Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
Le fonti di energie rinnovabili:
prospettive
L'energia idroelettrica è una fonte rinnovabile già
ampiamente sfruttata. La legna da ardere, anch'es-
sa rinnovabile, è ancora il combustibile più diffuso
in molti Paesi poveri. Lo sfruttamento di altre ener-
gie rinnovabili, nel mercato mondiale dell'energia,
oggi copre una frazione minima ma destinata a cre-
scere. Esse sono principalmente: l'energia idroelet-
trica, l'energia solare termica e fotovoltaica, il vento, le
biomasse e i rifiuti solidi organici.
Al termine della Seconda
guerra mondiale i mezzi e
le ricchezze furono impie-
gati per la ricostruzione
delle città (palazzi,
fabbriche, uffici ecc.)
e, in seguito, per
creare un nuovo
modello di sviluppo consumistico, cioè un nuovo
modo di vivere, basato sull'acquisto, il possesso e il
consumo continuo di beni materiali. Le esigenze ener-
getiche diventarono enormi, di dimensioni mai cono-
sciute nella storia.
L'energia, nel ventesimo secolo,
significa essenzialmente fonti fos-
sili, una risorsa non rinnovabile.
In seguito alla crisi petrolifera
degli anni settanta, il mondo
occidentale ha reagito rapida-
mente alla nuova situazione
adottando contromisure che
hanno permesso, nel 1986, di
riportare i prezzi del petrolio allo
stesso livello in cui si trovavano nel 1973, attraverso: il rispar-
mio energetico, e quindi la riduzione della domanda di ener-
gia; l'incremento delle importazioni da paesi produttori ester-
ni all'OPEC; la valorizzazione di giacimenti prima non utilizza-
ti, perché non convenienti economicamente (Mare del Nord,
Alaska); la ricerca di fonti diverse dal petrolio (si ha un ritorno
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Alla scoperta dell’energia
all'uso del carbone, lo sviluppo delle centrali nucleari e, più
marginalmente, l'uso delle fonti di energia rinnovabili).
Protocollo di Kyoto:
Firmato nel dicembre del
1997, il protocollo di Kyoto
Il settore delle energie rinnovabili sta conoscendo in quasi
indica gli obiettivi tutti i Paesi tecnologicamente più avanzati uno sviluppo
internazionali per la riduzione intenso in tutti i settori e, soprattutto, in quelli eolico e foto-
di sei gas cosiddetti ad voltaico. In Italia, nonostante qualche eccezione, si registra
effetto serra, ritenuti un forte ritardo nella produzione di fonti alternative di energia
responsabili del ed una scarsa commercializzazione delle tecnologie ad esse
riscaldamento globale del
legate. Tuttavia, negli anni più recenti sono state prese deci-
pianeta che potrebbe portare
a gravissime modifiche del
sioni che potrebbero cambiare questa situazione, ad esem-
clima. L'obiettivo fissato è pio i recenti impegni presi dal nostro paese con la sottoscri-
una riduzione media del 5,2 zione del Protocollo di Kyoto.
per cento dei livelli di
emissione del 1990, nel
periodo 2008- 2012. Per
alcuni Paesi è prevista una Il ciclo dell'energia solare
riduzione maggiore (8 per
cento l'Unione europea, 7 per Quasi tutta l'energia che usiamo ci viene, direttamente o indi-
cento gli Stati Uniti, 6 per rettamente, dal Sole. I raggi del Sole illuminano e riscaldano la
cento il Giappone). Per altri superficie esposta della Terra, innescando il ciclo di evapora-
Paesi, considerati in via di
zione e ricaduta dell'acqua, permettendo così la vita sul nostro
sviluppo, sono stati fissati
obiettivi minori. Per la Russia
pianeta: fanno crescere la vegetazione (legna da ardere, ali-
e l'Ucraina, ad esempio, menti per l'uomo e gli animali), scaldano l'aria e provocano i
l'obiettivo da raggiungere è la venti. Ogni ciclo vitale sul nostro pianeta è legato all'energia
stabilizzazione sui livelli del che ci viene dal Sole. All'energia assorbita dal Sole si devono
1990. Gli Stati Uniti anche i combustibili fossili: carbone, petrolio e gas naturale,
attualmente si rifiutano di infatti, non sono altro che energia solare assorbita centinaia di
ratificare l'accordo.
milioni di anni fa e immagazzinata nelle viscere della Terra.
