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2017-10-18 17:08

Il Calore nel Bilancio Energetico Italiano

di: 
Giuseppe Tommassetti

Il calore risulta il principale vettore impiegato per soddisfare gli usi finali di energia in Italia ma ha sempre ricevuto una attenzione più distratta rispetto al vettore elettricità; il calore è stato visto meno strategico per la minore complessità dei suoi impianti di generazione, per la dispersione di questi presso le utenze e per la possibilità di utilizzare fonti sostitutive.
Il documento analizza la situazione attuale che vede ridursi molte di queste differenze in una evoluzione che sembra andare verso una crescente integrazione sovrapposizione e sostituibilità di questi due vettori, l’economia circolare.
Questa evoluzione viene documentata dal passaggio dalle informazioni fornite del tradizionale documento italiano, il BEN, a quelle fornite dal documento comunitario EUROSTAT, infine dai resoconti per gli impegni per il programma 20/20/20.

Lo schema EUROSTAT pone visibilità sul calore derivato, quello recuperato dagli impianti di cogenerazione o quello distribuito dagli impianti delle reti di teleriscaldamento, entrambi assenti dal BEN. Un’altra differenza rilevante è la separazione fra i consumi delle residenze domestiche e quelli delle attività del settore di servizi, consumi che nel BEN sono associati nella dicitura del settore civile.

Viene quindi analizzato il contributo attuale delle bioenergie alla copertura dei fabbisogni di calore e si accennano i vincoli che ne condizionano l’espansione.

 

Principali caratteristiche del calore

Il calore da un punto di vista formale, salvo le eccezioni della geotermia, del solare termico e di quello termodinamico, non è una fonte di energetica primaria ma è un vettore energetico ottenuto generalmente dalla conversione dell’energia chimica di un combustibile.

Il calore è il principale vettore nel sistema energetico italiano, ad una analisi grossolana sui dati del Bilancio energetico nazionale (BEN) 2013, assorbe fonti primarie per circa 64 Mtep, mentre il vettore elettricità assorbe circa 56 Mtep.

Tre sono le principali differenze strutturali fra questi due vettori. Queste differenze erano nel passato molto più rigide mentre nell’ultimo decennio si sono create crescenti sovrapposizioni:

  • gli impianti di generazione elettrica e le utenze elettriche sono collegate tra loro in una rete nazionale, monopolio naturale gestito da un ente terzo, che garantisce sia l’equilibrio fra domanda ed offerta sia il mantenimento della costanza dei parametri tecnici di tensione e di frequenza. Non esiste nulla di simile per il calore, per il quale è generalmente meno importante la stabilità dei parametri tecnici.
  • La conversione della fonte primaria in calore è una operazione generalmente decentrata presso l’utente, il quale si occupa degli aspetti impiantistici; solo poco meno del 2% del calore è generato centralmente e distribuito agli edifici utilizzatori in intere aree urbane, attraverso una rete capillare di tubazioni che trasportano acqua calda o fredda (reti di teleriscaldamento) e solo circa l’8% del calore, recuperato da impianti di cogenerazione, è ceduto a breve distanza ad utenze industriali per usi di processo. Il vettore elettricità era tradizionalmente generato in centrali dedicate, qualche migliaia di “centrali” idroelettriche e qualche migliaio di “centrali” termoelettriche mentre oggi, con la diffusione del fotovoltaico, ci sono più di mezzo milione di siti produttivi, tutti attivamente connessi con la rete anche se ci sono quote rilevanti di autoconsumo.
  • l’energia elettricità consumata è, di norma, tutta assorbita dall’utente, senza residui sul posto. L’energia termica fornita ad una utenza, specie industriale, di norma non è totalmente assorbita dall’utenza stessa ma è scaricata a valle, a temperatura più bassa di quella d’ingresso; nascono così sia gli usi plurimi, in cascata termica, di uno stesso vettore termico, caso tipico delle raffinerie, sia il recupero di calore da effluenti caldi da usare in altri processi o per usi civili. La necessità di raffreddare i fumi per poterli depurare ha spinto in questa direzione; il calore recuperato viene in genere considerato come una riduzione del fabbisogno e non formalizzato come nuova disponibilità.

