”Fonti e tecnologie energetiche, oggi e domani”

Ennio Macchi

Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano

Congresso ATI 2009

Ennio Macchi

2Premesse

Sono convinto che le preoccupazioni relative all’aumento di concentrazione della CO2 siano giustificate

Sono convinto che chi opererà nel settore energetico nei prossimi decenni dovrà convivere con la realtà di un mondo “carbon constrained”

E’ evidente che servono misure “politiche” che modifichino drasticamente lo scenario “business as usual”:

• L’elettricità generata da centrali “zero” (o quasi) emission sarà sempre più costosa di quella prodotta in centrali convenzionali

• Le vetture “zero emission” saranno molto più costose rispetto alle vetture convenzionali

• I carburanti a bassa o nulla emissione di CO2 saranno più costosi dei derivati petroliferi

• Ecc.

Ennio Macchi

3Premesse (2)

Il mio intervento sarà concentrato sul settore elettrico, perché è quello che conosco meglio e perché ha un ruolo fondamentale (e crescente) nel quadro delle emissioni complessive

Non parlerò di misure di risparmio energetico negli usi finali,quali: • Motori elettrici efficienti

• Lampade a basso consumo

• Elettrodomestici classe A+

• Regolazione intelligente (inverter, ecc.)

• Climatizzazione

• Pompe di calore geotermiche

• Ecc.

Sono le più razionali, le prime (e le più facili)da intraprendere, ma…

Non devono essere un alibi per non agire anche su gli altri fronti, da sole certamente non bastano

Ennio Macchi

4Una “rivoluzione tecnologica” nel settore elettrico italiano è avvenuta

Per il gas naturale: grandi progressi, siamo prossimi all’asintoto (già raggiunto per i cicli combinati)

Per il carbone: grandi margini di miglioramento!

Andamento temporale dei rendimenti elettrici del parco termoelettrico italiano

30

35

40

45

50

55

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

%

solidi

prodotti petroliferi

gas naturale (solo energiaelettrica)

gas naturale CC (soloenergia elettrica)

Ennio Macchi

Frame G

~

~

=21 TIT=1430°C

TFUEL=200°C

TMAX=600°C

Ennio Macchi

1250 1300 1350 1400 1450 1500

Turbine inlet temperature, °C

56

57

58

59

60

61

62N

et e

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cien

cy (

LH

V),

%

CL-SC+SC

CL-SC

OL-AC+SC

OL-AC

13001300 1300 1300

1300 1300 1275

Ennio Macchi

OL-ACOL-AC

+SC CL-SCCL-SC

+SC CL-MCcombustion 25.48 24.39 25.93 24.38 25.89overall blade cooling

cooling heat transfercoolant dischargecoolant pressurelosses

3.770.912.790.08

3.981.422.490.07

2.180.861.310.01

2.841.131.700.02

2.380.881.390.11

compressor 1.76 1.66 1.68 1.52 1.68gas turbine fluid-dynamic losses 2.30 2.39 2.22 2.13 2.22steam turbine 2.11 2.04 2.03 1.98 2.04HRSG heat transfer 2.02 2.08 1.79 1.92 1.84condenser 1.45 1.51 1.42 1.45 1.43miscellaneous in steam cycle 0.25 0.29 0.25 0.30 0.24elec./org./auxiliaries losses 1.69 1.67 1.69 1.66 1.69thermal losses 1.11 1.21 1.09 1.15 1.09leakages and filters 0.45 0.43 0.43 0.42 0.42heat rejection at stack 1.14 1.13 1.13 1.13 1.13combustor 25.48 24.39 25.93 24.38 25.89useful work 56.45 57.23 58.16 59.10 57.94LHV efficiency, % 58.39 59.20 60.16 61.13 59.93specific work, kJ/kgair 641.5 754.2 730.2 875.2 728.6Operating conditions:

Pressure ratioHP turbine TIT, °CTIT, °C

20

1430

3012901430

23

1430

3014301430

23

1430

ANALISI ENTROPICA

Tutte le perdite sono di piccola entità, tranne le perdite di combustione

Unica possibilità di fare un grande salto di qualità:

Sostituire la combustione con altri processi di ossidazione

Ennio Macchi

8Benefici del passaggio a metano: significativi, ma non risolutivi

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

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Franc

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Regno

Unito

Italia

*

Spagn

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Svezia

EU 25

USACin

a

mon

do

g/kWh

termo

totale

L’Italia è la più virtuosa al mondo (riferimento termoelettrico)

