Solare fotovoltaico e termico
Cosa sono
Un pannello fotovoltaico è un impianto elettrico che sfrutta l'energia solare per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico.
Completamente diverso è invece un pannello solare termico, che sfrutta i raggi solari per scaldare un liquido e produrre energia termica.
Sono tre le tecnologie principali per trasformare in energia sfruttabile l'energia del sole:
• il pannello fotovoltaico sfrutta le proprietà di particolari elementi semiconduttori di produrre energia elettrica quando sollecitati dalla luce. I pannelli fotovoltaici convertono quindi la luce solare direttamente in energia elettrica. Hanno una efficienza di conversione che supera il 40% nelle celle da laboratorio ma in pratica l'efficienza media va da circa il 20% dei pannelli in silicio cristallino a circa il 10% dei pannelli in silicio amorfo. La ricerca su nuovi semiconduttori è comunque continua. Strategie per aumentare il rendimento sono l’accoppiamento di strati di semiconduttori diversi (eterogiunzione) o l’utilizzo di inseguitori solari che automaticamente orientano il pannello nella migliore posizione di captazione della luce.
I pannelli necessitano di poca manutenzione e hanno una durata operativa stimata di circa 30 anni anche se con un calo di rendimento nel tempo (circa 1% annuo). I difetti principali di questi impianti sono l’ingombro (per la potenza nominale di 1 kW sono necessari circa 5 mq di moduli) e la discontinuità dell'energia prodotta nel corso della giornata come delle stagioni
• il pannello solare termico sfrutta i raggi solari per scaldare un liquido con speciali caratteristiche, contenuto nel suo interno, che cede calore, tramite uno scambiatore di calore, all'acqua contenuta in un serbatoio di accumulo. I collettori termici possono essere a circolazione naturale o forzata. Nei primi il fluido riscaldato diventa naturalmente più leggero e risale quindi verso il serbatoio di accumulo (che deve trovarsi in cima al pannello). I secondi utilizzano una pompa che fa circolare il fluido all'interno del sistema pannello/scambiatore con serbatoio di accumulo, che in questo caso può essere posizionato liberamente.
• il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie di specchi parabolici a struttura lineare per concentrare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui scorre un fluido termovettore o una serie di specchi piani che concentrano i raggi all'estremità di una torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che per il calore fondono. In entrambi i casi "l'apparato ricevente" si scalda a temperature molto elevate (400 °C ~ 600 °C). Le elevate temperature raggiunte permettono anche la trasformazione del calore in energia elettrica (solare termodinamico).
Gli impianti solari in Toscana e nel Mondo
A fine 2023 la capacità di generazione di energia elettrica da fotovoltaico nel mondo si attestava a circa 1600 GW, con un aumento di più di 400GW in un anno. Nello stesso momento in Cina l’installato era oltre 600 GW, in USA oltre 150 GW, in Germania più di 80 GW.
In Italia a fine 2023 il totale installato era oltre 30 GW mentre in Toscana di circa 1.226 MW.
Il solare fotovoltaico e termico nelle leggi
Vi sono varie semplificazioni previste per l'istallazione delle diverse tipologie di pannelli solari anche se non tutte le aree sono adatte alla installazione di impianti solari. Il D.Lgs. 199/2021 all’art. 20 prevede un elencazione di “aree idonee” al fotovoltaico.
La Regione Toscana già con la l.r. 11/2011 e la delibera Consiglio Regionale 68/2011 aveva individuato“aree non idonee” alla istallazione degli impianti fotovoltaici a terra. Con l’ulteriore delibera Consiglio regionale 15/2013 aveva dettato invece opportuni criteri e modalità di installazione per impianti fotovoltaici a terra e impianti fotovoltaici posti su frangisole.
Vedi il quadro complessivo di semplificazioni e criteri a: www.regione.toscana.it/autorizzazioni-rinnovabili
Eolico
Cosa è
L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia, oggi quasi sempre energia elettrica.
Un impianto eolico è composto da uno o più aerogeneratori, quasi sempre turbine ad elica (“generatori eolici ad asse orizzontale”) di grandi dimensioni. Le pale dell'elica, come esili ali, offrono una resistenza minima all'avanzamento e si orientano automaticamente in direzione del vento. Al mozzo vi è la c.d. “navicella” dove è installato il generatore elettrico.