 

Quali sono i dati ufficiali

Nelle tabelle del BEN, il calore figura fra le fonti primarie, solo come calore geotermico, ma non figura nelle fonti secondarie (dizione ormai comunemente sostituita da quella di “vettori energetici”).

Nello schema del BEN i consumatori finali (sia industrie che civili che trasporti) assorbono elettricità, gas, legna, gasolio etc., non calore; quindi anche le fonti consumate per le perdite di rendimento nella generazione del calore rientrano nei consumi finali. Al contrario i consumatori di calore da teleriscaldamento ricevono direttamente calore per cui i consumi di fonti per le perdite di generazione e per quelle di distribuzione nelle reti sono addebitati all’industria energetica; fino ad oggi però il BEN non ha trattato né teleriscaldamento né il calore derivato dalla cogenerazione.

La prima tabella BEN allegata riporta i dati sintetici, per il 2013, di tutte le fonti e delle trasformazioni in usi finali; essa ha bisogno di una decodificazione per quanto riguarda sia le fonti rinnovabili impiegate per produrre elettricità sia l’elettricità importata: entrambi le voci sono contabilizzate in ingresso nel sistema energetico nazionale a 2200 kcal/kWh, per mantenere un senso alle serie storiche, creando però così dei consumi fittizi di fonti primarie.

Questo senso si è invece perso per i consumi del settore civile che risultano formalmente in fortissima espansione, 3 Mtep fra il 2013 e il 2012, per la modifica della base dei dati. Negli ultimi anni si è deciso infatti, per documentare il raggiungimento della quota di fonti rinnovabili  prevista nel programma europeo noto come 20/20/20, di far emergere gli utilizzi di biomasse nel riscaldamento residenziale che risultavano dagli studi settoriali ENEA già negli anni 80 e che furono valutati da inchieste campionarie sui consumi delle famiglie promosse da ENEA negli anni 1997 e 1999 ripetute da ARPA Lombardia, nel 2007. Questi impieghi, derivati sia da approvvigionamenti diretti, sia da approvvigionamenti commercialmente non formalizzati, non erano finora inclusi nelle basi di dati; conseguentemente questo aumento dei consumi del settore civile ha un puro significato statistico e non energetico. 

La seconda tabella BEN mostra i consumi finali ottenuti direttamente dall’utilizzo di fonti primarie evidenziando, per le fonti rinnovabili, solo gli impieghi diretti della legna per i consumi civili (non divisi fra residenze e servizi!). La terza tabella BEN invece presenta i consumi finali ottenuti dall’utilizzo delle varie fonti secondarie, cioè dall’elettricità e dai prodotti dell’industria dell’energia quali le raffinerie e le cokerie.

Le due tabelle che seguono sono invece estratte della presentazione del bilancio energetico italiano su EUROSTAT. Il sistema statistico dell’UE è costruito con dati forniti dai vari paesi dell’Unione, dal MiSE per l’Italia, con modalità di contabilizzazione omogenee per cui i dati finali, pur avendo la stessa origine, sono diversi da quelli indicati dal BEN, con revisioni delle serie storiche quando queste modalità vengono cambiate.

La prima tabella contiene, in sintesi, il bilancio per il 2013; le principali differenze rispetto al BEN sono analizzate di seguito, mentre piccole differenze ci sono su quasi tutte le voci.

Per quanto riguarda le fonti in ingresso, l’elettricità importata e quelle di origine idraulica, solare, eolica, vengono valorizzate come energia meccanica a 861 kcal/kWhe mentre l’energia elettrica di fonte geotermica è valorizzata secondo l’entalpia estratta dai fluidi; le biomasse sono in entrambi i sistemi sono valutate in base al loro potere calorifico (come sommare cippato umido, legna da ardere secca e pellet quasi anidre?). Secondo questo modo di valutazione il consumo interno lordo di fonti rinnovabili passa dai 33,8 Mtep del BEN ai 26,4 Mtep di EUROSTAT, parallelamente, avendo modificato la valutazione dell’elettricità importata questa passa da 9,7 a 3,8 Mtep, si ha così una riduzione complessiva del consumo interno lordo, dai 173 Mtep del BEN ai 160 Mtep di EUROSTAT.  Nella sezione dedicata alle trasformazioni è stato introdotto, dal 2005, un nuovo vettore energetico, il “calore derivato”. Per il 2013 questo calore è indicato pari 5,17 Mtep di cui 5,08 Mtep derivato dagli impianti termoelettrici operanti in cogenerazione (pari al dato stimato da Terna) seguito da 0,09 Mtep da teleriscaldamento (verosimilmente è solo la quota generata da biomasse solide senza il calore dalle caldaie di integrazione a gas in tutte le reti di teleriscaldamento connesse ad impianti di cogenerazione). Per un confronto nell’Annuario AIRU 2013 si riportano 0,791 Mtep di calore fornito all’utenza mediante reti, di cui 0,174 da fonti rinnovabili, poi 0,427 da cogenerazione di combustibili fossili ed infine 0,181 Mtep da caldaie semplici  da combustibili fossili.

