Appunti di Energie Rinnovabili in Agricoltura prof. Pantaleo

Energie rinnovabili in agricoltura

Bilanci energetici ed energie rinnovabili

Per poter fare un bilancio energetico occorre conoscere le tipologie di domanda e offerta di energia. Un’analisi della domanda di energia e di come questa viene bilancio energetico non è altro che capire come l'energia è consumata, soddisfatta (produzione o import). Serve a come può essere quale sarà l’aumento risparmiata, dei consumi di energia per settore e come la domanda sarà coperta generazione locale o dall’importo. La domanda energetica può provenire da settore industriale, residenziale, terziario e agroindustriale. I bilanci energetici si possono fare su scala comunale, regionale, nazionale o europea.

Si parla di dispacciamento elettrico in riferimento alla gestione degli impianti di generazione per garantire la copertura della domanda di energia elettrica e la sicurezza del sistema elettrico; da fonti rinnovabili ha la priorità di dispacciamento e viene immessa in rete e utilizzata prima di quella da fonte fossile (compatibilmente con le congestioni di rete); per le fonti rinnovabili non programmabili (eolico, fotovoltaico) servono impianti convenzionali, più costosi, che sopperiscano alla loro intermittenza.

Gli elementi chiave della politica energetica sono quattro:

• Sicurezza dell’approvvigionamento di energia; si deve essere certi che il Paese sia rifornito di energia. L’Italia ne importa il 90% dall’estero, sotto forma di petrolio e gas naturali; bisogna diversificare e sfruttare i diversi modi di produrre energia e le varie fonti energetiche, quindi è opportuno avere un mix di energia, un po’ da rinnovabili, un po’ di termoelettrico, un po’ di idroelettrico, ecc.; di produzione vari ridotto l’import.
• Le fonti energetiche possono essere di tipo fossile e rinnovabile (da biomassa, fotovoltaica, eolica). Un problema derivato da alcune fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico, ecc.) è quello di essere intermittenti; queste infatti, non producono nella stessa quantità durante tutto l’anno e, inoltre, non è prevedibile l’effettiva produzione con precisione; pertanto, sono dette fonti energetiche intermittenti non programmabili; questo tipo di impianto è soggetto al pagamento di una penale in base quanto esso prevede di produrre durante l’anno e quanto in effetti produce.
• Sostenibilità; vanno limitate le emissioni climalteranti; un sistema di generazione deve essere sostenibile; un impianto non deve consumare più di quanto produce e non deve intaccare le fonti energetiche; l’UE ha fissato degli obiettivi da raggiungere entro date prestabilite (vedremo dopo).
• Competitività; i costi dell’energia devono essere ridotti; se l’energia costa molto, qualunque produzione a valle costerà di più. Per ridurre i costi il più possibile, si deve cercare di puntare su nuove tecnologie che potrebbero essere più economiche in futuro. Ad esempio, negli ultimi anni, il prezzo degli impianti fotovoltaici è sceso drasticamente (costano dieci volte meno); crescita dell’occupazione e il PIL.

L’UE ha fissato, a inizio 2009, il raggiungimento degli obiettivi “20-20-20 entro il 2020”, ossia:

• Riduzione delle emissioni di gas serra del 20% rispetto agli anni ‘90;
• Aumento della percentuale di uso di energie rinnovabili del 20% a livello di paese membro (obiettivo già raggiunto in Italia, ora siamo a circa il 23%);
• Riduzione del consumo di energia del 20% rispetto al 2000.

