Valutazione del bilancio energetico nella produzione di energia da fonti rinnovabili - Cap 1 Combustibili fossili - tesi di laurea Elisa Samori


    Università degli studi di Ferrara Relatore: Dott. Mirco Andreotti Laureando: Elisa Samorí A.A. 2009/2010

    Capitolo 1 Combustibili fossili

    Quando parliamo di fonti di energia facciamo riferimento a qualche cosa di fisico che può essere trasformato, mediante diversi processi, in una o piú forme di energia, le quali a volte possono essere convertite una nell’altra.

    Un esempio di conversione può essere rappresentato dalla trasformazione dell’energia elettromagnetica del Sole in energia elettrica attraverso l’utilizzo di pannelli fotovoltaici.

    In merito alle fonti di energia vengono solitamente proposte due classificazioni le quali possono essere individuate come:

    • fonti primarie / secondarie.
    • fonti non rinnovabili / rinnovabili.

    Per quanto riguarda la prima tipologia di classificazione, per primarie si intendono tutte quelle fonti che sono presenti direttamente in natura, ad esempio petrolio, carbone, gas naturale, vento, energia solare, mentre per secondarie tutte quelle non direttamente presenti ma piuttosto ricavabili dalle fonti primarie attraverso metodi di trasformazione.

    La seconda tipologia di classificazione fa invece riferimento alle caratteristiche intrinseche della risorsa dalla quale ricaviamo energia, facendo una distinzione tra le risorse “finite”, ovvero quelle non rinnovabili, come carbone, petrolio, gas naturali, uranio e quelle la cui reperibilità non viene minacciata dallo sfruttamento della risorsa stessa, definite quindi rinnovabili, come la luce solare.

    Prendiamo ora in considerazione un tipo di fonte primaria ma non rinnovabile ovvero i combustibili fossili.

    L’energia che essi forniscono è utilizzata in sistemi a combustione e per funzionamento di motori per la produzione di energia elettrica. In particolare i dati statistici su valori di produzione e consumo di energia elettrica in Italia, sono redatti e pubblicati da Terna [33], l’ente che se occupa a partire dal 2000 tramite la gestione di un sito specializzato chiamato GSE, dal quale è stato possibile ricavare alcuni dati inerenti al nostro Paese.

    Secondo Terna la produzione elettrica netta in Italia nel 2009 è da attestarsi sui 221102 GWh complessivi, dei quali la maggior parte deriva dall’utilizzo di combustibili fossili.

    Parlando invece di consumo a livello mondiale di energia primaria, secondo i dati riportati in Energia per l’astronave Terra [1], questo si aggirerebbe attorno ai 400 EJ dei quali 300 EJ deriverebbe dai combustibili fossili.

    1 Caratteristiche generali

    Parlando di fonti di energia primaria Armaroli e Balzani [1] riportano le seguenti percentuali riferite alla produzione mondiale di energia.

    • petrolio 35%
    • carbone 25%
    • gas naturale 21%
    • biomassa 10%
    • energia nucleare 6,5%
    • idroelettrico 2%
    • nuove e rinnovabili 0,5%

    Dai dati risulta chiaro che oltre l’80% dell’energia che il mondo utilizza deriva dai combustibili fossili.

    Per combustibili fossili intendiamo tutti quei combustibili che derivano da processi di carbogenesi di materia organica, ovvero una trasformazione chimica che si attua nel corso di ere geologiche e che inizia col seppellimento della materia organica stessa, in condizioni di scarsa ossigenazione.

    Grazie alla carbogenesi si assiste ad una progressiva diminuzione di elementi come ossigeno, azoto ed idrogeno a favore di un aumento del tenore di carbonio all’interno della materia organica seppellita; maggiore è la durata del processo, maggiore sarà la quantità di carbonio riscontrabile.

    I derivati di questo lentissimo processo si presentano quindi secondo tre stati di aggregazione: solido (carbone), liquido (petrolio) e gassoso (gas naturale).

    Ciò che risulta evidente è la lentezza del processo di formazione, che rappresenta il motivo principale per cui queste risorse sono considerate “finite” e non rinnovabili: una volta esaurito il combustibile fossile, prima di poterne disporre in quantità significative dovranno passare milioni di anni.

