Le fonti di energie rinnovabili: prospettive

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'essa rinnovabile, è ancora il combustibile più diffuso
in molti Paesi poveri. Lo sfruttamento di altre energie rinnovabili, nel mercato mondiale dell'energia,
oggi copre una frazione minima ma destinata a crescere. Esse sono principalmente: l'energia idroelettrica, 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 impiegati 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 energetiche diventarono enormi, di dimensioni mai conosciute nella storia.
L'energia, nel ventesimo secolo,
significa essenzialmente fonti fossili, una risorsa non rinnovabile.
In seguito alla crisi petrolifera
degli anni settanta, il mondo
occidentale ha reagito rapidamente 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 risparmio energetico, e quindi la riduzione della domanda di energia; l'incremento delle importazioni da paesi produttori esterni all'OPEC; la valorizzazione di giacimenti prima non utilizzati, 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
Protocollo di Kyoto:
Firmato nel dicembre del
1997, il protocollo di Kyoto
indica gli obiettivi
internazionali per la riduzione
di sei gas cosiddetti ad
effetto serra, ritenuti
responsabili del
riscaldamento globale del
pianeta che potrebbe portare
a gravissime modifiche del
clima. L'obiettivo fissato è
una riduzione media del 5,2
per cento dei livelli di
emissione del 1990, nel
periodo 2008- 2012. Per
alcuni Paesi è prevista una
riduzione maggiore (8 per
cento l'Unione europea, 7 per
cento gli Stati Uniti, 6 per
cento il Giappone). Per altri
Paesi, considerati in via di
sviluppo, sono stati fissati
obiettivi minori. Per la Russia
e l'Ucraina, ad esempio,
l'obiettivo da raggiungere è la
stabilizzazione sui livelli del
1990. Gli Stati Uniti
attualmente si rifiutano di
ratificare l'accordo.
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all'uso del carbone, lo sviluppo delle centrali nucleari e, più
marginalmente, l'uso delle fonti di energia rinnovabili).
Il settore delle energie rinnovabili sta conoscendo in quasi
tutti i Paesi tecnologicamente più avanzati uno sviluppo
intenso in tutti i settori e, soprattutto, in quelli eolico e fotovoltaico. In Italia, nonostante qualche eccezione, si registra
un forte ritardo nella produzione di fonti alternative di energia
ed una scarsa commercializzazione delle tecnologie ad esse
legate. Tuttavia, negli anni più recenti sono state prese decisioni che potrebbero cambiare questa situazione, ad esempio i recenti impegni presi dal nostro paese con la sottoscrizione del Protocollo di Kyoto.
Il ciclo dell'energia solare
Quasi tutta l'energia che usiamo ci viene, direttamente o indirettamente, dal Sole. I raggi del Sole illuminano e riscaldano la
superficie esposta della Terra, innescando il ciclo di evaporazione e ricaduta dell'acqua, permettendo così la vita sul nostro
pianeta: fanno crescere la vegetazione (legna da ardere, alimenti per l'uomo e gli animali), scaldano l'aria e provocano i
venti. Ogni ciclo vitale sul nostro pianeta è legato all'energia
che ci viene dal Sole. All'energia assorbita dal Sole si devono
anche i combustibili fossili: carbone, petrolio e gas naturale,
infatti, non sono altro che energia solare assorbita centinaia di
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
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
utilizzata anche direttamente, tramite i pannelli solari termici
e fotovoltaici.
Temperatura del pianeta Terra
Una parte dello strato di gas che circonda la Terra (atmosfera) funziona da filtro dei raggi
solari - che quindi non diventano
dannosi per l'uomo (radiazione
u.v.) - e da coperchio, in particolare le nubi, l'anidride carbonica,
il metano, capaci di trattenere
parte del calore che gli stessi
raggi trasportano (radiazione
i.r.). Si calcola che se non ci fosse
l'atmosfera la Terra avrebbe una
temperatura media di meno 20
gradi centigradi! Grazie alla presenza dell'atmosfera invece, la
Terra ha una temperatura media
di +17 gradi centigradi. Il nostro
ecosistema è mantenuto a questa
temperatura media principalmente dai raggi che la stessa
Terra riemette e che l'atmosfera trattiene. E' esperienza
comune che se il cielo notturno è limpido le mattine sono più
fredde di quando il cielo è coperto. Questo è l'effetto serra.
(vedi anche pag. 72)
Radiazione u.v:
radiazione ultravioletta.
Radiazione elettromagnetica
di lunghezza d'onda molto
piccola. I raggi UV sono
convenzionalmente
classificati in tre bande: gli
UV-A e UV-B (responsabili
dell'abbronzatura) possono
causare irritazione cutanea
(eritemi) ed infiammazione
oculare (congiuntivite) in caso
di esposizione prolungata non
protetta; e gli UV-C, i più
energetici e dannosi, che
fortunatamente non giungono
sulla Terra. A circa 20 km di
altezza nell'Atmosfera, infatti,
essi vengono filtrati
dall'ossigeno dando origine
all'ozono.
Radiazione i.r.:
radiazione infrarossa.
