Relazione LCA Finale

LCA e LCOE

2014-2015

STATO: ITALIA COSTANTINO MARZIA –FASCIANA MICHELE DOMENICO –LUCI VINCENZO

POLITECNICO DI TORINO Uso Ottimale e Sicurezza degli Impianti Energetici

1 L.C.A.

INDICE

Sommario .......................................................................................................................................................................... 2

1 - DEFINIZIONE DEGLI OBIETTIVI ..................................................................................................................................... 3

2 – ANALISI DELL’INVENTARIO .......................................................................................................................................... 4

Analisi dei consumi ....................................................................................................................................................... 5

Analisi delle emissioni ................................................................................................................................................... 8

3 - ANALISI IMPATTI ........................................................................................................................................................ 10

Effetto serra ................................................................................................................................................................ 11

Acidificazione .............................................................................................................................................................. 11

Eutrofizzazione ............................................................................................................................................................ 12

Conclusioni ...................................................................................................................................................................... 13

4 - ANALISI DEI COSTI ...................................................................................................................................................... 13

2 L.C.A.

Sommario

Lo scopo della relazione è quello di analizzare e comparare gli LCA ed LCOE relativi ad una centrale a carbone e un impianto fotovoltaico. Sono stati valutati i consumi di materie prime e di energia e le emissioni derivanti da entrambi gli impianti per il processo di produzione di un kWh elettrico, scelto come unità funzionale. Dall’elaborazione dei dati relativi alle emissioni sono stati valutati gli impatti ambientali riguardanti l’effetto serra, l’acidificazione del suolo e l’eutrofizzazione delle acque. Come ultima analisi sono stati confrontati i costi al kWh e i loro andamenti al variare delle singole voci che compongono il costo totale.

3 L.C.A.

1 - DEFINIZIONE DEGLI OBIETTIVI

1) OGGETTO DELLO STUDIO

L’obiettivo del seguente documento è quello di valutare i consumi di materie prime e carburante,

le emissioni in ambiente di sostanze inquinanti e la sostenibilità economica del ciclo di vita di due

impianti per la produzione di energia. I due impianti oggetto dell’analisi sono una centrale

termoelettrica a carbone e una piccola installazione di pannelli fotovoltaici da 3 kWp, entrambi

operanti in Italia.

2) UNITA’ FUNZIONALE

Data la natura eterogenea dei dati presi in esame, risulta necessario definire un’unità funzionale

alla quale fare riferimento per riuscire a confrontarli. Trattandosi di due impianti per la produzione

di energia la scelta più ovvia ricade sul kWh di energia prodotto. Partendo da questa grandezza si

possono valutare i vari consumi e le emissioni del ciclo di vita legato ad ognuno dei due impianti.

3) CONFINI DEL SISTEMA

Nell’analisi non è stato tenuto conto delle emissioni di materiali radioattivi, CFC, metalli pesanti,

composti organici volatili e derivati (in aria, acqua o suolo) perché presenti in quantità considerate

non rilevanti, concentrando l’attenzione su: anidride carbonica, monossido di carbonio, ossidi di

azoto, ossidi di zolfo, protossido di azoto, fosfori, metano e particolato di diverso diametro

equivalente.

E’ stato considerato anche il calore disperso in ambiente poiché viene emesso in quantità

considerevoli nella maggior parte dei processi produttivi.

Si è anche ritenuto importante il contributo dei fosfati dispersi in acqua in quanto hanno un

impatto rilevante per l’eutrofizzazione.

Non si è tenuto conto della superficie occupata o trasformata dalle infrastrutture nella fase di

costruzione e di esercizio utili alla produzione.

Anche per i consumi è stata fatta una discriminazione legata alla quantità di ogni singolo materiale:

valori troppo bassi sono stati scartati dall’analisi.

4) CATEGORIE DEI DATI

I dati a disposizione rientrano nella categoria di “dati secondari” poiché provengono tutti dal

database “Ecoinvent v2. 2” e non sono stati raccolti “on-site”; sono stati raggruppati in:

• Consumi di energia;

• Consumi di materie prime;

• Emissioni in aria, acqua e suolo.

4 L.C.A.

2 – ANALISI DELL’INVENTARIO

Il lavoro svolto segue il diagramma di flusso in Figura 1 per l’LCA dell’impianto a carbone

Figura 1 – LCA impianto a carbone

5 L.C.A. E in Figura 2 per l’LCA dell’impianto fotovoltaico.

Figura 2 – LCA fotovoltaico

Analisi dei consumi Analizzando i dati del database e sommando i vari consumi si è giunti alla costruzione delle tabelle

sottostanti.