    I motivi per cui questi tipi di combustibili sono stati enormemente sfruttati nel tempo sono da ricercare nelle loro caratteristiche intrinseche: essi infatti presentano un alto rapporto energia / volume, sono facilmente trasportabili ed immagazzinabili, soprattutto possono essere utilizzati con macchinari relativamente semplici.

    Accanto a questi vantaggi si presentano al contempo problematiche non trascurabili imputabili all’utilizzo, le quali rappresentano il motivo per cui si è alla costante ricerca di soluzioni energetiche alternative.

    2 Sostanze prodotte
    1.2.1 Il problema della CO2

    Una prima conseguenza dell’utilizzo dei combustibili fossili è l’incremento della quantità di CO2 nell’atmosfera, considerata oggi la causa primaria del riscaldamento globale, inoltre i combustibili fossili sono riconosciuti come inquinanti anche a causa dell’emissione di gas come l’anidride solforosa, ovvero SO2, la quale assieme alla CO2 sta determinando un problema conosciuto come acidificazione degli oceani.

    L’aumento di anidride carbonica in atmosfera è la diretta conseguenza della trasformazione chimica che si attua dal momento in cui i combustibili fossili sono fatti reagire con l’ossigeno che si trova nell’aria, ovvero al momento della combustione: i legami chimici C-C e C-H tenderanno quindi a rompersi a favore dei legami ovvero C-O e H-O che sono alla base della formazione di anidride carbonica ed acqua.

    In merito si possono fare alcune considerazioni sulla benzina, la quale è ottenuta dalla lavorazione del petrolio: 1 g di essa, dal momento in cui reagisce con l’ossigeno, sviluppa una quantità di calore stimabile attorno a 47.8 kJ e genera come prodotti di reazione acqua e 3.08 g di CO2.

    Il primo dato particolarmente interessante che si ricava è che per ottenere energia attraverso la benzina si produce una quantità di anidride carbonica pari a 3 volte il peso stesso del combustibile, significa che per ogni gallone vengono emessi in atmosfera 8.8 kg di CO2.

    Ai ritmi attuali di consumo di combustibile, ogni anno vengono immessi in atmosfera quasi 30 miliardi di tonnellate di CO2, la quale rappresenta sicuramente una quantità considerevole soprattutto se si considerano le implicazioni: se questi valori dovessero aumentare ulteriormente, la conseguenza diretta sarebbe un aumento medio della temperatura globale, che oltre a essere causa di un cambiamento climatico rilevante determinerebbe anche l’aumento dei livelli del mare [1].

    In riferimento a questi si stima che un raddoppio della concentrazione di CO2 potrebbe comportare un aumento medio di 3oC, come riportato da Armaroli e Balzani [1].

    Alcuni dati riguardanti la concentrazione di CO2 vengono inoltre riportati dalla rivista Le Scienze [25], il quale mette in luce che ad oggi la concentrazione di CO2 sarebbe di 387 ppm.

    In merito si discute su quali siano i livelli complessivi di gas serra in grado di causare cambiamenti pericolos: i valori ipotizzati sono compresi tra 350 e 550 ppm di CO2 e (ovvero anidride carbonica equivalente la quale esprime la concentrazione di tutti i gas serra combinanti).

    L’obiettivo che ci si pone, e che spinge a cercare valide soluzioni alternative, sarebbe quello di far rientrare questi valori al di sotto di 350 ppm. I primi dati scientifici dell’aumento della CO2 nell’atmosfera risalgono al 1957, ma solo nel 1992 al convegno di Rio de Janeiro l’organismo creato appositamente, ovvero l’IPCC [2] (International Panel on Climate Change), produce un accordo che mira alla riduzione delle emissioni dei gas serra e tale accordo viene modificato ed approvato a Kyoto nel 1997: questo protocollo prevede quindi la diminuzione delle emissioni entro il 2012 di una percentuale compresa tra il 5% ed il 10 % rispetto ai valori di riferimento del 1990.

