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INTRODUZIONE
“Se si vuole trovare i segreti dell’universo, bisogna pensare in termini di energia, frequenza
e vibrazioni.” (Nikola Tesla)
L’energia anima tutto ciò che ci circonda, è linfa vitale di ogni movimento e alla base della
nostra esistenza su questo pianeta. Causa di ogni forza sensibile e non sensibile, l’energia
è stata da sempre affascinante e d’interesse scientifico, accanto allo studio della materia
con la quale essa è legata profondamente. Basti pensare a Planck e al quanto per
comprendere l’importanza del ruolo che l’energia ricopre in qualsiasi ambito. I misteri,
ancora tanti, dietro la sua natura spingono sempre più studiosi ad approfondire il tema, ma
l’interessamento nasce anche dall’esigenza di gestire correttamente questa risorsa, per
salvaguardare l’ambiente e le condizioni di vita sulla Terra.
Nonostante i primi allarmi di fisici ed ingegneri, lanciati dalla seconda metà del XIX secolo,
e la scoperta di Svante Arrhenius nel 1896 della correlazione esistente tra temperatura
globale e livelli di CO 2, la sensibilità pubblica e politica sull’argomento ha cominciato a
palesarsi solo nei primi anni del 2000. Nel frattempo, la noncuranza sul tema e gli stili di
vita energicamente dispendiosi hanno condotto l’umanità ad una situazione critica: per non
rendere il pianeta inospitale nel futuro prossimo, è necessario implementare una corretta
gestione dell’energia, puntando sulla produzione da risorse rinnovabili,
sull’efficientamento energetico e su altri interventi che saranno tema dell’elaborato.
Negli anni, i governi hanno deliberato diverse iniziative allo scopo di informare i cittadini di
tutto il mondo ed avvicinarli a nuove tecnologie che alleggeriscano i costi dell’utenza e
riducano l’impatto ambientale. Tra i sistemi di maggior successo, gli impianti di
poligenerazione abilitano la generazione di più effetti utili a partire dalla stessa risorsa; tale
meccanismo produce maggiori efficienze e apre all’utilizzo delle risorse green.
Quando gli output del sistema sono due, generalmente energia elettrica e calore, si parla
di cogenerazione.
La diffidenza verso l’adozione di questi sistemi è da ricercare dunque, nella sua bassa
diffusione e nella scarsa efficacia comunicativa dei suoi comprovati benefici. Spesso, la più
grande barriera alle innovazioni è quella mentale, le diverse utenze necessitano un
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riferimento a cui ispirarsi e credere. Questo è il motivo per cui la Pubblica Amministrazione
deve ricoprire questo ruolo, essere un modello vincente da seguire. Per chi è disposto a
perseguire questo intento, la comunità europea ha stanziato ingenti fondi (basti pensare al
PNRR, di cui una delle parole chiave è energia) che rappresentano un’opportunità in primis
per le Pubbliche Amministrazioni.
Grazie alle competenze uniche possedute nell’ambito dell’ottimizzazione, l’ingegnere
gestionale-industriale si ritrova oggi ad assumere particolare importanza nel processo di
efficientamento e transizione energetica. L’ottimizzazione consiste nel trovare le soluzioni
migliori per un problema, senza affidarsi solo alla logica e all’esperienza, ma a veri e propri
algoritmi che consentono la risoluzione di un problema sottoposto ad una serie di vincoli
tecnologici e/o economici.
L’obiettivo di questa tesi è la progettazione e lo sviluppo di sistemi cogenerativi integrati
ad elevata efficienza, in grado di valorizzare le fonti rinnovabili e promuovere la transizione
ecologica. A tal fine, sarà sviluppato un modello di ottimizzazione bi-obiettivo in modo tale
da garantire il massimo livello di efficienza energetica attraverso il dimensionamento delle
componenti tecnologiche di un sistema cogenerativo e la calibrazione dei flussi energetici.