Fra le direttive di riferimento nel settore energetico, vi è la direttiva CE del 23 aprile 2009, n. 28, che istituisce un quadro comune per la produzione di energia da fonti rinnovabili e a promuoverne l’uso, coerentemente con l’obiettivo 20-20-20. Per ogni stato membro, si è fissata la quota di energia da fonti rinnovabili sul consumo finale lordo per i trasporti entro il 2020, pari ad almeno il 10% del consumo finale di energia. Gli stati membri, inoltre, adotteranno un piano di azione nazionale (PAN) dove è fissata la quota di energia da fonti rinnovabili consumata nei settori trasporti, elettricità e riscaldamento, per garantire l’origine dell’elettricità, dell’energia per il riscaldamento e il raffreddamento da fonti rinnovabili. Inoltre deve realizzare le infrastrutture per la produzione di energie da fonti rinnovabili nel settore trasporti; a tal fine, devono verificare che i gestori garantiscano la trasmissione e la distribuzione dell’elettricità e provvedere affinché questo tipo di energia abbia un accesso prioritario. Viene considerata anche l’energia prodotta a partire da biocarburanti e bioliquidi; la riduzione di emissione di gas serra grazie all’uso di tali fonti, deve essere almeno del 35%; a decorrere dal 1° gennaio 2017 la percentuale va portata almeno al 50%. I biocarburanti e bioliquidi devono essere realizzati a partire da materie prime provenienti dall’interno o dall’esterno della comunità; non possono essere usate materie prime provenienti da terreni di grande valore in termini di biodiversità o che presentano rilevante stock di carbonio; per beneficiare di un sostegno finanziario, devono essere qualificati come sostenibili secondo criteri stabiliti dalla direttiva stessa.

La direttiva 28 del 2009, inoltre, precisa un aspetto essenziale: non tutte le biomasse sono rinnovabili; quando parliamo di energia rinnovabile da biomasse, sia esse che la filiera che seguono, devono essere di un certo tipo, altrimenti l’energia prodotta non è da considerare rinnovabile (non è soggetta a incentivazioni di alcun tipo); il requisito fondamentale è che dalla produzione della materia prima, al condizionamento, trasporto, stoccaggio e conversione energetica finale, deve essere impiegata meno energia di quella prodotta alla fine dalla biomassa.

La direttiva CE del 25 ottobre 2012, n. 27, stabilisce delle misure per promuovere l’efficienza energetica nell’UE e garantire gli obiettivi 20-20-20. Innanzi tutto, ridurre il consumo del 20%, significa produrre 1474 Mtoe di energia primaria nel 2020. Ogni stato membro deve definire gli obbiettivi nazionali indicativi per il 2020, entro il 2013; vanno attuate strategie a lungo termine per ristrutturare gli immobili, con ruolo esemplare da parte degli enti pubblici, che devono ristrutturare il 3% degli edifici a partire dall’1 gennaio 2014. Va fatta una pianificazione strategica e sono previsti rapporti annuali per controllare il progresso verso gli obiettivi nazionali di efficienza energetica.

Una ESCO (Energy Service Company) è una società che fornisce ai clienti servizi per conseguire la massima efficienza energetica. Questi servono a realizzare interventi che razionalizzino l’uso e la generazione locale di energia, ridurre i consumi e usare più efficientemente l’energia. In genere vengono installati nuovi impianti che sfruttano la generazione combinata di energia elettrica e calore (cogenerazione); in questo modo si ottiene un miglioramento dell’efficienza energetica, con un risparmio che permette di far rientrare i costi sostenuti. La trasformazione tecnologica (ed eventualmente la gestione) è condotta dalla ESCO che garantisce il conseguimento dei risultati e guadagna in base agli obbiettivi raggiunti. Solitamente i clienti di una ESCO, sono coloro che: dispongono di impianti obsoleti; non hanno strutture interne con know-how necessario a valutare, predisporre e proporre gli interventi di ristrutturazione; non dispongono di risorse economiche o vogliono usarle diversamente; sono di piccole dimensioni.

Le prime società di servizi energetici in Italia sono nate negli anni ’80, quando i fornitori di combustibili liquidi iniziarono ad offrire il cosiddetto servizio calore; questo tipo di contratto era indirizzato soprattutto alla PA (soprattutto strutture ospedaliere). In genere comprendeva interventi di miglioramento tecnologico, finanziamento dei costi di intervento tramite FTT (finanziamento tramite terzi), gestione operativa pluriennale e pagamento con contratti con canoni forfettari omnicomprensivi.

Le ESPC (Energy Service Provider Companies) sono imprese specializzate nella fornitura di servizi energetici avanzati agli utilizzatori finali. Forniscono e installano impianti e apparecchiature energeticamente efficienti; favoriscono rinnovo e miglioramento di edifici e strutture industriali e la gestione e la manutenzione degli impianti, nonché il management delle strutture e la fornitura di energia. Nel caso delle ESPC, il costo dei servizi energetici è compreso nella tariffa praticata; la ESPC non si assume alcun rischio, né fornisce garanzie in caso di prestazioni energetiche inferiori alla stima (energy performance contracting), al contrario di quanto viene fatto dalle ESCO.