La rotazione avviene nei grandi aerogeneratori a velocità bassa. Un generatore eolico richiede una velocità minima del vento (cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto ad una velocità del vento di 12-14 m/s. Ad elevate velocità (20-25 m/s, velocità di cut-off) l'aerogeneratore viene bloccato dal sistema frenante per ragioni di sicurezza (con veri e propri freni o con metodi che "nascondono le pale al vento").
Esistono anche piccoli “generatori eolici ad asse verticale”.
Gli aerogeneratori di gran lunga più produttivi oggi sono i tripala di grande taglia: la loro dimensione massima è in crescita costante con potenze nominali che si avvicinano anche alla soglia dei 20 MW.
Il gigantismo degli aerogeneratori aumenta la loro visibilità, il ché può rappresentare un problema, soprattutto in siti di pregio storico. Ha però anche effetti energetici importanti: infatti la velocità del vento aumenta allontanandosi dal suolo e la potenza dell'aerogeneratore varia proporzionalmente al quadrato della lunghezza della pala. Da questo deriva che un aerogeneratore di dimensioni doppie rispetto ad un altro, in condizioni standard, non si ritrova con una potenza doppia ma grandemente superiore (a puro titolo esemplificativo: aerogeneratore diametro rotore da 126 m - E126 - potenza nominale 7MW, aerogeneratore diametro rotore da 66 m - V66 - potenza nominale 1,65 MW).
I grandi parchi eolici possono in taluni casi costituire un problema per l'avifauna, in particolare quella migratoria. Sono state sviluppate sia tecniche per tenere lontani gli uccelli (dissuasori) sia appositi radar/sistemi di rilevamento che arrestano le pale in presenza di stormi.
Una tipologia di installazione in netto sviluppo è l’eolico off-shore, ovverosia impianti installati ad alcune miglia dalla costa, che utilizzano la costante esposizione ai venti di queste zone. La dimensione delle aree marine permette poi la realizzazione di parchi eolici composti da decine a centinaia di grandi aerogeneratori.
I costi dell'off-shore sono però superiori all'eolico on-shore: per profondità del mare fino a 20/30 metri (come il Mare del Nord) si stanno già utilizzando rodate tecnologie di fondazione in mare; per profondità superiori (come i mari italiani) si stanno progettando i primi parchi che prevedono turbine galleggianti ancorate al fondale marino.
Wind-Gis: il potenziale eolico della Regione Toscana
WIND-GIS è un sistema informativo realizzato dal LAMMA su incarico della Regione già nel 2008. Consultabile da tutti, illustra il potenziale eolico della Toscana, nel senso che mostra le aree nelle quali si registra una ventosità tale da rendere possibile lo sfruttamento del vento per la produzione di energia elettrica.
Gli impianti eolici in Toscana e nel Mondo
A fine 2023 la capacità di generazione di energia elettrica da fonte eolica nel mondo aveva raggiunto un totale di 1.021 GW, con un incremento nel solo anno di 117 GW. La Cina è ben 440 GW, gli USA circa 150 GW.
In Europa spicca la Danimarca in cui nel 2023 ben il 56% di elettricità arriva dall’eolico, mentre in Italia a fine 2023 si è arrivati ad un installato di più di 12 GW.
In Toscana al 2023 la potenza installata era di circa 143 MW. Vedi in particolare i seguenti impianti:
- Montemignaio (AR), parco eolico omonimo, 3 aerogeneratori per totali 1,8 MW
- Chianni (PI), parco eol. Monte Vitalba, 7 aerogeneratori per totali 5,95 MW
- Scansano (GR), parco eol. Poggi Alti, 10 aerogeneratori per totali 20 MW
- Pontedera (PI), parco eol. Gello, 4 aerogeneratori per totali 8 MW
- Montecatini Val di Cecina (PI), parco eol. La Miniera 6 aerogeneratori per totali 9 MW
- Montecatini Val di Cecina (PI), Ampliamento La Miniera per totali 7,5 MW
- Firenzuola (FI), parco eol. Monte Carpinaccio per totali 14,75 MW
- Riparbella (PI), parco eol. Poggio Malconsiglio per totali 20 MW
- Santa Luce (PI), Fattoria Eolica di Santa Luce per totali 26 MW
- Piombino (LI), parco eol. Foce di Cornia per quasi 20 MW
L'eolico, il mini e micro eolico nelle leggi
Le definizioni non sono sempre corrispondenti a quelle della tecnica. Vi sono alcune semplificazioni previste per l'istallazione delle diverse tipologie di impianti eolici.