La validità di tale modello è stata valutata su edifici afferenti alla Pubblica Amministrazione
del Comune di Cosenza, riducendone così costi (obiettivo economico) ed emissioni
(obiettivo ambientale). L’analisi della bontà dei risultati del modello verrà condotta per
entrambi gli scopi.
La tesi si divide in sei capitoli: il capitolo 1 si prefissa l’obiettivo di esaminare il quadro
energetico attuale in Italia e nel mondo, puntualizzando previsioni di consumo ed
emissioni. Nel capitolo 2 vengono passate in rassegna le principali tecnologie che
compongono un sistema cogenerativo, con un particolare focus sui dispositivi analizzati nel
modello. Ogni componente del modello bi-obiettivo sarà oggetto di approfondimento nel
capitolo 3, tra cui funzioni obiettivo, variabili e vincoli. Il capitolo 4 si occupa di condurre
una pre-diagnosi energetica sul campione di utenze analizzato allo scopo di individuare i
siti più critici, inoltre deduce i profili orari di richiesta energetica, input fondamentale del
modello. Il capitolo 5 definisce il processo di reperimento dei dati sulle componenti
tecnologiche del sistema. In conclusione, nel capitolo 6 saranno analizzati i risultati che il
modello restituisce in ogni scenario simulato di evoluzione del mercato.
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CAPITOLO 1 – Punti di partenza, scenari futuri e politiche di efficientamento
Il trend di consumi ed emissioni è in continua evoluzione, anche in virtù dell’adozione di
incentivi statali e ad una crescente sensibilità sul tema ambientale e sul cambiamento
climatico delle nuove generazioni.
I Millennials e la Generazione Z mostrano sempre più interesse nei confronti dell’ambiente
e dell’energia e sentono maggiormente la minaccia del cambiamento climatico. Infatti, le
manifestazioni come Fridays for future sono solo un esempio di ribellione degli studenti di
tutto il mondo, i quali non si sentono rappresentati dalle politiche ambientali e dagli
obiettivi fissati a livello globale. Anche in seguito alle loro azioni, si è notata una decisa
spinta verso i principali strumenti di incentivazione delle fonti rinnovabili e
dell’efficientamento energetico.
Il destino del pianeta si trova in pericolo e la speranza di limitare l’innalzamento delle
temperature sotto 1,5°C si scontra con interessi politici, economici e ambizioni dei Paesi in
via di sviluppo. Gli obiettivi di decarbonizzazione al 2050 sono ancora raggiungibili con una
sinergia totale degli obiettivi e il coinvolgimento di tutti gli attori (cittadini, governi e
aziende) nel piano di transizione energetica.
Il cambiamento climatico è la sfida più grande che l’umanità abbia mai affrontato e può
essere superata solo con uno sforzo globale; pena il cambiamento irreversibile del clima,
destinato a rendere il pianeta sempre più inospitale alla nostra specie.
In tal senso, il capitolo contiene una “review” degli interventi attuabili al fine di
concretizzare gli obiettivi presenti nella strategia Fit-For-55 (FF55) dell’UE [1]. Tali traguardi
verranno successivamente elencati e discussi.
La ricerca documentale effettuata ha usufruito dei seguenti database: Scopus Elsevier e
Google Scholar. Ambedue i motori di ricerca sono stati configurati in modo da elencare gli
articoli dal più recente al più vecchio, proprio perché il contesto di riferimento appare
fortemente dinamico ed emerge la necessità di fotografare e commentare i risultati più
attuali tra quelli forniti. Alcune delle keywords inserite nei motori di ricerca sono state:
“energy”, “efficiency”, “renewable”, “resources”, “CCUS”, “LULUCF”, ecc.
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Per lo screening degli articoli da sito web e per le relazioni di enti governativi e di aziende
private la ricerca si è svolta sulla piattaforma Google.
