Gli stringenti obiettivi europei in termini di riduzione delle emissioni climalteranti pongono il pressante problema di disegnare per la fornitura di energia negli Stati Membri un futuro basato su un massiccio contributo delle fonti rinnovabili. Per la Germania, le cui emissioni di CO2 al 2011 rappresentavano ben il 20% del totale in Europa, l’ambizione è quella di ridurre tale valore per il 2050 dell’80% o, addirittura, del 95% rispetto a quello di partenza. L’Istituto Fraunhofer ISE ha appena reso pubblico uno studio nel quale ha cercato di tradurre questi aridi numeri in uno scenario reale: quali e quante fonti energetiche rinnovabili devono essere utilizzate per centrare questo obiettivo?

Le “domande guida” dello studio tedesco sono poche e, almeno apparentemente semplici: è possibile raggiungere l’obiettivo al 2050 tramite un utilizzo diffuso delle rinnovabili? Se sì, quale mix di fonti risulta migliore? Qual è il suo costo?

Per rispondere a questi interrogativi, la metodologia impiegata dai ricercatori tedeschi si è basata, prima di tutto, su una dettagliata modellizzazione del loro sistema energetico tramite un bilancio effettuato su base oraria. Successivamente, si è realizzata una ottimizzazione per determinare il miglior mix possibile e la taglia più adatta per ciascuna fonte, avendo come funzione obiettivo la minimizzazione del costo annuale complessivo, che tiene conto non solo dell’investimento iniziale, ma anche delle spese di funzionamento e manutenzione, nonché di quelle legate al finanziamento e a un eventuale re-investimento necessario.

Edifici e riscaldamento

Dopo questa prima valutazione, sono state realizzate alcune analisi di sensibilità per valutare gli effetti di differenti valori per la domanda termica negli edifici (legata, quindi, a un retrofit nella direzione di una maggiore efficienza energetica) e per la frazione di tale domanda coperta da reti di teleriscaldamento. Si sono poi stimati gli effetti della variazione di questi due parametri sui seguenti valori: la capacità installata per le fonti elettriche aleatorie (fotovoltaico ed eolico), il costo totale, la capacità necessaria per le unità cogenerative, per le pompe di calore centralizzate e per le centrali di back up e, infine, il mix tecnologico per la fornitura di calore nei singoli edifici.

Il primo risultato di questa analisi mostra come un massiccio intervento retrofit sugli edifici non sia economicamente competitivo, anche se una domanda termica troppo alta comporta un incremento della capacità necessaria per fotovoltaico ed eolico. Un altro output interessante è che la frazione del fabbisogno termico coperta dal teleriscaldamento non sembra avere un’influenza significativa sul costo annuale complessivo del sistema energetico nazionale.

Proviamo a vedere nel dettaglio uno dei possibili scenari elaborati dallo studio, corrispondente a una riduzione delle emissioni di CO2 pari all’81%. Il parco di generazione elettrica è così composto:

  • 147 GW di fotovoltaico
  • 120 GW di eolico onshore
  • 32 GW di eolico offshore
  • 60 GW di cogenerazione di media e grande taglia connessa alle reti di teleriscaldamento.

Il mix elettrico vedrebbe allora una copertura del 78% da fonti rinnovabili (eolico, fotovoltaico e idroelettrico). Importante saranno gli investimenti anche sull’accumulo a partire dal 2020 in un sistema elettrico che si fonderà principalmente su fonti intermittenti.

Per quanto riguarda la produzione distribuita di energia termica, si sono calcolati :

  • 42 GW di solare termico
  • 41 GW di pompe di calore elettriche, divise tra due differenti tecnologie
  • 15 GW di pompe di calore a gas.

Il calore sarebbe prodotto anche in maniera centralizzata, tramite impianti solari di grande taglia (per esempio connessi a reti di teleriscaldamento) per un totale di 40 GW e grazie al contributo di 60 GW elettrici di cogenerazione e 15 GW di pompe di calore centralizzate. In questo scenario, i contributi più rilevanti arriverebbero dalle pompe di calore elettriche, dal solare termico (che potrebbe coprire il 22% del fabbisogno totale) e dall’energia termica di scarto delle unità cogenerative.

Quali conclusioni?

Una riduzione delle emissioni di CO2 dell’80% è non solo auspicabile, ma anche possibile e, porterebbe, nel medio e lungo termine, a un sistema energetico con un minore costo complessivo e con una ridottissima dipendenza dalla necessità di import. Una conseguenza diretta è un significativo incremento dell’occupazione e della creazione di valore locale.

Gli elementi chiave di una trasformazione così sostanziale sono tre: la riduzione dei consumi finali, l’efficienza nella conversione energetica (motori elettrici, pompe di calore che sostituiscono processi a combustione) e l’utilizzo di fonti rinnovabili per la generazione sia elettrica sia termica.

La produzione elettrica da rinnovabili diventerebbe in questo scenario il fondamento del sistema energetico. Una ipotesi del genere è realizzabile a patto che si appronti un sistema estremamente flessibile per la generazione elettrica e anche per il consumo in tutti i settori, così da poter utilizzare il carico residuo negativo.

Notevole, infine, è il contributo atteso dal solare termico, che potrebbe coprire quasi un quarto della domanda termica complessiva. Gli impianti solari di grande taglia, secondo il livello di espansione raggiunto dalle reti di teleriscaldamento, potrebbe vedere una capacità installata compresa tra i 20 e gli 80 GW.

Un’analisi dettagliata dello studio, che è sintetizzata nelle slide di Hans-Martin Henning del Fraunhofer Institut (file in pdf), è stata presentata ad Amburgo nella seconda conferenza sul teleriscaldamento solare (www.solar-district-heating.eu).