    Figura 1.1: Aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera secondo le rilevazioni del IPCC [2].

    1.2.2 Acidificazione degli oceani

    Un altro degli effetti collaterali prodotti dell’anidride carbonica, come già accennato, sarebbe l’acidificazione degli oceani: la CO23 che entra nell’oceano diminuisce la disponibilità di ioni di carbonato ( CO3-2) e riduce il pH marino.

    Il pH che normalmente si riscontra negli oceani si attesta su valori di 8.16, per cui possiamo dire che essi tendono ad essere basici: in seguito a questo processo di acidificazione il valore sta lentamente calando portandosi a 8.05 come riscontrato dai ricercatori dello Scripps Institution of Oceanograph[16].

    Questi cambiamenti nella chimica possono ostacolare la capacità di una grande varietà di organismi marini, come i coralli a formare le loro strutture protettive e a calcificarsi.

    I ricercatori ritengono infatti che, in fasi cruciali della vita di molti invertebrati marini, l’acidificazione degli oceani inibisce la calcificazione e, inoltre, sembra influire sulla riproduzione e la crescita. Grazie alla sensibilità all’acidificazione, questi organismi possono essere utilizzati come indicatori per valutare il cambiamento chimico, soprattutto attraverso la valutazione del livello di aragonite presente (un minerale utilizzato nel processo di costruzione delle strutture protettive).

    In questo caso è possibile individuare come valore limite di saturazione 2.75 ppm: i valori attuali riportano un 2.90 ppm mentre quelli preindustriali 3.44 ppm e ciò dimostra come l’acidificazione stia rendendo meno accessibile questo composto per gli organismi [17].

    1.2.3 Poveri sottili:

    L’uso dei combustibili fossili immette nell’atmosfera, oltre all’anidride carbonica, anche un gran numero di sostanze dannose alla salute per diverse ragioni. Nei giacimenti i combustibili sono speso mescolati a quantità più o meno rilevanti di sostanze come composti solforati, metalli, idrocarburi pesanti e composti aromatici, i quali solo in parte vengono separati dal combustibile prima del suo utilizzo.

    Queste sostanze appena elencate, ed i loro prodotti come le polveri sottili, sono pericolose per la salute dell’uomo. Altro particolare non trascurabile per la salute dell’uomo è il processo di combustione di motori e caldaie: essi non utilizzano ovviamente ossigeno puro ma l’aria ed alle alte temperature che si generano nel processo di combustione, azoto ed ossigeno presenti naturalmente nell’aria si combinano per dare ossidi di azoto NOx, che sono di per sè stessi inquinanti ma anche i precursori del particolato atmosferico; si tratta di un inquinante dalla composizione chimica variabile la cui pericolosità aumenta con il diminuire del diametro delle particelle che lo compongono.

    In particolare la misura minore di 10 µm e maggiore di 2.5 µm possono penetrare all’interno dei bronchi e quelle di diametro inferiore direttamente nel sangue.

    1.3 Altre problematiche

    Le problematiche relative all’impatto ambientale e alla salute non sono le uniche a riguardare i combustibili fossili: essi infatti per definizione sono risorse primarie ma finite, per cui non saran- no sempre disponibili.

    Proprio per questo motivo già una ventina di anni fa, la comunità scientifica ha iniziato a interessarsi alla questione petrolio, in modo tale da stimare quanto ve ne potrebbe essere ancora a disposizione sulla Terra, con la consapevolezza che ridurne l’utilizzo significherebbe non solo avere petrolio anche in futuro, ma anche ridurre l’inquinamento, essendo questo uno dei combustibili fossili maggiormente sfruttato.

    La rivista Le Scienze ha pubblicato quest’anno alcune stime [32] sulla disponibilità del petrolio, secondo le quali nei prossimi cinque o dieci anni si verificherà il picco massimo della produzione di petrolio, in seguito al quale, si assisterà una progressiva decrescita.

    Sempre secondo queste stime il picco delle scoperte di nuovi giacimenti è avvenuto tra il 1950 ed il 1970 e già a partire dalla metà degli anni ’80 stiamo consumando più di quello che viene scoperto.