Dato il lungo periodo necessario alla loro formazione, questi
ultimi rappresentano oggi forme di energia non rinnovabile, al
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
contrario di altre fonti, come quella idroelettrica e del vento,
che sono invece rinnovabili. L'energia del Sole può essere
Radiazione u.v:
utilizzata anche direttamente, tramite i pannelli solari termici
radiazione ultravioletta.
e fotovoltaici. Radiazione elettromagnetica
di lunghezza d'onda molto
piccola. I raggi UV sono
Temperatura del pianeta Terra convenzionalmente
classificati in tre bande: gli
UV-A e UV-B (responsabili
Una parte dello strato di gas che circonda la Terra (atmosfe- dell'abbronzatura) possono
ra) funziona da filtro dei raggi causare irritazione cutanea
solari - che quindi non diventano (eritemi) ed infiammazione
dannosi per l'uomo (radiazione oculare (congiuntivite) in caso
u.v.) - e da coperchio, in partico- di esposizione prolungata non
protetta; e gli UV-C, i più
lare le nubi, l'anidride carbonica,
energetici e dannosi, che
il metano, capaci di trattenere fortunatamente non giungono
parte del calore che gli stessi sulla Terra. A circa 20 km di
raggi trasportano (radiazione altezza nell'Atmosfera, infatti,
i.r.). Si calcola che se non ci fosse essi vengono filtrati
l'atmosfera la Terra avrebbe una dall'ossigeno dando origine
temperatura media di meno 20 all'ozono.
gradi centigradi! Grazie alla pre-
Radiazione i.r.:
senza dell'atmosfera invece, la radiazione infrarossa.
Terra ha una temperatura media Invisibile all'occhio umano,
di +17 gradi centigradi. Il nostro può essere rilevata come una
ecosistema è mantenuto a questa sensazione di tepore sulla
temperatura media principalmente dai raggi che la stessa pelle. Generalmente la
Terra riemette e che l'atmosfera trattiene. E' esperienza radiazione IR trova
innumerevoli campi di
comune che se il cielo notturno è limpido le mattine sono più
applicazione: comunicazioni
fredde di quando il cielo è coperto. Questo è l'effetto serra. senza filo (ad es. nei
(vedi anche pag. 72) computer portatili), rilevatori
di movimento e sensori
antincendio.
Energia solare termica
L'energia che ci viene dal Sole può essere facilmente conver-
tita in calore (energia termica). I floricoltori e gli agricoltori da
tempo sfruttano il fenomeno nelle serre. Si possono così
riscaldare gli ambienti e l'acqua per usi domestici e sanitari.
Questo si ottiene con i pannelli solari termici, con i quali l'ac-
qua può essere riscaldata fino a 70 - 80°C. Il rendimento dei
pannelli solari è aumentato negli ultimi decenni, rendendo
commercialmente competitive varie applicazioni nell'edilizia,
nel settore dei servizi e nell'agricoltura.
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Alla scoperta dell’energia
Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di
pannelli solari. In Italia l'applicazione dei pannelli solari è anco-
ra poco diffusa, anche se in crescita.
In ogni caso, va ricordato che questa fonte di energia rinnova-
bile, così come il solare fotovoltaico, copre tuttora in misura
minima i consumi globali.
Pannelli solari
Per convertire il più possibile in calore l'energia solare, i pan-
nelli devono essere scuri. Il pannello (o collettore) solare è
composto da una superficie piana contenente un fluido che
assorbe buona parte dell'energia solare. Il fluido trasferisce il
calore all'acqua contenuta in un serbatoio isolato termicamen-
te. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 45-
60°C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo del-
l'efficienza, che varia con le condizioni climatiche e con la tipo-
logia di collettore, tra 30% e 80%. I sistemi solari per scaldare
l'acqua sono, in genere, utilizzati per gli usi domestici di singo-
le famiglie. Si tratta di impianti di 4-6 m2, con serbatoio di 150-
300 litri, che consentono di produrre acqua calda a tempera-
ture non elevate (55-65°C), tuttavia adatte agli usi di cucina,
bagni, riscaldamento. Le tecnologie ad alta temperatura (che
consentono di arrivare a temperature dell'ordine di 500-600
gradi centigradi) richiedono sistemi di specchi per concentra-
re i raggi del sole sul contenitore del fluido.
