Energia sostenibile, la chiave per lo sviluppo è l’integrazione tra fonti rinnovabili e smart grid

Non solo rinnovabili: l’energia sostenibile riguarda non solo le fonti di produzione ma anche il processo, la distribuzione nonché l’ottimizzazione nei consumi.

Fasi che implicano sia la riduzione dell’impatto ambientale che l’efficientamento dell’intera filiera, chiamata a ristrutturarsi in ottica circolare e a integrarsi con l’Internet of Things.

Cosa significa energia sostenibile

L’energia sostenibile è il processo di produzione, distribuzione e consumo dell’energia riprogettato in chiave di sostenibilità. Ovvero, per garantire uno sviluppo che non comprometta bisogni e possibilità delle generazioni future.

L’obiettivo 7 dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile, sottoscritta nel 2015 da 193 paesi membri dell’ONU, è dedicato all’energia sostenibile.

Più precisamente, si tratta di Assicurare a tutti l’accesso a sistemi di energia economici, affidabili, sostenibili e moderni.

Il documento ONU sottolinea come il settore energetico sia responsabile del 60% delle emissioni di gas serra nel mondo e di come, nello stesso tempo, una persona su cinque non abbia accesso all’elettricità e tre miliardi dipendano da legno, carbone o concime animale per scaldarsi. Dati che descrivono una situazione insostenibile, ovvero che non può essere mantenuta per un tempo indefinito senza conseguenze irreversibili.

La sostenibilità include tre dimensioni: ambientale, sociale ed economica.

• La sostenibilità ambientale riguarda il rispetto delle risorse naturali e il loro mantenimento per non compromettere la sopravvivenza della vita sulla Terra.
• La sostenibilità sociale comporta invece la capacità di garantire benessere e una buona qualità della vita alle persone.
• La sostenibilità economica è invece la capacità di produrre reddito e lavoro per tutti.

L’attuale modello di produzione, distribuzione e consumo dell’energia non le include.

Energia sostenibile entro il 2030: i target

I target per raggiungere l’obiettivo di energia sostenibile entro il 2030 non riguardano solamente l’aumento della quota di energie rinnovabili ma anche il potenziamento della cooperazione internazionale per favorire l’accesso alle tecnologie e agli investimenti infrastrutturali nell’energia pulita, nonché il raddoppio del tasso globale di miglioramento dell’efficienza energetica.

La transizione all’energia sostenibile riguarda infatti tutte le fasi del processo energetico, dalla produzione alla distribuzione, al consumo fino allo smaltimento degli impianti.

L’energia sostenibile implica l’adozione nella filiera delle 4R dell’economia circolare:

• Ridurre,
• Riutilizzare,
• Riciclare,
• Recuperare.

Come si produce energia sostenibile

L’energia sostenibile non può prescindere dalle fonti energetiche rinnovabili, ovvero dalle fonti energetiche che non sono esauribili in tempi geologici o che si rigenerano ad un ritmo uguale o superiore al consumo.

Tuttavia, le fonti rinnovabili da sole non sono sufficienti: l’energia è sostenibile se risultato di un processo che fornisce il fabbisogno energetico necessario attraverso la riduzione al minimo dell’inquinamento e dell’impronta ambientale, l’ottimizzazione dell’utilizzo delle risorse, l’eliminazione degli sprechi.

Con la sensoristica si migliorano i controlli nel ciclo di produzione di energie rinnovabili

L’Internet of Things, la rete connessa di dispositivi fisici abilitati a Internet, attraverso la sensoristica e i software specializzati in analisi dei big data, consente l’acquisizione dei dati e il monitoraggio in tempo reale delle diverse fasi del processo della produzione di energia, nonché la tracciatura dello stato delle diverse apparecchiature utilizzate.

In Europa, l’Italia è stata la prima nazione ad introdurre su larga scala i contatori elettronici intelligenti, gli smart meter, in bassa tensione: gli smart meter rilevano i consumi effettivi delle utenze, identificano guasti e malfunzionamenti, comunicano in tempo reale con il fornitore di energia.

Il ruolo delle smart grid nella distribuzione di energia prodotta da fonti rinnovabili

Ma il contributo più importante fornito dall’IoT all’energia sostenibile sono le smart grid, le reti elettriche intelligenti, che controllano e gestiscono in tempo reale il flusso di energia presente al proprio interno.

Le smart grid sono dotate di un sistema di gestione dell’energia basato sui dati provenienti dai sensori nei diversi punti della rete ed elaborati dai software: un sistema che mette in comunicazione gli impianti con le grandi centrali per ottimizzare domanda e offerta, minimizzare le conseguenze delle variazioni di tensione, prevenire sovraccarichi o interruzioni alla fornitura.