Il paragrafo 1 del capitolo corrente si occuperà di estrarre serie storiche e previsionali dei
consumi e delle emissioni del Bel Paese, mentre il paragrafo 2 realizzerà un focus sulle
stesse grandezze, ma questa volta il calcolo avrà carattere globale. Essendo uno scenario
fortemente aleatorio, in entrambi i paragrafi si cercherà di distinguere diverse traiettorie
di evoluzione. Infine, il paragrafo 3 analizzerà i principali strumenti adoperati per
ottemperare alle sfide energetiche del domani e realizzare la transizione verso un mondo
più sostenibile: uso delle fonti rinnovabili, interventi di efficientamento energetico e
tecniche di assorbimento.
1.1 Emissioni, consumi attuali e previsioni future in Italia
1.1.1 Emissioni
L’istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale (ISPRA) nell’edizione 2022 del
suo rapporto sulle emissioni di gas serra in Italia [2], riscontra una spiccata riduzione delle
emissioni a partire dal 2008 (Figura 1), causata sia da una riduzione dei consumi energetici
post crisi economica, sia dalla crescita delle fonti rinnovabili che dagli sforzi di
efficientamento energetico.
Tra il 1990 e il 2019 le emissioni di gas serra sono passate da 519 a 418 milioni di tonnellate
di CO 2 equivalente, con una riduzione percentuale del 24%.
Il settore LULUCF (uso del suolo, cambiamento di uso del suolo e selvicoltura) esercita un
effetto apparentemente negativo sulla grandezza considerata perché è in grado di
generare assorbimenti di carbonio, mitigando gli effetti del cambiamento climatico (vedi
paragrafo 1.3.3). Nel 2020 tale settore è stato capace di assorbire oltre 32 Mton (Tabella 1)
di CO 2 equivalente grazie a foreste, prati, pascoli e altre terre boscate.
I settori della produzione di energia e dei trasporti si dimostrano i più impattanti sulle
emissioni nazionali; nel dettaglio, il settore energia partecipa per il 78,4% alle emissioni
nazionali di gas climalteranti. Le emissioni in termini di CO 2 equivalenti sono riportati nella
Tabella 2. Dall’analisi di tali dati si può notare come le principali sezioni su cui agire nei
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prossimi anni per ridurre le emissioni sono le industrie energetiche, i trasporti e il settore
residenziale.
Figura 1 - Emissioni nazionali dal 1990 al 2019 per settore
Tabella 1 - Storico degli assorbimenti ed emissioni di gas serra del settore LULUCF
Tabella 2 - Emissioni di gas serra delle categorie del settore energia
Alla fine del 2021, le industrie energivore italiane hanno formalizzato, con lo Stato, un patto
per centrare gli obiettivi di decarbonizzazione posti dall’Unione Europea e azzerare le
emissioni di CO 2 nel 2050: l’Industrial Decarbonization Pact [3]. L’intento è quello di definire
un portafoglio diversificato di soluzioni che permetterebbero di ridurre del 40% (rispetto al
1990) le emissioni stimate del 2030. Il piano, però, si basa su tecnologie ancora immature
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e poco efficienti [4], come la Carbon Capture Use and Storage (CCUS, vedi paragrafo 1.3.3)
e l’idrogeno. Sembra che i relatori del documento si stiano sbilanciando eccessivamente
per riuscire ad attirare gli investimenti previsti dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza
(PNRR) [5], l’ingente piano approvato nel 2021 dall’Italia per rilanciare l’economia dopo la
pandemia da COVID-19, esasperando i traguardi realmente raggiungibili.
Nel documento “Strategia italiana di lungo termine sulla riduzione delle emissioni dei gas a
effetto serra” [6], redatto dal Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del
Mare, vengono effettuate proiezioni sulle emissioni future utilizzando i dati ISPRA
disponibili a gennaio 2021.
Vengono trattati due scenari:
• Scenario di riferimento: caso in cui le dinamiche energetico-ambientali definite nel
Piano Nazionale Integrato per l’Energia ed il Clima (PNIEC) [7] siano confermate ed
estese.