Fa meglio della Germania (riferimento termoelettrico e totale)

Fa enormemente peggio di Francia e Svezia

Confronto delle emissioni specifiche medie nella generazione elettrica (dati 2006)

Ennio Macchi

9L’Italia nel confronto internazionale – Prezzo dell’energia elettrica per uso industriale

4,4 4,7

5,3 5,4 5,4 5,4 5,5

6,3 6,4

7,07,5

7,8 7,98,1 8,1 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,3 9,5 9,5 9,6

10,3 10,5

11,3

Lett

onia

Bulg

aria

Esto

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Fran

cia

Polo

nia

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andi

a

Litu

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Svez

ia

Dan

imar

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Rep.

Cec

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ria

Spag

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UE-

27

Rom

ania

Port

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Slov

acch

ia

Ger

man

ia

Regn

o U

nito

Luss

embu

rgo

Ital

ia

Cipr

o

Irla

nda

Prezzo dell’energia elettrica per uso industriale, 1 gennaio 2007

(Euro per 100 KWh, tasse escluse)

Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat, 2007

Ennio Macchi

10L’Italia nel confronto internazionale – Prezzo dell’energia elettrica per uso domestico

5,55,8

6,4 6,6 6,6

8,6 8,8 8,9 9,0 9,2 9,2 9,410,0 10,2 10,5

10,911,7 11,7 11,8

12,3 12,512,9

14,0 14,2 14,3 14,715,1

16,6

Bulg

aria

Lett

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Esto

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Litu

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Rom

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Polo

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Dan

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ca

UE-

27

Cipr

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Belg

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Paes

i Bas

si

Port

ogal

lo

Ger

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Irla

nda

Luss

embu

rgo

Ital

ia

Prezzo dell’energia elettrica per uso domestico, 1 gennaio 2007

(Euro per 100 KWh, tasse escluse)

Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat, 2007

Ennio Macchi

11Percentuale di energia elettrica prodotta dalla somma delle centrali a carbone ed elettronucleari rispetto alla produzione complessiva

0

10

20

30

40

50

60

70

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USACina

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*

EU 15*

EU 25*

Mon

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%

200320042005

E’ evidente l’anomalia italiana

Ennio Macchi

12Conclusioni (riferite all’Italia)

E’ illusorio sperare di abbattere in misura significativa le emissioni agendo sulle tecnologie di conversione termoelettrica e sul mix di combustibili fossili, ciò non toglie che è necessario migliorare le prestazioni delle centrale a carbone (da 34% si può arrivare a 45%)

Accentuare la già anomala dipendenza dal GN sembra autolesionistico

Ennio Macchi

13Quale fonte per l’energia del futuro?

Saranno certamente molte, classificabili in tre diverse tipologie:• Nucleare da fissione

• Fossili (ma con il sequestro della CO2)

• Rinnovabili

Non sono in concorrenza, la sfida è tanto difficile che servono tutte!

Al momento, le prospettive non sono molto brillanti per nessuna delle tre soluzioni

Ennio Macchi

14Ci sarà il rinascimento nucleare?

• Allo stato attuale delle conoscenze, non c’è dubbio: Se si penalizzano le centrali a combustibile fossile con una

“carbon tax” ragionevole, le centrali nucleari sono la soluzione economicamente più competitiva

• Mentre le tecnologie concorrenti “zero emission” (rinnovabili, CCS) hanno ampi margini di miglioramento, l’evoluzione dei costi dell’energia nucleare è incerto

• In Italia (e in molti altri Paesi), non è facile ipotizzare un futuro per l’energia nucleare

Ennio Macchi

15Peso dell’energia nucleare nei vari paesi del mondo(% rispetto alla produzione totale)

0

10

20

30

40

50

60

70

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90

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*

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%

1996

2005

Ennio Macchi

16Il programma francese

Ennio Macchi

Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (i)• Perché dobbiamo diversificare l’attuale mix

energetico con soluzioni che non aggravino ulteriormente i costi medi di produzione

• Le uniche due soluzioni (nucleare e carbone) realistiche per raggiungere questi obiettivi vanno perseguite entrambe, ma incontrano – per svariati motivi - formidabili difficoltà nel nostro Paese

• Almeno una delle due soluzioni dovrebbe vedere realizzazioni in tempi certi

17

Ennio Macchi

Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (ii)

• Perché l’energia nucleare è energia “pulita” e dobbiamo rispettare gli accordi internazionali di riduzione delle emissioni: risparmio/efficienza energetica e rinnovabili da soli non bastano

• Il trend di crescita della produzione di energia elettrica netta da fonti rinnovabili non consente troppe illusioni

18

Ennio Macchi

19La produzione di energia elettrica in Italia da fonti rinnovabili (escluso idroelettrico)

Produzione lorda totale (2006) 314 TWh

Consumo lordo di e.e. (2006) 359 TWh

024

68

1012

141618

solar

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[TW

h]

1999

2007

Nel 2008 eolico 6,437 TWh, PV 0,200 TWh

Ennio Macchi

20Il valzer delle generazioni: conviene aspettare la quarta???

