Studio del comportamento di campi fotovoltaici connessi o isolati da terra

Capitolo 1 
LE ENERGIE RINNOVABILI 
 
1.1  LE FONTI ENERGETICHE TRADIZIONALI 
 
Attualmente l’offerta energetica mondiale è affidata per più dell’80% alle fonti energetiche tradizionali 
quali petrolio, carbone e gas naturale. Questo totale predominio dei combustibili fossili ha generato un 
acceso dibattito su questioni di natura economica ed ambientale. 
Per quel che riguarda la questione economica, si cerca di stimare l’entità delle diverse riserve di 
combustibile fossile e delineare il futuro andamento della domanda energetica per valutare i tempi di un 
eventuale esaurimento. A questo proposito, nella seconda metà degli anni ’50, il geofisico americano 
Marion Hubbert propose la cosiddetta “teoria del picco di Hubbert” riguardante l'evoluzione temporale 
della produzione di una qualsiasi risorsa esauribile. Hubbert, basandosi sui dati relativi alla storia di 
alcuni giacimenti minerari, osservò che statisticamente l’andamento della produttività di una risorsa 
aveva un andamento approssimabile con una gaussiana. 
 
 
Figura 1-1:   Andamento della curva di Hubbert per la produzione petrolifera americana (fonte ASPO) 
 
Per la questione ambientale, invece, si tenta di valutare gli impatti in prevalenza dovuti all’elevata 
emissione di CO2 nell’aria a seguito della combustione degli idrocarburi. Il CO2 è il principale 
responsabile del fenomeno denominato “effetto serra” che è alla base del riscaldamento globale. 
Questo fenomeno ha generato un aumento delle temperature, anche dei mari. L’aumento determina un 
ulteriore apporto di CO2 nell’atmosfera e quindi un’irreversibilità del processo a meno di un’inversione 
data da una riduzione di emissioni. Per l’effetto serra i raggi solari a corta lunghezza d’onda riescono a 
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penetrare la membrana semitrasparente e, perdendo energia, allungano le lunghezze d’onda rimanendo 
imprigionati e generando calore. 
 
 
Figura 1-2:  Ripartizione percentuale dei gas ad effetto serra emessi nell’atmosfera (fonte IPCC 2001) 
 
Per sopperire a questo problema, nel dicembre del 1997 nella città giapponese di Kyoto è stato 
sottoscritto da più di 160 paesi (con alcune defezioni importanti) un trattato internazionale in materia 
ambientale denominato protocollo di Kyoto con cui si stabilisce che i paesi firmatari si sarebbero 
impegnati, a partire dal 2008 per un periodo che si estende fino al 2012, a diminuire l’emissioni di gas 
serra almeno del 5% rispetto ai valori registrati nel 1990. Inoltre, nel 2007 la Commissione Europea ha 
proposto un nuovo pacchetto di misure finalizzato a combattere i cambiamenti climatici dovuti ai gas 
serra. Il pacchetto di proposte include obiettivi ambiziosi il primo fra i quali è la riduzione dell’emissioni 
di CO2 per una quota pari al 20% entro il 2020. Per il conseguimento dell’obiettivo la Commissione 
propone che nel 2020 il 20% del mix energetico complessivo dell'Unione Europea dovrà provenire da 
fonti rinnovabili. Ciò richiederà un aumento massiccio nei tre settori che utilizzano energie rinnovabili: 
l'elettricità, i biocarburanti e il settore del riscaldamento/raffreddamento. 
 
 
1.2  FONTI RINNOVABILI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA 
 
 
 
Figura 1-3:  Andamento storico della produzione globale di elettricità per fonte energetica negli Stati Uniti (fonte IEA 2006) 
 
