LCA applicata alle tecnologie alimentate da fonti rinnovabili di energia

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1 LCA applicata alle tecnologie alimentate da fonti rinnovabili di energia Prof. Maurizio Cellura Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali (DREAM)

2 L UE ha evidenziato: La sicurezza dell'approvvigionamento richiede varie iniziative politiche che consentano di diversificare le fonti e le tecnologie, senza ignorare il contesto geopolitico e le sue implicazioni E necessario un sostegno alla ricerca e allo sviluppo, orientato all innovazione e al cambiamento, sfruttando il potenziale di tutte le tecnologie energetiche Le tecnologie sull energia rinnovabile, come molte altre tecnologie innovative, risentono di un iniziale mancanza di fiducia da parte degli investitori, dei governi e degli utilizzatori, dovuta a scarsa dimestichezza con il loro potenziale tecnico ed economico e ad una resistenza generale al cambiamento e a nuove idee

3 Tecnologie per lo sfruttamento delle RES Le tecnologie per lo sfruttamento delle RES (Renewable Energy Sources) generano impatti seppur considerate pulite L approccio del life cycle thinking è prioritario per valutare le prestazioni globali di tali tecnologie, per valutarne gli impatti ambientali, confrontarne le prestazioni con tecnologie tradizionali surrogabili e definire delle possibili strategie e soluzioni innovative per il loro miglioramento nell ottica di ciclo di vita

4 Tecnologie per lo sfruttamento delle RES Le ricerche nel settore hanno lo scopo di: Promuovere le tecnologie più efficienti ed ecocompatibili, ed incentivare la ricerca sulle tecnologie con i maggiori margini di miglioramento Comunicare al pubblico informazioni attendibili e scientificamente fondate, cercando anche di superare l iniziale mancanza di fiducia da parte degli utilizzatori, dovuta alla scarsa dimestichezza con il loro potenziale tecnico ed economico E inoltre auspicabile che la raccolta ed elaborazione e comunicazione delle informazioni sia organizzata secondo format standardizzati (ad es. sulla base di un format EPD).

5 Esigenze in termini di ricerca: Alla luce della Direttiva 2005/32/CE sull ecodesign dei prodotti che consumano energia, le tecnologie per lo sfruttamento delle RES sono da classificarsi come EuP. In tal senso occorrerà elaborare apposite misure di esecuzione che fissino criteri minimi ambientali. studi scientifici in tal senso dati affidabili e rappresentativi Necessità di: modelli condivisi di supporto alla decisione indicatori condivisi Individuare criticità (hot spot) Necessità di un numero sempre crescente di approfonditi studi di LCA sulle tecnologie per le RES

6 GdL ENERGIE E TECNOLOGIE SOSTENIBILI L obiettivo GdL Energie e Tecnologie Sostenibili della Rete Italiana LCA è lo studio delle prestazioni dei sistemi per la generazione, trasformazione ed utilizzo dell energia con lo scopo di promuovere l eco-efficienza a tutti i livelli

7 GdL ENERGIE E TECNOLOGIE SOSTENIBILI Obiettivi specifici sono: Analisi dei delle sistemi principali per la categorie generazione di EuP dell elettricità: con lo scopo di Raccogliere, Aggiornare confrontare e ampliare e il lavoro valutare di ricerca le informazioni già avviato inerenti dall UE agli per impatti lo studio specifici delle per categorie la produzione di dell energia prodotti EuP elettrica significative secondo per le il mercato differenti europeo tecnologie basate sullo sfruttamento di fonti energetiche fossili e rinnovabili; Elaborare possibili soluzioni progettuali che migliorino Raccogliere l eco-efficienza dati di delle campo tecnologie relativi investigate al contesto italiano di produzione dell elettricità e definire un ecoprofilo medio del mix Promuovere energetico soluzioni nazionale innovative per gli EuP caratterizzati da elevate prestazioni energetiche ed ambientali

8 Indicatori di payback Una delle priorità nel processo di valutazione delle tecnologie per le RES è la definizione di indicatori energetico-ambientali opportuni e condivisi. Gli indicatori di payback possono rappresnetare un interessante esempio Prendendo a prestito dei concetti tipici degli studi economici, tali indici permettono di valutare in quanto tempo gli investimenti iniziali per gli impianti innovativi (in termini di Embodied Energy ed emissioni) sono recuperati grazie ai ridotti impatti in fase d uso

