Le principali energie rinnovabili e le relative problematiche

La spinta globale verso la decarbonizzazione (ovvero la progressiva sostituzione delle fonti di energia di tipo fossile con quelle rinnovabili) e il contemporaneo desiderio di migliorare il tenore di vita avvertito soprattutto nei Paesi in via di sviluppo sono due dei principali fattori che impongono un maggior sfruttamento di molteplici fonti di energia ambientale per la produzione di elettricità.

I numeri forniti da IRENA (International Renewable Energy Authority) evidenziano che la capacità installata di energia prodotta per via fotovoltaica ed eolica è aumentata in maniera considerevole negli ultimi anni: l'energia ottenuta mediante turbine eoliche, è passata dai 180.000 MW del 2010 ai 622.000 MW del 2019, mentre nello stesso periodo di tempo l'energia ottenuta mediante impianti fotovoltaici è cresciuta da 41.000 a 541.000 MW.

Problematiche legate alla generazione dell'energia fotovoltaica

La ridotta efficienza delle celle fotovoltaiche rappresenta senza dubbio un problema per l'energia ricavata dalla radiazione solare. Le installazioni fotovoltaiche attualmente installate operano con livelli di efficienza compresi tra il 7% (nel caso di celle a film polimerico a basso costo) e il 18% (nel caso di celle ibride realizzate mediante polimeri e materiale cristallino). Comunque esistono valide prospettive per migliorare questo parametro. Numerosi Istituti di ricerca, come a esempio lo statunitense NREL (National Renewable Energy Laboratory) sono riusciti, per ora solo in condizioni di laboratorio, a ottenere da una cella fotovoltaica un'efficienza maggiore del 40%.

La scelta del luogo ideale per le installazione fotovoltaiche è un altro aspetto da tenere nella massima considerazione. Le installazioni possono essere le più varie: dal sottile pannello posto in cima a cartelli di segnaletica stradale alle installazioni sui tetti di abitazioni civili o di strutture commerciali fino ad arrivare alle fattorie fotovoltaiche di grandi dimensioni. Le più grandi installazione di quest'ultimo tipo sono il Solar Park di Bhadla (india) e il parco solare nel deserto del Tengger (Cina) in grado di generare fino a 1,5 GW (una potenza confrontabile con quella prodotta da alcune centrali nucleari). Poichè ciascun impianto occupa una superficie superiore ai 40 chilometri quadrati, ha senso realizzare installazioni di questo tipo in aree non densamente popolate.

L'installazione e la connessione di generatori fotovoltaici terrestri risultano senza dubbio più economiche rispetto alle più onerose connessioni di generatori eolici offshore. Anche nel deserto più impervio, un sistema di connettori come SOLARLOK di TE Connectivity è in grado di supportare le sollecitazioni di natura fisica tipiche di un ambiente di questo tipo. Si tratta di connettori con grado di protezione IP68 che hanno ampiamente superato (di un fattore pari a tre) i test di invecchiamento previsti da IEC per garantire la connessione per periodi di tempo molto lunghi.




I limiti delle prestazioni delle turbine eoliche

Anche le turbine eoliche evidenziano alcune limitazioni in termini efficienza. La turbina estrae energia cinetica dal vento, che rallenta il flusso d'aria attraverso le pale. Un'efficienza del 100% non è conseguibile in quanto richiederebbe l'arresto del vento tra le pale della turbina: senza alcun flusso d'aria in uscita non potrebbe entrare aria nuova e la turbina smetterebbe di girare. Nel 1919 lo scienziato tedesco Albert Betz aveva calcolato che l'efficienza massima teorica di una turbina eolica era pari al 59,3%. In realtà le turbine di grandi dimensioni utilizzate in installazioni su larga scala (utility-scale) possono raggiungere un'efficienza fino all'80% del limite di Betz, con un'efficienza di trasformazione dell'energia cinetica complessiva compresa tra il 35 e il 45%.

