Giovanni Cardone
L’energia è legata a tutte le attività umane: quando pensiamo o ci muoviamo utilizziamo energia immagazzinata nel nostro corpo; tutti gli oggetti che ci circondano o di cui facciamo uso hanno bisogno di energia per funzionare o ne hanno avuto bisogno per essere costruiti; l’energia illumina e riscalda le nostre case, ci permette di spostarci, alimenta gli strumenti coi quali produciamo il cibo e così via. Pertanto l’uomo ha imparato, nel corso della storia, ad utilizzarla in maniera sempre più efficiente, poiché da ciò è dipeso, sin dai primordi della civiltà, il raggiungimento di un maggiore benessere materiale: il progresso umano è andato di pari passo con le scoperte di nuove fonti energetiche. L’umanità è riuscita a migliorare costantemente la propria qualità della vita grazie ad una crescente disponibilità di energia primaria (il fuoco, l’agricoltura, l’animale, il carbone, il petrolio, il gas, l’acqua, il vento, l’uranio). Tuttavia questo modello di sviluppo, ad alto consumo di materiali e di energia, ha mostrato negli ultimi decenni tutti i suoi effetti collaterali. Infatti l’attuale società vive la contraddizione tra i vantaggi che il progresso le assicura e il degrado dell’ambiente derivante dallo sfruttamento delle risorse, che non possono essere rinnovate con la stessa velocità con la quale sono utilizzate. Lo sviluppo economico e l’aumento dei consumi che si sono avuti nel XX secolo, se da una parte hanno portato benessere per larghi strati della popolazione, dall’altra hanno creato pressioni sull’ambiente. Problemi, quali il deterioramento delle risorse, la perdita della biodiversità, la produzione di rifiuti, l’inquinamento prodotto dall’impiego dei combustibili fossili, dimostrano che la questione ambientale ha una dimensione planetaria. Inoltre oggi circa il 20% della popolazione mondiale utilizza più dell’80% delle risorse naturali disponibili, mentre un altro 20% rimane in condizioni di assoluta povertà. Non vi è perciò alcun dubbio che i paesi più poveri dovranno in futuro poter accedere ad una maggiore quota di risorse per garantire ai propri cittadini più salute e prosperità. Ed è proprio per tutelare la sopravvivenza del pianeta, assieme alla necessità di assicurare una più equa crescita sociale ed economica, che gli Stati si sono impegnati a perseguire un nuovo modello di sviluppo. Negli anni ’70 si iniziò a parlare del conflitto tra crescita economica e demografica e ambiente; per molto tempo la contrapposizione sembrò non avere possibili soluzioni. Ma negli anni ’80 cominciò a farsi strada un’idea, quella dello sviluppo sostenibile, che individua una sintesi del conflitto suddetto. Nel 1987 tale concetto trovò un’adeguata espressione e diffusione con il “Rapporto Brundtland” della Commissione Mondiale per l’Ambiente e lo Sviluppo, che lo definì come “lo sviluppo che consente alla generazione presente di soddisfare i propri bisogni senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare i loro propri bisogni”. Pertanto il conseguimento di quest’obiettivo nel settore dell’energia implica le seguenti tre condizioni: – per quanto riguarda le risorse rinnovabili, i tassi di consumo non devono superare i loro tassi di rigenerazione; – per le risorse non rinnovabili i tassi di consumo non devono superare i tassi di sviluppo di risorse sostitutive rinnovabili; – per quanto riguarda l’inquinamento, i tassi di emissione degli agenti inquinanti non devono superare la capacità di assorbimento e rigenerazione da parte dell’ambiente. D’altra parte, oggi, quasi il 90% dell’energia nel mondo viene prodotta bruciando combustibili fossili, quali petrolio, carbone e metano. Considerando che la domanda globale di energia sta aumentando ad un ritmo di circa il 2% l’anno, si pone il problema di far fronte ad una loro eventuale scarsità. Inoltre è ormai accertato che proprio le attività, che utilizzano combustibili fossili, generano quei gas inquinanti i quali, una volta immessi nell’atmosfera, danneggiano l’ambiente. Gli autoveicoli, gli impianti di riscaldamento, le centrali termoelettriche e le industrie sono i principali responsabili dell’aumento dell’effetto serra, la cui conseguenza più preoccupante è la possibilità che si verifichino cambiamenti globali di clima: la temperatura media della Terra potrebbe aumentare di almeno 2°C entro il 2100. Ciò determinerebbe per alcune regioni la riduzione delle risorse idriche e l’aumento della siccità, con conseguente rischio di desertificazione, mentre per altre significherebbe il fenomeno opposto, crescita delle piogge, degli uragani e delle inondazioni. La conferenza di Kyoto del 1997, molto oltre l’effettivo valore degli impegni assunti, ha segnato il momento dell’acquisizione della coscienza collettiva planetaria della non sostenibilità dei fattori ambientali e climatici dell’attuale modello di sviluppo, in particolare per effetto del ciclo produzione-consumo dell’energia. Infatti il Protocollo, che ne è derivato, impegna i paesi industrializzati e quelli in economia di transizione i paesi dell’est europeo, responsabili del 70% delle emissioni mondiali di gas serra, a ridurle complessivamente del 5.2% rispetto ai livelli del 1990. Inoltre sono state indicate le politiche e le misure che dovranno essere adottate per raggiungere tale traguardo: – promozione dell’efficienza energetica; – sviluppo delle fonti rinnovabili di energia e delle tecnologie innovative per la riduzione delle emissioni; – protezione ed estensione delle foreste per incrementare la capacità del pianeta di assorbire l’anidride carbonica; – promozione dell’agricoltura sostenibile; – misure fiscali appropriate per disincentivare le emissioni di gas serra. L’intento della seguente trattazione è quello di esaminare lo stato dell’arte e le prospettive di sviluppo delle nuove tecnologie in grado di ridurre le emissioni di gas serra nella produzione di energia. Infatti è questo il settore dal quale dipende oltre il 90% delle emissioni di CO2: è necessario ridurre il consumo di combustibili fossili e utilizzare fonti di energia pulite ovvero “emission