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
Storia e prospettive del solare termico
La radiazione solare è stata sfruttata dall'uomo fin dall'origine
dei tempi per riscaldare l'ambiente e nell'agricoltura. Il primo
stadio nei processi di utilizzazione è costituito dalla “raccolta”,
che oggi avviene in tre modi: collettori termici, collettori foto-
voltaici, collettori biologici.
Il primo pannello solare per scaldare l'acqua fu costruito nel
diciottesimo secolo da uno scienziato svizzero. Si trattava di
una semplice scatola di legno con un vetro nella parte esposta
al sole e la base di colore nero, capace di assorbire la radiazio-
ne solare e di intrappolarla nella scatola stessa grazie a un
locale "effetto serra" e alla scarsa dispersione, dovuta alle
caratteristiche termiche isolanti del legno. Il pannello consenti-
va di raggiungere temperature di circa 87 ºC.
Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di
pannelli solari di cui 3 milioni nell'Unione Europea.
Il solare termico in Italia
In Italia, le prime tracce di interesse per que-
sto settore risalgono ai primi anni '60. I primi
modelli di scaldacqua solari commerciali a
bassa temperatura iniziarono a diffondersi
intorno al 1975. In Italia l'applicazione dei
pannelli solari per scaldare l'acqua può esse-
re ancora molto potenziata. Nel 2000 sono
stati installati circa 25.000 m2, molto pochi
anche rispetto a paesi più freddi (per esempio
l'Austria o la Germania), più sensibili a que-
stioni economico ambientali relative a questo
settore.
Il parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 m2, l'utiliz-
zo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di pre-
valente utilizzo estivo ed alle piscine.
L'esperienza italiana di maggior rilievo nel solare termico a
media temperatura è stata realizzata agli inizi degli anni
ottanta con la costruzione di una grande centrale ad Adrano,
in provincia di Catania. L'impianto, chiamato Eurelios, è costi-
tuito da una torre centrale alla sommità della quale è posta la
caldaia riscaldata dalla radiazione riflessa da un campo di
specchi. La centrale ha la potenza di 1MW.
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Alla scoperta dell’energia
Energia solare fotovoltaica
Effetto fotovoltaico:
Si basa sulla proprietà che Nell'aprile del 1954 fu annunciata alla stampa la scoperta da
hanno alcuni materiali parte dei Laboratori della Bell (Stati Uniti) della prima cella
semiconduttori fotovoltaica al silicio, che segnava la tappa decisiva nello svi-
opportunamente trattati (fra luppo della tecnologia per convertire direttamente l'energia
cui il silicio) di generare
solare in energia elettrica.
direttamente energia elettrica
quando vengono colpiti dalla Questo avviene sfruttando l'effetto fotovoltaico e i dispositivi
luce (radiazione si chiamano appunto celle fotovoltaiche. Il rendimento è del-
elettromagnetica). l'ordine del 10%, ossia circa un decimo dell'energia luminosa
incidente è convertita in energia elettrica.
La grossa spinta allo sfruttamento dell'energia solare venne
dall'industria aerospaziale, con l'inizio della corsa allo spazio
verso la fine degli anni cinquanta e la messa in orbita dei
primi satelliti. La necessità di alimentare i circuiti elettrici dei
satelliti ha dato un notevole impulso allo sviluppo della tec-
nologia fotovoltaica.
I sistemi fotovoltaici offrono vantaggi ambientali, in quanto non
producono emissioni chimiche, termiche o acustiche. Essi,
inoltre, non hanno parti in movimento e sono, quindi, affidabili
e necessitano di poca manutenzione.