9 Indicatori di payback Caratteristica, ma anche principale limite per gli indici, è la necessità di definire un sistema convenzionale di riferimento rispetto a cui valutare i benefici ottenuti Benefici netti B net, i = I Convention ale, i I Innovativo, i B net, i = Beneficio primario netto per l indicatore i ; I Conventionale,i = impatto i di ciclo di vita riferito all uso di un impianto convenzionale; I Innovativo,i = impatto i di ciclo di vita, riferito all uso dell impianto innovativo

10 Indicatori di payback L Energy Payback Time (EPT) rappresenta il tempo di utilizzo di un impianto innovativo affinché l energia risparmiata uguagli l energia spesa per la produzione, manutenzione e smaltimento dell impianto stesso rispetto a quella spesa per un impianto convenzionale PT E = GER inn GER ref ( PEref PEinn ) anno GER Inn = Energia primaria consumata per la produzione, installazione/manutenzione e smaltimento dell impianto innovativo [MJ]; GER ref = Energia primaria consumata per la produzione, manutenzione e smaltimento del sistema convenzionale di riferimento [MJ]; PE ref,anno = Consumo annuale di energia primaria del sistema di riferimento [MJ/anno]. PE inn,anno = Consumo annuale di energia primaria del sistema innovativo [MJ/anno].

11 Indicatori di payback L Emission Payback Time (E MPT ) rappresenta il tempo necessario di utilizzo di un impianto innovativo, affinché gli impatti ambientali evitati eguaglino gli impatti connessi alla produzione, manutenzione e smaltimento dell impianto innovativo stesso PT EM, i = GEM inn, i GEM ref, i ( EM ref, i EM inn, i ) year GEM inn,i = Emissioni complessive del generico inquinante i relative alla produzione, installazione, manutenzione e smaltimento del sistema innovativo [kg i ]; GEM ref,i = Emissioni complessive del generico inquinante i relative alla produzione, installazione, manutenzione e smaltimento del sistema convenzionale [kg i ]; EM inn-i = Emissioni annue del generico inquinante i relative all uso del sistema innovativo [kg i /anno]; EM ref-i = Emissioni annue del generico inquinante i relative all uso del sistema convenzionale [kg i /year].

12 Indicatori di payback Energy Return Ratio (ER): rappresenta quante volte l energia risparmiata grazie all uso dell impianto innovativo supera l energia investita per la realizzazione e gestione dello stesso E R = E ref E GER inn inn E ref = Energia complessiva spesa durante tutto il ciclo di vita dell impianto di riferimento (produzione, installazione, manutenzione, uso e smaltimento) [MJ]. E inn = Energia complessiva spesa durante tutto il ciclo di vita dell impianto di innovativo (produzione, installazione, manutenzione, uso e smaltimento) [MJ] GER Inn = Energia primaria consumata per la produzione, installazione/manutenzione e smaltimento dell impianto innovativo [MJ];

13 Collettore solare termico Task 27 IEA Global Energy Consumption 5 4 Feedstock Fuel energy [GJPrim] Transport of raw mat. Collector Boiler Support Other parts Packaging Installation Mainten. Disposal Feedstock Fuel energy Massa complessiva a secco: circa 180 kg Consumo complessivo di energia primaria: 11.5 GJ Emissioni di gas serra: 721 kg CO2 eq. Payback energetico ed ambientale: tra uno e tre anni (insolazione dell Italia meridionale; sistema convenzionale di riferimento: caldaia a gas) Payback time [anni] Collettore solare piano a circolazione passiva, con serbatoio integrato e supporto regolabile Energy payback time Energia utile [GJPrim] 10 11

14 Solar cooling Task 38 IEA [MJPrim] Conventional Innovative Net Benefits Summer Winter Studio (in corso) sulle prestazioni di un Impianto di Desiccant and Evaporative Cooling plant (DEC), assistito da collettori solari termici Confronto dei benefici netti dell impianto in confronto con un impianto tradizionale.