Rame 1,51E-05 Kg

Ferro 4,49E-04 kg

Cromo 1,44E-06 kg

Ghiaia 1,56E-03 kg

Granito 2,88E-16 kg

Argilla 9,69E-05 kg

Calcite 2,56E-04 kg

Diesel 1,70E-02 MJ

Acqua 1,45E+00 m3

Olio 2,98E-02 MJ

Gas naturale 8,51E-02 MJ

Energie rinnovabili 1,26E-02 MJ

Uranium 2,52E+01 MJ

Carbone nella centrale a

carbone4,86E+01 MJ

Consumi centrale a carbone

Consumi Energetici

Rame 1,41E-04 kg

Alluminio 1,71E-04 kg

Ferro 1,77E-04 kg

Ghiaia 5,33E-03 kg

Nickel 7,83E-06 kg

Argilla 2,40E-04 kg

Calcite 2,01E-03 kg

Sodio 5,96E-05 kg

Magnesio 1,52E-05 kg

Acqua 5,57E-02 m3

Olio 7,21E-02 MJ

Gas naturale 3,79E-01 MJ

Energie rinnovabili 1,24E-01 MJ

Uranium 7,80E-02 MJ

Carbone nell'impianto

fotovoltaico2,75E-01 MJ

Consumi impianto fotovoltaico

Consumi Energetici

6 L.C.A. Dopo aver calcolato tutti i contributi relativi ai consumi, sono stati stilati diversi grafici:

Il primo è relativo ai consumi per la centrale a carbone in kg. Non sono stati considerati il diesel e l’acqua dal

momento che erano espressi in una unità di misura differente dal kg, cioè MJ e m3.

La ghiaia risulta essere il maggior componente utilizzato esclusivamente nel processo di produzione del

cemento che servirà per costruire la centrale, mentre gli altri risultano essere nettamente minori.

Il secondo invece riguarda i consumi dell’impianto fotovoltaico in kg. E’ stata omessa l’acqua per il motivo

esposto precedentemente. Anche qui la ghiaia risulta essere il maggior consumo, seguita dalla calcite.

La prima viene consumata soprattutto nella produzione dell’inverter, in quella del vetro del pannello ed

infine per il silicio; la seconda per gli stessi processi con l'aggiunta delle leghe di alluminio.

In questo penultimo grafico vengono comparati il consumi energetici della centrale a carbone con quelli

dell’impianto fotovoltaico in MJ.

7 L.C.A.

Tra i consumi sono stati valutati olio, gas naturale ed energie rinnovabili, mentre sono stati esclusi il carbone

di cui verrà fatto un grafico di seguito e l’uranio che abbiamo preferito non inserire nel grafico perché aveva

ordini di grandezza differenti.

Il grafico sottostante mostra il consumo del carbone: possiamo notare come i due valori non sono

comparabili, dal momento che quello della centrale a carbone è maggiore.

Inoltre la quasi totalità del carbone è bruciato nella centrale per la generazione di energia.

8 L.C.A. Analisi delle emissioni

Analizzando i dati del database e sommando le varie emissioni si è giunti alla costruzione delle

tabelle sottostanti.

I grafici seguenti riguardano le emissioni in aria in cui la maggior quota di inquinamento è data dalla CO2

emessa per la centrale a carbone derivante dai processi di combustione.

E’ rilevante anche l’emssione di SO2 della centrale a carbone dovuto presumibilmente alla quantità di zolfo

contenuta nel carbone bruciato.

Anche l’NO è emesso in quantità considerevoli nella centrale a carbone, dovuto anch’esso ai processi di

combustione.

PM 2,09E-01 kg

CO2 9,19E-01 kg

CO 9,37E-05 kg

NO 1,92E-03 kg

N2O 2,14E-05 kg

SO2 3,82E-03 kg

SO3 2,21E-14 kg

CH4 2,11E-01 kg

Heat waste 5,75E+00 MJ

Emissioni totali aria impianto a carbone

PM 3,17E-05 kg

CO2 3,04E-02 kg

CO 6,46E-05 kgN2O 1,25E-06 kgNO 7,43E-05 kgSO2 9,53E-05 kgSO3 1,05E-14 kgCH4 9,68E-05 kg

