. Invece, se si
considerassero anche gli impianti rinnovabili già esistenti, si dovrebbero installare 6.339,9
30
MW di potenza eolica.
Si prende in considerazione l’area disponibile sui tetti e l’area richiesta per i moduli
fotovoltaici per produre 1 kWp (si ricorda 12.75 mq/kWp).
23
22.008.482 m2/12.75 = 1.726.155 kWp = 1726,5MWp.
24
6.747.472 m2/ 12.75 = 529.213,5 KWp = 529,2 MWp
Si prende la quantità di potenza che bisogna installare pari a 4.997,9 MW e si considera lo
spazio necessario per installare 1 kWp sul terreno (25,5 m2/kWp).
25
4997,9 MW · 25,5 m2 = 127.446.450 m2
127.446.450 m2 / 1000 = 127,4 km2
26
Si calcola il rapporto: 127,4 km2 / 19.358km2 · 100 = 0,66%
In questo link si possono trovare i dati per ogni regione:
http://www.aci.it/fileadmin/documenti/studi_e_ricerche/dati_statistiche/Infrastrutture_stradali_in_It
alia/Dotazione_di_infrastrutture_stradali_in_Italia.pdf
27
28
http://www.mit.gov.it/mit/mop_all.php?p_id=06126
Si calcola il rapporto tra la domanda di energia elettrica totale e la produzione eolica
(3.237.600 MWh/1985,1 = 1.631 MWh/MWp):
18.545.700 MWh/1.631 MWh/MWp = 11.370,7
MWp
29
Si considera l’energia totale prodotta al netto delle fonti rinnovabili (solare, l’eolico,
l’idroelettrico e le bioenergie) e la media di produzione per unità installata di FV: ( 18.525.700 –
3.491.200 – 3.237.600 – 6.400 – 1.470.500 ) MWh / 1.631 MWh/MW = 6.339,9 MW
30
6
Quanto spazio occorre per installare 6.339,9 MW di potenza con impianti eolici?
Rispondere a questa domanda è più complesso che per il caso del fotovoltaico, dal
momento che l’area di un parco eolico non è interamente occupata dalle turbine. Infatti
l’area strettamente necessaria per installare le turbine eoliche è solitamente l’1% della
area totale. Questo si può vedere dal link posto nella nota 31 alla domanda: ”how much
space does a wind farm need ?” (quanto spazio occorre per un parco eolico).
Prendendo in considerazione il fatto che esistono diversi tipi di impianti di maggiore o
minore potenza è stata calcolata una media di 5 MW/km2 di potenza. Questo dato si trova
nel documento “Land use Requirements of Modern Wind Power Plants in the United
States” 32 .
Prendendo in considerazione la potenza necessaria per la regione Puglia si richiederebbe
un spazio di 1267,8 km2 33 , che rappresenta circa il 6 % della superficie totale della
regione (ricordiamo è di 19.358 km2) 34 .
Di questo spazio, tuttavia, solo l’1% verrebbe effettivamente occupato dagli impianti eolici,
mentre il restante 99% rimarrebbe del tutto libero, e quindi utilizzabile per agricoltura e
simili usi, come oggi avviene. Di conseguenza, la superficie strettamente necessaria per
installare 6.339,9 MW di impianti eolici risulterebbe di soli 12,67 km2, pari allo 0,06% della
superficie totale della regione.
Si ricorda che la stima, effettuata, è un’approssimazione che serve per misurare l’area
richiesta per la costruzione di impianti eolici. L’area dipende dalla dimensione di questi
ultimi (piccola 1 – 200 kWp, media 200 – 800 kWp, grande oltre > 1000 kWp) per i quali si
richiede un distanziamento tra le turbine che dipende dai diametri delle pale. Solitamente
questa distanza deve essere da 3 a 10 volte il diametro delle pale delle turbine stesse 35 .
31
32
33
Km2
Fonte: http://www.ewea.org/wind-energy-basics/faq/
Fonte: http://www.nrel.gov/docs/fy09osti/45834.pdf
Si calcola il rapporto tra la potenza che deve essere installata e la produzione media per
di impianti installati:
6.339,9 MW / 5 MW/km2 = 1.267.8 km2
34
1267,8 / 19.358 = 0,06
0,06 * 100 = 6%
Fonte:
http://www.planningni.gov.uk/index/policy/policy_publications/planning_statements/pps18/pps18
_annex1/pps18_annex1_wind/pps18_annex1_technology/pps18_annex1_spacing.htm
35
7
L’intermittenza delle fonti rinnovabili di energia, le necessità
della rete elettrica, il problema dell’accumulo.