15 Wind farm Consumo energetico globale ,8% 40 [TJ] Produzione 6,7 % Uso & Manutenzione 1,5 % Fine vita Totale Wind farm in Sicilia. 11 generatori da 650 kw su di una superficie di circa 4,5 km 2 Producibilitò media misurata: circa MWh/anno Consumo complessivo di energia primaria: 53.4 GJ Emissioni di gas serra: kg CO2 eq. Payback energetico ed ambientale: inferiori ad un anno (ventosità della Sicilia; sistema convenzionale di riferimento: mix energetico medio italiano) Payback time [anni] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 95 Energy payback time Energia utile [TJ Prim ]

16 Pannello fotovoltaico Fonte: Fthenakis 2007 Nella letteratura scientifica sono presenti numerosi studi inerenti le prestazioni di ciclo di vita dei collettori fotovoltaici, riferiti a casi studio negli USA e nell Europa centro-settentrionale PV Europei. insolazione 1700 kwh/m2/anno Si Europeo Moduli USA. insolazione 1800 kwh/m2/anno Si Europeo Moduli USA. insolazione 2280 kwh/m2/anno Si Europeo Moduli USA. insolazione 2060 kwh/m2/anno Per varie tipologie di collettori (mono e poli cristallini, ed a film sottile), sono stati valutati degli impatti molto variabili, in funzione anche delle differenti condizioni Taluni studi climatiche. testimoniano il miglioramento delle prestazioni dei collettori PV negli ultimi anni, specie dei collettori a film sottile (in CdTe), con impatti Inoltre alcune stime prevedono che la ricerca riuscirà nei prossimi 5 anni a molto ridotti (anche minori a 20 g CO2 eq /kwh) dimezzare l impiego di Si nei collettori, e ad aumentare di un ulteriore 3% l efficienza dei collettori in CdTe. Occorrono dunque nuovi studi di LCA per tali tecnologie

17 Centrale idroelettica Gli impianti idroelettrici rappresentano a livello mondiale la tecnologia per lo sfruttamento delle RES maggiormente consolidata e matura. Da un indagine dei dati in letteratura risulta che gli impianti idroelettrici sono caratterizzati da emissioni per kwh che variano da pochi grammi a 20 g CO2eq /kwh, e con payback dell ordine di qualche anno e valori dell indice di Return Ratio compresi tra 50 e 250 I potenziali per lo sfruttamento dell idroelettrico sono in gran parte stati sfruttati. Restano invece aperti degli interessanti margini per gli studi sul mini-idro, per i quali non vi sono molti studi disponibili

18 Fissione nucleare e rinnovabili In parallelo allo studio della LCA degli impianti per lo sfruttamento delle RES è interessante anche affiancare studi relativi alle prestazioni di ciclo di vita di centrali a fissione nucleare, alla luce anche del dibattito politico in ambito nazionale ed internazionale L UE ha constatato che le preoccupazioni per il riscaldamento climatico hanno modificato le percezioni dei vincoli di approvvigionamento energetico e che la questione è particolarmente acuta per il nucleare che come fonte di produzione elettrica consente, insieme alle energie rinnovabili e all'efficienza energetica, di evitare le emissioni dei gas ad effetto serra derivanti dal consumo di combustibili fossili Commissione Europea. Verso una strategia europea di sicurezza dell approvvigionamento energetico (2000)

19 Fissione nucleare e rinnovabili In Italia è in corso il dibattito sull opportunità o meno di far ricorso a questa tecnologia nel medio periodo. Spesso sono diffuse delle asserzioni inerenti al basso impatto ed all elevata convenienza della tecnologia della fissione rispetto anche agli impianti per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia. Rischi? Accettazione da parte delle popolazioni? Scorie nucleari? Nucleare di quarta generazione? Laddove è massiccio il ricorso al nucleare lo sviluppo e la diffusione degli impianti per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili sono stati minori

