Possibile Contributo del Fotovoltaico al Bilancio Energetico Italiano

Partendo dalla situazione attuale della produzione di energia rinnovabile in Italia e considerando una prospettiva

temporale di medio e di lungo termine, si analizza la possibilità di un maggiore contributo del fotovoltaico al bilancio

energetico nazionale in relazione agli obblighi quantitativi imposti dal Protocollo di Kyoto. E’ considerata la presenza

dei limiti tecnici oggi esistenti per lo sviluppo della tecnologia e le difficoltà economiche di base dovute al costo. Sono

infine accennati alcuni aspetti di impatto ambientale che la diffusione delle fonti rinnovabili su larga scala comporta.

Trascuriamo la motivazione strategica più ovvia, quella della incombente necessità di sostituzione

dei combustibili fossili, dovuta alla rarefazione delle risorse, perché tale argomento è oggetto di

accanite discussioni tra gli esperti, con opinioni completamente contrastanti circa l’esistenza stessa

della crisi e la sua urgenza. Limitiamoci ad osservare che, indipendentemente dalla rarefazione delle

risorse energetiche fossili, la crisi climatica ambientale è ormai quasi universalmente riconosciuta.

Contrastare tale crisi è divenuto un compito primario dell’ONU. L’obiettivo è stato tradotto in un

primo atto legale nel Protocollo di Kyoto del 1997, oggi entrato in vigore per tutti i Paesi aderenti.

Quindi, senza ulteriori discussioni, l’Italia ha l’obbligo di rispettare gli impegni che il Paese si è

assunto all’atto della ratifica del Protocollo. Tali impegni, come vedremo, comportano la necessità

di sviluppare le fonti di energia rinnovabile e, tra queste, emerge per importanza strategica il

fotovoltaico.

La situazione di dettaglio del bilancio energetico mostrata nella Tab.1 evidenzia il fatto che il

consumo italiano del 2004 è stato pari a 197.8 Mtep di cui solo 16.5 Mtep provengono dalle fonti

rinnovabili endogene e 10 Mtep entrano nel bilancio come energia elettrica importata. Quindi,

rimangono circa 171.3 Mtep che derivano dai combustibili fossili.

Secondo la revisione effettuata dalla U. E. nel 2005 delle serie storiche di emissione dei gas serra,

la situazione italiana è oggi ufficialmente fissata per il 2004 ad un contributo alle emissioni

L’obiettivo di Kyoto per l’Italia stabilisce che le emissioni dei gas serra debbono essere ridotte

entro il 2012 del 6.5% rispetto al valore del 1990. Il riferimento per il settore energetico è pari a 419

Mt (ENEA, 2005a) e quindi le emissioni del sistema energetico devono scendere per il 2012 ad un

livello annuale pari a 392 Mt partendo dal valore di 477 Mt del 2004. La conseguenza è che si deve

arrivare a ridurre di 85 Mt le emissioni annuali del nostro sistema energetico nel corso di 8 anni,

cioè cumulando ogni anno una nuova riduzione di 10.6 Mt, per un abbattimento totale del 17.8%

rispetto al livello del 2004. Passando dalle emissioni alle quantità di combustibili fossili che le

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Da queste semplici considerazioni seguono due importanti conclusioni:

elettrica, mentre quella espressa in terajoule (TJ) attiene all’energia termica.

(elettr.) = 0.22 Mtep (efficien. centrali =39%) per idroelettrico, geotermoelettrico, eolico, biomasse, fotovoltaico;

1 TWh = 0.286 Mtep (efficien. = 30%) per biogas e RSU; 1 TJ (term.) = 0.0000239 Mtep.

differisce dal dato statistico ufficiale di 195.5 Mtep (Rapporto REA 2005) perché questo non contiene il

contributo di 2.3 Mtep di alcune rinnovabili (es. legna. RSU, ecc).

A livello mondiale la tecnologia fotovoltaica sta attraversando una fase di crescita accelerata, come

si può desumere dal grafico di Fig.1. La potenza installata nel mondo ha raggiunto la quota di 4500

3

MW, dei quali circa 3600 MW sono installati nei paesi aderenti all’OCSE. Il tasso di crescita attuale

è situato intorno al 27% annuo.