Uno dei principali problemi dell’energia da fonti rinnovabili eoliche e fotovoltaiche é la loro
discontinuità, dovuta alle variazioni dei venti e dell’irraggiamento solare sulla terra.
È stato analizzato il caso ipotetico, in cui la domanda di energia dell’Italia viene soddisfatta
interamente con impianti fotovoltaici. In questo caso si deve garantire una produzione
sufficiente per soddisfare tutta la domanda nazionale, ma soprattutto questa produzione
deve soddisfare la domanda in ogni ora del giorno e della notte. La domanda è variabile
(come si può vedere dalla tabella 1 nella pagina successiva) e non può essere
programmata, ma soprattutto modificata più di tanto; la produzione deve “obbedire” alla
domanda.
Come è già stato detto il consumo annuo di elettricità nel 2012 è stato di 5,15 MWh per
abitante, ossia 14,10 kWh al giorno per abitante in media in Italia.
La produzione fotovoltaica giornaliera fornisce un eccesso di energia nel momento di
massima irradiazione solare, ma non garantisce abbastanza energia nelle giornate in cui
non c’è luce sufficiente per soddisfare la domanda quotidiana di energia. Di notte, poi, la
produzione è pari a zero.
In questo contesto è stato quindi calcolato l’accumulo elettrochimico che dovrebbe essere
installato a servizio degli impianti fotovoltaici, sufficiente per soddisfare la domanda
energetica nelle situazioni di bassa o nulla produzione.
È stato preso come riferimento il mese di gennaio, che durante l’anno ha la minor
radiazione solare. Se l’accumulo calcolato fosse sufficiente per tutto il mese, allora lo
sarebbe per tutti gli altri mesi dell’anno. La produzione fotovoltaica nazionale giornaliera a
gennaio nel 2012 è stata di 23.910 MWh. Conoscendo la potenza fotovoltaica installata in
Italia, cioè 16.420 MW, è stata calcolata la produzione per ogni kW installato, che è pari a
1,46 kWh/ kWinstallato per tutto il mese di gennaio al giorno in media.
Prendendo in considerazione quest’ultimo dato e la domanda di energia elettrica
giornaliera, si può affermare che si potrebbe soddisfare l’intera domanda installando una
potenza 35 volte più grande di quella che è stata installata a tutto il 2012, e che sarebbe
pari a 9,65 kWp/ab 36 .
Quanta potenza è necessaria per produrre 14,10 kWh al giorno per abitante, sapendo che
nel mese di gennaio la produzione media giornaliera è di 1,46 kWh per 1 kW installato? 1 kWp : 1,46
kWh = x : 14,10 kWh; x= 14,10/ 1,46 = 9,65 kW ; potenza installata attualmente in Italia = 16.420.000
kW / 59.433.744 abitanti = 0,276 kW/ab
36
9,65 / 0,276 = 35 volte la potenza installata attualmente
8
Per avere un’idea più calibrata delle quantità in gioco, và ricordato che la potenza di
impianti fotovoltaici da installare in tutta Italia per soddisfare tutta la domanda di energia
elettrica (sempre riferito al 2012), dovrebbe essere di 267.438 MW, a fronte dei 16.420
MW oggi presenti (vedi pagina 2). Viceversa secondo il ragionamento sopra sviluppato
occorrerebbero 574.700 MW, un po’ più del doppio 37 . È una grande quantità ma non
impossibile, mentre l’introduzione dei sistemi di accumulo resta indispensabile.
Partendo da questa ipotesi si può dire che la produzione nel mese di gennaio
diventerebbe 35 volte più grande, ossia 836.850 MWh al giorno 38 . A mezzogiorno ci
sarebbe una sovrapproduzione, che non risulta essere sufficiente per soddisfare la
domanda energetica dell’intera giornata. Per soddisfare la domanda energetica in tutto il
mese di gennaio quindi è necessario disporre di un sistema di accumulo. Questo si può
osservare nel grafico sottostante.