Il modello tradizionale di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia è ad albero: grandi centrali, reti di trasmissione, utenze. Un’unica direzione, dalla produzione al consumo. Le smart grid abilitano invece un modello a rete distribuita, con piccoli impianti di produzione di energia vicino ai luoghi di consumo. Impianti che immagazzinano o cedono alla rete di distribuzione l’energia prodotta, che può viaggiare quindi in due direzioni.

Una rivoluzione che promette di risolvere il problema della fornitura incostante da fonti rinnovabili, grazie alla gestione dei picchi energetici, e consente di erogare energia solo se e quando serve. Una smart grid può essere autonoma (off-grid) oppure collegata alla rete di distribuzione: in questo caso è possibile il Demand Response, ovvero la modifica del prelievo di energia a seconda delle richieste del gestore di rete, bilanciando il fabbisogno durante la giornata e concentrando il consumo nelle fasce orarie più convenienti.

Quali sono le fonti rinnovabili

Le fonti energetiche rinnovabili (Fer) sono le risorse naturali impiegate nella produzione di energia. Risorse inesauribili, perché in grado di rigenerarsi a un ritmo uguale, o superiore, al loro consumo.

Sono le fonti di energia sostenibili per eccellenza, perché il loro utilizzo riduce moltissimo l’impatto ambientale nella produzione energetica: al contrario della produzione da fonti fossili, come il petrolio e il carbone, la produzione di energia da fonti rinnovabili non prevede combustioni inquinanti. E al contrario della produzione da reazione nucleare, non pone rischi relativi allo stoccaggio delle scorie o a catastrofi sanitarie e ambientali in caso di incidente.

Le fonti energetiche rinnovabili sono:

• irradiamento solare
• energia potenziale di una massa d’acqua posta a una certa altezza
• vento
• movimento delle onde, delle correnti e delle maree
• frazione biodegradabile di prodotti e rifiuti (biomassa)
• calore della Terra

Da queste fer si produce rispettivamente energia:

• solare
• idroelettrica
• eolica
• marina o oceanica
• da biomassa
• geotermica

Energia solare

L’energia solare è una fonte di energia rinnovabile e pulita, poiché non produce emissioni di gas serra o inquinanti atmosferici durante la sua produzione.

La radiazione solare può essere sfruttata per generare energia termica o elettrica attraverso l’uso di tecnologie come i pannelli solari. I pannelli solari fotovoltaici convertono direttamente la luce solare in energia elettrica utilizzando materiali semiconduttori, mentre i pannelli solari termici assorbono il calore del sole per riscaldare acqua o ambienti.

• Solare fotovoltaico: la radiazione solare diventa elettricità grazie all’effetto fotovoltaico, sottocategoria dell’effetto fotoelettrico scoperto da Einstein ai primi del ‘900. All’interno dei pannelli fotovoltaici, i semiconduttori colpiti dalle particelle di luce solare producono corrente continua, che viene trasformata in corrente alternata per essere consumata, immessa nella rete pubblica o immagazzinata tramite sistemi di accumulo.
• Solare termico: la radiazione solare diventa calore, ovvero energia termica. Nel pannello solare termico, i raggi del sole scaldano un fluido termovettore che cede il calore all’acqua nei serbatoi.
• Solare termodinamico: in questo caso i raggi solari diventano prima calore e poi elettricità in apposite centrali. Attraverso un sistema di specchi riflettenti, i raggi vengono convogliati verso il fluido termovettore che si scalda a temperature molto più alte del solare termico (>400°C). Il calore viene quindi trasformato in elettricità da una turbina a vapore più alternatore.

Energia idroelettrica

Una massa d’acqua posta a una certa altezza ha un’energia potenziale gravitazionale, che diventa cinetica quando cade verso il basso. L’energia idroelettrica è il risultato della trasformazione dell’energia cinetica dell’acqua che cade in energia elettrica, all’interno di apposite centrali.

La massa d’acqua, naturale o artificiale, viene convogliata in apposite condutture e scende a valle dentro le centrali: passa dalla turbina che trasforma l’energia cinetica in meccanica, aziona l’alternatore collegato che trasforma l’energia meccanica in elettrica, esce dall’impianto.

Le centrali idroelettriche possono essere ad acqua fluente, a bacino o ad accumulo: le centrali ad acqua fluente sono posizionate lungo un corso d’acqua naturale; le centrali a bacino comprendono un bacino naturale o artificiale a monte e un bacino di calma a valle, dove far riposare le acque prima della reimmissione nel flusso; le centrali ad accumulo fanno risalire l’acqua in quota con l’aiuto di pompe.

Energia eolica

L’energia eolica è una forma di energia rinnovabile ottenuta dalla conversione dell’energia cinetica del vento in energia elettrica utilizzabile. Questo avviene tramite l’utilizzo di aerogeneratori, che sfruttano le pale rotanti per generare energia meccanica e poi convertirla in energia elettrica attraverso un generatore.