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Per quel che riguarda la produzione di energia elettrica, stando ad uno studio dell’IEA (International 
Energy Agency), la fonte energetica maggiormente utilizzata negli Stati Uniti rimangono i combustibili 
fossili con una percentuale dell’ordine del 66%. Il primato è detenuto dal carbone, seguito dal gas e poi 
dal petrolio il cui utilizzo è stato ridotto di molto per motivi di economicità. Tra le fonti non rinnovabili 
da segnalare anche un 16% di produzione di energia elettrica derivante dal nucleare. Tra le fonti 
rinnovabili, con un 16% prevale di gran lunga la fonte idroelettrica che è senza dubbio la più affidabile 
allo stato attuale. Tutte le altre fonti rinnovabili (geotermico, biomasse, eolico e solare) riescono a 
conquistare solamente un 2%. In Italia, il fabbisogno di energia elettrico viene coperto per circa il 70% 
attraverso centrali termoelettriche (o termovalorizzatori). Un altro 17% viene ottenuto da fonti 
rinnovabili e la rimanente parte per coprire il fabbisogno nazionale (13%) é importata. Secondo le 
statistiche di Terna, società che gestisce la rete di trasmissione nazionale, la maggior parte delle centrali 
termoelettriche italiane sono alimentate a gas naturale (65%), carbone (17%) e petrolio (8%). 
Percentuali minori fanno riferimento ad “altri combustibili” quali biomassa, bitume, rifiuti ed altri. Si può 
notare come le percentuali dei tre principali combustibili siano cambiate radicalmente in pochissimi 
anni. Nel 1996 gas naturale, carbone e petrolio "pesavano" rispettivamente il 25%, il 10% ed il 60%. C’è 
stata quindi una radicale inversione dell'importanza relativa tra gas naturale e petrolio anche grazie al 
minor impatto ambientale del primo rispetto al secondo. Nel 17% di energia nazionale prodotta con 
fonti rinnovabili, la maggior parte deriva da centrali idroelettriche e geotermiche mentre le “nuove” 
fonti rinnovabili quali l’eolico, le biomasse ed il solare/fotovoltaico determinano una quota minima. 
Perché preferire le energie rinnovabili a dispetto delle tradizionali? 
In primo luogo le fonti rinnovabili sono le sorgenti di energia non esauribili, a differenza di quelle fossili. 
Inoltre, produrre energia attraverso le fonti fossili ha notevoli impatti sull'ambiente: ad esempio 
l'utilizzo di gasolio e olio combustibile, ricchi di zolfo, genera biossido di zolfo che è altamente 
inquinante oppure qualsiasi combustione inefficiente provoca la formazione di ossido di carbonio (CO2). 
Del tutto diversi sono gli effetti dell’impiego di fonte rinnovabili. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.3  ENERGIA IDROELETTRICA 
 
L’energia idroelettrica è l’energia elettrica ottenibile da una massa d’acqua sfruttando l’energia 
potenziale che essa cede con un salto o un percorso in discesa. A parità di energia prodotta, rispetto ad 
una centrale a carbone, un impianto idroelettrico che genera 6 GWh ogni anno permette di ridurre 
l'emissione di anidride carbonica di 4.000Tep (corrispondente al petrolio necessario per produrre la 
stesse quantità di energia con combustibili fossili).  
 
 
 
Figura 1-4:  Consumo energia idroelettrica nel mondo espressa in milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (fonte ENEA 2000) 
 
Una divisione sommaria può essere operata fra gli impianti che utilizzano una caduta d’acqua attraverso 
un dislivello e quelli che sfruttano la velocità delle correnti (detti “ad acqua fluente”). Nel primo caso la 
potenza del sistema dipende da due fattori: il salto (dislivello tra la quota iniziale e finale, dopo il 
passaggio in turbina) e la portata (massa che fluisce nella macchina, al secondo). Nel secondo caso la 
potenza è determinata in base alla velocità stessa della massa e dalla superficie attiva della turbina. 
 
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Figura 1-5:        a)  Impianto A Caduta                                                              b)   Impianto Ad Acqua Fluente 
 
In entrambi i casi, il meccanismo di funzionamento inizia con uno sbarramento che crea un bacino. Lo 
sbarramento è sempre interrotto dalla cosiddetta "scala dei pesci", cioè uno scivolo per consentire il 
passaggio dei pesci e non alterare l'ecosistema fluviale. L’acqua del bacino, tramite condutture forzate e 
valvole di immissione, fluisce attraverso delle griglie arrivando alla vasca di carico. Qui si trovano le 
turbine che, girando, trasformano l’energia potenziale dell’acqua in energia meccanica e mettono in 
rotazione un alternatore collegato al loro asse. Nell’alternatore si trasforma l’energia meccanica in 
energia elettrica che poi viene trasferita al trasformatore. Il trasformatore è una macchina elettrica 
statica atta a modificare, sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, i parametri di una 
corrente alternata per ottenere, nel nostro caso, un abbassamento dell’intensità di corrente ed un 
aumento della tensione a migliaia di volts allo scopo di minimizzare le perdite di potenza in rete che 
dipendono dal quadrato della corrente. Giunta nel luogo di impiego, prima di essere utilizzata, l'energia 
passa nuovamente in un trasformatore che innalza l'intensità di corrente ed abbassa la tensione per 
adattarla agli usi. 
 
 
1.4  ENERGIA GEOTERMICA 
 
L'energia geotermica è una forma di energia che utilizza il calore prodotto nelle zone interne della Terra 
dato dall’energia termica rilasciata in processi di decadimento nucleare (in cui nuclei atomici instabili 
emettono particelle subatomiche per raggiungere lo stato di stabilità) di elementi radioattivi quali 
l'uranio, il torio ed il potassio contenuti naturalmente all'interno della terra. La geotermia consiste nel 
convogliare vapori provenienti dalle sorgenti del sottosuolo verso turbine adibite alla produzione di 
energia elettrica e, a seconda della temperatura del fluido geotermico, nel riutilizzare il vapore acqueo 
per il riscaldamento urbano, le coltivazioni o per gli usi industriali. Sul lungo periodo, una delle 
potenzialità della geotermia è rappresentata dall'utilizzo di rocce calde secche. In molti Paesi si sta 
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