Fig.1 – La potenza cumulativa installata nei paesi dell’OCSE (IEA) e nel mondo. Fonte: (IEA,

2005) per dati fino al 2004 e dati provvisori dell’IEA per il 2005)

In Italia, a fronte della grande consistenza del potenziale fotovoltaico, la situazione attuale è

sintetizzata nella Tab.1. Le NFER contribuiscono per circa 2.6 Mtep corrispondenti allo 1.3 % del

La successiva Fig.2 mostra in dettaglio l’andamento nel tempo della potenza fotovoltaica installata

in Italia e l’energia elettrica prodotta annualmente. Si può notare che il settore mostra sensibili segni

di ripresa a partire dal 2002 con un tasso di crescita annuale pari a circa il 16% l’anno.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Grid-connected

centralised

Grid-connected

distributed

Off-grid nondomestic

Off-grid domestic

Mondiale

IEA

+67%

+27%

4

Fig.2 – Andamento della potenza fotovoltaica installata in Italia e della produzione energetica

ENEA provvisori per il 2005.

E’ noto che il fotovoltaico produce energia elettrica, allora l’unità di misura corrispondente al Mtep

visto in premessa, la significatività ambientale si ottiene con produzioni energetiche, non in termini

di GWh come mostrato in figura, ma con quantità 4500 volte superiori, cioè con multipli del TWh

(1 TWh = 1000 GWh).

potenza installata nei paesi OCSE e allo 0.8 per mille della potenza mondiale. Per confronto, la

potenza installata in Germania è stata nel solo 2005 pari a circa 640 MW e quella del Giappone ha

raggiunto i 300 MW (vedi Fig.3), contributi annuali rispettivamente pari al 14% e al 6.7%

all’incremento della potenza totale mondiale.

I recenti provvedimenti di incentivazione governativa, detti del Conto Energia, stanno producendo

una rapida crescita della potenza installata, come si può desumere dal fatto che le domande

ammesse per il 2005 hanno totalizzato 266 MW rispetto ai 100 MW previsti dalla legge per

quell’anno e ai 300 MW dell’obiettivo per il 2015. Inoltre, la revisione del Decreto del 2006 ha

elevato il limite a 500 MW e, a metà del 2006, risultano presentate 16870 domande per complessivi

1311 MW, cosicché tutta la potenza disponibile per il 2006, che è di 85 MW, è stata già saturata.

Pertanto, visti i tempi di realizzazione degli impianti, si può ragionevolmente presumere un

aumento notevole della potenza installata nel corso del 2006.

Tutto questo fa sperare in un parziale recupero della posizione di fanalino di coda del fotovoltaico

italiano rispetto a quello degli altri paesi europei, situazione ben rappresentata nella seguente Fig.3.

5

Fig.3 – Potenza fotovoltaica annuale installata in alcuni paesi dell’OCSE. Fonte: Report IEA PVPS

2005.

Tuttavia, anche considerando l’aumento della potenza installata per effetto dei Decreti del Conto

Energia, il livello raggiungibile dalla produzione energetica annuale è ancora qualche ordine di

grandezza più basso di quello necessario e l’intera produzione fotovoltaica equivale ad un risparmio

di combustibile fossile del tutto irrilevante. Purtroppo, vista l’esiguità degli obiettivi delle leggi

d’incentivazione, tale rimarrà ancora per molto tempo. Del pari è da considerare trascurabile la

corrispondente quantità di emissioni evitate.

Rispetto alle dimensioni necessarie sopra evidenziate, si conclude che il contributo fotovoltaico è

oggi trascurabile ai fini del rispetto dell’obiettivo di Kyoto. Eppure, nonostante questa deludente

situazione, la tecnologia fotovoltaica riveste per l’Italia una grande importanza strategica, sia per la

consistenza del potenziale energetico, sia per la crescita degli impegni futuri che si vanno

profilando sul piano ambientale per il dopo Kyoto, sia, infine, per le implicazioni economiche

connesse alla sicurezza dell’approvvigionamento energetico a seguito della rarefazione delle risorse

petrolifere mondiali.