free”. Le fonti energetiche rinnovabili possiedono due caratteristiche fondamentali, che rendono auspicabile un loro maggiore impiego: la prima consiste nel fatto che esse rinnovano la loro disponibilità in tempi brevi; l’altra è che il loro utilizzo produce un inquinamento ambientale del tutto trascurabile. Tuttavia il loro contributo al bilancio energetico mondiale continua a rimanere modesto rispetto al potenziale tecnico disponibile. La situazione sta cambiando, pur se lentamente. Le attuali tendenze mostrano i notevoli progressi registrati negli ultimi anni in questo settore: i costi stanno diminuendo rapidamente e molte fonti rinnovabili hanno raggiunto la redditività economica o vi sono prossime. Alcune di esse, in particolare l’energia eolica e la geotermia, sono altamente competitive, soprattutto se paragonate ad altre applicazioni decentrate. L’energia solare fotovoltaica, malgrado i suoi costi in rapida diminuzione, rimane più dipendente da condizioni favorevoli. Dunque, nonostante i costi comparati per molte energie rinnovabili stiano diventando meno sfavorevoli, il loro uso spesso è ancora ostacolato da elevati costi iniziali di investimento rispetto agli impianti convenzionali. Ciò è dovuto soprattutto al fatto che oggigiorno i prezzi dell’energia per questi ultimi non riflettono i costi effettivi, compreso il costo esterno, per la società, dei danni ambientali legati al loro impiego. Inoltre le tecnologie dell’energia rinnovabile, come molte altre innovazioni, risentono di un’iniziale mancanza di fiducia da parte degli investitori, dei governi e degli utilizzatori, dovuta a scarsa dimestichezza con il loro potenziale tecnico ed economico e ad una resistenza generale al cambiamento e a nuove idee. Pertanto una politica a favore delle rinnovabili è diventata indispensabile: il progresso tecnologico di per sé non può eliminare i numerosi ostacoli non tecnici che impediscono la loro diffusione sui mercati dell’energia. Senza una strategia chiara e generale il loro sviluppo sarà ritardato. Un quadro stabile a lungo termine per il sostegno delle fonti rinnovabili che copra gli aspetti legislativi, amministrativi, ed economici è infatti la priorità assoluta per gli operatori del settore. La crescita dei consumi energetici nei prossimi decenni, sia nei paesi industrializzati sia in quelli in via di sviluppo, si manifesterà soprattutto mediante l’incremento della domanda di elettricità; basti pensare che circa un terzo della popolazione mondiale non ha accesso ad essa. Pertanto si pone il problema di come soddisfare tale esigenza in modo sostenibile dal punto vista ambientale e delle risorse energetiche. Nel settore elettrico, per ridurre i costi di produzione, si è puntato in passato sull’effetto scala, con aumento delle dimensioni delle centrali fino a 1000 MW. D’altra parte oggi si fa largo l’alternativa della generazione distribuita, cioè l’installazione di sistemi di generazione elettrica, con taglie da qualche decina di kW fino ad alcune decine di MW, collegati alla rete di distribuzione e ubicati nelle vicinanze dell’utente finale. Ci sono vari fattori che incoraggiano tale scelta. Innanzitutto, la liberalizzazione del mercato elettrico in molte nazioni permette l’ingresso di nuovi produttori, i quali, per essere competitivi, non potranno affrontare gli investimenti necessari per la costruzione di una centrale tradizionale. Inoltre le fonti rinnovabili risultano più vantaggiose se sfruttate in prossimità del luogo dove la risorsa naturale è disponibile. Infine in alcuni paesi industrializzati, fra cui l’Italia, le infrastrutture elettriche si sono rivelate del tutto inadeguate a sostenere i crescenti consumi; ciò ha causato dei lunghi black-out. Pertanto la generazione distribuita può rappresentare sia un intervento integrativo per la rete di distribuzione che un modo per tutelarsi dalle inefficienze della fornitura elettrica. Nell’attuale società, altamente dipendente dalle apparecchiature elettroniche, i black-out risultano intollerabili tanto alle utenze commerciali quanto ai privati cittadini. A tale proposito, la tecnologia, che in futuro sembra più idonea per l’affermazione della generazione distribuita, è quella delle celle a combustibile alimentate ad idrogeno. Infatti le celle sono più efficienti dei gruppi elettrogeni costituiti da motori a combustione interna e l’acqua calda da esse prodotte appare ideale per usi termici e sanitari. La diffusione delle fuel cells presuppone la possibilità di approvvigionamento dell’idrogeno. Ma esso non può essere considerato una fonte di energia, in quanto va prodotto mediante la conversione delle fonti energetiche primarie. E’ piuttosto un vettore energetico, cioè un buon sistema per accumulare o trasportare energia. L’idrogeno è un vettore ideale per un modello energetico sostenibile, dato che: – può essere prodotto da una pluralità di fonti, sia fossili che rinnovabili, tra loro intercambiabili e disponibili su larga scala per le generazioni future; – può essere impiegato per applicazioni diversificate, dal trasporto alla generazione di energia elettrica, con un impatto ambientale nullo o estremamente ridotto sia a livello locale che globale. Accanto ai vantaggi, l’introduzione dell’idrogeno presenta ancora numerosi problemi connessi allo sviluppo delle tecnologie necessarie per rendere il suo impiego economico ed affidabile. Quest’aspetto è oggi al centro dei programmi di ricerca di molti paesi. Uno dei problemi più critici è sicuramente quello della produzione; in prospettiva l’idrogeno si potrà ottenere dall’acqua (elettrolisi) ad emissioni zero sfruttando le energie rinnovabili. Attualmente però l’opzione più adoperata è rappresentata dai combustibili fossili (estrazione dell’idrogeno dal carbone, petrolio e gas naturale tramite il “reforming”); la questione da affrontare, in questo caso, è quella della separazione e del sequestro della CO2 prodotta dal processo di estrazione. Inoltre le particolari caratteristiche di questo gas condizionano pesantemente la scelta di sistemi opportuni che consentano di raggiungere facilità