Nella sezione usi finali ci sono due rilevanti differenze rispetto al BEN. La prima differenza riguarda la separazione fra i consumi residenziali e quelli dei servizi sia pubblici che privati. I consumi finali industriali sono valutati pari a 27 Mtep contro i 28,2 del BEN; i consumi finali dei trasporti sono valutati in 38,7 Mtep contro i 37,8 del BEN. Il settore civile è suddiviso in servizi con un consumo di 15,8 Mtep e residenze per un consumo di 34,2 Mtep, per un totale complessivo di 50 Mtep, molto vicino ai 49,5 del BEN.

La seconda differenza riguarda una suddivisione più accurata degli impieghi delle fonti rinnovabili e del calore derivato fra i vari settori di utenza.

Nel BEN gli usi industriali di fonti rinnovabili sono allocati solo alla produzione dei materiali da costruzioni; invece, a parità di cifra totale, Eurostat li suddivide fra i vari settori produttivi. Si potrebbero utilizzare i dati disponibili dalle proposte presentate nel meccanismo dei certificati bianchi per approfondire la conoscenza di questi impieghi, prevedibilmente sottostimati, dai settori ove prevale l’utilizzo dei residui delle lavorazioni (alimentare e legno-arredo) ai settori dei materiali da costruzione (laterizi, calce e gessi) ove le tecnologie permettono di reintrodurre, in modo nuovo, l’uso dei combustibili del passato. Nel settore residenziale i consumi delle fonti rinnovabili per il riscaldamento (solare termico, biomasse e calore ambientale catturato dalle pompe di calore) sono molto rilevanti, risultato di un mix molto complesso di apparati nuovi (pannelli solari, pompe di calore, stufe e caldaie a pellet o a fiamma rovescia) e di milioni di vecchi caminetti.

Anche la suddivisione del calore derivato, non considerato dal BEN, si presta ad alcune considerazioni. Per primo bisogna ricordare la storia dell’industrializzazione nel primo novecento, l’Italia ha sempre avuto prezzi molto alti dei combustibili per cui la cogenerazione era già ben presente nelle nostre industrie che avevano bisogni di calore, mentre le industrie elettriche si basavano sulle centrali idrauliche. Dall’inizio del boom dei consumi elettrici, la cogenerazione per autoconsumo era la caratteristica che permetteva alle imprese private di non essere assorbite dalla nazionalizzazione del 1962; solo dopo la liberalizzazione dei mercati energetici nel 1999 le imprese elettriche, come l’Edison, si separano dalle imprese produttive di beni.

Tradizionalmente in Italia, per la struttura dei prezzi, della fiscalità e per il rapporto fra fabbisogno di calore e fabbisogno di elettricità gli impianti di cogenerazione erano alimentati a gas e l’ottimizzazione tendeva a massimizzare la produzione elettrica della quale c’era scarsità; il meccanismo CIP 6 del 92 andava in questa direzione, purtroppo alla fine si è arrivati alla attuale sovraccapacità produttiva. In Europa l’elettricità era ed è generata da combustibili solidi o da nucleare, l’ottimizzazione puntava a massimizzare il recupero globale di entrambi i prodotti. A seguito della direttiva comunitaria 2004/8/CE si è introdotto il concetto di cogenerazione ad alto rendimento o CAR con associati incentivi gestiti e monitorati dal GSE; invece Terna continua a registrare tutti gli impianti di cogenerazione, senza vincoli particolari, con produzione pari a circa la metà della produzione termoelettrica.