Invisibile all'occhio umano,
può essere rilevata come una
sensazione di tepore sulla
pelle. Generalmente la
radiazione IR trova
innumerevoli campi di
applicazione: comunicazioni
senza filo (ad es. nei
computer portatili), rilevatori
di movimento e sensori
antincendio.
Energia solare termica
L'energia che ci viene dal Sole può essere facilmente convertita 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'acqua 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 ancora poco diffusa, anche se in crescita.
In ogni caso, va ricordato che questa fonte di energia rinnovabile, 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 pannelli 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 termicamente. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 4560°C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza, che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore, tra 30% e 80%. I sistemi solari per scaldare
l'acqua sono, in genere, utilizzati per gli usi domestici di singole famiglie. Si tratta di impianti di 4-6 m2, con serbatoio di 150300 litri, che consentono di produrre acqua calda a temperature 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 concentrare 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 fotovoltaici, 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 radiazione 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 consentiva 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 questo 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 essere 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 questioni economico ambientali relative a questo
settore.
Il parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 m2, l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente 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 costituito 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
hanno alcuni materiali
semiconduttori
opportunamente trattati (fra
cui il silicio) di generare
direttamente energia elettrica
quando vengono colpiti dalla
luce (radiazione
elettromagnetica).
Nell'aprile del 1954 fu annunciata alla stampa la scoperta da
parte dei Laboratori della Bell (Stati Uniti) della prima cella
fotovoltaica al silicio, che segnava la tappa decisiva nello sviluppo della tecnologia per convertire direttamente l'energia
solare in energia elettrica.
Questo avviene sfruttando l'effetto fotovoltaico e i dispositivi
si chiamano appunto celle fotovoltaiche. Il rendimento è dell'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 tecnologia 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 conversione è la cella fotovoltaica. Molte celle assemblate e collegate tra di loro in una unica struttura formano il modulo fotovoltaico. Un modulo fotovoltaico tipo è costituito da 36 celle,
ha una superficie di circa mezzo
metro quadrato ed eroga, in condizioni standard ottimali, circa 50W,
ossia l'energia sufficiente a far funzionare due lampadine da 25W. Oggi
stanno uscendo sul mercato anche
moduli fotovoltaici che non sono fatti
assemblando celle, ma vengono realizzati direttamente a partire da una
lastra di vetro su cui vengono depositate pellicole sottili (films) di materiale 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
modo intermittente; per il suo sfruttamento è, dunque,
necessario poterla raccogliere e conservare, oppure connetterla con la rete locale di distribuzione.
Prospettive di sviluppo
La capacità mondiale di produzione di celle fotovoltaiche
negli ultimi anni è in costante crescita. L'aumento della produzione è impressionante, comparabile con quello delle
industrie che producono dispositivi elettronici. Tuttavia questa grande quantità è stata realizzata in buona parte con
applicazioni ad “alto costo”: i moduli attuali vengono venduti ad un prezzo ancora molto alto.
Per abbattere il costo dei moduli è necessario ancora un progresso in tre direzioni: efficienza dei moduli; costo di produzione; crescita del volume di produzione.
Ovviamente, il terzo fattore è legato al
secondo.
La maggior parte dei dispositivi fotovoltaici attuali si basa sul silicio cristallino e policristallino, sfruttando una tecnologia molto simile a
quella usata per la realizzazione
dei chip in elettronica, quindi è
difficile pensare a grandi diminuzioni di costi.
I nuovi dispositivi basati sui films
sottili dovrebbero consentire una
significativa riduzione dei costi di produzione, e quindi una crescita del volume
di vendita. Gli esperti concordano sul fatto che la sorte "finale" del fotovoltaico (e in generale delle fonti rinnovabili) si giocherà su tempi lunghi in tutto il mondo (ma particolarmente
nei paesi sviluppati che sono i più “energivori”) su uno scacchiere che dovrà necessariamente considerare il progressivo
impoverimento delle risorse di combustibili fossili.
In Italia attualmente esistono tre centrali fotovoltaiche collegate alla rete di distribuzione.
La centrale di Serre, in provincia di Salerno, è la più grande
centrale fotovoltaica europea.
Semiconduttore:
Materiale che ha le seguenti
proprietà fisiche: la
conducibilità elettrica,
inferiore a quella dei metalli,
cresce all'aumentare della
temperatura quindi aumenta
se il materiale è colpito da
radiazione. Semiconduttori
tipici sono il silicio (Si) e
l'arseniuro di gallio (GaAs). I
semiconduttori costituiscono
il nucleo essenziale dei
dispositivi elettronici.
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Alla 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 medioevali. 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 richiede 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'ambiente, 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, numerose 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 milioni di MW di potenza eolica utilizzabili. L'eolico è caratterizza-
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
to, come le altre tecnologie che utilizzano fonti di energia rinnovabili, 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 economici, la diffusione nel mercato
energetico.
In Germania, per incentivare la diffusione dell'energia eolica, lo
Stato sovvenziona i produttori.
E' certo che, come nel caso delle
altre tecnologie, i costi diminuiranno con gli sviluppi della ricerca
tecnologia e all'aumentare della
diffusione degli impianti: negli ultimi 20 anni i costi si sono già ridotti a un quinto.