La Fig.4 mostra la mappa della media annuale della radiazione solare giornaliera che incide al suolo

su una superficie piana fissa, esposta a Sud ed inclinata rispetto al piano orizzontale di un angolo

pari alla latitudine dei siti mostrati. Come è noto, in tali condizioni la raccolta di energia solare da

parte dei pannelli è massimizzata.

0

100

200

300

400

500

600

700

1993

1994

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

2004

2005

DEU

JPN

USA

ESP

FRA

ITA

AUT

NLD

USA

Italia

Giappone

+22%

Germania

+137%

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Fig.4 – Mappa della radiazione solare al suolo su superficie piana, esposta a sud ed inclinata

secondo la latitudine. I valori mostrati danno la media annuale dell’irraggiamento giornaliero in

giornalieri, mentre l’irraggiamento si va a ridurre verso il Centro-Nord, a partire dalla fascia

perdita del 10% nel collegamento dei moduli in pannelli, un ulteriore 10% per gli effetti di degrado

elettrica pari rispettivamente a 185 – 217 kWh nelle regioni del Sud e delle Isole e 140 – 192 kWh

nel Nord e nel Centro Italia. Scartando dalla media i valori minimali collegati alla Pianura Padana,

dove non appare conveniente andare a localizzare gli impianti, si può considerare un valore per

dobbiamo tenere conto del fatto che i pannelli devono essere collocati sul terreno distanziando le

occupato dagli impianti dovrà essere maggiorata di un fattore 2.5 rispetto all’area dei pannelli

fotovoltaici. Pertanto, l’energia elettrica annualmente ricavabile dall’area territoriale sarà più bassa

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consumo energetico italiano è di circa 198 Mtep annui, l’area necessaria per gli impianti diviene

molto ampia, tanto che sorge il dubbio se esista realmente la disponibilità di tale territorio in Italia.

La risposta può essere trovata esaminando la seguente Tab.3 che illustra l’inventario del territorio

italiano. Si nota che le aree marginali (terreni aridi e abbandonati, coperture di edifici industriali e

’91). Uno studio specifico (Avella et al., 1988), effettuato nell’ambito del Progetto Finalizzato

Energetica 2 del CNR, aveva già quantificato negli anni ‘80 l’ammontare dei terreni marginali

più recenti confermano tale ammontare.

Fonte: Dati ISTAT riportati su Enciclopedia di Repubblica 2003 alla voce Italia

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Per capire che cosa significa l’estensione delle aree marginali in termini di energia rinnovabile,

applicato ai dati della densità di energia otteniamo che per produrre 1 TWh di elettricità è

territorio nazionale) per produrre l’intero fabbisogno elettrico nazionale.

In conclusione, anche avvertendo che esistono alcuni ostacoli tecnici che ne limitano l’applicazione,

tuttavia si può constatare che, tra tutte le fonti rinnovabili, il potenziale energetico del fotovoltaico

assume per l’Italia un valore molto grande anche nella condizione attuale di relativamente bassa

efficienza di conversione dei moduli. Inoltre, poiché la tecnologia è in rapida evoluzione verso

prodotti a più alta efficienza, tale potenziale è suscettibile di consistente aumento. Pertanto, si

comprende come la fonte fotovoltaica debba essere guardata con particolare attenzione strategica.

E’ definito come l’energia che potrebbe essere prodotta annualmente utilizzando l’attuale

tecnologia e tenendo conto della presenza dei limiti tecnici e degli ostacoli di compatibilità

territoriale con le altre attività economiche prioritarie.

Per lo sfruttamento in grande scala del fotovoltaico esiste il limite tecnico dovuto alla intermittenza

casuale della produzione. Infatti, la rete elettrica nazionale, a cui gli impianti devono essere

collegati per convogliare l’elettricità prodotta verso gli utenti, può accettare in connessione diretta

una quantità limitata di potenza intermittente, al di sopra della quale insorgono gravi problemi di

stabilità della rete. Il limite di accettazione dipende dalla configurazione della rete e dal grado di

interconnessione con altre reti confinanti. Nella situazione attuale italiana, si considera pericoloso

per la stabilità della rete superare con la potenza intermittente totale un valore situato tra il 10% e il

20% della potenza complessiva dei generatori convenzionali attivi in rete. Pertanto, supponendo che

il parco dei generatori termoelettrici attivi della rete italiana ammonti a circa 50000 MW, potremo

pensare di collegare impianti di energia intermittente per un massimo complessivo di 10000 MW.