Vedi il quadro complessivo a: www.regione.toscana.it/autorizzazioni-rinnovabili
Biomasse e biocarburanti
Per biomassa si intendono tutti quei materiali di origine organica, animale o vegetale, che non hanno subito processi di fossilizzazione, quindi il petrolio, il carbone e gli altri combustibili fossili, pur di origine organica non possono essere definiti biomassa.
La biomassa è da sempre utilizzata per la produzione di calore. I camini e le stufe scaldano ancora oggi buona parte delle abitazioni toscane.
La legna è utilizzata anche sotto forma di cippato e pellet. Il cippato è legno (soprattutto scarti di lavorazione) ridotto in scaglie con dimensioni variabili da alcuni millimetri ad un paio centimetri. Il pellet è un combustibile ricavato dalla segatura essicata e poi compressa in forma di piccoli cilindri con un diametro di alcuni millimetri, tipicamente 6-8 mm (utilizzato nelle stufe moderne ha potere calorifico, a parità di volume, circa doppio rispetto al legno).
Ma oltre alla legna vi sono molti altri tipi di biomassa utilizzata per la produzione di energia, in particolare scarti e residui dall'agricoltura (che possono comprendere sia sostanze vegetali che animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, fino alla (sola) frazione biodegradabile di rifiuti.
Il Biogas, il Syngas, il Biometano
Negli impianti di produzione di energia elettrica nella maggior parte dei casi non si brucia biomassa direttamente ma bioliquidi o biogas o gas di sintesi che sono prodotti dalla biomassa. Ciò permette una combustione migliore con un quadro delle emissioni in atmosfera ben più contenuto.
Col termine biogas si indica un insieme di gas, soprattutto metano (dal 50 al 80%) e anidride carbonica, prodotto dalla fermentazione batterica anaerobica (in assenza di ossigeno) di sostanze organiche all’interno di digestori.
E’ importante ricordare che il biogas si forma dalle matrici organiche naturalmente: le discariche di rifiuti urbani ne sono grandi produttori, come la decomposizione di carcasse e vegetali. Quindi la captazione del biogas ha anche la basilare funzione di evitare che lo stesso si diffonda in atmosfera.
Oggi si stanno diffondendo tecnologie che permettono di raffinare ulteriormente il biogas ed ottenere biometano, da immettere in rete o comunque utilizzare come il metano che si usa nelle case per riscaldarsi o cucinare.
Interessante per la realtà toscana è anche il syngas, ovverosia "gas di sintesi", miscela di gas combustibili (idrogeno, metano) più altri gas (anidride carbonica, azoto, composti dello zolfo, ec…) che può essere prodotta con la "gassificazione": il carbonio presente in una biomassa solida viene fatto reagire ad alta temperatura con un "mezzo gassificante" (aria, ossigeno, vapore, ecc..). La gassificazione con produzione di Syngas è spesso opportuna con i residui della manutenzione delle foreste.
Da prodotti e residui agricoli vengono anche estratti biocombustibili/biocarburanti come oli vegetali, biodiesel e bioetanolo. Dalle oleaginose (quali girasole, colza, soia) ad esempio si ottiene per spremitura il biodiesel.
La combustione delle biomasse è da sempre una fonte rinnovabile importantissima per la Toscana ma in più località può comportare criticità per la qualità dell’aria, soprattutto per l’emissione in atmosfera di “particolato”.
I problemi, differentemente da quello che si potrebbe ipotizzare, non sono di norma localizzati negli impianti industriali, che hanno fatto passi da gigante negli anni, per le tecnologie, i filtri utilizzati, i controlli. E’ nei piccoli impianti, soprattutto gli impianti domestici di riscaldamento, che non vi è stato un salto tecnologico adeguato.
A questo scopo con il DM 7 novembre 2017, n. 186 è stato creato un sistema di certificazione della qualità dei generatori di calore alimentati a biomasse combustibili solide (fino a 5 stelle assegnabili a caminetti, stufe, caldaie con emissioni ridotte).
Nel contempo il piano regionale per la qualità dell’aria PRQA ha dovuto dettare limitazioni e obblighi specifici per il riscaldamento con la biomassa: vedi la campagna informativa Aria di Toscana
Le biomasse in Toscana
Gli utilizzi delle cosiddette “biomasse” in Toscana sono notevoli e disparati.