Sovrapproduzio
ne
Figura 1 Tabella 1
L’accumulo viene rappresentato nell’area chiamata “sovrapproduzione” nel grafico
sovrastante. Quell’area si può calcolare risolvendo il doppio integrale tra la curva della
domanda e la curva della produzione. Per semplificare i calcoli ipotizziamo che la
domanda sia costante (considerando che ogni giorno la domanda energetica è di 14,10
kWh/ab/giorno, cioè di 0.58 kWh/abitante/ora) e calcoliamo l’area tra le due curve. Così si
37
38
9
16.420 MW (potenza Fv installata) * 35 (vedi nota 37) = 574.700 MW
Produzione fotovoltaica (2012) nel mese di gennaio= 23.910 MWh * 35 = 836.850 MWh
può stimare la quantità di energia che dovrebbe essere accumulata per soddisfare la
domanda durante la notte.
Per fare questi calcoli sono stati utilizzati Excel e Matlab. Il risultato dell’accumulo ottenuto
è pari a circa 11 kWh/abitante/giorno in Italia, nel 2012.
Quest’accumulo sarebbe sufficiente per soddisfare la domanda giornaliera in Italia per
tutto l’anno, dal momento che è stato preso in considerazione il mese nel quale c’è meno
luce durante l’anno, ovvero gennaio.
È stata considerata un’analisi metereologica fatta tra il 2000 e il 2014 in diverse città
italiane (Torino, Bologna, Roma, Foggia e Catanzaro) 39 ed è stato rilevato che a gennaio ci
sono stati 8 giorni consecutivi di brutto tempo, nella peggiore delle ipotesi; in questi giorni
la produzione di energia risulterebbe minima. In queste situazioni si dovrebbe aumentare
l’accumulo installato di 112,8 kWh/ab per soddisfare la domanda di energia elettrica 40 .
39
http://www.ilmeteo.it/portale/archivio-meteo/Torino/2010/Gennaio
Prendendo in considerazione la domanda elettrica giornaliera per abitante (14,10 kWh) e il
numero di giorni, nei quali la produzione fotovoltaica è nulla (8 giorni):
40
14,10 kWh/giorni · 8 giorni = 112,8 kWh
10
Quindi si dovrebbe disporre di un accumulo di 124 kWh/ab 41 , prendendo anche in
considerazione quello giornaliero necessario. Questo dovrebbe essere sufficiente per
soddisfare la domanda di energia a gennaio e così per tutto l’anno per tutta l’Italia.
Per produrre questa quantità di accumulo sarebbe necessario aumentare anche la
potenza installata, che dovrebbe essere pari a 86,5 kWpotenza/ab., circa 313 volte più di
quella che è stata installata a tutto il 2012 in Italia, che risulterebbe irragionevole 42 .
Considerando invece la potenza da installare per soddisfare tutta la domanda di energia
elettrica in Italia (vedi pag. 2), questo fattore si riduce a 9.
Va tenuto ancora conto che nei giorni di brutto tempo la produzione fotovoltaica
comunque superiore allo zero (maggiore in caso di pannelli in amorfo, minore in caso
poli o mono cristallino). La potenza da installare si ridurrebbe, così come la quantità
accumulo necessaria. E' tuttavia difficile esporre dei calcoli in questa sede, per motivi
economia di questa breve ricerca.
è
di
di
di
Arrivando a questo punto, si può affermare che la potenza da installare è molto grande e
si dovrebbe quindi pensare a una soluzione alternativa, che potrebbe comunque
soddisfare la domanda.
La soluzione proposta si basa su una combinazione di energia ricavata da fonti rinnovabili,
che soddisfano la domanda giornaliera, e impianti termoelettrici, che vengono utilizzati
quando non è possibile soddisfarla con l’energia fotovoltaica.
Focalizziamo lo studio al caso Piemonte.
La regione ha un fabbisogno di energia pari a 24.723.300 MWh che rappresenta una
domanda media di 15,52 kWh/ab 43 giorno.
Come è stato già detto nei paragrafi precedenti, la potenza installata di fonti rinnovabili è
stata di 1.369.7 MW di fotovoltaica, 12,7 MW di eolica, e 2.615,6 MW di idroelettrica a tutto
il 2012.
41
112,8 + 11 = 124 kWh/ab
1 kWp : 1,46 kWh = x : 124 kWh; x= 124/ 1,46 = 86,5 kW ; potenza installata atualmente in
Italia = 16.420.000 kW / 59.433.744 abitanti = 0,276 kW/ab
42
86,5 / 0,276 = 313,3 volte la potenza installata attualmente
Prendendo in considerazione la domanda elettrica (dal 2012) e il numero di abitanti del
Piemonte (4.363.916 ab) e la domanda elettrica: 24.723.300 MWh / 4.363.916 ab. = 5,66 MWh/ab
anno.