Moduli fotovoltaici
Il dispositivo più elementare capace di operare tale conver-
sione è la cella fotovoltaica. Molte celle assemblate e colle-
gate tra di loro in una unica struttura formano il modulo foto-
voltaico. Un modulo fotovoltaico tipo è costituito da 36 celle,
ha una superficie di circa mezzo
metro quadrato ed eroga, in condi-
zioni standard ottimali, circa 50W,
ossia l'energia sufficiente a far fun-
zionare due lampadine da 25W. Oggi
stanno uscendo sul mercato anche
moduli fotovoltaici che non sono fatti
assemblando celle, ma vengono rea-
lizzati direttamente a partire da una
lastra di vetro su cui vengono depo-
sitate pellicole sottili (films) di mate-
riale semiconduttore. Si ritiene che
questi nuovi dispositivi fotovoltaici
porteranno ad una diminuzione
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
sostanziale dei costi di produzione. Uno dei limiti dell'energia
solare sta nel fatto che è fornita, in ogni area della Terra, in
Semiconduttore:
modo intermittente; per il suo sfruttamento è, dunque,
Materiale che ha le seguenti
necessario poterla raccogliere e conservare, oppure connet- proprietà fisiche: la
terla con la rete locale di distribuzione. conducibilità elettrica,
inferiore a quella dei metalli,
cresce all'aumentare della
temperatura quindi aumenta
Prospettive di sviluppo se il materiale è colpito da
radiazione. Semiconduttori
La capacità mondiale di produzione di celle fotovoltaiche tipici sono il silicio (Si) e
negli ultimi anni è in costante crescita. L'aumento della pro- l'arseniuro di gallio (GaAs). I
duzione è impressionante, comparabile con quello delle semiconduttori costituiscono
industrie che producono dispositivi elettronici. Tuttavia que- il nucleo essenziale dei
dispositivi elettronici.
sta grande quantità è stata realizzata in buona parte con
applicazioni ad “alto costo”: i moduli attuali vengono vendu-
ti ad un prezzo ancora molto alto.
Per abbattere il costo dei moduli è necessario ancora un pro-
gresso in tre direzioni: efficienza dei moduli; costo di produ-
zione; crescita del volume di produzione.
Ovviamente, il terzo fattore è legato al
secondo.
La maggior parte dei dispositivi foto-
voltaici attuali si basa sul silicio cri-
stallino e policristallino, sfruttan-
do una tecnologia molto simile a
quella usata per la realizzazione
dei chip in elettronica, quindi è
difficile pensare a grandi diminu-
zioni di costi.
I nuovi dispositivi basati sui films
sottili dovrebbero consentire una
significativa riduzione dei costi di pro-
duzione, e quindi una crescita del volume
di vendita. Gli esperti concordano sul fatto che la sorte "fina-
le" del fotovoltaico (e in generale delle fonti rinnovabili) si gio-
cherà su tempi lunghi in tutto il mondo (ma particolarmente
nei paesi sviluppati che sono i più “energivori”) su uno scac-
chiere che dovrà necessariamente considerare il progressivo
impoverimento delle risorse di combustibili fossili.
In Italia attualmente esistono tre centrali fotovoltaiche colle-
gate alla rete di distribuzione.
La centrale di Serre, in provincia di Salerno, è la più grande
centrale fotovoltaica europea.
53Alla scoperta dell’energia
Energia eolica
I generatori eolici o aerogeneratori convertono direttamente
l'energia cinetica del vento in energia meccanica (rotazione
delle pale), che viene a sua volta utilizzata per la generazione
di energia elettrica.
I generatori moderni sono i figli dei mulini a vento medioeva-
li. Un moderno generatore può erogare una potenza elettrica
di 3 Megawatt, sufficiente per servire più 150.000 abitazioni.
L'energia eolica ha il pregio di essere una fonte rinnovabile
ma, naturalmente, può essere sfruttata dove il vento c'è e
soffia con intensità e regolarità sufficienti.