Seguendo allora i 5,169 Mtep di calore derivato, si vede che il settore energetico ne assorbe circa il 30%, verosimilmente nelle raffinerie che nate sulla rotta di Suez hanno sempre lavorato più greggio di quanto servirebbe per il mercato interno. I settori industriali assorbono circa la metà del calore derivato, per primo il settore chimico seguito a distanza dal cartario (molti impianti ma più piccoli) e dall’alimentare. Al settore civile, residenze e servizi viene addebitato un assorbimento di 1,14 Mtep, superiore alle 0, 791 indicata da AIRU, differenza giustificata per la forte presenza di impianti aziendali, ad esempio aeroporti, ospedali e piscine, non collegati a reti di teleriscaldamento.

La seconda tabella EUROSTAT presenta, in modo più sintetico, per quanto riguarda gli usi finali, l’evoluzione dei consumi negli ultimi 25 anni; il confronto fra i dati del 2005 e quelli del 2013 nostra una profonda evoluzione, i consumi industriali sono scesi da 39,9 a 27 Mtep, per crisi dei consumi e crisi di specifiche imprese energivore (2 Mtep in meno imputabili solo alle cocherie ed altoforni dell’ILVA); i trasporti sono scesi da 44,8 a 38,7 Mtep, per crisi economica e miglioramento del parco dei mezzi,  i servizi sono cresciuti da 15 a 15,8 Mtep compensando con l’efficienza l’espansione quantitativa.

Infine i consumi delle residenze richiedono un’analisi più complessa; esse sono passate da 31,3 a 34,2 Mtep, i consumi elettrici rimanevano stabili, con aumento formale dei consumi addebitabile solo al calore. Si ha l’effetto incrociato e contrapposto della crescente efficienza negli impianti e negli edifici, degli inverni meno rigidi, dell’aumento dei volumi edificati e infine dell’emersione di consumi mai prima formalizzati di biomasse solide per 5,4 Mep (in larga parte legna autoprodotta o acquistata in nero, bruciata in milioni di camini tradizionali spesso poco efficienti). L’impiego della legna da ardere è considerato un uso finale quindi viene contabilizzato formalmente dalla stima della quantità del materiale usato, cercando di tener conto dello stato di essiccazione del materiale stesso e non dalla stima del calore prodotto e senza preoccuparsi del rendimento degli impianti; in sintesi si tratta dei combustibili utilizzati e non del fabbisogno soddisfatto. A parità di fabbisogno energetico degli edifici, peraltro in continua riduzione anche per effetto dei meccanismi di detrazione fiscale e in assenza di una campagna di rottamazione dei vecchi camini aperti sostituendoli con sistemi più tecnologici per rendimenti e basse emissioni, la formalizzazione della diffusione delle biomasse in assenza di adeguata revisione delle serie storiche, provoca un aumento degli impieghi finali di energia nel settore residenziale, del tutto anomalo con l’evoluzione del settore.

 

Accenni sul recupero di calore da effluenti industriali e dall’ambiente naturale

Si segnala il tema del recupero di calore da effluenti industriali e dall’ambiente naturale. In passato questi recuperi, tramite scambiatori o pompe di calore, erano catalogati come interventi di efficienza energetica il cui risultato era la riduzione del fabbisogno di energia primaria a parità di prodotto o di condizioni di benessere. Negli ultimi anni, sotto la spinta della promozione delle fonti rinnovabili e per favorire il raggiungimento della quota prevista di usi finali da loro coperta, il punto di vista sulle pompe di calore si è rovesciato; non più l’attenzione puntata alla riduzione del fabbisogno ma rivolta alla valorizzazione del calore prelevato dall’ambiente esterno. E’ così che il documento MiSE “La situazione energetica nazionale nel 2014” del luglio 2015 (vedi tabella sotto riportata) nell’elencare le fonti rinnovabili utilizzate per produzione di calore elenca la fonte solare, la fonte geotermica, la fonte bioenergetica e poi anche le pompe di calore alimentate da fonte aerotermica, geotermica o idrotermica.