Supponiamo in prima istanza di avere la capacità economica per occupare questa quota di potenza

con impianti fotovoltaici distribuiti sul territorio prevalentemente nei siti più produttivi. Come si è

dell’attuale fabbisogno di elettricità. Il contributo è indubbiamente significativo sul piano del

consumo di elettricità, ma esso diviene marginale rispetto al bilancio energetico totale. Infatti il

settore elettrico costituisce circa 1/3 del totale dei consumi nazionali e pertanto il contributo del

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Inoltre, occorre registrare un ulteriore difficoltà dovuta alla contemporanea presenza di più fonti

intermittenti in collegamento alla rete elettrica. Poiché ad oggi sono stati già collegati alla rete

nazionale impianti eolici per un totale di circa 2000 MW, il margine di allacciamento ancora

sfruttabile senza problemi di stabilità è di 8000 MW. Teniamo però presente che le domande di

allacciamento di impianti eolici, in corso di verifica da parte del GRTN, ammonta a più di 13000

MW e che per contro l’ordine di grandezza della potenza fotovoltaica cumulata è oggi intorno ai 30

Il potenziale tecnico praticabile del fotovoltaico ha un valore appena apprezzabile sul piano

energetico, ma il suo ammontare non è certo risolutivo sul piano della questione ambientale. Il suo

contributo è limitato dagli effetti tecnici negativi dovuti all’intermittenza della produzione. Si è

allacciabile alla rete. Le modalità attuali di funzionamento degli impianti fotovoltaici posizionano

tale limite in modo da tollerare l’allacciamento di potenza rinnovabile per non più di 10000 MWp.

Se fosse possibile accumulare per tempi sufficientemente lunghi l’elettricità intermittente in modo

da fornirla alla rete in forma più stabile nel tempo, la quantità di impianti in connessione potrebbe

aumentare di molto. Purtroppo, l’energia elettrica oggi può essere accumulata soltanto

convertendola in un’altra forma di energia. La gamma delle opzioni comprende, tra le altre,

l’energia cinetica accumulata nei volani e nei gas compressi, quella gravitazionale nei bacini

d’acqua elevati, quella chimica nei combustibili di sintesi e elettrochimica negli elementi delle pile

elettriche. Se si sottoponessero ad una selezione tecnica queste opzioni a fronte delle esigenze di

mantenere l’energia in modo efficiente per periodi di tempo dell’ordine dei giorni e/o dei mesi, si

vedrebbe che sopravviverebbero soltanto due sistemi di accumulo: quello negli accumulatori

elettrochimici e quello nell’idrogeno (Coiante, 2004).

Senza entrare in questa sede in una discussione dettagliata dei due sistemi, ciascuno dei quali

mostra pregi e difetti, qui proviamo soltanto a sintetizzare l’argomento:

termine, per immagazzinare energia per periodi di tempo che possono andare da qualche

ora a qualche giorno. Pertanto, ad esempio in relazione al fotovoltaico applicato ad un modello

di sviluppo decentrato con piccoli impianti collegati alla rete, l’inserimento di un sottosistema di

accumulo elettrochimico di piccole dimensioni può migliorare la situazione degli inconvenienti

dovuti all’intermittenza, permettendo complessivamente di superare in parte il limite di

accettazione della rete. Possiamo ottimisticamente considerare per il medio termine che

l’insieme delle fonti elettriche intermittenti (eolico e fotovoltaico), dotate di piccoli sistemi di

accumulo, possa arrivare ad un contributo di potenza del 30-40% del totale presente in rete, cioè

tecnologia più appropriata per il lungo termine.