Benefici globali e costi
L'energia eolica è una fonte rinnovabile, in quanto non richie-
de alcun tipo di combustibile, ma utilizza l'energia cinetica
del vento. L'impatto ambientale è limitato. Gli aerogeneratori
non provocano emissioni dannose per l'uomo e per l'ambien-
te, non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico,
visto che i componenti usati per la loro costruzione sono
materie plastiche e metalliche. Nonostante questo, numero-
se critiche di tipo ambientalistico sono state fatte a questi
generatori, in particolare per quanto riguarda l'impatto visivo
ed acustico. Si valuta che nel mondo ci siano circa 20 milio-
ni di MW di potenza eolica utilizzabili. L'eolico è caratterizza-
54Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
to, come le altre tecnologie che utilizzano fonti di energia rin-
novabili, da costi di investimento elevati in rapporto ai ridotti
costi di gestione e manutenzione. Comunque sia, l'eolico ha
raggiunto un buon livello di maturità tecnologica e costi di
produzione dell'energia elettrica sufficientemente bassi da
consentirne, con incentivi eco-
nomici, la diffusione nel mercato
energetico.
In Germania, per incentivare la dif-
fusione dell'energia eolica, lo
Stato sovvenziona i produttori.
E' certo che, come nel caso delle
altre tecnologie, i costi diminuiran-
no con gli sviluppi della ricerca
tecnologia e all'aumentare della
diffusione degli impianti: negli ulti-
mi 20 anni i costi si sono già ridot-
ti a un quinto.
Tuttavia, non tutti i luoghi del pia-
neta risultano idonei all'installa-
zione di impianti eolici: per l'irre-
golarità dei venti in certe regioni,
oppure per la loro debolezza,
visto che per essere sfruttabili
devono soffiare a una velocità
non inferiore ai 4 m/s e per alme-
no un centinaio di giorni all'anno.
In Italia i siti convenienti non
sono molti.
55Alla scoperta dell’energia
Rifiuti e riciclaggio
Fotosintesi clorofilliana:
processo biochimico che si Le attività umane e industriali producono anche “rifiuti”, ossia
svolge nei vegetali grazie alla qualcosa che normalmente, non viene utilizzato. In una
clorofilla e che, sotto l'azione società economicamente sviluppata la quantità media di
della luce, permette la rifiuti domestici è di circa una tonnellata all'anno per perso-
trasformazione dell'acqua e
na. Negli ultimi decenni ci si è resi conto che buona parte di
dell'anidride carbonica in
composti organici. questi rifiuti può essere riutilizzata per estrarne energia o rici-
clata per risparmiare materie utili.
Mtep:
sigla per indicare un milione
(M) di tonnellate equivalenti di
petrolio (tep) Definizione di Biomassa
Il termine Biomassa definisce l’insieme di una gran quantità
di materiali di matrice organica. Sono da escludere le plasti-
che e i combustibili fossili. La biomassa rappresenta una
forma di accumulo dell'energia solare. Questa, infatti, con-
sente alle piante di convertire l'anidride carbonica in materia
organica, tramite il processo di fotosintesi, durante la loro
crescita. In questo modo vengono fissate complessivamente
circa 200.000.000.000 di tonnellate di carbonio all'anno, con
un contenuto energetico dell'ordine di 70·103 Mtep.
La biomassa, utilizzabile ai fini energetici, consiste in tutti quei
materiali organici che possono essere utilizzati direttamente
come combustibili, cioè trasformati in
combustibili solidi, liquidi o gassosi.
Le biomasse possono, quindi, essere
costituite da: residui delle coltivazioni
destinate all'alimentazione umana o
animale o piante espressamente col-
tivate per scopi energetici.
Altre importanti fonti di
biomassa sono: residui
dal campo forestale,
scarti di attività indu-
striali, come i trucioli di
legno, scarti delle
aziende zootecniche e la
parte organica dei rifiuti urbani.
La biomassa è ampiamente
disponibile ovunque e rappre-
senta una risorsa locale, pulita
e rinnovabile. L'utilizzazione
56Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
delle biomasse per fini energetici non contribuisce all'effetto
serra, poiché la quantità di emissioni nocive (anidride carboni-
ca) rilasciata durante la decomposizione, sia che essa avven-
ga naturalmente, sia per effetto della trasformazione energeti-
ca, è equivalente a quella assorbita durante la crescita della
biomassa stessa; non vi è, quindi, alcun contributo netto
all'aumento del livello di anidride carbonica nell'atmosfera.