Si pensi solo che più 50 % della superficie della Regione è superficie forestale: un importantissimo “polmone verde” che può dare anche un apporto importante per la cattura dell’anidride carbonica.
Per quanto riguarda l’utilizzo agro-energetico in Toscana il comparto delle biomasse segue a ruota, fra le rinnovabili, la geotermia: nel 2022 il consumo energetico da biomasse nella Regione ammontava a 466 mila Tep (quasi tutta energia termica), pari a circa il 35% delle rinnovabili toscane.
Gli impianti alimentati a biomassa nelle leggi
Gli impianti di produzione di energia termica da biomassa sono soggetti ad autorizzazioni regionali per gli aspetti emissivi; per quelli di produzione elettrica l’autorizzazione regionale copre anche tali aspetti. Vi sono poi varie semplificazioni previste per l'istallazione di mini impianti.
Vedi il quadro complessivo a: www.regione.toscana.it/autorizzazioni-rinnovabili
Non vanno confusi gli impianti industriali di produzione di energia da biomassa con gli inceneritori di rifiuti. Infatti:
• non c'è equivalenza fra biomasse e rifiuti, solo la parte biodegradabile dei rifiuti è considerata una biomassa;
• un impianto autorizzato a produrre elettricità da biomasse anche per bruciare la semplice parte biodegradabile dei rifiuti ha bisogno di uno specifico percorso, ovvero di essere autorizzato ai sensi della parte quarta "Norme in materia di gestione dei rifiuti e di bonifica dei siti inquinati" del d.lgs. 152/2006.
Idroelettrico
L'impianto idroelettrico sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale (posseduta da masse d'acqua in quota) in energia cinetica nel superamento di un dislivello, la quale viene poi trasformata, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia elettrica.
L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate.
Esistono vari tipi di impianti: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Negli impianti ad acqua fluente si utilizza invece masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli; si tratta quindi solitamente di impianti di piccola potenza che hanno però il pregio di poter essere installati nei siti più svariati.
La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice.
Gli impianti idroelettrici sono stati fondamentali per lo sviluppo dell’elettricità in Italia: da inizio novecento fino al 1950 l’energia elettrica italiana era quasi totalmente idroelettrica. Oggi però è complesso trovare localizzazioni per nuovi grandi impianti e quindi la crescita dell’installato è modesta. Sul suo futuro vi sono ombre e luci:
• Gli sbarramenti hanno necessità di manutenzione continua e in alcuni casi di ammodernamento degli impianti. Alcuni bacini esistenti soffrono di vetustà e sono soggetti a fenomeni di interramento.
• La crescente carenza di acqua e l'andamento sempre più torrenziale delle piogge comporta un utilizzo prioritario di dighe e bacini per gli usi idropotabili e la laminazione delle piene riducendo la producibilità degli impianti idroelettrici.
• La produzione idroelettrica è programmabile e questo rende l'idroelettrico particolarmente prezioso per il sistema elettrico nazionale.
• Gli impianti di pompaggio sono ancora oggi il modo più economico per "stoccare" l'energia; quando in rete vi è un surplus di energia elettrica l'acqua accumulata in un bacino a valle viene rispedita al bacino a monte, pronta a produrre elettricità quando vi è necessità; i due bacini possono formare anche un circuito chiuso.
Gli impianti idroelettrici in Toscana e nel Mondo
Per quanto riguarda il comparto elettrico, l’idroelettrico è ancora oggi la fonte rinnovabile più importante per la produzione di energia elettrica. A fine 2023 l'energia idroelettrica vantava circa 1.400 GW di potenza installata nel mondo (Irena).
In Italia nello stesso tempo il totale installato (potenza efficiente lorda) è di 22,9 GW. In Toscana (dove non vi sono grandi impianti) l’installato risultava di MW 379,9.
Gli impianti idroelettrici nelle leggi
Gli impianti idroelettrici sono autorizzati dalla Regione con una procedura duplice: oltre all'autorizzazione per l'impianto il proponente deve anche dotarsi di una concessione per la derivazione di acqua pubblica. Per l'istallazione di mini impianti idroelettrici vi sono alcune semplificazioni previste.
Vedi il quadro complessivo a: www.regione.toscana.it/autorizzazioni-rinnovabili