• Scenario di decarbonizzazione: caso in cui si realizzino combinazioni, sinergie e
criticità delle potenziali leve attivabili per raggiungere l’obiettivo di “zero carbon
emission” nel 2050, in linea con le nuove direttive europee (vedi paragrafo 1.1.2).
Nello scenario di riferimento si registra una flessione intensa nelle industrie energetiche,
altre industrie, settore residenziale/commerciale e settore dei rifiuti. Il settore dei trasporti,
seppure riporti un calo relativo, in termini assoluti diventa il primo settore per emissioni
(Figura 2).
Nello scenario di decarbonizzazione, annullare le emissioni è possibile con una generazione
elettrica che parta interamente, o quasi, da fonti rinnovabili, a seconda che si voglia
conservare o meno una riserva di gas complementare.
Tutti i settori produttivi riescono a ridurre le emissioni, ma emergono difficoltà su quelle
derivanti da processi industriali. Nell’ambito civile e in quello dei trasporti è possibile
azzerare le emissioni con un mix di efficienza, elettrificazione e bio-combustibili.
La capacità di assorbimento delle foreste e del settore agricolo (comparto LULUCF) con
corrette politiche di contrasto agli incendi e di gestione sostenibile del suolo può essere
riportata al massimo storico, ossia di 45 Mton di CO 2 eq. Infine, per coprire il restante
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divario (20-40 Mton CO 2 eq.), e ottenere con successo lo Zero Carbon Emission, si può
pensare di ricorrere a forme di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (vedi paragrafo
1.3.3). Per entrambi gli scenari è difficile ridurre la quota di emissioni del settore agricolo,
stante che alcune produzioni essenziali non possono essere ancora modificate con le
conoscenze e le tecnologie attuali.
Figura 2 - Emissioni totali e assorbimenti di gas serra nei dati storici e negli scenari futuri menzionati
1.1.2 Consumi
All’interno del Piano Nazionale Integrato per l’Energia ed il Clima (PNIEC) del dicembre 2019
[7] sono state tracciate le prime traiettorie guida per l’evoluzione del consumo finale lordo
di energia complessivo e della quota rinnovabile, nell’intervallo temporale tra 2021 e 2030.
L’obiettivo italiano di decarbonizzazione per il 2030, infatti, fissato dalla Commissione
Europea, prevede un consumo finale lordo di energia pari a 111 Mtep di cui circa 33 da
fonti rinnovabili (Figura 3).
La traiettoria specificata non deve essere solo vista come il raggiungimento del 30%, ma
presenta dei vantaggi in generale: aumento della domanda di lavoro per l’attivazione delle
filiere di riciclo degli scarti (es. raccolta olio esausto per generare bio-diesel, rifiuti per
biomasse, ecc.), riduzione del costo dell’energia, superamento della povertà energetica.
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Possiamo vedere come nel complesso le stime dei consumi finali lordi di energia vadano a
decrementare, frutto degli incentivi e degli investimenti attualmente in atto verso
l’efficientamento energetico.
Figura 3 - Andamento stimato dei consumi finali lordi e traiettoria della quota FER complessiva
Il 30% totale di miglioramento si divide per settore in: 55% del settore elettrico, 33,9% del
settore termico, 22% settore dei trasporti.
Può essere utile osservare che le stime dei consumi nel settore elettrico (Figura 4)
tenderanno a mantenersi costanti nel tempo.
La chiave di lettura di questo apparente paradosso è da ricercare nella natura del dato
vettore energetico: da un lato, abbiamo un fattore di riduzione dei consumi dovuto alle
opere di efficientamento energetico, ma dall’altro vedremo un incremento della copertura
elettrica del fabbisogno a partire da fonti rinnovabili. Queste due forze opposte tenderanno
a bilanciarsi, mantenendo il trend dei consumi pressocché costante.