L’energia eolica è una fonte pulita e sostenibile, in quanto non produce emissioni di gas serra o inquinanti atmosferici . È considerata una delle fonti di energia più promettenti per il futuro, in grado di contribuire alla riduzione delle emissioni di carbonio e alla transizione verso un sistema energetico più sostenibile.

Il movimento del vento fa muovere le lame della pala eolica. Le lame, generalmente tre, girano intorno a un rotore, attaccato alla navicella che contiene il generatore. Il movimento del rotore viene trasmesso ad un moltiplicatore di giri, che ne accelera la rotazione e trasferisce l’energia meccanica al generatore, che a sua volta la converte in elettricità.

Energia marina o oceanica

Questa forma di energia rinnovabile può essere generata da diverse fonti, come le maree, le onde, le correnti marine e la differenza di temperatura tra l’acqua superficiale e le profondità marine.

L’energia marina può essere convertita in elettricità utilizzando diverse tecnologie, come turbine, generatori e impianti di conversione dell’energia delle onde.

Questo tipo di energia è considerato pulito e sostenibile.

• Energia delle correnti. Funziona come l’energia eolica: le correnti fanno muovere le pale collegate a un generatore che trasforma l’energia meccanica in elettricità. I generatori di energia dalle correnti possono essere ad asse orizzontale o verticale, a seconda se la corrente sia costante o cambi direzione.
• Energia delle maree (o mareomotrice): sfrutta l’energia degli spostamenti d’acqua causati dalle maree e li trasformano in energia elettrica all’interno di apposite centrali o idrogeneratori. Le centrali mareomotrici, o sistemi a barriera, raccolgono in un bacino l’acqua in alta marea e la fanno defluire in bassa marea in condutture forzate: l’acqua fa muovere le turbine che azionano i generatori elettrici. Gli idrogeneratori sono invece turbine marine galleggianti che sfruttano l’energia delle correnti.
• Energia del moto ondoso: sfrutta l’energia cinetica delle onde e la trasforma in elettricità. L’impianto a colonna d’acqua oscillante raccoglie l’acqua in una colonna cava, posta in parte sopra la superficie del mare: il movimento delle onde fa oscillare la colonna d’aria e questa variazione di aria aziona una turbina. I sistemi a ondata si basano invece su una sacca d’aria che si gonfia a seconda del movimento delle onde, a cui è collegata un generatore.
• Energia talassotermica – OTEC: sfrutta la variazione di temperatura tra la superficie del mare, più calda perché irradiata dal sole, e le profondità.
• Energia a gradiente salino o osmotica: sfrutta la differente concentrazione di sale tra il mare e le acque dolci. Ogni cella dell’impianto è composta da acqua dolce e acqua salata, divise da una membrana semipermeabile. Le molecole di acqua dolce che per osmosi vanno verso l’acqua salata generano pressione che può essere collegata a una turbina.

Energia da biomassa

La biomassa è la frazione biodegradabile dei prodotti e dei rifiuti. Usate come combustibile negli impianti a biomassa, producono energia: il vapore ottenuto dalla combustione aziona le turbine collegate all’alternatore. Dalle biomasse si ottengono anche i biocarburanti come bioetanolo, biodiesel, biogas. L’energia da biomassa proviene da risorse biodegradabili ma non sempre è sostenibile.

Energia geotermica

L’energia geotermica si ottiene dal calore naturale presente nel sottosuolo terrestre. Dalla crosta terrestre verso il nucleo, la temperatura aumenta progressivamente. Gli impianti geotermici utilizzano sonde poste a poco più di 100 metri dalla superficie, dove il terreno ha una temperatura compresa tra 12 e 17 C°, costante per tutto l’anno. La sonda è collegata a una pompa che preleva il calore in inverno e lo cede in estate.

Esempi e vantaggi dell’energia sostenibile

La combinazione tra fonti rinnovabili e smart grid contribuisce a rendere l’energia sostenibile una realtà concreta.

Il quadro 2030 per il clima e l’energia della Commissione Europea pone come obiettivi, entro il 2030: la riduzione delle emissioni di almeno il 40% rispetto ai livelli del 1990; l’utilizzo di fonti rinnovabili per almeno il 32% del fabbisogno; il miglioramento del 32,5% dell’efficienza energetica.

Realizzare smart grid da fonti rinnovabili può aiutare a raggiungere tutti gli obiettivi: efficienta la produzione, monitora gli sprechi, aumenta la consapevolezza degli utenti sui consumi, analizza e risolve eventuali problemi di malfunzionamento, previene le interruzioni di servizio e i sovraccarichi.