di stoccaggio e trasporto nel rispetto di requisiti quali la sicurezza, la tutela dell’ambiente e l’economicità di tali processi. Nonostante le complesse problematiche coinvolte nelle varie fasi della filiera tecnologica dell’idrogeno, al momento esso rappresenta la speranza più concreta per la realizzazione di un sistema energetico non incentrato sui combustibili fossili, ma sulle fonti rinnovabili. La condizione fondamentale, affinché ciò si verifichi, è che l’idrogeno si affermi al più presto come carburante nel settore dei trasporti. La crescente esigenza di mobilità di persone e merci è una caratteristica della società moderna. Ciò è dovuto non solo allo sviluppo economico, ma anche all’aumento del tempo libero, al decentramento delle attività produttive e delle residenze, a modelli di comportamento che percepiscono l’autovettura privata come simbolo di libertà e di affermazione individuale. L’attuale sistema di mobilità, imperniato sulla gomma, è tra le principali cause dell’inquinamento acustico e atmosferico, e della congestione del traffico; fattori che rendono sempre più insostenibile la vita nelle nostre città. Pertanto da qualche anno le aziende automobilistiche ritengono improrogabile lo sviluppo e la commercializzazione del veicolo elettrico. Fra le varie soluzioni, quella più promettente a medio-lungo termine è basata sull’uso dell’idrogeno in veicoli equipaggiati con celle a combustibile. Del resto il motore a combustione interna, ormai utilizzato da più di cento anni, sembra destinato ad un’inevitabile tramonto: il probabile picco della produzione mondiale di petrolio, che nelle migliori delle ipotesi si verificherà fra qualche decennio, farà diventare il prezzo dei combustibili per le autovetture convenzionali alquanto proibitivo. Tuttavia vi sono diversi impedimenti che si oppongono alla penetrazione del veicolo ad idrogeno e che richiedono un notevole sforzo per far sì che la tecnologia si affermi definitivamente su larga scala e non rimanga a lungo nella sua attuale fase sperimentale. Infatti il successo dell’idrogeno nel campo dell’autotrazione esige la predisposizione di una vasta gamma di infrastrutture integrate: occorre sviluppare non solo le celle a combustibile più adatte, ma anche serbatoi per equipaggiare i veicoli, sistemi di trasporto e reti di distribuzione paragonabili a quelli dei carburanti tradizionali. Tutto ciò, ovviamente, costituisce una grossa sfida per i prossimi anni. Una strategia vincente potrebbe essere quella di adeguare l’intero sistema energetico, e non i suoi settori disgiuntamente, alle esigenze necessarie per la transizione ad un’economia all’idrogeno. In altri termini è possibile pensare ad una società in cui le fonti rinnovabili, la generazione distribuita, e le celle a combustibile siano implementate in modo sinergico per il benessere dell’umanità. In particolare ho voluto porre l’attenzione sulle diverse fonti di energia per individuare gli aspetti salienti relativi all’approvvigionamento di ciascuna di esse. Inoltre si descriveranno le implicazioni ambientali, in termini di emissioni di CO2, dovute al mix di combustibili impiegato nei diversi contesti geografici. E per me è importante descrivere le seguenti fonti energetiche rinnovabili: energia eolica, energia geotermica, energia da biomasse, energia solare fotovoltaica e termica. Per ogni fonte si accennerà alla sua storia, alla risorsa naturale coinvolta, al principio di funzionamento, ai vantaggi, ai costi, e al mercato. Ho cercato di capire come avviene la trasformazione dalla generazione distribuita di energia elettrica le motivazioni che inducono a privilegiare questa modalità di fornitura elettrica, senza trascurare, però, il suo impatto sulla rete. Inoltre, dato che le celle a combustibile rappresentano una tecnologia emergente in questo settore, si proporrà una panoramica su di esse. Ma tale discorso non può prescindere dall’uso dell’idrogeno come vettore energetico, pertanto verranno anche esposte le sue caratteristiche salienti. Infine si discuterà della prospettiva di sviluppo più interessante per le fuel cells: il loro impiego nel campo dell’autotrazione. In quest’ambito si evidenzierà la correlazione tra i veicoli ad idrogeno e la generazione distribuita come presupposto di un nuovo sistema energetico, non incentrato più sui combustibili fossili. I dati e le previsioni su cui si basa il seguente paragrafo sono tratti dal “World Energy Outlook 2000”, edito dall’ IEA (International Energy Agency). Quest’edizione è caratterizzata da un periodo di proiezioni che si estende fino al 2020. Esse sono state formulate a partire dai dati storici disponibili nel 1997 per tutte le sorgenti energetiche e le varie regioni mondiali. A tal proposito, in seguito si farà riferimento a due grandi raggruppamenti: le nazioni OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) e quelle non-OECD. Inoltre si distinguerà fra: 1) OECD Europa: Austria, Belgio, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Islanda, Irlanda, Italia, Lussemburgo, Olanda, Norvegia, Polonia, Spagna, Svezia, Svizzera, Turchia, e Regno Unito; 2) OECD Nord America: Canada e Stati Uniti; 3) OECD Pacifico: Australia, Giappone, e Nuova Zelanda. La crescita economica è di gran lunga il più importante fattore che influisce sulle tendenze energetiche; il legame tra domanda di energia e produzione economica rimane stretto. Si prevede che l’economia mondiale possa crescere mediamente del 3.1% all’anno fino al 2020, quando la produzione economica mondiale si sarà raddoppiata rispetto al 1997. Oltre alla crescita, ci sarà la continua ristrutturazione delle economie dei paesi OECD: uno spostamento dai settori ad intenso consumo energetico (industria pesante) verso i servizi (terziario e ICT). I paesi in via di sviluppo hanno delle prospettive di crescita significativamente migliori. La quota di PIL mondiale dei paesi non-OECD salirà dal 46% al 58%. Gran parte di quest’aumento è dovuto all’Asia. La Cina probabilmente rimarrà l’economia con la crescita più veloce al mondo: si prevede che il suo PIL aumenterà con un