Un'Italia tutta rinnovabile

Gli eventi degli ultimi giorni ci hanno ricordato che la crisi climatica è qualcosa di reale, con conseguenze serie. I climatologi intervistati il giorno dopo i disastri han detto tutti la stessa cosa: episodi come questo sono eccezionali, superano ogni evento analogo degli ultimi 100 anni, ma diventeranno la nuova norma. E rischiano di essere solo un assaggio di quelli futuri. Quindi non abbiamo alternative, dobbiamo rinunciare ai combustibili fossili, e farlo il prima possibile, oggi è già troppo tardi. E sottolineo, non dobbiamo ridurre le emissioni dobbiamo eliminarle.

Ma come farlo? Chi ne parla attualmente spesso fa parte di uno di due schieramenti contrapposti: chi dice che è inutile provarci, i cambiamenti climatici ci sono sempre stati e non sono colpa nostra, o comunque quel che facciamo è irrilevante perché la Cina brucia carbone. Dall’altro lato chi la fa facile, basta mettere un po’ di fotovoltaico sui capannoni, o spegnere le luci quando si esce dalla camera. Ma per carità non le pale eoliche che sono brutte. Cose di cui ho parlato qui, non sto a ripetermi.

ASPO Italia, una associazione di cui faccio parte, ha appena pubblicato uno studio in cui si analizzano i consumi energetici attuali italiani, e la possibilità (teorica, con varie ipotesi) di soddisfarli utilizzando energie rinnovabili. Il documento può essere scaricato qui. (Nota: il documento è scaricabile liberamente, ma se ne citate dei pezzi va riportata la fonte). 

Riporto qui il sommario del lavoro. Che è un documento di 122 pagine pieno di numeri e riferimenti, quindi se vi sembra che "non avete considerato questa cosa qui" leggetelo prima e verificate se è vero. 

Verso un sistema energetico italiano basato sulle fonti rinnovabili

Prima parte: analisi introduttiva, problematiche e scenari propedeutici

Sommario

Scopo di questo lavoro è valutare la generale fattibilità di un sistema energetico italiano completamente basato su fonti energetiche rinnovabili. In particolare, si sono volute quantificare le dimensioni necessarie per l’apporto di fotovoltaico ed eolico, e le problematiche legate alla intermittenza di queste fonti, sia su scala circadiana che annuale. Si è confrontato quindi un ipotetico profilo di produzione, basato sui dati reali di produttività degli impianti esistenti per ciascuna delle 8760 ore che compongono un anno, con il profilo di consumo derivato, con alcune assunzioni, da quello reale del 2019.

Il confronto è basato su un modello e su assunzioni differenti in relazione alle possibili strategie per affrontare il problema. Il lavoro non è quindi un piano energetico o il progetto di un sistema energetico reale, ma solamente uno strumento per fornire indicazioni quantitative sulle dimensioni attese e sui problemi che questo sistema dovrà affrontare.

La prima assunzione fatta riguarda la completa elettrificazione dei consumi, utilizzando le tecnologie più efficienti oggi disponibili. In questo modo è possibile ottenere la stessa energia finale (calore, movimento, servizi) utilizzando annualmente 700 TWh (miliardi di kWh) di energia elettrica anziché i 1800 TWh di energia primaria (quella contenuta soprattutto in combustibili fossili) che utilizziamo oggi.

  Flusso dei consumi energetici in Italia nel 2017 secondo il LLNL su dati dell’IEA.

Nel corso del lavoro abbiamo visto però che non è realisticamente possibile realizzare sistemi di accumulo, soprattutto stagionale, in grado di coprire questi consumi in modo continuativo. Sarà anche necessario ridurli in modo importante, attraverso misure di sobrietà, efficienza e risparmio. L’unica simulazione in cui abbiamo verificato una copertura totale dei consumi prevede un fabbisogno annuo di 350 TWh, cioè la metà del fabbisogno attuale. Il solo incremento dell’efficienza energetica non basta, occorre dimezzare la domanda finale di energia. Per coprire questi fabbisogni servirà una massiccia installazione di impianti fotovoltaici ed eolici, come dettagliato più avanti.

L’intermittenza giorno-notte, soprattutto del fotovoltaico, può essere coperta disponendo di sistemi di accumulo per circa 4 kWh ad abitante. Per quanto si possano utilizzare gli attuali sistemi idroelettrici a doppio bacino, la maggior parte dell’accumulo deve essere realizzata con batterie. Questo richiede, con la tecnologia attuale (batterie agli ioni di litio), circa 650 grammi di litio ad italiano che, distribuiti sulla durata attesa delle batterie, è molte volte superiore all’attuale produzione mondiale per abitante della Terra. Occorrerà quindi prevedere un aumento della produzione, e un efficiente riciclo delle batterie a fine vita. Il problema potrà essere in buona parte risolto dall’avvento delle batterie a ioni di sodio, attualmente in fase avanzata di studio e sperimentazione.

Anche con un efficiente sistema di accumulo giorno-notte, le variazioni stagionali comportano un esubero di produzione estivo e un ammanco invernale. Periodi estivi con assenza di vento provocano ammanchi notturni anche nei mesi estivi. È quindi necessario un sistema di accumulo stagionale. L’accumulo idroelettrico non è assolutamente adatto, e comunque è più efficacemente utilizzato per l’accumulo nel breve periodo.