43
Quindi 5.660 kWh / 365 giorni = 15,52 kWh/giorno.
11
Con questa potenza installata, la produzione è stata di 1.426.100 MWh di energia
fotovoltaica (5,8% rispetto alla domanda totale sulla regione), 20.700 di energia eolica
(0,1% rispetto a quella totale) e 6.615.400 MWh di energia idroelettrica (21,55% rispetto
alla totale).
Come abbiamo già detto nel paragrafo precedente riguardante il Piemonte, se tutta la
domanda di energia della regione fosse soddisfatta con impianti fotovoltaici si dovrebbe
produrre 23.276.500 MWh 44 . Nella regione il rapporto tra la produzione e la potenza
fotovoltaica installata è di 1041,17 MWh/MWinstallato. Quindi, per soddisfare la domanda si
dovrebbero installare 5,12 kW 45 di potenza fotovoltaica per abitante.
Conoscendo il numero di abitanti e l’area media dei moduli fotovoltaici considerati sopra
(25 mq/kwp/modulo), si può calcolare l’area necessaria per installare questa potenza.
L’area richiesta sarebbe di 491.707.500 m2 46 (491,7 km2), che rappresenta l’1,93% 47 dell’
area totale del Piemonte.
Il fabbisogno di energia in questi eventuali 8 giorni di bassa produzione sarebbe di
541.823,1 MWh 48 . Quest’energia potrebbe essere soddisfatta parzialmente utilizzando le
fonti di energia rinnovabile, che sono già disponibili nella regione, ovvero l’energia
idroelettrica. Quello che manca, dovrebbe essere soddisfatto con altre fonte di energia,
come quella prodotta da impianti termoelettrici.
Prendendo in considerazione la domanda totale (24.723.300 ab) e la quantita prodotta da
impianti fotovoltaici installati (1.426.100 MWh)
44
24.723.300 – 1.426.100 = 23.276.500 MWh
Prendendo in considerazione la domanda elettrica e il rapporto tra la produzione e la
potenza installata:
45
23.276.500 MWh/1041 MWh/MWinstallati = 22.359,7 MW da installare.
Quindi per abitante 22.359.750 kWins / 4.363.916 ab. = 5,12 kW ins/ab
46
22.359,7 – 2.691,4 = 1.9668,3 MW
19668,3 * 25 = 491707,5
491707,5 * 1.000 = 491.707.500 m2
47
Prendendo in considerazione l’area totale di Piemonte (25.402):
491,7 km2 / 25.402 km2 = 1,93 %
48
Considerando la domanda elettrica giornalera nel Piemonte 15,52 kWh/ab giorno:
15,52 kWh/ab giorno · 8 giorni = 124,16 kWh/abitante
124,16 kWh/ab · 4.363.916 ab = 541.823.811 kWh = 541.823,8 MWh
12
Come abbiamo già detto, in Piemonte la produzione idroelettrica è abbastanza
significativa. Considerando la produzione totale di energia idroelettrica nel 2012, questa
soddisferebbe il 27% 49 dell’energia che mancherebbe in quei giorni, pari a 144.995 MWh.
Il restante 73% potrebbe essere soddisfatto con impianti termoelettrici (396.828 MWh),
che rappresenterebbe solamente il 2,33% della energia termoelettrica che ora viene
utilizzata in Piemonte 50 .
Focalizziamo lo studio sulla regione Puglia.
Questa regione ha un fabbisogno energetico di 18.545.700 MWh (nel 2012), cioè, 12,54
kWh/ab giorno 51 .
Nella regione la potenza installata di fonti rinnovabili è di 2.449,1 MW di fotovoltaico,
1.981,5 MW di eolico e 1,6 MW di idroelettrico. La produzione nel 2012 è stata di
3.491.200 MWh di energia fotovoltaica (18,8 % rispetto alla domanda totale), 3.237.600
MWh di energia eolica (17,5% rispetto alla totale) e 6.400 MWh di energia idroelettrica
(0,034% rispetto alla domanda totale).
Se tutta la domanda energetica fosse fornita con l’energia solare fotovoltaica
mancherebbero 11.816.900 MWh 52 .