Heat waste 5,95E-01 MJ

P 5,57E-10 kgPO4— 1,21E-11 kg

Emissioni totali aria dell'impianto fotovoltaico

NOx 9,71E-09 kg

SOx 2,80E-06 kg

CH4 3,03E-11 kg

P 1,19E-09 kg

PO4— 9,27E-06 kg

Heat waste 1,37E+00 MJ

Emissioni totali acqua impiato a carbone

NOx 4,14E-06 kg

SOx 1,30E-07 kg

P 4,72E-08 kg

PO4— 3,04E-05 kg


CH4 1,60E-10 kg

Emissioni totali acqua dell'impiato

fotovoltaico

SOx 2,23E-08 kg

P 4,14E-11 kg


Emissioni totali terreno impianto a carbone

SOx 2,41E-08 kg

P 8,05E-10 kg


Emissioni totali terreno dell'impianto

fotovoltaico

9 L.C.A.

Il grafico sottostante riguarda le emissioni in acqua di entrambe le centrali. Si può notare che l’emessione

più elevata è quella dei fosfati, in particolar modo nell’impianto fotovoltaico ed sono prodotti nel processo

che riguarda la produzione della cella fotovoltaica.

10 L.C.A.

L’ultimo grafico è quello riguardante le emissioni dove si è tenuto conto degli SOx e del fosforo, entrambi

causa dell’eutrofizzazione.

3 - ANALISI IMPATTI Dall’analisi delle emissioni è possibile giungere all’analisi degli impatti trovando i kg di CO2, SO2 e PO4- equivalente rispettivamente per effetto serra, acidificazione ed eutrofizzazione.

kg CO2eqEmissioni

fotovoltaico

Equivalente

fotovoltaico

Emissioni

centrale a

carbone

Equivalente

centrale

CO2 1 3,04E-02 3,04E-02 9,19E-01 9,19E-01

CH4 25 9,68E-05 2,42E-03 0,211 5,28E+00

N2O 320 1,25E-06 4,00E-04 2,14E-05 6,85E-03

CO 2 6,46E-05 1,29E-04 9,37E-05 1,87E-04

CFC-11 4000 0 0 0 0

Somma 3,33E-02 6,20E+00

kg SO2 eqEmissioni

fotovoltaico

Equivalente

fotovoltaico

Emissioni

centrale a

carbone

Equivalente

centrale

SO2 1 9,54E-05 9,54E-05 3,82E-03 3,82E-03

SO3 0,8 1,05E-14 8,40E-15 2,21E-14 1,77E-14

NO 1,07 7,84E-05 8,39E-05 1,92E-03 2,05E-03

NO2 0,88 0 0,00E+00 9,71E-09 8,54E-09

Somma 1,79E-04 5,87E-03

kg PO4- eqEmissioni

fotovoltaico

Equivalente

fotovoltaico

Emissioni

centrale a

carbone

Equivalente

centrale

PO4--- 1 1,21E-11 1,21E-11 9,27E-06 9,27E-06

P 3,06 1,36E-09 4,17E-09 1,19E-09 3,64E-09

NO3- 0,1 4,14E-06 4,14E-07 9,71E-09 9,71E-10

Somma 4,18E-07 9,27E-06

Riscaldamento Globale

Acidificazione

Eutrofizzazione

11 L.C.A.

Effetto serra L’effetto serra è un fenomeno naturale in cui la radiazione solare dopo aver attraversato un primo strato di atmosfera viene riflessa dal suolo, la superficie terrestre riflette con frequenze minori le quali non riescono a riattraversare l’atmosfera e ne’ aumentano la temperatura. Il principale gas serra è l’anidride carbonica anche se altri gas come N2O e CH4 hanno fattori d’equivalenza molto maggiori. Dal grafico si può notare in modo evidente che le emissioni di CO2 nel carbone influiscono in maniera prevalente sull’effetto serra anche se l’effetto del metano non è da considerarsi trascurabile. La differenza tra le emissioni in kg di CO2 equivalente è di circa due ordini di grandezza differenti.

Acidificazione Le emissioni di particolari sostanze in ambiente può causare il rilascio di ioni H+, che abbassando il pH dell’acqua e del suolo, potrebbero creare problemi agli organismi viventi. Le emissioni che contribuiscono in modo maggiore sono le anidridi solforiche (SOx) le quali sono prodotte dalla combustione di combustibili in cui è contenuto zolfo. Questa combinandosi con l’acqua presente in atmosfera forma acido solforico (H2SO4), il quale depositandosi sul suolo o in acqua può danneggiare l’ecosistema biotico del luogo.