Tuttavia, non tutti i luoghi del pianeta risultano idonei all'installazione di impianti eolici: per l'irregolarità 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 almeno un centinaio di giorni all'anno.
In Italia i siti convenienti non
sono molti.
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Alla scoperta dell’energia
Rifiuti e riciclaggio
Fotosintesi clorofilliana:
processo biochimico che si
svolge nei vegetali grazie alla
clorofilla e che, sotto l'azione
della luce, permette la
trasformazione dell'acqua e
dell'anidride carbonica in
composti organici.
Mtep:
sigla per indicare un milione
(M) di tonnellate equivalenti di
petrolio (tep)
Le attività umane e industriali producono anche “rifiuti”, ossia
qualcosa che normalmente, non viene utilizzato. In una
società economicamente sviluppata la quantità media di
rifiuti domestici è di circa una tonnellata all'anno per persona. Negli ultimi decenni ci si è resi conto che buona parte di
questi rifiuti può essere riutilizzata per estrarne energia o riciclata per risparmiare materie utili.
Definizione di Biomassa
Il termine Biomassa definisce l’insieme di una gran quantità
di materiali di matrice organica. Sono da escludere le plastiche e i combustibili fossili. La biomassa rappresenta una
forma di accumulo dell'energia solare. Questa, infatti, consente 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 coltivate per scopi energetici.
Altre importanti fonti di
biomassa sono: residui
dal campo forestale,
scarti di attività industriali, come i trucioli di
legno, scarti delle
aziende zootecniche e la
parte organica dei rifiuti urbani.
La biomassa è ampiamente
disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale, pulita
e rinnovabile. L'utilizzazione
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
delle biomasse per fini energetici non contribuisce all'effetto
serra, poiché la quantità di emissioni nocive (anidride carbonica) rilasciata durante la decomposizione, sia che essa avvenga naturalmente, sia per effetto della trasformazione energetica, 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 soprattutto alle armi. Oggi, nei paesi industrializzati, il legno e la vegetazione utilizzati come combustibili rientrano prevalentemente nella categoria delle biomasse. Nel 1700, l'impiego mondiale di biomassa (prevalentemente legna) crebbe da circa
700 milioni di tonnellate a quasi due miliardi, equivalenti a
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Alla scoperta dell’energia
Cogenerazione:
Produzione combinata di
energia elettrica e calore. Può
essere realizzata mediante:
1. il vapore prodotto da una
centrale termica può essere
prelevato per alimentare
processi industriali, per il
riscaldamento urbano, ecc.
2. una turbina a gas o un
motore a combustione
interna, destinati alla
produzione elettrica, mentre il
calore viene ottenuto dai gas
di scarico. Un impianto di
cogenerazione consente di
ottenere un notevole
beneficio nel contenimento
dei consumi rispetto a una
generazione separata di
energia elettrica e termica e
quindi una riduzione dei costi
e dell'impatto ambientale.
Teleriscaldamento:
Sistema di riscaldamento di
un quartiere o di una città,
che utilizza a distanza il
calore prodotto da una
centrale termica, da un
impianto a cogenerazione o
da una sorgente geotermica.
In un sistema di
teleriscaldamento il calore
viene distribuito agli edifici
tramite una rete di tubazioni
in cui fluisce l'acqua calda o il
vapore.
quasi 700 milioni di tonnellate di petrolio, con notevoli ripercussioni ambientali. Intorno al 1900 l'energia ricavata dai
combustibili fossili eguagliò, quindi superò, quella ricavata
dalla biomassa. La legna non è, dal punto di vista industriale, un buon combustibile, mentre il carbon fossile è dotato di
un ben più alto potere calorico.
Impiegata ampiamente nel passato, oggi la biomassa è sfruttata come combustibile soprattutto nei paesi tecnicamente meno
sviluppati. Nuove tecnologie per uno sfruttamento più efficace
delle biomasse sono state sperimentate negli ultimi anni.
Utilizzo della biomassa
La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale rinnovabile. Ancor oggi la popolazione mondiale soddisfa circa il 12% del proprio fabbisogno primario di energia con biomassa. In Europa il contributo di
questa fonte al soddisfacimento dei fabbisogni primari di
energia è del 3%; l'Italia, con il 2% del proprio fabbisogno
coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea.
All'avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come
fonte energetica sono i Paesi del centro-nord Europa, che
hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati da biomasse. Tale contributo sale al
35% nei paesi in via di sviluppo (combustione di legna, paglia
e rifiuti animali), dove tuttavia viene utilizzata con tecnologie
a bassissimo rendimento energetico e con l'aggravante di
non rimpiazzare la biomassa sottratta all'ambiente con nuove
coltivazioni (il rapporto fra ettari disboscati e rimboscati ogni
anno in Asia, per esempio, è attualmente di 25/1).
Situazione italiana e proiezioni
Da alcuni anni anche in Italia sono in corso o in programma
numerose iniziative per la realizzazione di impianti di produzione di elettricità da fonti rinnovabili. Si stima che la potenza elettrica 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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