tasso medio annuo del 5.2% fino al 2020; allora essa avrà di gran lunga la più grande produzione economica sul globo. Pure l’economia dell’India si espanderà rapidamente fino al 2020, con un tasso annuo di circa il 5%. Anche la crescita demografica ha un forte impatto sulle dimensioni e le caratteristiche della domanda energetica. Si ritiene che gli abitanti dell’area OECD aumenteranno con un tasso annuo dello 0.3% durante il periodo di previsione (1997-2020). Al contrario la popolazione delle regioni in via di sviluppo crescerà del 1.3% all’anno fino al 2020. In virtù di queste proiezioni, la popolazione mondiale crescerà dai 6 miliardi attuali ai 7.4 del 2020; la percentuale residente nelle regioni in via di sviluppo aumenterà dal 77% al 81% nel prossimo ventennio. Alla luce di queste tendenze, la fornitura di energia fruibile in questi paesi sarà una sfida sempre più grande e urgente. Basti pensare che circa due dei sei miliardi della popolazione mondiale non ha accesso all’elettricità (soprattutto nelle aree rurali del Terzo Mondo). Si stima che la domanda globale di energia primaria possa crescere del 57% fra il 1997 e il 2020, con un tasso annuo del 2%. Gran parte dell’incremento previsto proverrà dalle regioni in via di sviluppo (Cina, Asia meridionale e orientale, America Latina, Africa e Medio Oriente); infatti esse ne rappresentano il 68% e quelli OECD solo il 37%. Conseguentemente l’attuale quota del 54% dei paesi OECD nella domanda globale di energia scenderà al 44% entro il 2020, mentre quella dei paesi emergenti salirà dal 34% al 45% (figura 1.2). Le cause del forte aumento della domanda in queste nazioni sono: la loro rapida espansione economica ed industriale, la crescita demografica, e l’urbanizzazione. Il Petrolio rimane il combustibile dominante e, con una crescita annuale del 1.9% nel periodo di previsione, la sua quota sarà del 40% nel 2020. La domanda dei paesi non-OECD crescerà tre volte più velocemente di quella dei paesi OECD, raggiungendo il 55% del consumo mondiale di petrolio nel 2020 dagli attuali 43%. Ciononostante, l’OECD Nord America, con una popolazione di 350 milioni, consumerà ancora più petrolio della Cina e dell’India, che hanno una popolazione complessiva di 2.7 miliardi di persone. Gran parte dell’ atteso incremento della domanda petrolifera nel corso dei prossimi due decenni proviene dal settore dei trasporti. Negli OECD i trasporti rappresentano quasi tutto l’aumento; mentre in quelli non-OECD il quadro è un po’ diverso. I trasporti costituiscono ancora una volta gran parte della domanda, ma il petrolio continua ad essere un importante combustibile in altri settori. La Cina e l’India da sole rappresenteranno un terzo dell’ incremento della domanda dei paesi non-OECD: si prevede una crescita annuale del 4.4% in Cina e del 4.5% in India. Il possesso di automobili pro-capite in entrambi i paesi è ancora molto basso: 3.2 veicoli per 1000 abitanti in Cina e 4.5 in India. Al crescere del reddito pro-capite, la domanda di auto e quindi di combustibile per trasporto si impennerà drammaticamente. Dunque la produzione mondiale di petrolio dovrebbe crescere dai 75mb/d(milioni di barili al giorno) del 1997 ai 96mb/d del 2010 fino ai 115mb/d del 2020. A tal proposito emergono tre conseguenze chiave: 1) La fornitura da parte dei paesi non-OPEC (soprattutto Africa Orientale e America Latina) raggiunge la massima espansione e diminuisce dopo il 2010. 2) La produzione OPEC, soprattutto i paesi del Medio Oriente, aumenta costantemente, con un’accelerata nella seconda metà del periodo di previsione. Il Medio Oriente, già la più grande regione esportatrice, vedrà le sue esportazioni salire da 17mb/d nel 1997 a più di 41mb/d entro il 2020. 3) Infine si ha che le regioni, che dipendono maggiormente dalle importazioni per soddisfare una parte significativa del loro fabbisogno di petrolio (le tre aree OECD e non-OECD Asia), diventeranno ancora più dipendenti, sia in termini assoluti sia in termini percentuali rispetto al loro consumo totale di petrolio. Probabilmente l’OPEC fornirà gran parte di quest’incremento. La domanda mondiale prevista di carbone avanza dell’1.7% all’anno, più lentamente della richiesta globale di energia primaria. Pertanto la sua quota diminuisce dal 26% nel 1997 al 24% nel 2020. Le tendenze variano notevolmente fra le diverse regioni, soprattutto in base alla disponibilità di metano ( il principale combustibile alternativo al carbone in tutti i settori ) a prezzi competitivi. L’uso del carbone sarà sempre più confinato alla produzione di elettricità, che rappresenterà l’85% dell’aumento della domanda fra il 1997 e il 2020. Nei paesi OECD il suo consumo cresce solamente dello 0.3% all’anno durante il periodo di previsione. Questa crescita è sostenuta dal settore elettrico; mentre nell’industria la richiesta diminuisce con un tasso annuo del 2%, fino a rappresentare il 6% dell’intera domanda energetica del settore nel 2020. D’altra parte la domanda di carbone nei paesi in via di sviluppo cresce del 2.8% all’anno; esso continuerà a dominare in Cina e India. Queste due nazioni insieme costituiscono il 70% dell’incremento globale di consumo durante il prossimo ventennio; anche in questo caso gran parte di esso è destinato al settore elettrico. Le riserve mondiali di carbone sono circa di mille miliardi di tonnellate, sufficienti per durare 200 anni ai livelli attuali di produzione. Quattro nazioni rappresentano più del 60% delle riserve mondiali: Stati Uniti (25%), Russia (16%), Cina (11%), e Australia (9%). Dal punto di vista dell’economicità della produzione sono più importanti la qualità del carbone e le caratteristiche geologiche delle miniere, piuttosto che le dimensioni delle riserve di un paese. Inoltre, essendo il trasporto spesso una parte considerevole dei costi totali di consegna, l’industria mondiale del carbone rimane dominata da una produzione locale per un uso locale. La produzione in Cina, il più grande produttore mondiale, è in diminuzione dal 1996 a causa di una ristrutturazione del settore, che ha portato alla chiusura di miniere, alla