L’impatto maggiore come nel caso dell’effetto serra derivano dalla centrale a carbone e in misura maggiore dalla SO2 anche se l’NO prodotta ha un impatto non irrilevante, mentre è possibile trascurare le emissioni di SO3 ed N2O. La differenza di emissioni si aggira attorno al ordine di

0,00E+00

1,20E-01

2,40E-01

3,60E-01

4,80E-01

6,00E-01

7,20E-01

8,40E-01

9,60E-01

1,08E+00

1,20E+00

Effetto serra PV Effetto serra carbone

Kg

CO

2 e

qu

iva

lente

Effettto serraCO2 CH4 N2O CO

12 L.C.A. grandezza.

Eutrofizzazione La crescita di organismi viventi, specialmente alghe, è naturalmente limitata dalla disponibilità di sostanze nutritive come fosfori e sostanze azotate. Il cospicuo rilascio di questi elementi in ambiente, particolarmente in acqua, causa la riduzione di questi inibitori con conseguente proliferazione di alghe, le quali consumando ossigeno sbilanciano l’equilibrio dell’ecosistema. Come per gli altri due effetti considerati anche per quanto riguarda l’eutrofizzazione l’impatto maggiore è da imputarsi alla centrale a carbone in cui i fosfati hanno decisamente l’impatto maggiore sul totale delle emissioni.

0,00E+00

6,00E-04

1,20E-03

1,80E-03

2,40E-03

3,00E-03

3,60E-03

4,20E-03

4,80E-03

5,40E-03

6,00E-03

6,60E-03

Emissioni PV Emissione carbone

Kg

SO

2 e

quiv

ale

nte

Acidificazione

SO2 SO3 NO N2O

13 L.C.A.

Conclusioni

Dai dati elaborati nella relazione è possibile affermare che l’impatto ambientale della centrale a carbone è sicuramente maggiore di quello del fotovoltaico; in quanto sia per l’effetto serra che per l’acidificazione e l’eutrofizzazione delle acque e del suolo gli ordini di grandezza delle emissioni dei due impianti differiscono anche di un fattore pari a due. I consumi di materie prime sono circa uguali per entrambi gli impianti, mentre si evince che i consumi energetici sono superiori per il fotovoltaico, non considerando il carbone che risulta essere più ingente nella centrale a carbone (poiché viene utilizzato nel processo di combustione).

4 - ANALISI DEI COSTI

I costi al kWh calcolati si aggirano tra i 30 e i 50 centesimi per il solare e dagli 8 ai 10 centesimi per il carbone. Sono stati costruiti dei grafici per vedere come varia il costo al kWh al variare del fattore di utilizzazione per entrambi gli impianti. Si nota che oltre un certo valore del fattore di utilizzazione il costo non varia molto. L’influenza del tasso di interesse si fa sentire solo se si hanno fattori di utilizzazione bassi, come si nota dal grafico seguente. Al variare del costo del combustibile, del carbone o dei costi di manutenzione il costo al kWh cambia linearmente. I costi di manutenzione sono quelli che incidono in maniera minore rispetto agli altri, mentre quello del combustibile, nella centrale a carbone, incide in maniera notevole perché se il costo del combustibile aumentasse di 2 centesimi al kWh il costo totale aumenterebbe di 4 centesimi.

14 L.C.A.

15 L.C.A.

0,096

0,100

0,104

0,108

0,112

0,116

0,120

0,124

0,128

0,132

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Co

sto

al kW

h

CARBON COST [USD/t]

ACT_COST VAR CARBON COST [USD/t]

16 L.C.A.

0,115

0,115

0,116

0,116

0,117

0,117

0,118

0,118

0,119

0,119

0,120

0,120

0,121

-0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

Co

sto

al kW

h

Variazione percentuale

ACT_COST VAR INVCOST [USD/kWh]

ACT_COST VAR FIXOM [USD/kWh]

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

0,110

0,120

0,130

0,140

0,150

18,17 20,17 22,17 24,17 26,17 28,17 30,17 32,17 34,17 36,17 38,17

Costo

al kW

h

Costo combustibile [USD/MWh]

ACT_COST VAR FUELCOST [USD/kWh]

17 L.C.A.

0,272

0,280

0,288

0,296

0,304

0,312

0,320

0,328

0,336

0,344

0,352

0,360

0,368

-0,1 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

Co

sto

al kW

h

Variazione percentuale

ACT_COST VAR INVCOST [USD/kWh] ACT_COST [USD/kWh]

Relazione LCA Finale

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