    Sempre secondo le stime riportate il petrolio sarebbe in veloce esaurimento ma esistono pareri discordanti, tra i quali possiamo citare quello di Leonardo Maugeri, vice presidente ENI, il quale sostiene che potremmo avere petrolio a sufficienza per altri 100 anni [32].

    Queste sono alcune delle motivazioni alla base di una continua ricerca di soluzioni alternative efficienti dal punto di vista energetico ma allo stesso tempo rinnovabili e meno compromettenti per ambiente e salute.

    1.4 Politica europea e incentivi italiani

    L’Unione Europea in data 23 aprile 2009, ha emanato una nuova direttiva (2008/2009/CE) che delinea gli aspetti fondamentali che gli Stati membri devono rispettare in fatto di politica energetica: la nuova direttiva si basa su tre obiettivi fondamentali da raggiungere entro il 2020 e prevedono un incremento del 20% dell’efficienza energetica, la copertura di almeno il 20% dell’energia pro- dotta assicurata da fonti rinnovabili e la riduzione del 20% delle emissioni di gas climalteranti.

    Tra le possibili soluzioni utili al raggiungimento di questi obiettivi, verranno prese in considerazione in questa tesi la biomassa (prendendo come esempio una centrale di Bondeno, in provincia di Ferrara) ed il fotovoltaico, due modi di produrre energia molto diversi tra di loro, in modo tale da evidenziare caratteristiche peculiari, rendimenti energetici e poter comparare infine i due metodi di produzione energetica.

    Nello specifico per quanto riguarda la biomassa, le valutazioni verranno fatte partendo da un modello concreto di produttività, rappresentato dalla centrale a biogas attualmente in funzione a Bondeno (Fe).

    Per quanto riguarda l’Italia, la legge finanziaria del 2008 (L.24/12/2007 n.244) [3] ed il cosiddetto collegato alla finanziaria stessa (L.28/11/2007), definiscono gli incentivi previsti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.

    Attraverso queste leggi viene definito un incremento della quota annua d’obbligo di energia da fonti rinnovabili di 0.75 punti percentuali per il periodo 2007-2012 ed un’estensione dei certificati verdi a 15 anni.

    Per certificati verdi s’intende la fonte principale di incentivazione di energia elettrica da fonti rinnovabili: si tratta di titoli negoziabili che corrispondono ad una certa quantità di emissioni di CO2, per cui se un impianto produce meno CO2 di quanto avrebbe fatto un impianto della stessa potenza alimentato da fonti fossili, il gestore ottiene certificati verdi che può rivendere a prezzi di mercato ad industrie o attività che sono obbligate a produrre una quota di energia da fonti rinnovabili ma che non lo fanno autonomamente.

    In Italia i certificati verdi sono emessi dal Gestore dei Servizi Energetici (GSE) e sono stati introdotti con il Decreto Bersani [4].

    Con l’attuazione della nuova legge questi certificati verdi, oltre ad ottenere una estensione di durata pari a 15 anni come già accennato, presentano un valore pari a 88.66 euro per ogni MWh, inoltre l’emissione è pari dal prodotto della produzione netta di energia elettrica moltiplicata per un coefficiente k, il cui valore si attesta a 1.8 per biomasse da filiera corta ed 1.3 per altre biomasse.

    Per gli impianti la cui potenza elettrica non supera l’1MWh, è possibile richiedere come alternativa al certificato verde, una tariffa fissa comprensiva di incentivo e del ricavo di vendita dell’energia elettrica prevista per 15 anni, il tutto in base alla fonte utilizzata: per biomasse da filiera corta si possono richiedere 300 euro, mentre per altre biomasse 280 euro.

    Con il D.M. 18/12/2008 è stata stabilita la non cumulabilità dei certificati verdi, o della sostitutiva tariffa omnicomprensiva, con incentivi pubblici di natura nazionale, regionale, locale o comuni- taria, in conto energia, in conto capitale o in conto interessi. È fatta eccezione per gli impianti alimentati da biomasse di filiera per i quali è invece stata sancita la cumulabilità con altri incentivi pubblici, non eccedenti il 40% del costo dell’investimento.



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