riduzione di scorte, e al calo del consumo nell’industria e nell’uso residenziale. Le importazioni europee sono aumentate, dal momento in cui la chiusura di miniere ineffic ienti ha generato la necessità di approvvigionamenti di carbone da altre fonti. La ristrutturazione dell’industria carbonifera in Europa ha causato una caduta verticale della produzione interna. Le riserve di carbone sono abbondanti e ampiamente sparse geograficamente. I paesi importatori avranno la possibilità di scegliere i propri fornitori, disponendo così di una varietà di approvvigionamento per assicurarsi l’affidabilità e la qualità del prodotto. Mentre la domanda di metano crescerà con un tasso annuo del 2.7% nel periodo di previsione; la sua quota nella domanda energetica mondiale aumenta dal 22% del 1997 al 26% del 2020. Gran parte di quest’aumento avverrà a spese dell’energia nucleare e del carbone: si prevede che la richiesta di metano supererà quella del carbone dopo il 2010. La domanda è più forte nei paesi non-OECD, crescendo del 3.5%; mentre in quelli OECD essa cresce del 1.9% all’anno. La percentuale di domanda totale di metano dei non-OECD raggiunge il 56% entro il 2020 contro il 48% del 1997. Nella maggior parte delle nazioni, il fabbisogno di metano aumenta soprattutto per soddisfare le esigenze della generazione di elettricità. Il suo uso per le centrali elettriche cresce più del 4% all’anno; mentre la produzione di questi impianti aumenta ancora più rapidamente (il 5.7% all’anno) a causa dei continui miglioramenti nell’efficienza termica delle turbine a gas a ciclo combinato (CCGT). Quest’ultimo fattore e gli insiti vantaggi ambientali del metano rispetto agli altri combustibili fossili (minori emissioni di CO2) fanno sì che esso stia diventando il combustibile preferito dalle centrali elettriche. Le risorse di metano sono più che sufficienti a soddisfare l’incremento previsto della domanda: la produzione totale fino ad oggi rappresenta solo l’11% delle riserve totali. Tuttavia, anche se esse sono immense e abbondanti, non sempre il metano è ubicato convenientemente nei pressi dei luoghi di utilizzazione. Il suo trasporto è costoso, sia mediante gasdotti che nella forma di gas liquefatto (LNG). Per questa ragione nessun vero mercato globale esiste per il metano. Dove è fattibile, lo scambio internazionale avverrà principalmente mediante i gasdotti: il modo più economico per trasportare grandi volumi, soprattutto quando è possibile costruire condotte terrestri. Infatti i gasdotti continueranno ad essere il mezzo di trasporto per il gas naturale dal Nord Africa e dalla Russia ai crescenti mercati europei, per lo scambio oltreconfine in America Latina e per le esportazioni dal Canada agli Stati Uniti. L’energia nucleare ha rappresentato il 7% dell’approvvigionamento globale di energia primaria nel 1997, fornendo il 17% dell’elettricità mondiale. Dopo aver raggiunto il massimo attorno al 2010, la produzione di energia nucleare è destinata a diminuire costantemente fino al 2020. La sua quota nella domanda globale cadrà al 5% nel 2020. L’energia nucleare crescerà solo in pochi paesi, soprattutto in Asia; mentre l’atteso ritiro di un certo numero di reattori esistenti negli OECD determinerà un suo declino in queste nazioni. Mentre le fonti rinnovabili si prevede che saranno la sorgente energetica dalla crescita più veloce, con un tasso annuo del 2.8% nel periodo di previsione. Nonostante ciò, la loro quota salirà solo al 3% nel 2020. Le preoccupazioni circa il cambiamento climatico dovuto alle emissioni di gas serra incoraggiano lo sviluppo delle fonti rinnovabili, ma il relativo basso costo dei combustibili fossili lo limiterà. Per soddisfare la crescente domanda di elettricità, la produzione mondiale dovrà aumentare del 2.7% all’anno fra il 1997 e il 2020. Verrà utilizzato il metano per fronteggiare questi incrementi, soprattutto dove esso è disponibile e fino a quando il suo prezzo rimarrà basso. Il carbone sarà sfruttato nei paesi aventi miniere proprie; mentre i contributi dell’energia idroelettrica, del nucleare e del petrolio diminuiranno. Le fonti rinnovabili si diffonderanno rapidamente, ma la loro quota nel mix dei combustibili usati dal settore elettrico rimarrà piccola. Verosimilmente il carbone manterrà a livello mondiale il suo ruolo di principale risorsa per la generazione di elettricità durante il periodo di previsione (figura 3.9). Nei paesi OECD l’utilizzo del carbone diminuisce nel tempo; tuttavia, nell’assenza di più stringenti norme a tutela dell’ambiente, nuove centrali a carbone potrebbero essere costruite a partire dal 2010, quando il prezzo del metano si alzerà. L’elettricità dovuta al carbone aumenterà nei paesi OECD dai 3328 TW/h del 1997 ai 4278 TW/h del 2020, ma la sua quota nel mix elettrico scende di quattro punti percentuali. Il carbone rimarrà il più importante combustibile per l’elettricità in molti paesi in via di sviluppo: tale tipo di produzione potrebbe triplicarsi entro il 2020 in queste nazioni. L’India e la Cina mostrano la più grande crescita in questo settore e potrebbero rappresentare il 40% della produzione mondiale. La generazione elettrica globale dovuta al metano sarà più di tre volte superiore ai livelli attuali nel 2020, quando la sua quota si raddoppierà. Si stima che il gas naturale possa divenire la seconda fonte del settore elettrico entro il prossimo decennio, sorpassando sia l’energia idroelettrica che quella nucleare. Gli impianti CCGT sono diventati l’opzione preferita per molte nuove centrali, soprattutto nei paesi OECD, per i loro vantaggi economici, tecnici, ed ambientali. Per esempio, i costi di istallazione sono la metà di quelli necessari per gli impianti a carbone. Il petrolio ha rappresentato il 9% della produzione mondiale di elettricità nel 1997. La sua quota, che è diminuita costantemente fin dalla prima crisi petrolifera, è destinata ad attestarsi al solo 6% nel 2020. La generazione elettrica mediante petrolio aumenta nei paesi in via di sviluppo, anche se non così velocemente da farle conservare la sua posizione nel settore. Infatti