• Articolo Roma, 17 ottobre 2011
  • IEA: il futuro delle rinnovabili

  • Per affrontare le sfide poste dalla sicurezza degli approvvigionamenti energetici e dai cambiamenti climatici è indispensabile cambiare drasticamente il mix delle tecnologie energetiche

Gli scenari elaborati di recente dalla IEA per rispondere alle molteplici sfide citate hanno sottolineato la necessità di sviluppare un ampio ventaglio di tecnologie a basso contenuto di carbonio. Una rivoluzione energetica è indispensabile se vogliamo che la crescente domanda di energia sia sostenuta da un’adeguata sicurezza degli approvvigionamenti energetici, e che contemporaneamente riporti le emissioni di gas a effetto serra entro livelli che non determinino aumenti di temperatura pericolosi per il pianeta. La IEA è convinta che energie rinnovabili, efficienza energetica, energia nucleare e tecnologie per la cattura e il sequestro del carbonio (CCS), debbano insieme giocare un ruolo chiave in queste sfide. Questa convinzione è stata espressa in due pubblicazioni della IEA, World Energy Outlook 2010 e Energy Technology Perspectives 2010. La decarbonizzazione del settore energetico, che per importanza viene subito dopo l’efficienza energetica,  è un obiettivo chiave che implica un drastico aumento della quota di energia da fonti rinnovabili.

Secondo il World Energy Outlook 2010 450 scenario, a livello globale la quota di elettricità generata dalle rinnovabili passerà dal 19% nel 2008 al 45% nel 2035. Il WEO stima che l’uso dei biocarburanti nel settore del trasporto crescerà di otto volte rispetto ai livelli attuali, a causa dell’aumento dei prezzi del petrolio e del supporto dei governi. Le rinnovabili dovranno poi avere un ruolo di primo piano anche nel settore del raffrescamento e del riscaldamento, ruolo che fino ad adesso è stato relativamente marginale. Al mutare delle dinamiche della domanda e dell’offerta di energia, il mondo è entrato in una fase di incertezza e di volatilità dei prezzi delle fonti energetiche senza precedenti. Le preoccupazioni sulla sicurezza degli approvvigionamenti riguardano ormai un gran numero di risorse, tra cui gas, carbone e petrolio.

Anche la risposta all’impatto delle emissioni sui cambiamenti climatici è ora più urgente che nel 2008. Se vogliamo imboccare un percorso che ci dia il 50% di possibilità di evitare un riscaldamento di 2 °C rispetto alla media delle temperature del secolo scorso, abbiamo bisogno di impegni politici più stringenti di quelli attualmente in vigore, che  possono al massimo ottenere a una riduzione delle emissioni del 20% entro il 2020.

Non abbiamo tempo da perdere: aspettare ancora farà salire il costo delle azioni   necessarie e renderà più difficili gli interventi. Le conseguenze di livelli di riscaldamento più elevati rischiano di essere catastrofiche, e potrebbero comprendere esodi di massa dalle zone colpite più pesantemente, oltre a conflitti regionali intensi e prolungati. La necessità di sviluppare tecnologie per le energie rinnovabili e altre misure a basso contenuto di carbonio è, quindi, assoluta. Un massiccio sviluppo delle energie rinnovabili è essenziale per soddisfare i fabbisogni energetici e per limitare le emissioni di gas a effetto serra. Tuttavia, le politiche sulle rinnovabili sono sottoposte a un esame molto severo per valutare la loro efficacia ed efficienza. I loro costi sono tuttora analizzati, discussi e spesso criticati, mentre i benefici che ne derivano non vengono pienamente compresi e riconosciuti. Nuove analisi in corso sull’adozione massiccia di tecnologie per le energie rinnovabili permetteranno di quantificare i benefici non sempre evidenti delle rinnovabili che giustificano azioni politiche incisive.

Cosa possono fare finanza, politica e mondo industriale per assicurare l’atteso contributo delle rinnovabili alla sicurezza degli approvvigionamenti e alla mitigazione dei cambiamenti climatici? Uno dei principali obiettivi delle analisi dell’IEA è di comunicare la necessità di agire immediatamente e di cooperare. L’impegno a conseguire gli obiettivi previsti per le rinnovabili – nel breve e nel lungo periodo – solleciterà tutti gli stakeholders del settore. Per ottenere l’accelerazione necessaria questi stakeholders – ossia la finanza, i decisori politici e l’industria – devono lavorare assieme in modo da garantire che si possa giungere a un equilibrio tra finanziamenti ai progetti, richieste di energia e forniture di tecnologie rinnovabili.

