Limiti e contraddizioni dell’impiego intensivo delle fonti rinnovabili nel sistema energetico: quando l’energia “povera” può diventare infrastruttura troppo costosa

The transition toward a low-carbon energy system represents a complex challenge that extends well beyond the simple technological substitution of energy generation sources. It requires a systemic approach capable of accounting for the full life cycle of energy technologies, infrastructure development, and material resource constraints. Within this framework, renewable energy sources play a crucial role in reducing greenhouse gas emissions; however, their large-scale deployment must be evaluated in relation to physical limits, economic sustainability, and the availability of critical materials. The objective of this thesis is to critically analyze the role of the main renewable energy sources—solar, wind, biomass, and geothermal—within the current energy system, focusing on their production profiles, power density, and dispatchability characteristics. Particular attention is devoted to low power density sources, highlighting how their intrinsically diffuse nature leads to significant spatial, infrastructural, and system-level implications when deployed at scale. The adopted methodology is based on a comparative analysis using energy, territorial, and infrastructural indicators. Beyond the electricity generation phase, the study explicitly considers system integration costs, including grid reinforcement, energy storage requirements, and the interaction with existing generation assets. This approach allows the assessment of renewable technologies within the broader context of the energy system, rather than as isolated generation units. The results show that an uncritical and accelerated deployment of low power density renewable sources can lead to a disproportionate increase in land use, infrastructure complexity, and system costs. Conversely, a progressive transition strategy—focused on the rational use of resources, the utilization of already anthropized surfaces, and the integration of existing plants—can achieve a more balanced compromise between emission reduction targets, technical constraints, and material availability. This work emphasizes the importance of an engineering-oriented perspective on the energy transition, in which renewable energy sources are not treated as universal solutions, but as components of a complex system that must be coherently and sustainably integrated over the long term.

La transizione energetica verso sistemi a basse emissioni di carbonio rappresenta una sfida complessa, che non può essere ricondotta alla sola sostituzione tecnologica delle fonti di generazione. Essa richiede piuttosto una visione sistemica, capace di considerare l’intero ciclo di vita delle risorse energetiche e delle infrastrutture coinvolte. In questo quadro, le fonti rinnovabili svolgono un ruolo centrale nella riduzione delle emissioni; tuttavia, il loro impiego su larga scala impone una progettazione attenta ai limiti fisici ed economici del sistema, nonché alla disponibilità delle risorse materiali necessarie. Il presente lavoro di tesi analizza le principali fonti di energia rinnovabile (solare, eolico, biomassa e geotermia) approfondendone i profili di produzione, la densità di potenza e le caratteristiche di programmabilità. Verrà dedicata particolare attenzione alle fonti a bassa densità di potenza, mettendo in evidenza come la loro natura intrinsecamente diffusa comporti implicazioni rilevanti in termini di integrazione nel sistema energetico esistente e richieda strategie di sviluppo graduali e contestualizzate. La metodologia adottata si basa su un’analisi comparativa basata su indicatori energetici, territoriali e infrastrutturali, includendo costi di integrazione nel sistema elettrico, ad esempio in riferimento alle reti e ai sistemi di accumulo, nonché il ruolo della gestione e valorizzazione delle infrastrutture già presenti nel percorso di transizione. Questo approccio consente di superare una valutazione limitata alla sola produzione di energia, offrendo una lettura più completa delle prestazioni complessive del sistema. I risultati mostrano come una transizione impostata in modo progressivo, orientata all’uso razionale delle risorse e alla valorizzazione di superfici già antropizzate e di impianti esistenti, possa favorire un equilibrio più sostenibile tra obiettivi ambientali, vincoli tecnici e disponibilità delle risorse. Il lavoro evidenzia infine l’importanza di un approccio ingegneristico che consideri le fonti rinnovabili non come soluzioni universali, ma come elementi di un sistema energetico complesso, da integrare in modo coerente e sostenibile nel lungo periodo.