parecchie nazioni del Terzo Mondo hanno intenzione di costruire centrali termoelettriche alimentate a petrolio durante il periodo di previsione. L’energia nucleare ha fornito 2393 TW/h di elettricità nel 1997, circa il 17% della produzione mondiale. Oggi 435 centrali nucleari sono operative in 31 nazioni con una capacità di 352 GW, circa l’11% di quella globale. L’energia nucleare ha ricevuto un forte impulso negli anni ’70 dopo le crisi petrolifere, quando molti paesi l’hanno ritenuta una fonte stabile ed economica, che avrebbe aumentato la sicurezza dell’approvvigionamento. La crescita si è fermata nell’ultimo decennio, a causa dei prezzi bassi dei combustibili fossili, che hanno reso la produzione elettrica da carbone e da metano più competitiva, e a causa delle preoccupazioni dell’opinione pubblica in seguito all’incidente di Cheronobyl del 1986. La quota prevista per il nucleare nel settore elettrico precipiterà al 9% nel 2020. I paesi OECD detengono attualmente più dei 4/5 delle centrali nucleari istallate nel mondo: l’energia atomica fornisce circa 1/4 della loro produzione di elettricità ed è la seconda fonte dopo il carbone. Tuttavia le chiusure previste fino al 2020 sono quasi il 30% dei reattori esistenti. Gran parte della futura crescita del nucleare avverrà nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in Asia. L’energia idroelettrica, la seconda sorgente mondiale di elettricità, fornisce più del 18% della potenza globale. Essa è l’unica fonte rinnovabile di elettricità che è stata sfruttata su larga scala: alla fine del 1997 la capacità istallata era di 738 GW. La crescita prevista in questo settore è del 1.8% all’anno; ciononostante, la quota dell’idroelettrica scenderà al 15% nel 2020. Essa ha svolto un ruolo importante nei primi anni di sviluppo del settore elettrico nell’area OECD, ma la sua importanza è da allora diminuita nella maggior parte di queste nazioni. Nel 1960 rappresentava l’82% dell’elettricità generata in Italia, il 51% in Giappone e il 18% negli Stati Uniti; queste percentuali sono precipitate rispettivamente a: 16%, 9%, e 8% nel 1997. Gran parte dei siti migliori nei paesi OECD sono stati già sfruttati e questioni ambientali ostacolano nuove costruzioni. Pertanto in queste regioni l’energia idroelettrica crescerà solo dello 0.5% all’anno durante il periodo di previsione. D’altra parte i paesi in via di sviluppo rappresentano l’80% del previsto aumento che il settore avrà fino al 2020. Si prevede che i 3/4 di tale incremento avvenga in Cina e in America Latina. L’energia rinnovabile non idroelettrica rappresenta una piccola ma crescente percentuale dell’elettricità globale (circa l’1.5% nel 1997): si prevede che salga al 2.3% entro il 2020. I paesi OECD ne producono la maggior parte, ma diversi paesi in via di sviluppo sono fra i leader mondiali nell’elettricità da fonti rinnovabili. Le Filippine e l’Indonesia occupano rispettivamente il secondo e il sesto posto nella produzione elettrica con l’energia geotermica; l’India e la Cina stanno promovendo attivamente la diffusione dell’energia eolica. La produzione di elettricità mediante le fonti rinnovabili è generalmente costosa se paragonata con le modalità che utilizzano i combustibili fossili, specialmente rispetto agli impianti CCGT. I costi delle tecnologie rinnovabili potrebbero diminuire nel prossimo futuro, ma, nel frattempo, le efficienze delle centrali termoelettriche dovrebbero migliorare, compensando in parte gli aumenti previsti degli idrocarburi. Inoltre nei mercati energetici liberalizzati, le aziende tenderanno a scegliere le opzioni più redditizie dal punto di vista economico per produrre elettricità e tecnologie già sperimentate. Nell’area OECD, la quantità di elettricità dovuta alle fonti rinnovabili cresce tre volte più velocemente della domanda totale: la sua quota si raddoppia, passando dal 2% del 1997 al 4% del 2020. Nei paesi del Terzo Mondo le fonti rinnovabili possono giocare un ruolo importante per l’approvvigionamento elettrico nelle località remote, come parte integrante dei programmi di sviluppo delle zone rurali. Si stima che esse potranno fornire poco più dell’1% dell’elettricità totale in queste regioni nel 2020. L’energia eolica e le biomasse daranno il contributo maggiore in questo settore. In particolare queste ultime rappresentano i 3/4 dell’elettricità rinnovabile; nel 2020 tale quota sarà del 50%. D’altra parte nell’OECD Europa si riscontrerà gran parte dello sviluppo dell’energia eolica; essa nel 2020 potrebbe attestarsi al 30% nel mercato mondiale di elettricità ecologica. Dunque in base ai dati appena esposti, si stima che circa 3000 GW di nuova capacità produttiva dovrà essere istallata a livello mondiale nel prossimo ventennio. Circa 1/5 di essa dovrà sostituire le centrali esistenti, mentre la parte restante dovrà soddisfare l’incremento della domanda. Più di 1/3 dei nuovi impianti sarà realizzato nei paesi OECD, dove alcune vecchie centrali termoelettriche e circa il 30% dei reattori nucleari saranno ritirati dal mercato durante il periodo di previsione. Più della metà della nuova capacità prevista entro il 2020 verrà realizzata nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in Asia. Gli investimenti stimati per le nuove centrali elettriche, includendo i costi per le nuove linee di trasmissione e di distribuzione, sono di 3000 miliardi di dollari ai prezzi attuali. Ovviamente gran parte di questi soldi (1700 miliardi di dollari) dovrà essere spesa nel Terzo Mondo, che, pertanto, affronta il problema del reperimento dei fondi necessari per l’espansione del settore elettrico. La sfida è quella di raggiungere un tasso di elettrificazione delle case che ecceda quello di crescita della popolazione. I costi umani ed economici di un accesso non disponibile all’elettricità sono enormi: esso rallenta i progressi dell’istruzione, della sanità e della produzione industriale. L’elettricità è l’unico mezzo efficace per fornire servizi essenziali come l’illuminazione, la refrigerazione, e l’acqua mediante piccole pompe. A tale proposito gli obiettivi