Ennio Macchi

Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (iii)• Perché lasciar passare 20/30 anni in attesa di una

fantomatica quarta generazione non ha senso: sarebbe un’attesa troppo lunga, perché aspettare?

• I temi della sicurezza, delle scorie, ecc. sono importanti, ma..

• I reattori che potremmo ordinare a breve termine non sono certamente peggiori da questi punti di vista (sicurezza, scorie) rispetto ai reattori che operano in ogni altra nazione civile. Perché dobbiamo essere l’unico Paese che rinuncia alla produzione di energia da nucleare?

21

Ennio Macchi

22Perché l’Italia ha bisogno di elettricità da fonti rinnovabili?

• Perché è un trend virtuoso, perseguito in tutto il mondo

• Perché hanno potenziali di sviluppo enormi, soprattutto l’energia solare

• Perché ci siamo impegnati a livello internazionale

• Perché oggi sono sostenibili solo con forti(ssimi) incentivi, ma la speranza è che possano nel lungo termine divenire competitive

Ennio Macchi

23Qual prospettive per le rinnovabili?

I maggiori contributi verranno:• da eolico

• biomasse (per avere rendimenti elevati, o utilizzo cogenerativo o co-combustione)

• L’Italia non è il Paese più favorito (per entrambi)

Servono nuove idee…

Ennio Macchi

Gli incrementi percentuali fanno riflettere….24

Ennio Macchi

25Gli unici aumenti significativi: eolico e biomassa (ritmo di crescita complessivo: 40 TWh/anno)

Fonte:

Ennio Macchi

26Dopo questo impianto, una pausa di 20 anni

Ennio Macchi

27Novità recente: un impianto solare termodinamico in Nevada da 64 MW

Costo = 250 M$

Ennio Macchi

Ci sono enormi spazi per migliorare le prestazioni28

LA SFIDA E’ NELL’ABBATTIMENTO DEI COSTI

UTILIZZANDO UN MILLESIMO DELLA SUPERFICIE NORDAFRICANA SI PRODUCE TUTTA L’ELETTRICITÀ CHE SERVE AL MONDO

Ennio Macchi

Ennio Macchi

Ennio Macchi

EGS = Enhanced/Engineered Geothermal Systems

Ennio Macchi

Ennio Macchi

Ennio Macchi

34ESISTE UNA SOLUZIONE A LUNGO TERMINE PER AZZERARE (O COMUNQUE RIDURRE DRASTICAMENTE) LE EMISSIONI DI CO2

• Il sequestro e il confinamento geologico della CO2 :• Nel mondo si cominciano a fare esperienze su larga

scala

• E’ un errore costruire oggi centrali a carbone che non sequestrano la CO2 ?

• Lo fanno tutte le utilities del mondo ……• E’ possibile pensare a una trasformazione successiva

delle centrali che introduca il sequestro della CO2

• La soluzione può essere applicata a centrali “capture ready” , ma, nell’attuale contesto normativo è fortemente penalizzante in termini economici

Ennio Macchi

35CENTRALI “ZERO EMISSIONS”(con sequestro di CO2)

Impianti alimentati mediante combustibili fossili che co-producono elettricità e/o idrogeno (eventualmente anche calore) e, invece di rilasciare la CO2 generata in atmosfera, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lo stoccaggio di lungo periodo.

idrogeno

elettricitàcalore

CARBONEIDROCARBURI

RIFIUTI

CO2

Aria umida tiepida

Ennio Macchi

36I sistemi di confinamento

Ennio Macchi

37

Sleipner A

Sleipner T

Utsir aFor mation

Heimdal Formation

Sleipner ØstProduction and Injection Wells

CO 2

CO 2 Injection Well1000m

2000m

2500m

0

500m

1500m

1000m

0 500m

1500m

Soltanto l’acquifero salino Utsira, sotto al Mare del Nord può ospitare

600 miliardi di tonn. CO2600 miliardi di tonn. CO2: tutte le emissioni del Nord Europa di 300 anni di produzione

di energia elettrica (da IEA, www.ieagreen.org.uk)

Le grandi potenzialità degli acquiferi salini

Ennio Macchi

38SITI DI INIEZIONE di CO2 in Italia

Costa adriatica e Fossa Bradanica

Pianura Padana e offshore adriatico settentrionale

Alcune strutture offshore Alto Lazio

Sardegna: in carbone profondo Sulcis (ECBM)

INGV & partners studiano come potenziali siti soprattutto:

Ennio Macchi

39Le probabilità di fuga ….