La domanda di energia elettrica in Italia è di circa 30 TWh. Questa è soddisfatta per circa il 30% (produzione netta + importata) da energia prodotta da fonti rinnovabili; più della metà di quest’ultima proviene da grossi impianti idroelettrici; una quota è prodotta da bioenergie, a loro volta divise in: biomasse, biogas e bioliquidi; impianti a biomasse sono quelli a biomasse solide che usano un processo di combustione chimica dalle biomasse per trasformarla in calore; questo è usato per realizzare un cambiamento di stato, facendo evaporare e andare in pressione un fluido (che nella maggior parte dei casi nelle turbine a vapore è vapore) questo fluido prende l’energia prodotta dalla combustione delle biomasse e espandendosi in maniera controllata all’interno di una turbina, ne fa muovere le pale e trasforma la sua energia in un’energia meccanica di movimento. La turbina è collegata ad un alternatore che trasforma l’energia di movimento in energia elettrica. La maggior parte degli impianti a biomasse si basano sul ciclo Rankine. Quella a biogas è la categoria degli impianti a fermentazione anaerobica che utilizzano biomasse fermentescibili per la produzione di biogas (diverso da syngas che è gas di sintesi). Normalmente sia i biogas (da fermentazione anaerobica) che i syngas (da gasificazione) vengono utilizzati nei motori a combustione interna. I bioliquidi sono olii vegetali (pesanti, non raffinati) utilizzati per lo più in motori di alimentazione navale.

La cogenerazione è un aspetto fondamentale nella produzione di energia elettrica da biomasse; è sempre una scelta sbagliata produrre solo elettricità in una centrale a biomasse. Ciò perché esse sono una risorsa limitata, che determina consumi energetici nella fase di approvvigionamento e condizionamento e trasporto. Una caratteristica fondamentale degli impianti a biomasse rispetto a quelli convenzionali è la dimensione che è nettamente inferiore; ciò vuol dire anche efficienza elettrica nettamente più bassa. In un impianto a gas standard di riferimento, si parla di ciclo combinato a gas; ciò perché in un impianto a gas c’è una turbina a gas che produce elettricità e con il calore residuo di questo processo alimenta anche una turbina a vapore quindi è un ciclo combinato turbina a gas-turbina a vapore in cui complessivamente si riescono a raggiungere delle efficienze elettriche (oggi) che sono anche del 60-62%, altissime (rendimento).

Per rendimento elettrico (vale per tutti gli impianti) si intende il rapporto fra l’energia elettrica utile in uscita e l’energia contenuta nel gas naturale in ingresso. Il valore tipico di rendimento elettrico per un impianto a biomasse di taglia fra i 5 e i 10 MW elettrici (per alimentarlo servono 100 mila t annue di biomasse solide) è del 25-26%, quindi meno della metà di quello che possono fare i cicli combinati a gas convenzionali. Si riesce a raggiungere al massimo un rendimento intorno al 30-40% quando utilizziamo un motore a combustione interna che sfrutta soprattutto bioliquidi, quindi olii vegetali. Visti questi bassi rendimenti elettrici, un ciclo a biomasse, che produce sempre tanto calore, sarà necessariamente in cogenerazione, con il calore che può essere sfruttato per i processi produttivi o, meglio ancora, per alimentare un’utenza termica, in modo da usare tutta l’energia contenuta nella biomassa; solo così si ha un beneficio economico perché si ottiene un ricavo sia dalla vendita di elettricità che di calore.

L’efficienza elettrica o l’efficienza termica di un sistema è quella dichiarata dal produttore e corrisponde all’energia che l’impianto può produrre alla potenza nominale, in condizioni standard. Quando in un impianto di cogenerazione si dice, ad esempio, che c’è un rendimento globale dell’85%, non si fa assolutamente riferimento all’efficienza elettrica o termica; vuol dire che il rapporto fra tutta l’energia elettrica più l’energia termica prodotta ed effettivamente utilizzata dall’utenza, fratto l’energia in ingresso, è uguale all’85%.