Abbiamo ipotizzato a questo scopo l’utilizzo di gas metano di sintesi, accumulato negli attuali stoccaggi per il gas naturale e utilizzato per produrre energia elettrica nelle attuali centrali turbogas. Il metano verrebbe prodotto dall’esubero estivo di energia (processo Sabatier) a partire da idrogeno “verde” e anidride carbonica catturata dai camini delle centrali. Il processo è differente da quello attualmente suggerito (stoccaggio diretto dell’idrogeno), ma le rese finali, includendo tutte le perdite, e le capacità di accumulo sono confrontabili.

Anche utilizzando tutti i depositi geologici disponibili sul nostro territorio, nella situazione in cui si mantenga il fabbisogno di energia finale attuale si verificherebbero ammanchi di energia per il 20% del tempo totale, concentrati in particolare nelle ore notturne dei mesi invernali. Come indicato sopra, sono pertanto necessarie misure importanti di riduzione dei consumi energetici. 

 In conclusione, se un sistema basato su rinnovabili è fattibile, per garantire la copertura dei fabbisogni in ognuna delle 8760 ore che compongono un anno serve uno sforzo notevole su molti fronti.

Sul lato della produzione si dovrà comunque fare affidamento sulla realizzazione, gestione, manutenzione e periodica sostituzione di una grande infrastruttura energetica, la cui sostenibilità in termini energetici (EROI complessivo) e finanziari deve essere approfondita. Nell’ipotesi più favorevole considerata (riduzione al 50% della domanda) saranno necessari:

•  250 GW di fotovoltaico: l'equivalente della superficie della cittàmetropolitana di Milano (circa 1600 km 2 ) coperta con pannelli fotovoltaici. Questo corrisponde ad una potenza installata di 4 kW pro capite o circa 27 m 2 pro capite di pannelli fotovoltaici.
• Questi possono essere realizzati in principio sia sulle coperture degli edifici (civili, industriali e commerciali) sia su aree non costruite. In quest'ultimo caso forzatamente su aree marginali non utilizzate per l'agricoltura e senza pregio ambientale. Il tutto su un'area che rappresenta lo 0,5% della superficie nazionale, per un’infrastruttura realizzabile senza devastazioni ambientali, seguendo le buone pratiche attuali.
• 80 GW di eolico: alcune migliaia di km di pale eoliche (più potenti saranno, meno ne saranno necessarie), poste sia sui crinali che in campi eolici off-shore, dove hanno maggiori potenzialità. Queste corrisponderebbero a un totale di una torre eolica da 5 MW ogni 4000 abitanti.
• Sistemi di accumulo energetico giorno-notte molto estesi, costituiti prevalentemente da batterie, coadiuvati dagli impianti idroelettrici a pompaggio esistenti. Serviranno circa 4 kWh ad abitante.
• Impianti di cattura dell’anidride carbonica.
• Impianti di produzione di idrogeno, per una potenza installata di idrolizzatori pari a 100 GW. Considerato che i più grossi idrolizzatori industriali hanno una taglia da 5 MW, dovremmo installarne circa 20 mila. Si tratta di migliaia di impianti industriali. A questi, nell’ipotesi considerata di usare metano come gas di accumulo, vanno aggiunti metanizzatori per 75 GW, dove effettuare la sintesi tra anidride carbonica e idrogeno.
• La realizzazione dell’infrastruttura necessaria al trasporto e stoccaggio di metano, idrogeno, e anidride carbonica, basata sull’attuale sistema di trasporto e stoccaggio del metano naturale.
• L’adeguamento della rete elettrica al trasporto dell’energia generata in modo intermittente su lunghe distanze. Questa deve integrarsi con la rete europea, per compensare la maggior produttività invernale dell’eolico nel Nord Europa con quella estiva del fotovoltaico nel Sud.

Ma è anche necessario un deciso intervento sul lato dei consumi. Il forte sbilancio tra produzione estiva e consumi invernali non può essere risolto neppure con il ricorso molto importante e cumulato di tre diverse scelte tecnologiche: il sovradimensionamento al 150% dell’installato, l’accumulo di breve periodo e, con tecnologie power-to-gas, l’accumulo stagionale. Risulta necessario: 

•  elettrificare tutti gli attuali consumi energetici nel modo più efficiente possibile: ad esempio utilizzo di pompe di calore, illuminazione a LED;
• ridurre i consumi con interventi anche drastici. Dalla riqualificazione energetica degli edifici, all’introduzione di limiti alle temperature massime del riscaldamento invernale e del raffrescamento estivo, passando per l’incentivazione alla riduzione della mobilità automobilistica verso forme di mobilità “leggere” e alternative;
• modulare i consumi in funzione della disponibilità di energia. Si deve partire necessariamente dallo studio della modifica della domanda in modo che possa meglio adeguarsi al profilo orario di produzione da rinnovabili, minimizzando gli ammanchi osservati negli scenari di questo lavoro.

Tutto questo avrà un impatto che noi riteniamo inferiore (e diverso) sulla biosfera, di cui (ne siamo pienamente coscienti) siamo parte. In natura non sono dati pasti gratis. Per realizzare questo passaggio sarà necessaria una lunga transizione, si parla infatti di tre decenni, ma si deve iniziare subito e su tutti i fronti elencati. La pena non è il ritorno ad una società sostenibile basata sull'agricoltura e sull'artigianato, perché una società del genere è socialmente non sostenibile per 60 milioni di persone. Ma il suo collasso avrebbe un impatto ecologico molto maggiore e porterebbe forse alla guerra, all'instaurazione di regimi autoritari e probabilmente ad ambedue le cose.