Prospettive positive per il futuro dell’elettricità rinnovabile

L’energia elettrica utilizza diverse tecnologie ed è perciò possibile ridurne il tenore di carbonio (decarbonizzare il termine oggi usato) e  ne accresce l’importanza in un mondo che si sta impegnando per diminuire le emissioni e al contempo per migliorare la sicurezza delle sue forniture energetiche. I miglioramenti nell’efficienza condurranno a minori consumi di elettricità per unità di prodotto, ma in futuro l’elettricità verrà utilizzata in un numero crescente di applicazioni e sarà prodotta da un numero maggiore di fonti. L’elettricità, versatile e pulita, sempre più spesso andrà a sostituire i combustibili fossili nell’edilizia (grazie in particolare alle pompe di calore), nell’industria (attraverso svariate applicazioni) e nei trasporti, con una quota più ampia di sistemi di trasporto collettivo e con milioni di autoveicoli elettrici o ibridi.

La combinazione tra crescita demografica ed economica e maggior uso di energia elettrica determinerà anche un’espansione dei mercati per l’elettricità da fonte rinnovabile. Ciò vale in particolare per l’elettricità da fonte solare, che include il fotovoltaico e l’energia solare termica prodotta da impianti a concentrazione. La IEA presenta l’ACT Map Scenario, che dovrebbe consentire di riportare entro il 2050 le emissioni di CO2 legate ai consumi energetici ai livelli del 2005. È utile confrontare questa ipotesi con il BLUE Map Scenario, in cui le emissioni al 2050 sono dimezzate rispetto al 2005, e anche se una parte della differenza è dovuta all’efficienza energetica, si considera che l’elettricità possa sostituire l’uso di combustibili fossili nell’edilizia e nei trasporti, e che di conseguenza ne aumentino produzione e consumi.

Fig. 1 Scenari di produzione elettrica globale al 2050

Grazie alla combinazione tra impianti solari a concentrazione e fotovoltaico, l’elettricità da fonte solare cresce rapidamente in tutti gli scenari IEA, e la crescita è ancora più rapida negli scenari più vantaggiosi per contrastare i cambiamenti climatici. Nel 450 Scenario, presentato nel WEO 2010, al 2035 le tecnologie solari generano 2.000 TWh/anno. In seguito, secondo l’ETP 2010 la crescita potrebbe essere ancora più ampia: secondo il BLUE Map Scenario potrebbe arrivare fino a 5.000 TWh/anno nel 2050. Il mix di rinnovabili di una regione o di un paese varierà a secondo delle varie risorse, mentre il mix di tecnologie per l’elettricità solare cambierà a seconda della percentuale di irradiazione diretta o diffusa.

Fig. 2 Nel blu map scenario: rinnovabili nella generazione di elettricità al 2050

In modo ancor più significativo, ETP 2010 presenta il BLUE Hi-Ren Scenario, nel quale le rinnovabili arrivano a coprire il 75% del fabbisogno globale di elettricità. Questo scenario mostra come le rinnovabili potrebbero sostituire quelle opzioni per la mitigazione climatica che però faticano a mantenere le loro promesse – come l’efficienza energetica, la cattura e il sequestro del carbonio o l’energia nucleare. Questo scenario prevede che entro il 2050 l’elettricità da fonte solare possa diventare la più importante tra tutte le forme di generazione dell’elettricità, con una quota del 25%. Il solare a concentrazione e le tecnologie fotovoltaiche possono dare un contributo analogo alla generazione solare, seguiti dall’eolico e dall’idroelettrico. Coerentemente con il BLUE Hi-Ren Scenario, il IEA Roadmap: Solar Photovoltaic Energy prevede che il fotovoltaico produrrà circa l’11% dell’elettricità globale entro il 2050 – includendo nella quota tutti i tipi di impianti e di tutte le dimensioni . La capacità fotovoltaica totale al 2050 dovrebbe essere di circa 3.200 GW, di cui il 44% nel settore residenziale, il 13% in quello commerciale (cioè nei grandi edifici commerciali), il 29% in grandi centrali di potenza, e il 14% per applicazioni isolate. Se per gli ultimi due settori si facesse riferimento ad aree molto soleggiate, questi potrebbero arrivare al 48% dei 4.600 TWh di elettricità globale, mentre il settore residenziale scenderebbe al 39% del totale. L’energia solare, come quella eolica, varia a seconda dei giorni, delle stagioni e degli anni. La generazione da rinnovabili variabili – cioè fotovoltaico ed eolico – al 2050 potrebbe fornire dal 18 al 31% della produzione globale di elettricità nello scenario BLUE Map e High Ren of ETP 2010, più favorevole al clima.

Fig. 3 Quota di rinnovabili sulla produzione globale di elettricità al 2050

Le rinnovabili possono dunque contribuire per un terzo alla produzione di energia elettrica entro il 2050. Conseguentemente  le reti elettriche dovranno evolvere considerevolmente per affrontare le nuove sfide, in modo da gestire forniture e carichi nella domanda variabili, mandare segnali di prezzo precisi e puntuali ai produttori e ai consumatori. Questa evoluzione è già visibile in quelle che vengono chiamate smart grids. Un aumento dell’interconnessione tra sistemi elettrici e diverse nazioni potrà contribuire a sfruttare al meglio le caratteristiche delle fonti di elettricità variabili.