politici di queste nazioni dovranno essere essenzialmente due: 1) attrarre investimenti privati per l’istallazione di nuova capacità produttiva e per l’estensione della rete, all’interno di un programma di liberalizzazione del mercato; 2) aiutare gli utenti più poveri a pagare le spese di connessione. Dunque una significativa riduzione del numero di persone prive della fornitura elettrica non potrà prescindere da una stretta cooperazione fra i paesi industrializzati e quelli in via di sviluppo, come pure fra il settore pubblico e quello privato. Il clima del pianeta viene controllato in gran parte dalla composizione dell’atmosfera, e in particolare dalla concentrazione dei cosiddetti gas serra, che sono trasparenti alla radiazione solare incidente ma opachi alla radiazione emessa dalla terra. Il principale gas serra è il vapore d’acqua, i cui livelli in atmosfera sono determinati dall’equilibrio naturale tra evaporazione e precipitazioni, e non sono direttamente influenzati dalle attività umane. Seguono in ordine di importanza l’anidride carbonica, il metano, alcuni ossidi di azoto, l’ozono e altri composti presenti naturalmente in tracce che, insieme al vapore d’acqua, fanno sì che la temperatura media del pianeta sia di +15°C invece di –19°C. Ai gas serra naturali si sommano quelli di origine antropica, che in parte sono gli stessi di quelli naturali e in parte sono gas artificiali, come i composti alogenati (clorofluorocarburi, idroclorofluorocarburi, idrofluorocarburi); essi provocano un effetto serra aggiuntivo rispetto a quello naturale. Dunque per quanto non ancora definitivamente provato, esistono i presupposti per collegare il cambiamento climatico, riconducibile al riscaldamento del Pianeta, alle crescenti emissioni di gas serra di origine antropica. I dati disponibili indicano in modo univoco che le concentrazioni atmosferiche dei cosiddetti gas climalteranti sono notevolmente aumentate rispetto all’epoca preindustriale: la temperatura media globale dei bassi strati dell’atmosfera si è alzata rispetto alla fine del XIX secolo di un valore medio globale di 0.6°C. Queste tendenze, se confermate nei prossimi anni, lasciano spazio ad ipotesi di innalzamento del livello dei mari, di maggiore frequenza di piene e inondazioni, di impatti sulle colture agricole e sulla biodiversità. Per quanto le previsioni di aumento della temperatura media al 2100 varino da 2 a 3.5°C, esiste un generale consenso sulla necessità e sull’urgenza di politiche di riduzione delle emissioni di gas serra. In quest’ambito si colloca il Protocollo alla Convenzione Quadro sui Cambiamenti Climatici che, essendo stato siglato a Kyoto nel Dicembre 1997, viene universalmente indicato con il nome di “Protocollo di Kyoto”. Esso pone l’attenzione su sei gas: anidride carbonica (CO2), metano (CH4), protossido di azoto (N2O), idrofluorocarburi (HFC), perfluorocarburi (PFC) ed esafluoruro di zolfo (SF6). Poiché la capacità specifica per unità di massa di ciascun gas di contribuire all’effetto serra è ampiamente diversa, al fine di definire un unico parametro significativo del potere riscaldante effettivo, è stato introdotto il concetto di massa di CO2 equivalente, ovvero quel quantitativo teorico di anidride carbonica che presenta, ai fini dell’effetto serra, lo stesso effetto del quantitativo reale del gas preso in considerazione. Tale trattato impegna i paesi industrializzati e i paesi dell’est europeo a ridurre entro il 2008-2012 le loro emissioni annue complessive del 5.2% rispetto ai livelli del 1990. Gli obiettivi per le singole nazioni sono differenziati; per esempio: Russia, Ucraina e Nuova Zelanda 0%; Canada, Ungheria, Polonia e Giappone – 6%; U.S.A. – 7%; Unione Europea – 8%. Le emissioni totali di CO2 a livello mondiale cresceranno più velocemente della domanda energetica durante il periodo di previsione e con un tasso maggiore rispetto al passato. Mentre la quota dei combustibili fossili nel mix di energia primaria è diminuita a partire dal 1971, essa aumenterà leggermente nel prossimo futuro. L’attesa diffusione delle fonti rinnovabili non potrà compensare il declino dell’energia nucleare e di quella idroelettrica. Le proiezioni energetiche suddette implicano un costante aumento delle emissioni globali di CO2, con un tasso del 2.1% all’anno nel periodo 1997-2020, per un incremento totale del 60%. I paesi emergenti contribuiscono pesantemente a questo fenomeno, come conseguenza della loro crescente domanda energetica. Nel 1997 i paesi OECD sono state responsabili del 51% delle emissioni totali di CO2, mentre i paesi in via di sviluppo per il 38%. Entro il 2020, questi ultimi rappresenteranno il 50% e i primi il 40% ; in altri termini i ruoli si saranno invertiti. I settori principalmente responsabili dell’aumento di emissioni globali sono due: quello elettrico e quello dei trasporti. Si stima che le emissioni totali di CO2 dovute alla produzione elettrica cresceranno del 76% entro il 2020 e ne rappresenteranno una porzione sempre maggiore: si passa dal 34% del 1997 al 37% del 2020. Nel corso dei tre decenni passati l’inquinamento atmosferico è aumentato con un tasso inferiore a quello della generazione di elettricità, ma questa tendenza non continuerà nel futuro. Dal 1971 al 1997 la quota dei combustibili fossili nel mix elettrico diminuì di dieci punti percentuali, soprattutto per merito dello sviluppo su larga scala dell’energia nucleare nei paesi OECD. Invece ora si prevede che questo settore diventerà più dipendente dagli idrocarburi; ciò costituisce il motivo per cui l’andamento delle emissioni seguirà da vicino quello dell’elettricità. Tuttavia il previsto incremento dell’efficienza termica delle centrali e il maggior utilizzo del gas naturale attenuano in qualche modo quest’effetto. Nell’area OECD le emissioni provenienti dalla produzione elettrica saliranno del 33% nel 2020 rispetto ai loro livelli del 1997. Differenze emergono tra le tre diverse regioni di quest’area: mentre ci saranno delle riduzioni in Europa e nel Pacifico, la situazione del Nord America rimarrà pressoché invariata, a causa del