Il rapporto tra la produzione e la potenza fotovoltaica installata in Puglia è di 1.425,5
MWh/MW installato. Prendendo questo dato e il numero di abitanti nella regione, si
dovrebberoro installare 2.045 kW/ab 53 di potenza fotovoltaica.
49
144.995 MWh / 541.823,1 MWh = 26,7%
Prendendo in considerazione sia l’energia termoelettrica che la produzione di energia
totale del Piemonte ( 17.021.000 MWh) 396.828 MWh / 17.021.000 MWh = 0.0233 * 100 = 2,33%
50
Prendendo in considerazione la domanda elettrica (dal 2012) e il numero di abitanti in
Puglia (1.478.923 ab) e la domanda elettrica: 18.545.700 MWh / 1.478.923 ab. = 12,54 MWh/ab
anno.
51
Prendendo in considerazione la domanda totale (18.545.700 MWh) e la quantità prodotta
da impianti fotovoltaici installati (3.491.200 MWh) e da impianti eolici installati (3.237.600 MWh):
18.545.700 – 3.491.200 – 3.237.600 = 11.816.900 MWh
52
Prendendo in considerazione la domanda elettrica e il rapporto tra la produzione e la
potenza installata:
18.545.700 MWh/1425,5 MWh/MWinstallati = 13009.96 MW da installare. Quindi
per abitante 13.009.961,4 kWins / 1.478.923 ab. = 2,045 kW ins/ab
53
13
Prendendo in considerazione il numero di abitanti nella regione e l’area media occupata
per gli impianti fotovoltaici (ricordiamo 12,75 mq/kWp), la superficie necessaria sarebbe
pari a 268.874.000 m2 54 (268.874 km2), che rappresenta l’1,85% 55 della regione.
Il fabbisogno di energia in quegli 8 giorni di bassa produzione sarebbe di 148.366 MWh 56 .
Quest’energia potrebbe essere soddisfatta con una fonte sicura di energia termoelettrica,
che risulterebbe solamente il 0,37% della energia termoelettrica che ora è utilizzata in
Puglia 57 . Per utilizzare l’energia eolica in Puglia, dove, come abbiamo già detto, c’è un
alto potenziale, è necessario considerare l’Atlante Eolico 58 , infatti le potenze generate
dagli impianti sono variabili e strettamente dipendenti dalle condizioni di ventosità del sito,
dal numero, dalla tipologia e dalle capacità generative degli aerogeneratori e dalle potenze
energetiche desiderate.
54
13.009,96 – 2.255 = 10.754,96 MW
10.754,96 * 1000 = 10.754.960 kW
10.754.960 * 25 = 268.874.000 m2
Prendendo in considerazione l’area totale di Piemonte (14.507,2 km2): 268.874 km2 /
14.507,2 km2 = 1,85 %
55
56
Considerando la domanda elettrica giornaliera nel Piemonte 12,54 kWh/ab giorno:
12,54 kWh/ab giorno · 8 giorni = 100,32 kWh/abitante
100,32 kWh/ab · 1.478.923 ab = 148.365.555 kWh = 148.365,6 MWh
Prendendo in considerazione la produzione (148.366 MWh) e l’energia prodotta per
impianti termoelettrici in Puglia (39.917.200 MWh): 148.366 / 39.917.200 = 0,00372 * 100 = 0,37%
57
58
14
http://atlanteeolico.rse-web.it/viewer.htm
ANALISI
Lo studio compiuto è stato fatto ipotizzando che l’energia fotovoltaica possa soddisfare la
domanda totale energetica.
Non sono stati rilevati dei problemi per quanto riguarda la superficie che dovrebbe essere
utilizzata per installare gli impianti fotovoltaici, dato che i calcoli fatti mostrano che
basterebbe all’incirca l’1% dell’area di ogni regione, al netto del potenziale dei tetti, per
soddisfare l’intero fabbisogno di energia.
Sì è visto che tecnicamente è possibile soddisfare il fabbisogno energetico con impianti
fotovoltaici, ma è indispensabile che vengano sempre integrati con un sistema di
accumulo, necessario nelle situazioni in cui la produzione di energia fotovoltaica è nulla o
bassa, come per esempio durante la notte o nei giorni nuvolosi.