Sono smart grid le centrali elettriche virtuali, o Virtual Power Plant, che coordinano in cloud diversi impianti distribuiti, per garantire una fornitura stabile di energia.

Virtual Power Plant di Statkraft

Il Virtual Power Plant più grande in Europa è di Statkraft, produttore di energia rinnovabile: comprende circa 940 parchi eolici, quasi 100 impianti solari e 12 centrali a biomassa, con una capacità installata di più di 10 GW, equivalenti a dieci centrali termiche.

La gestione dei picchi energetici e l’utilizzo di accumulatori per immagazzinare l’energia consentono alla smart grid di risolvere il problema della fornitura incostante delle fonti rinnovabili (ad esempio il fotovoltaico).

Il progetto Atlante di Stellantis: ricarica rapida per veicoli elettrici

Nell’estate 2021 il gruppo Stellantis, in partnership con NHOA e Free2Move eSolutions, ha annunciato il progetto Atlante: una rete di stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici alimentata solo da rinnovabili, con potenza da 100 a 175 kW.

Il progetto prevede 5.000 stazioni entro il 2025 in Italia, Francia, Spagna e Portogallo, oltre 35.000 entro il 2030. La rete è pensata per essere Vehicle-Grid-Integrated, ovvero dotata delle tecnologie IoT che consentono all’automobile di interagire con la smart grid per regolare il fabbisogno di energia elettrica. Le stazioni di ricarica sono progettate con pannelli fotovoltaici e batterie di accumulo “second life”, ovvero provenienti da auto da rottamare e riutilizzate.

Impianti rinnovabili in Italia

Secondo il dossier Comunità rinnovabili 2022 stilato da Legambiente, in Italia sono attualmente presenti oltre 1,35 milioni di impianti provenienti da fonti rinnovabili, distribuiti in tutti i Comuni italiani, per una capacità totale di 60,8 GW.

Tuttavia, solo 1,35 GW di nuovi impianti sono stati installati nel 2021, includendo idroelettrico, eolico e fotovoltaico. Dal punto di vista della produzione, nel 2021 le fonti rinnovabili hanno contribuito complessivamente con 115,7 TWh al sistema elettrico italiano, registrando un modesto aumento del 1,58% rispetto al 2020.

Questo incremento è al di sotto degli obiettivi annuali, a causa della pandemia ma anche del complicato sistema di autorizzazioni per la realizzazione dei progetti.

D’altra parte, si registra una crescita delle opportunità di autoproduzione e scambio di energia tramite le Comunità Energetiche da fonti rinnovabili.

Nel rapporto sono state mappate complessivamente 100 di queste comunità, tra quelle già operative (35), in fase di progetto (41) o che stanno iniziando ad avviarsi (24).

Tutte le informazioni sono disponibili sulla mappa presente sul sito comunirinnovabili.it, realizzata in collaborazione con Esri Italia e ActionGis. T

ra queste, sono state censite 59 nuove realtà tra giugno 2021 e maggio 2022, coinvolgendo centinaia di famiglie, decine di Comuni e imprese. In particolare, 39 sono Comunità Energetiche Rinnovabili e 20 sono Configurazioni di Autoconsumo Collettivo.

Esempi di comunità rinnovabili in Italia

Tra le buone pratiche, il primo condominio in regime di autoconsumo collettivo a Pinerolo (To), realizzato da Acea Energia in joint venture con Tecnozenith e in collaborazione con l’Energy Center del Politecnico di Torino: l’edificio per il 90% consuma quanto produce attraverso il solare termico e l’impianto solare fotovoltaico da 20 kW, che alimenta le utenze di 10 appartamenti e una pompa di calore per il riscaldamento/raffreddamento degli edifici. L’impianto comprende le batterie da 13 kWh per l’accumulo di energia e un sistema di monitoraggio per ciascun inquilino, che può regolare temperatura e consumi.

Si segnala inoltre il progetto di smart grid del Comune di Serrenti, poco meno di 5000 abitanti, in Sardegna: cinque microgrid che coprono il fabbisogno energetico fino all’82%. La prima microgrid è stata realizzata nel 2010 con un primo impianto fotovoltaico da 19,8 kW sul tetto della scuola media collegato al teatro comunale. La seconda, nel 2012, con un secondo impianto da 19,3 kW sul tetto della scuola materna e collegato alla scuola elementare, l’asilo nido e la palestra comunale. La terza, nel 2015, con un impianto da 17,1 kW sul municipio e messo in condivisione con altri uffici comunali. La quarta, nel 2017, con un impianto da 19,8 kW al parco comunale e collegata al cimitero. La quinta, con un impianto tra il mercato civico e il campanile. La gestione dei flussi è affidata dal 2018 alle “Case dell’Energia”, dotate di sistema di accumulo e di software IA per regolare il fabbisogno degli edifici.