Biomassa ed energia primaria
Si valuta che in media, prima della Rivoluzione Industriale,
oltre l'80% dell'energia complessiva disponibile provenisse
dalle piante, dagli animali e dal lavoro muscolare dell'uomo
stesso. A buona ragione l'epoca che precedette la
Rivoluzione industriale, come già illustrato nel primo capitolo
di questo volume, può essere definita “Civiltà del legno”.
L'uso dei metalli era limitato agli attrezzi agricoli e soprattut-
to alle armi. Oggi, nei paesi industrializzati, il legno e la vege-
tazione utilizzati come combustibili rientrano prevalentemen-
te nella categoria delle biomasse. Nel 1700, l'impiego mon-
diale di biomassa (prevalentemente legna) crebbe da circa
700 milioni di tonnellate a quasi due miliardi, equivalenti a
57Alla scoperta dell’energia
quasi 700 milioni di tonnellate di petrolio, con notevoli riper-
cussioni ambientali. Intorno al 1900 l'energia ricavata dai
Cogenerazione:
combustibili fossili eguagliò, quindi superò, quella ricavata
Produzione combinata di
energia elettrica e calore. Può
dalla biomassa. La legna non è, dal punto di vista industria-
essere realizzata mediante: le, un buon combustibile, mentre il carbon fossile è dotato di
1. il vapore prodotto da una un ben più alto potere calorico.
centrale termica può essere Impiegata ampiamente nel passato, oggi la biomassa è sfrutta-
prelevato per alimentare ta come combustibile soprattutto nei paesi tecnicamente meno
processi industriali, per il sviluppati. Nuove tecnologie per uno sfruttamento più efficace
riscaldamento urbano, ecc.
delle biomasse sono state sperimentate negli ultimi anni.
2. una turbina a gas o un
motore a combustione
interna, destinati alla
produzione elettrica, mentre il
calore viene ottenuto dai gas
Utilizzo della biomassa
di scarico. Un impianto di
cogenerazione consente di
La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappre-
ottenere un notevole senta una risorsa locale rinnovabile. Ancor oggi la popolazio-
beneficio nel contenimento ne mondiale soddisfa circa il 12% del proprio fabbisogno pri-
dei consumi rispetto a una mario di energia con biomassa. In Europa il contributo di
generazione separata di questa fonte al soddisfacimento dei fabbisogni primari di
energia elettrica e termica e energia è del 3%; l'Italia, con il 2% del proprio fabbisogno
quindi una riduzione dei costi
coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea.
e dell'impatto ambientale.
All'avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come
Teleriscaldamento: fonte energetica sono i Paesi del centro-nord Europa, che
Sistema di riscaldamento di hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleri-
un quartiere o di una città, scaldamento alimentati da biomasse. Tale contributo sale al
che utilizza a distanza il 35% nei paesi in via di sviluppo (combustione di legna, paglia
calore prodotto da una e rifiuti animali), dove tuttavia viene utilizzata con tecnologie
centrale termica, da un
a bassissimo rendimento energetico e con l'aggravante di
impianto a cogenerazione o
da una sorgente geotermica.
non rimpiazzare la biomassa sottratta all'ambiente con nuove
In un sistema di coltivazioni (il rapporto fra ettari disboscati e rimboscati ogni
teleriscaldamento il calore anno in Asia, per esempio, è attualmente di 25/1).
viene distribuito agli edifici
tramite una rete di tubazioni
in cui fluisce l'acqua calda o il
vapore. Situazione italiana e proiezioni
Da alcuni anni anche in Italia sono in corso o in programma
numerose iniziative per la realizzazione di impianti di produzio-
ne di elettricità da fonti rinnovabili. Si stima che la potenza elet-
trica alimentata da fonti rinnovabili passerà dai 17.100 MW del
1997 a circa 24.700 MW nel 2012. Contemporaneamente, il
consumo di petrolio diminuirà da circa 90 a circa 80 milioni di
tonnellate, per anno. Le fonti rinnovabili più promettenti sono
le biomasse e il biogas.
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