Ennio Macchi

40Con le tecnologie attuali, il costo dell’energia cresce di circa il 50%

Ennio Macchi

Idrogeno liquido da carbone “pulito”41

Ennio Macchi

42

Sottostazioni

Utenze Commerciali

Utenze Industriali

Utenze CommercialiUtenti residenziali

MOTORI

MOTORI

Fuel cellMotori

TG

VolaniBATTERIE

FUEL CELLTurbina a Gas

Sottostazioni

Utenze Commerciali

Utenze Industriali

Utenze CommercialiUtenti residenziali

MOTORI

MOTORI

Fuel cellMotori

TG

VolaniBATTERIE

FUEL CELLTurbina a Gas

Micro-tri-cogenerazione da GN (idrogeno) + fonti rinnovabili DISTRIBUITA

Prospettiva interessante:la generazione distribuita (GD)

Ennio Macchi

43Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili)

Taglia impianto [kW]

Ren

dim

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%

0 1 10 100 1000 104 105 106

0

10

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30

40

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60

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80

Celle a combustibile (Cap.5)

MCFC

Mot.Stirling

(Cap. 3)

Cicli ibridi con FC + turbina a gas (Cap. 5.6)

TPV(Cap. 6)

Micro-turbine a gas (Cap. 4)

Ciclicombinati

USC e IGCC

TG AD

TV

TG HD

PAFCSOFC

PEM

Motori a c.i (Cap. 3.1)

MICRO MINI

Ennio Macchi

44PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO (almeno da parte mia..) PER LA MICROCOGENERAZIONE A GAS NATURALE?

• Perché, se ben applicata, è imbattibile in termini di risparmio energetico

• E’ facile, senza grandi sforzi tecnologici, fare molto meglio dei migliori impianti per sola generazione di energia elettrica (guadagnare un punto di rendimento con impianti convenzionali è un’impresa, guadagnarne quaranta con la microcogenerazione è facile)

• Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali

• in termini planetari sempre (minori emissioni di gas serra)• in termini locali, se la tecnologia è all’altezza• Perché forse è giunto il momento in cui è lecito sperare che

si abbattano le barriere (normative, tecniche, tariffarie, psicologiche…) che ne hanno sempre ostacolato la diffusione

• Diversamente dalle fonti rinnovabili, non servono incentivazioni che vanno a penalizzare la bolletta dei contribuenti

Ennio Macchi

45GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI !

BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3%

SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%

Ennio Macchi

46

Ennio Macchi

CICLI IBRIDI (FUEL CELL + TG)

RENDIMENTI oltre il 70%

Ennio Macchi

48Dai grandi impianti ai micro-impianti…

Non c’è solo la grande cogenerazione industriale

L’Italia è piena di PMI

Terziario

Residenziale

Ennio Macchi

49Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così….

Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella cucina

motore Stirling (o altra tecnologia)

Il motore sostituisce/integra la caldaietta domestica nella generazione di calore (ogni anno, in Italia se ne vendono più di un milione) e contemporaneamente cogenera energia elettrica, interfacciandosi sulla rete BT, con cui scambia energia elettrica in modo “intelligente”, esportandola nei periodi in cui è pregiata, importandola quando è poco pregiata

Ennio Macchi

50

PEFC Stack

Air compressor

Reformer

Hydrogen

Ai r

Compressed Air

Inverter

City Gas

DCPower

ACPower

Heat

Heat Exchanger

HotWater

HotWater

Hot Water Tank

Back-up Burner

PEFC System Structure

Ennio Macchi

51

IHISanyoEbara/Ballard Nippon Oil

Toshiba/IFC Toyota Nuvera Matsushita MHI

PEFC La soluzione piùLa soluzione più attraente ( a lungo termine..)

Ennio Macchi

52

BUON LAVORO A TUTTI I PRESENTI!