Secondo questo schema il documento MiSE formalizza l’ottenimento di 2,5 Mtep di energia termica rinnovabile da fonte pompe di calore. Non è direttamente definibile, dalle tabelle riportate, se questa fonte è inclusa nei dati EUROSTAT anche se il valore totale delle fonti rinnovabili riportato nella tabella di pag. 7, pari 23,5 Mtep, supera la somma delle fonti primarie riportate nel documento del MiSE:

(112 TWh x 0,0861 Mtep/TWh) + 10,6 Mtep = 20,2 Mtep   confermando che, per ora questa quantità di energia non è considerata all’ingresso nel bilancio.

Lo schema di dati Eurostat affronta quindi la conoscenza dei consumi in modo più dettagliato ed aperto alle esigenze degli operatori, anche se alcuni dati presentano dubbi di varia entità, che potranno essere affrontati solo quando questi dati avranno una più larga circolazione e saranno più condivisi. 

 

Prevedibili evoluzioni

Premettendo che slanciarsi sul terreno delle previsioni è da dilettanti allo sbaraglio, mi è molto difficile resistere alla tentazione di esprimere delle opinioni sull’evoluzione dei consumi; agli allievi affezionati spetterà il divertimento di verificarne la validità.

Passata l’attuale fase di emersione, nel settore civile, dei consumi di fonti rinnovabili non formalizzate è prevedibile che i consumi globali di calore ritorneranno a discendere per più motivi: la minore rigidezza del clima, la diffusione della contabilizzazione del riscaldamento nei condominii, la lenta ma continua attenzione al miglioramento delle prestazioni degli involucri e degli impianti. L’analisi dei dati degli ultimi decenni mostra una continua riduzione del consumo unitario per unità di volume o di superficie.

Ugualmente anche nel settore industriale è prevedibile una riduzione dei consumi di calore per effetto dell’efficientamento dei processi, con continuo aumento dei recuperi di calore dagli effluenti di ogni tipo, sia pur con rilevanti contributi dall’emersione di consumi non formalizzati per biomasse e materiali di recupero e sottoprodotti.

Entrando nel campo della previsione del ruolo delle varie fonti, appare facile prevedere un aumento dei consumi di calore prelevato dall’ambiente esterno legato alle pompe di calore per uso invernale, sia in impianti individuali sia con minireti collegate a falde superficiali convenienti. E’ da notare che lo smaltimento del calore estivo non è attualmente preso in considerazione dalle statistiche, ancora molto germanocentriche nella loro impostazione.

Più dubbiosa si presenta la penetrazione del calore derivato dalla generazione elettrica distribuita, le tendenze ed i fattori influenti sono molteplici con effetti contrastanti. L’elettricità è sempre più vista come un servizio che come un bene, la necessità di sviluppare gli accumuli orari, giornalieri, stagionali rischia di essere una barriera economica per le fonti non programmabili. Celle a combustibile ed auto elettriche saranno mai oggetti a basso costo da potere essere decentrati (quindi validi anche a basso fattore di carico)?

Il teleriscaldamento con calore derivato da cogenerazione a metano in impianti centralizzati, realizzati dalle imprese di distribuzione con forte capacità economica, continuerà il suo lento sviluppo finché rimarranno gli attuali vantaggi fiscali.

Anche il futuro delle biomasse, una volta finiti gli incentivi, è pieno di dubbi.

Non vedo futuro per la produzione di elettricità senza incentivi.

Gli usi domestici si segmenteranno, ancor più di oggi, fra gli usi tradizionali da autoproduzione e gli usi avanzati su materiale standardizzato, pastiglie o pellet di varia qualità, per gli indubbi vantaggi economici. Il teleriscaldamento a biomassa, per affermarsi nel clima italiano, con domanda della durata di 1000-1500 ore/anno anche nella zone montane E ed F, deve trovare coinvolgimenti diretti degli utenti per il finanziamento delle reti locali e la fornitura del cippato e sviluppare tecnologie per ridurre i costi di impianto. Le proposte delle biomasse “alternative”, dalle canne ai cardi alle micro alghe sono ancora in una fase con prospettive e difficoltà ancora indefinite, soprattutto tenendo conto della mancanza di grandi superfici agrarie libere in Italia.