Intuitivamente, una velocità del vento più elevata consentirà di convertire una maggiore quantità di energia cinetica in elettricità. Nella pratica, una velocità eccessiva del vento potrebbe danneggiare le pale della turbina e per tale ragione vengono utilizzate diverse tecniche di frenatura per imporre una velocità massima di cut-out (velocità di taglio superiore, al raggiungimento della quale è previsto che la turbina rallenti per evitare stress eccessivi). Esistono numerosi metodi di frenatura tra cui la frenatura aerodinamica, in cui le punte delle pale possono essere ruotate esercitando in tal modo un'azione frenante riducendo la forza sul rotore, oppure sistemi di frenatura di tipo elettrico e meccanico.

Venti molto forti o tempeste violente di intensità tale da non poter essere contrastate dai sistemi di frenatura possono danneggiare la turbina a causa del surriscaldamento. Anche le pale e la torre possono risultare vulnerabili ai guasti e richiedere quindi operazioni di riparazione o di completa sostituzione.

Le turbine eoliche, inoltre, richiedono una velocità minima del vento (cut-in), dell'ordine di 3-4 m/s, prima che le pale possano iniziare a girare e abbia quindi inizio la generazione di elettricità. In caso contrario, non è possibile produrre elettricità.

Idroelettrica: un'energia più affidabile?

L'acqua, quando scorre a una velocità minima di 1 m/s, è in grado di far girare una turbina. Come fonte di energia naturale, quella idroelettrica appare sicuramente promettente. A questo proposito non bisogna dimenticare che quest'ultima è la forma che fornisce il più importante contributo alla generazione di energia prodotta mediante fonti rinnovabili: in base ai dati forniti da IRENA, essa rappresenta il 63% dell'energia totale prodotta, ovvero circa 2,4 volte la capacità combinata degli impianti fotovoltaici ed eolici (sia offshore sia onshore) installati. D'altra parte, i progetti idroelettrici di grandi dimensioni che prevedono la costruzione di dighe sono costosi, richiedono tempi lunghi, sono limitati da fattori di natura geografica e devono superare numerosi ostacoli di natura ambientale e territoriale.

La generazione mediante il moto ondoso e le maree può rappresentare una valida alternativa. Poichè le maree seguono la Luna durante la sua orbita attorno alla Terra, l'energia prodotta dalle maree è prevedibile e costante. Il WEF (World Economic Forum) ha messo a punto nel 2019 un progetto finalizzato alla realizzazione di una piattaforma, che sarà ormeggiata al largo delle coste settentrionali della Scozia, la quale sfrutterà le correnti marine per generare una quantità di energia sufficiente per alimentare circa 4.000 utenze domestiche. Secondo la Commissione Europea, moto ondoso e maree potrebbero generare energia in grado di coprire il 10% del fabbisogno dei Paesi dell'Unione entro il 2050.

La generazione di energia di questo tipo su scala commerciale non è esente da problemi: l'installazione e la connessione dei generatori sono operazioni costose, perchè il generatore deve essere fissato al fondo marino e collegato alla rete mediante cavi armati. Inoltre, sono ancora abbastanza scarse le conoscenze relative agli effetti prodotti dal rumore dei generatori e dal cambiamento del flusso delle maree sull'ambiente marino, senza dimenticare gli ostacoli di natura politica legati alla condivisione delle acque oceaniche. Nonostante ciò, uno studio condotto da Zion Market Research prevede un notevole incremento per il settore delle apparecchiature destinate alla generazione di energia dalle maree, che dovrebbe attestarsi attorno ai 3 miliardi di dollari entro il 2024.

Considerazioni conclusive

I meccanismi per catturare l'energia dal sole, dal vento e dalle maree hanno fatto registrare sensibili progressi negli ultimi anni. Grazie all'inventiva e alle capacità dei progettisti, l'efficienza energetica e l'affidabilità continuano ad aumentare, a fronte di una riduzione dei costi. Permangono comunque ancora ostacoli da superare e le tecnologie disponibili per catturare l'energia solare, eolica e delle maree devono continuare a migliorare se si vuole raggiungere l'obiettivo di soddisfare il futuro fabbisogno energetico mondiale utilizzando fonti rinnovabili.

L'argomento del prossimo blog sarà la gestione dell'elettricità generata da fonti rinnovabili mediante sistemi di immagazzinamento dell'energia, necessari per superare il problema correlato all'imprevedibilità dell'energia di natura eolica e fotovoltaica.

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