Anche nel caso in cui la produzione fotovoltaica è bassa, ovvero quando c’è brutto tempo,
è necessario aumentare la capacità di accumulo per soddisfare la domanda energetica,
aumentando anche la potenza installata. Tuttavia, risulta da un punto di vista logistico e
tecnologico troppo costoso, dal momento che si dovrebbe mantenere una fonte sicura di
energia termoelettrica per soddisfare la domanda energetica.
Come le soluzioni proposte sono state incentrate sugli aspetti tecnici e spaziali, si devono
anche considerare quelli ambientali ed economici.
Quali sono gli effetti dei pannelli fotovoltaici sull’ambiente?
L’impatto sull’ambiente è minimo; I pannelli fotovoltaici possono contenere piccole quantità
di mercurio, il quale potrebbe essere dannoso per l’ambiente. Tuttavia, questo
componente può essere sostituito con un altro, che non lo danneggerebbe. Nella tipologia
CIS e silicio amorfo si possono trovare componenti come Cadmio e Tellururo, i quali però
non possono essere sostituiti. Tuttavia è necessario considerare i benefici, che ne
derivano a ridurre l’utilizzo dell’energia termoelettrica. Come tanti altri studi, quello fatto da
NREL, conclude che ci sono più vantaggi dall’uso di pannelli fotovoltaici che svantaggi 59 .
59
15
Fonte: http://www.nrel.gov/electricity/transmission/western_wind.html
È economicamente sostenibile un aumento della potenza installata? L’incremento
dell’installazione di impianti fotovoltaici richiederebbe un investimento più che sostanzioso,
e quindi richiederebbe aiuti da parte dello Stato. Anche se è vero che i prezzi dei pannelli
fotovoltaici sono in diminuzione e diminuiranno ancora nel futuro prossimo.
Tuttavia, ci sarebbero chiari benefici dall’utilizzo dell’energia solare e soprattutto gli
investimenti che potrebbero essere fatti in principio, risulterebbero con il tempo più bassi.
Questo può essere visto dal grafico rappresentato qui sotto, che mostra come
l’installazione di 6 KW di potenza da pannelli fotovoltaici su un tetto di un edificio con il
sistema d’accumulo elettrochimico, possa portare risparmi nel lungo periodo.
Figura 2 Fonte: www.qualeenergia.it
Per arrivare a un modello più sostenibile si può prendere come riferimento la Germania,
che a livello mondiale è lo stato che investe di più sulle energie rinnovabili.
16
L’obiettivo che si è proposta è quello di raggiungere il 100% di produzione energetica dalle
fonti rinnovabili. Perciò sono state proposte una serie di misure e di obiettivi che devono
essere raggiunti in alcuni anni, che incrementerebbero gradualmente la produzione. Si può
vedere qui sotto una elencazione 60 delle misure proposte per raggiungere quel’ obiettivo.
Tutti questi studi (German Research Association for Renewable Energy (FVEE),
Fraunhofer, Rivista Photon, Shell, International Energy Agency (IEA)) affermano che
l’energia fotovoltaica crescerà in modo significativo nei prossimi anni. La conclusione è
che il sistema energetico risulta essere una combinazione tra l’energia eolica e quella
60
1. Si deve incrementare la quantita di impianti fotovoltaici installati e la produzione su
tetti e terreni, sempre con orientamento sud-ovest.
2. Si deve aumentare in modo equilibrato la rete con impianti fotovoltaici ed eolici.
3. È necessario che l’efficienza energetica delle utenze elettriche nelle famiglie e
nell’industria venga migliorata e che le abitudini di consumo di energia vengano
modificate durante la notte e vengano aumentate a mezzogiorno (quando c’è il
picco di produzione fotovoltaica). Ci sono diversi tipi di apparati elettrici che
hanno una maggiore efficienza energetica.
4.
La domanda deve essere gestita per garantire che certe proporzioni del nostro
consumo di energia siano in linea con la disponibilità della potenza degli impianti
fotovoltaici.
5. Impianti energetici che funzionano come accumulo energetico (energia prodotta
da fiume, biomassa), devono essere adeguati per consentire l’operazione
parallela. In accordo con i piani, le prestazioni e la capacità delle centrali di
pompaggio devono essere aumentate del 30 – 40 %.
6. Bisogna costruire centrali elettriche multifunzionali (CHP) per la flessibilità di
produzione di energia.
7. Gli impianti fotovoltaici devono essere dotati di un sistema di batterie connessi alla
rete. Si sta studiando anche la possibilità di realizzare un accumulo centralizzato.