Ci si aspetta un progressivo decremento dei consumi termici attraverso azioni come eco-
bonus, super ecobonus, bonus ristrutturazione 110% (ora al 90%) per l’isolamento termico
degli edifici con “cappotti” termici più efficienti (Figura 5). Ulteriori approfondimenti sono
disponibili al paragrafo 1.3.2.
I consumi sono previsti in calo per il settore dei trasporti vista la progettazione di mezzi
sempre più efficienti, in grado di consumare meno energia, a parità di chilometri percorsi,
rispetto agli attuali mezzi in circolazione (Figura 6).
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Figura 4 - Traiettoria della quota FER elettrica
Figura 5 - Traiettoria della quota FER nel settore termico
Figura 6 - Traiettoria della quota FER nel settore trasporti
Affinché i nuovi obiettivi prefissati dalla Commissione Europea siano rispettati ci si aspetta
una forte presa di posizione da parte del Governo italiano a favore della mobilità elettrica,
tecnologia scarsamente diffusa al giorno d’oggi. Tuttavia, a fine 2019, venendo incontro al
volere di molti cittadini, la Commissione Europea (CE) appena insediatasi, ha subito
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proposto il “Green Deal”, documento contenente nuove sfide e obiettivi ancora più
stringenti rispetto a quelli fissati nel PNIEC, al fine di: incrementare la riduzione delle
emissioni dal 40% al 55% (Fit-For-55, FF55) rispetto al 1990 e raggiungere la neutralità nel
2050. Per l’Italia ciò significa [8]:
• Contributo delle rinnovabili da potenziare; obiettivo 2030 non più del 30%, ma del
40%.
• Interdizione della vendita di veicoli con motori a combustione interna dal 2035.
In attesa dell’aggiornamento del PNIEC e alla luce dei nuovi obiettivi stabiliti dalla CE, Terna
e Snam all’interno del “Documento di descrizione degli scenari 2022” [9], tracciano i nuovi
quadri di consumo. In Figura 7 si può notare come, al fine di raggiungere target di risparmio
più spinti di quanto già previsto nel PNIEC, è imprescindibile un ulteriore efficientamento,
che si concretizza con una riduzione dell’utilizzo dei prodotti petroliferi, a favore di una
maggiore penetrazione di elettricità e un’ampia diffusione di biometano e idrogeno.
L’incremento del vettore elettrico nello scenario FF55-Snam-Terna, rispetto a quello PNIEC
2019, è dovuto ad una decisiva spinta verso l’elettrificazione del settore residenziale e
trasporto.
Figura 7 - Usi energetici finali (senza ambienti heat) in Mtep per consuntivo 2019 e scenari 2030 di Snam-
Terna
È utile definire nuovi scenari variabili in funzione della diversa reazione con la quale il
popolo e il governo italiano affronteranno la transizione energetica, al fine di seguire più
puntualmente l’evoluzione dei consumi (Tabella 3).
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Il Late Transition (LT) descrive un mondo in cui i nuovi obiettivi di policy vengono raggiunti
con un ritardo di 5-10 anni e rappresenta di conseguenza uno scenario contrastante
rispetto agli auspici di sviluppo, una direzione più allineata alle richieste di connessione ad
oggi pervenute a Terna.
Global Ambition Italia (GA-IT) e Distributed Energy Italia (DE-IT) sono differenti scenari di
policy al 2040 [9], che hanno come base di partenza quello descritto dal FF55 al 2030; i
quadri italiani di ENTSOs (European Network of Transmission System Operators) Global
Ambition e Distributed Energy rappresentano un ponte tra la riduzione delle emissioni del
55% che caratterizza il 2030 e uno scenario a zero emissioni del 2050.