notevole quantitativo di carbone utilizzato dalle centrali elettriche. Il contributo dei paesi in via di sviluppo alle emissioni globali è molto pronunciato in questo settore: essi ne rappresentano più dei 2/3 dell’incremento totale; pertanto la loro quota passerà dal 33% al 50% entro il 2020. La rapida crescita della domanda, l’ingente consumo di carbone e l’uso di tecnologie meno efficienti rispetto a quelle dei paesi OECD spiegano ampiamente questo scenario. Entro il 2020 l’efficienza media delle loro centrali elettriche a carbone sarà leggermente inferiore a quella degli impianti attualmente operanti nell’area OECD. Pertanto risulta chiaro che le scelte tecnologiche per la produzione elettrica in queste nazioni saranno di fondamentale importanza per un’azione di successo nel contenimento delle emissioni globali dei gas serra. Anche i trasporti contribuiscono pesantemente all’inquinamento atmosferico, soprattutto nell’area OECD; essi saranno responsabili del 26% dell’aumento delle emissioni totali fra il 1997 e il 2020. Il crescente consumo di petrolio dovrebbe determinare un incremento del 75% per le emissioni di questo settore entro il 2020, quando esso rappresenterà circa 1/4 di quelle dovute a tutte le attività energetiche. La continua crescita della popolazione mondiale e la naturale aspirazione dei paesi in via di sviluppo a raggiungere standard economici e di qualità della vita vicini a quelli dei paesi industrializzati sono le principali cause dell’incremento inarrestabile della domanda di energia e del contemporaneo aumento delle emissioni di gas serra. Soddisfare tale domanda, mantenendo questi gas a livelli non pericolosi per l’ambiente e riducendo così il rischio di cambiamenti climatici nel medio termine, rappresenta la sfida tecnologica del XXI secolo. Essa può essere vinta solo con l’aumento dell’efficienza dei sistemi, la riduzione del consumo di idrocarburi, e l’impiego di fonti a basso o nullo impatto ambientale, quali le rinnovabili e l’idrogeno. Il ricorso alle fonti energetiche rinnovabili offre numerosi vantaggi. Innanzitutto lo sfruttamento di risorse “indigene” contribuisce ad una maggiore sicurezza nell’approvvigionamento e ad una riduzione di importazione di energia dall’estero. Le esigenze e le risorse variano in relazione alle diverse situazioni nazionali, ma le fonti rinnovabili sono largamente disponibili tanto nei paesi industrializzati quanto in quelli in via di sviluppo. L’impiego di queste fonti energetiche crea le condizioni favorevoli allo sviluppo economico: esse offrono nuove opportunità di lavoro, di investimenti e di creazione di reddito per le comunità locali e le aree rurali che maggiormente necessitano di tali benefici. In alcune zone geografiche, dove non esistono infrastrutture per la distribuzione e/o la produzione di elettricità da combustibili fossili, l’impiego delle rinnovabili può costituire l’opzione economicamente più conveniente. Infine gli impianti ad energia rinnovabile hanno un impatto sulla salute e sul cambiamento climatico praticamente nullo se confrontato con quello dovuto all’utilizzo dei combustibili fossili. Per tutte queste ragioni le fonti energetiche rinnovabili sono un sistema efficace per contribuire al fabbisogno mondiale di energia. Tuttavia il successo di questo settore esige il superamento di una serie di barriere: costi, infrastrutture umane e tecniche insufficienti, incentivi inadeguati e politiche non coerenti. Inoltre senza un’opportuna evoluzione della cultura energetico ambientale si potrebbero incontrare ostacoli insormontabili. Dunque deve essere sviluppato un progetto che affronti in maniera organica gli aspetti connessi alla formazione e all’informazione. Un approccio corretto al tema deve partire dalla premessa che le iniziative di promozione delle rinnovabili debbano essere accettate e non subite dall’opinione pubblica. Anche la generazione distribuita (GD) è una tecnologia candidata ad alleviare i problemi ambientali in aree ad elevata intensità energetica ed abitativa. Tuttavia il suo sviluppo è ai primi stadi, al punto che definizioni e normative dedicate sono ancora carenti; è importante trovare al più presto accordi in questo senso. Tra le opportunità di diffusione su cui la GD può appoggiarsi, una è sicuramente l’implementazione di modalità di sfruttamento dell’energia primaria del tutto peculiari, come la cogenerazione e l’utilizzo delle fonti rinnovabili. D’altra parte un ostacolo evidente fino a non molto tempo addietro era tipo tecnologico, ma questa barriera sembra diventare sempre meno critica: i generatori piccoli e medio-piccoli sono sempre più efficienti, meglio gestibili, e meno costosi. A tale proposito bisogna sottolineare la svolta che potrebbe verificarsi in questo settore con l’impiego delle celle a combustibile alimentate ad idrogeno. Inoltre non si può trascurare l’impatto della GD sulle infrastrutture elettriche: in futuro sarà certamente necessario modificare il ruolo della rete di distribuzione, che non avrà più la sola funzione di portare l’energia agli utenti finali, ma anche quella di consentire un accesso al mercato della generazione a nuovi soggetti. In definitiva il potenziale sviluppo della generazione distribuita è essenzialmente legato alla realizzazione di un libero mercato dell’energia, alla necessità sempre più impellente di produrre elettricità in modo ecosostenibile, di conseguire un risparmio delle fonti energetiche non rinnovabili e di diversificare l’approvvigionamento. Dunque nell’ambito della generazione distribuita ci si imbatte nelle celle a combustibile, a causa dell’impulso che esse potrebbero imprimere al settore. Ma è la loro applicazione nel campo dell’autotrazione a rappresentare una vera e propria rivoluzione: la transizione da una società basata sul petrolio ad una incentrata sull’idrogeno. Il verificarsi di questo passaggio epocale dipende da molteplici fattori, sia tecnologici che strutturali, ma soprattutto dalla consapevolezza da parte dei governi e dei cittadini che la questione di uno sviluppo energetico sostenibile non è più rinviabile.