8. Le centrali esistenti a carbone devono essere ottimizzate per consentire un
funzionamento complementare flessibile. Gli impianti nucleari e gli altri tipi di
impianti più vecchi hanno bisogno di essere progressivamente smantellati.
17
fotovoltaica (30% fotovoltaica e 70% energia eolica, secondo lo studio Fraunhofer per il
2050). Dal momento che ci sono situazioni di variabilità metereologica e secondo le
misure proposte nella nota precedente, gli impianti fotovoltaici integrano un sistema di
accumulo elettrochimico composto da batterie. Per quelle situazioni in cui l’accumulo
elettrochimico o idroelettrico non risulta sufficiente, si può disporre di centrale elettriche
multifunzionali (CHP), le quali garantirebbero la flessibilità necessaria per soddisfare tutta
la domanda.
Sembra possibile proporre un approccio simile anche per l’Italia, per creare un sistema di
energia elettrica basato sull’energia solare fotovoltaica ed eolica. In questo sistema le
centrali idroelettriche e altre tipi di centrali di energia rinnovabile (come la biomassa)
possono agire come un sistema d’accumulo energetico. Devono essere costruiti impianti
termoelettrici più flessibili, basati sulla tecnologia CHP (Combined Heat and Power) e il
sistema d’accumulo deve essere integrato con gli impianti fotovoltaici
Questo sistema è stato profondamente studiato dalla Germania e le stime fatte mostrano
che è tecnicamente ed economicamente fattibile e i benefici ambientali sarebbero più che
evidenti. Tuttavia sarebbe necessario il supporto e il finanziamento dello Stato per
sviluppare questo progetto.
Così anche la popolazione dovrebbe essere sensibilizzata riguardo all’importanza
dell’energia sostenibile. In conclusione è possibile sviluppare lo stesso sistema tedesco
sia tecnicamente sia economicamente solo se c’è una reale intenzione di realizzarlo, sia
da parte degli enti privati sia da parte dello Stato, che dalla popolazione stessa.
18
CONCLUSIONE
Lo studio fatto dimostra che la superficie, richiesta per soddisfare la domanda di energia
elettrica, basata sull’energia fotovoltaica, non è così estesa (come affermano gli oppositori
dell’energia sostenibile).
Si è visto infatti che è possibile raggiungere l’obiettivo anche dal punto di vista tecnologico,
ovvero con un’adeguata struttura di accumulo elettrochimico e l’energia fotovoltaica ha un
alto potenziale per realizzare un sistema più sostenibile, nonostante venga richiesto un
aumento notevole della potenza da installare.
La soluzione che è stata proposta è quella di creare un sistema misto di energia
fotovoltaica e termoelettrica, ma in questo modo non si ridurrebbe la dipendenza dagli
impianti termoelettrici e così non si otterrebbero benefici ambientali.
Una soluzione migliore sarebbe quella di sviluppare un sistema misto, ma con l’energia
eolica, come è stato proposto in Germania. È importante considerare anche l’alto
potenziale dell’energia eolica delle regioni d’Italia, dato che, a causa delle caratteristiche
del nostro territorio e del conseguente regime dei venti, non ha distribuzione uniforme
nelle diverse Regioni e l’installazione degli impianti, come si può vedere sull’Atlante
Eolico 61 , deve essere effettuata nelle regioni del Sud e del centro Italia, grazie alle
favorevoli condizioni dei venti lungo il crinale appenninico e sui rilievi delle isole. La
presenza delle Alpi invece condiziona negativamente lo sfruttamento del vento nelle
regioni a ridosso dell’arco alpino.
Le situazioni di bassa produzione fotovoltaica, come abbiamo detto, devono essere
soddisfatte da altre fonti di energia, ovvero utilizzando l’energia idroelettrica e le
bioenergie come sistema d’accumulo e anche le batterie integrate negli impianti
fotovoltaici. Nello stesso modo, possono esserci una serie di impianti flessibili che
sarebbero in grado di soddisfare il fabbisogno energetico in quelle situazioni.
Tutto questo suggerisce che seguendo l’esempio della Germania, l’Italia può sviluppare un
piano energetico più sostenibile.
61
19
http://atlanteeolico.rse-web.it/viewer.htm
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•
20
Michele Calì ed altri (2014), ”Guida all’Energia: nella natura e nelle civiltà umane”

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