Il calore da fonti rinnovabili si può produrre con la combustione di biomasse o con il solare termico (quest’ultimo riscalda l’acqua, a differenza del fotovoltaico che produce elettricità). La stragrande maggioranza del calore in Europa è prodotto mediante gas metano normalmente in caldaie a condensazione. Lo stesso vale per i trasporti; il 95% dell’energia è prodotta da combustibili fossili; il restante 5% da combustibili rinnovabili che sono il bioetanolo e biodiesel. Per l’elettricità, la quota prodotta da fonti rinnovabili è maggiore rispetto alle altre categorie (30% circa). Calore, trasporti e elettricità rappresentano le 3 macroaree di domanda energetica.

Biomasse

Si dice biomassa ogni materiale biodegradabile di origine organica, derivante direttamente o indirettamente dalla chimica del carbonio. È considerata fonte rinnovabile perché il C al suo interno è reimmesso in atmosfera nella fase di conversione energetica. Si tratta di varie categorie di materiali con definizioni che variano e possono essere in base agli obbiettivi e agli usi che se ne vogliono fare o in base agli incentivi che si possono ottenere. Comprendono anche rifiuti e sottoprodotti (con specifiche classificazioni e definizioni normative). La biomassa può essere considerata in buona parte come una sottocategoria dei sottoprodotti o rifiuti, che viene trattata con delle agevolazioni rispetto ad essi.

Queste possono essere relative alle procedure autorizzative, oppure per l’ottenimento degli incentivi per la trasformazione energetica, per cui esistono una serie di decreti legislativi. Ai fini delle procedure autorizzative è importante il Testo Unico Ambientale (D. Lgs 152/2006); quest’ultimo indica i requisiti normativi da rispettare in termini di emissioni in atmosfera e una serie di parametri di impianto affinché le varie biomasse possano essere utilizzate ai fini energetici; inoltre definisce precisamente la biomassa. Ai fini dell’ottenimento degli incentivi, invece, tutto ciò che è rinnovabile, anche se rifiuto, ha diritto a sovvenzioni per la produzione di energia termica o elettrica, secondo quanto previsto dal D.M. del 6 luglio 2012, che rivede il quadro degli incentivi per le energie rinnovabili; in base a ciò possono esserci biomasse (che sono rifiuti) che prendono incentivi per la produzione di energia rinnovabile da un lato, ma devono sottostare anche alle normative sui rifiuti per la conversione energetica.

Le procedure autorizzative cambiano a seconda che si tratti di rifiuti o di biomasse. Nel caso di biomasse sono previste, infatti, grosse semplificazioni che non si hanno nel caso di rifiuti. Se però un rifiuto è anche biomassa (es. sottoprodotti dell’industria conserviera), vanno seguite procedure autorizzative più complesse. Ciò diventa un problema sia per quanto riguarda i costi che per le restrizioni previste in termini di emissioni in atmosfera, anche se per questo particolare tipo di prodotto (che è anche una biomassa), si ha diritto agli incentivi come fonte rinnovabile.

La biomassa diventa biocombustibile (o biocarburante nei trasporti) quando viene processata (essiccata, densificata come nel caso del cippato di legno per produrre pellet, trattata con processi meccanici o chimici per essere raffinata). Tutta la filiera di produzione della biomassa, da raccolta, processamento, raffinazione, essiccazione, densificazione, stoccaggio, trasformazione in energia termica o elettrica, è detta anche filiera bioenergetica.

Il Testo Unico Ambientale tratta tutta la normativa in termini ambientali e, in particolare, stabilisce i limiti di emissioni in atmosfera di tutti i tipi di impianti per la produzione di energia, i limiti di emissioni in falda. Per quanto riguarda le biomasse, si fa riferimento alla parte V, allegato X, dove vengono definite le biomasse, i limiti di emissione per le varie categorie di esse e gli standard tecnici da rispettare per gli impianti. I combustibili derivanti da biomasse presenti nell’allegato X sono biodiesel, legna da ardere, carbone di legna, biomasse combustibili, biogas e gas di sintesi (syngas).

Importante è il D. Lgs. 387 del 2003, che stabilisce una serie di misure per facilitare la produzione di energia da fonti rinnovabili; in particolare, gli impianti a fonte rinnovabile devono essere autorizzati secondo un procedimento unico, che comprenda tutti gli enti coinvolti; ciò per accorciare i tempi, che sono uno dei grossi limiti per la realizzazione di questo tipo di impianti. Inoltre, le biomasse sono definite come la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e sottoprodotti.