Secondo quanto indicato da uno studio recente dell’IEA, le difficoltà derivanti dalla variabilità delle rinnovabili non devono però essere sopravvalutate .La capacità delle reti di integrare le rinnovabili dipende dalla loro flessibilità, e cioè dalla capacità dell’intero sistema di affrontare i picchi nella domanda e nelle forniture, in risposta alle variazioni e alle incertezze. Il bisogno di flessibilità non è una conseguenza dell’implementazione delle rinnovabili variabili – tutti i sistemi elettrici sono flessibili a sufficienza per affrontare le variazioni della domanda e le contingenze che possono riguardare le fonti di generazione le capacità di trasmissione. La flessibilità necessaria può essere assicurata da sistemi in grado di fornire con certezza energia elettrica  quando viene richiesta (alimentate da combustibili fossili o da rinnovabili), prevedendo qualora possibile sistemi di stoccaggio (prevalentemente stazioni di pompaggio per l’idroelettrico), l’interconnessione tra i vari sistemi e la gestione della domanda. La variabilità tipica delle apparecchiature e delle tecnologie isolate può essere smorzata dalla loro distribuzione geografica e dalla versatilità delle varie risorse.

In Harnessing Variable Renewables: A guide to the balancing challenge, la IEA analizza un ampio spettro di sistemi di produzione di energia, e mostra quanto possa variare il potenziale di flessibilità da un sistema all’altro, potenziale che è più ampio di quanto generalmente si ritiene. Allo stesso modo, il potenziale di flessibilità tecnica è spesso molto più ampio di quanto sia attualmente disponibile – e ciò a causa di diverse limitazioni, che possono essere in parte o del tutto rimosse.

Smart grid e mercati flessibili e robusti sono i migliori driver per ottenere il miglior uso delle risorse attualmente disponibili, anche se le strategie di ottimizzazione variano da un luogo all’altro. Contrariamente a quanto comunemente si crede, per gestire la variabilità del sistema l’introduzione di capacità di generazione basata su rinnovabili variabili non richiede enormi sistemi di riserva (alcuni pensano ancora che per ogni unità di potenza da rinnovabile ci sia bisogno di una unità addizionale non rinnovabile per assicurare la continuità della fornitura!), quanto piuttosto una pianificazione integrata delle risorse disponibili. Potrebbe essere comunque necessaria l’introduzione di capacità di generazione più flessibili come riserva, ma va comunque considerato che queste capacità interverrebbero raramente, e ciò rende la loro costruzione compatibile con gli scenari con basse emissioni di gas serra.

In aggiunta, per i prossimi decenni rimarranno comunque disponibili quegli impianti di produzione che sono attualmente operativi, come le centrali a gas (ciò vale specialmente per i paesi industrializzati, Italia, Giappone, Spagna e Stati Uniti). Il loro fattore di utilizzo è destinato a scendere, o subito o nel breve periodo (è probabile un incremento temporaneo quando verranno chiusi gli impianti a carbone). È possibile che la capacità generativa (percentuale di generazione) flessibile abbia bisogno di incentivi specifici per poter operare, ma nella stragrande maggioranza dei casi non ci sarà bisogno di costruire nuovi impianti a combustibili fossili per il back-up.

Lo studio dimostra che è improbabile che la variabilità del fotovoltaico (che comunque soddisfa i picchi di domanda meglio dell’eolico ed è relativamente predicibile) possa causare seri problemi per la gestione delle reti. Questo vale assumendo che la generazione da fotovoltaico raggiunga i livelli considerati in diversi scenari di circa il 10-12% – sebbene in momenti differenti a seconda dei vari scenari.

Fig. 4 Potenziali delle rinnovabili variabili in diversi sistemi. L'altezza delle barre indica il potenziale di sviluppo basato su risorse flessibili. Le sfumature di colore sottolineano che le risorse flessibili non saranno completamente disponibili

Ci saranno di sicuro costi di bilanciamento per gli operatori. In determinate aree, il totale delle potenze di piccola taglia distribuite potrà superare la domanda di picco. Ciò significa che le reti di distribuzione e trasporto devono essere bidirezionali: gran parte degli operatori oggi consentono solo la conversione, dall’alta tensione (linee di trasmissione) alla bassa tensione (linee di distribuzione). In ogni caso, i costi saranno limitati e non impediranno che il fotovoltaico possa arrivare al 10-12% della quota.

Un altro studio della IEA dimostra che con queste (10-12%) percentuali di penetrazione il fotovoltaico non incrementa in maniera significativa il bisogno di accumulo dell’elettricità. Il BLUE Map Scenario per l’Europa occidentale dell’ETP 2008 stima il contributo dell’eolico al 27%:  la variabilità stimata dell’eolico richiederebbe stoccaggi dell’elettricità per 39,8 GW al 2020. Se al 2020 nell’Europa occidentale si aggiungesse un 12% di fotovoltaico, come originariamente suggerito dalla Solar Europe Industry Initiative (SEII) e come valutato nell’High Ren Scenario di ETP 2010, il fabbisogno di stoccaggio salirebbe leggermente, fino a 42 GW.

 

Roberto Vigotti (Delegato italiano al gruppo rinnovabili della IEA)