In una tale prospettiva temporale, la possibilità di realizzare il vettoriamento dell’energia solare

nelle più diverse applicazioni (settore degli usi termici e auto elettrica ad esempio) costituisce

una delle attrattive più forti per l’accumulo nell’idrogeno. Inoltre, l’accumulo stagionale di

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energia, che l’idrogeno consente, permetterebbe di sfruttare il fatto che la produttività elettrica

solare estiva è circa un fattore 3 più alta di quella invernale. L’energia in eccesso accumulata

d’estate potrebbe essere utilizzata per ottimizzare il fattore di capacità annuale delle centrali a

fonti rinnovabili, portandolo dal valore attuale delle 1500-1600 ore equivalenti senza accumulo

ad uno meno distante da quello medio delle centrali convenzionali (circa 6000 ore). Solo a

questo punto, la potenza rinnovabile potrebbe assumere il ruolo sostitutivo di quella

termoelettrica, perché il limite di accettazione degli impianti da parte della rete sarebbe rimosso

completamente. In tal caso, e solo in tal caso, il potenziale praticabile potrebbe salire a valori

confrontabili con quelli del fabbisogno elettrico nazionale. In aggiunta, ulteriore potenza

rinnovabile potrebbe essere dedicata alla produzione d’idrogeno da inviare agli altri settori di

utilizzo di modo che, in linea di principio, il contributo rinnovabile potrebbe essere significativo

rispetto al fabbisogno nazionale di energia.

A prescindere dalle considerazioni circa le difficoltà economiche, il limite tecnico a questo

discorso è chiaramente posto dalla disponibilità di aree in siti adeguati per la produzione

elettrica solare. Una stima grossolana di questo limite può essere desunta in base al seguente

ragionamento. Per semplificare, poniamo l’attenzione solo sul fotovoltaico. La densità di

energia elettrica fotovoltaica a livello del suolo, come si è visto, è oggi situata intorno a 80

continui miglioramenti in corso della tecnologia fotovoltaica lasciano prevedere lo sviluppo nel

medio termine verso impianti con efficienza netta intorno al 15%. Ciò avrà come conseguenza

Supponendo in linea teorica di poter sfruttare le aree marginali per una quantità totale di 22000

pari a 2200 TWh, che corrisponde a circa 189 Mtep in unità equivalenti al petrolio. Pertanto,

rimanendo nei limiti indicativi e approssimativi dell’esempio, si può concludere che il consumo

di combustibili fossili, oggi pari a 171 Mtep, potrebbe essere coperto, anche in prospettiva di

crescita, dal solo fotovoltaico. A prima vista tale risultato può apparire utopistico, soprattutto se

si considera la dimensione dell’area da occupare con gli impianti come se essi fossero tutti da

concentrare in una sola zona. A ben guardare, però, tale dimensione va ottenuta dalla somma

delle aree di un grande numero di appezzamenti, proprio quelli che corrispondono pressappoco

alle aree agricole abbandonate oggi esistenti, comprese le coperture degli edifici industriali. In

definitiva, in una visione diffusa sul territorio dell’applicazione degli impianti, la disponibilità

delle aree non sembra costituire un limite alla produzione di energia solare nel nostro Paese.

La natura diffusa sul territorio dell’energia solare (compresa l’eolica che da essa deriva) può

considerarsi un pregio in quanto essa porta a valutazioni strategiche positive circa l’autonomia

dell’approvvigionamento energetico e la flessibilità dell’applicazione. Purtroppo, per altri versi, tale

natura costituisce un difetto: infatti le diverse tecnologie di sfruttamento devono fare i conti con il

valore relativamente basso della densità energetica superficiale. Ciò fa sì che la diffusione nell’uso

delle fonti rinnovabili incontri due principali ostacoli:

degli impianti al fine di produrre significative quantità di energia. Come è noto, i costi di

fabbricazione degli impianti sono direttamente proporzionali all’area di dette superfici e la loro

anche la vastità dell’area territoriale su cui gli impianti vengono alloggiati. Tutto ciò, a sua volta,

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stata ottenuta soltanto dall’eolico, mentre le altre fonti si trovano tutte più o meno distanti dalla

concorrenzialità. Per mitigare questa carenza economica si può far ricorso all’argomento dei

benefici ambientali e alla loro quantificazione, argomento che è oggetto attualmente di ampia

disc