Tra i due scenari, ciò che differisce è la tecnologia su cui puntare per completare la
transizione energetica: nel GA-IT ci si aspetta un forte sviluppo delle tecnologie alimentate
a gas a fronte di un’energia rinnovabile ridotta rispetto a DE-IT. In quest’ultimo, invece,
viene massimizzato l’utilizzo delle rinnovabili elettriche in tutti i settori della società.
Tabella 3 - Consumi finali per vettore energetico negli scenari FF55, LT, Distributed Energy 2040 e Global
Ambition 2040
1.2 Emissioni, consumi attuali e previsioni future globali
1.2.1 Emissioni
Nel 2022 la British Petroleum, una delle principali multinazionali operanti nel settore
energetico, ha delineato all’interno dell’Energy Outlook 2022 [10] differenti direzioni di
evoluzione del mercato energetico nei prossimi 30 anni, considerando un ampio range di
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fattori esterni, con lo scopo di accompagnare le aziende verso una corretta strategia
energetica di lungo periodo. BP afferma che ulteriori ritardi nella riduzione delle emissioni
di CO 2 graverebbero sui costi associati al perseguimento degli obiettivi zero-carbon fissati
a livello mondiale.
Il report descrive tre possibili scenari cardine:
• Accelerated: l’irrigidimento delle politiche climatiche condurrà ad una sostenuta
riduzione delle emissioni di carbone.
• Net Zero: oltre ad influenti politiche di decarbonizzazione, si verificherà un
cambio nel comportamento della società, che si dimostrerebbe pronta a
supportare coralmente la transizione energetica.
• New Momentum: cattura la traiettoria verso la quale il mondo si sta
attualmente muovendo, bilanciando sia le ambizioni di decarbonizzazione che
le probabilità che queste ultime verranno raggiunte.
Le emissioni di CO 2 (Figura 8) includono le emissioni derivate dall’utilizzo dell’elettricità,
processi industriali, combustione del gas naturale ed emissioni di metano da processi di
produzione dell’energia. In tutti i quadri di evoluzione le emissioni tendono a
decrementare, ma con velocità nettamente differenti: Net Zero e Accelerated consentono
una riduzione al 2050 rispettivamente del 95% e del 75% rispetto al 2019, mentre per la
curva di New Momentum osserviamo un calo percentuale delle emissioni del solo 20%.
Figura 8 - Emissioni nette di carbonio nei tre scenari analizzati, periodo 2000-2050
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La tendenza odierna espressa dalla curva di New Momentum, però, non sarebbe sufficiente
a rispettare gli obiettivi dell’agenda mondiale, necessari alla salvaguardia del pianeta. Dal
2015, anno in cui è stato siglato l’accordo di Parigi, l’obiettivo di lungo periodo è quello di
contenere l’aumento della temperatura media globale ben al di sotto della soglia di 2°C e
di limitare l’incremento a 1,5°C.
In relazione ai traguardi sopracitati, si può notare (Figura 9) che la velocità di
decarbonizzazione raggiunta dagli scenari Accelerated e Net Zero è sufficiente allo scopo,
in linea con gli scenari IPCC, definiti nello Special Report del 2018 [11].
Nello scenario Accelerated le emissioni rimanenti sono dovute per il 50% ai settori hard-to-
abate e per il 35% ai trasporti.
Figura 9 - Andamento emissioni di carbonio e intervalli fra il 10° e il 90° percentile degli scenari IPCC
I settori hard-to-abate sono quei “settori dove l’elettrificazione diretta non è praticabile dal
punto di vista tecnologico o estremamente oneroso in termini economici” [12].
Dunque costituiscono quelle realtà per cui l’idrogeno blu o verde risulterebbe un
combustibile di grande utilità nella produzione locale di energia e consentirebbe di ovviare
alla domanda industriale che, al momento, è soddisfatta dai combustibili fossili e garantire
continuità di fornitura per gli usi finali.
In Net Zero ulteriori cambiamenti possono migliorare la situazione con sistemi di rimozione
dell’anidride carbonica, come lo stoccaggio diretto sottoterra.
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