20 Ciclo di vita centrali nucleari E stata riscontrata una grande variabilità dei risultati da associare a diverse ipotesi, quali: - Tipologia di processo di arricchimento (il metodo a diffusione è molto più energivoro del sistema a concentrazione) - Concentrazione dell uranio nei minerali -Tipologia di centrali: PWR - Pressurized Water Reactor, BWR - Boiling Water Reactor (quest ultima con impatti specifici minori) - Vita utile e produttività degli impianti - Modalità di gestione dei rifiuti

21 LCA centrali nucleari: variabilità dei risultati Emissioni di gas-serra da pochi grammi a quasi 100 g

22 Prestazioni di ciclo di vita rinnovabili [ g CO2eq. / kwh] Idro eolico PV carbone olio comb. gas Nucleare Idro: caratterizzato da impatti molto Eolico: bassi. caratterizzato Elevata flessibilità da impatti ed affidabilità. PV: bassi. impatti Poca Importanza specifici flessibilità elevati anche e per lo producibilità stoccaggio rispetto ad non delle altre costante risorse rinnovabili. idriche (legata Elevatissima Impianti ed ai il fenomeni contenimento a variabilità fonti meteo-climatici) fossili: delle dei impatti piene. risultati Nucleare: elevati, con impatti variabilità molto ridotta. variabili secondo Tecnologie le tecnologie, affidabili minerali ma impiegati, mediamente e gestione flessibili. dei rifiuti. Il nucleare inoltre ha una bassa flessibilità e necessita di accoppiamento ad altri sistemi di produzione Fonti varie nella letteratura scientifica

23 Mix elettrico nazionale Il mix elettrico nazionale è un elemento fondamentale per gli studi di LCA, tenuto conto che l energia elettrica è impiegata in quasi tutti i processi produttivi Occorre dunque far riferimento a dati che siano affidabili, aggiornati e rappresentativi. Molti dati, spesso contrastanti, sono disponibili dai vari database per la LCA. E opportuno focalizzare l attenzione della ricerca sull ecoprofilo del mix elettrico nazionale, anche valutando le modifiche indotte da cambiamenti nella strategie di pianificazione energetica.

24 Mix di produzione elettrico Italia Media Europea Fonte: ENEA 2005 Fonte: ENEA 2005 Il mix di produzione italiano, rispetto a quello europeo, è caratterizzato da: - Maggior ricorso ai combustibili gassosi e liquidi, minore uso di carbone, produzione da rinnovabili nella media ed assenza del nucleare

25 Mix elettrico complessivo Bilancio Elettrico Italiano: 2005 Fonte GRTN Per valutare il mix elettrico complessivo nazionale bisogna tener conto anche del saldo delle importazioni da altri Paesi

26 Mix elettrico complessivo IMPORTAZIONI DI ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA L energia importata è largamente prodotta da impianti nucleari. In termini di life cycle thinking l Italia è da considerare Fonte: un paese che ENEA 2005 impiega energia elettrica da centrali nucleari.

27 [ g CO2eq. / kwh] Ecoefficienza di mix elettrici nazionali mix di produzione 556 Produzione + Import L Italia ha un mix energetico di produzione con elevate emissioni di CO 2eq. dovuti al largo impiego di combustibili fossili. Francia Il mix migliora e Svizzera se si tiene sono conto invece delle caratterizzati importazioni dall estero da impatti molto minori grazie al largo ricorso al nucleare Germania, e USA fonti e GB, rinnovabili sebbene (idroelettrico Esemplare facciano ricorso in particolare). il caso della al nucleare e Norvegia, in cui la maggior rinnovabili, fanno largo uso di parte del mix è costituito da fonti fossili (tra cui il carbone) rinnovabili (idroelettrico) con con conseguenti impatti conseguenti impatti molto elevati. bassi. 29 Fonte: Database LCA Ecoinvent

28 Attività del GdL Energie e Tecnologie sostenibili Il GdL si prefigge di effettuare la raccolta delle informazioni disponibili, sui sistemi tradizionali ed innovativi di generazione dell energia elettrica relativi al contesto nazionale ed internazionale. Tale raccolta sarò propedeutica alla definizione dell eco-profilo aggiornato di un kwh di energia elettrica prodotta mediamente nell ambito nazionale italiano Si procederà all analisi delle peculiarità, dei vantaggi e delle problematiche di natura energetica ed ambientale connesse agli impianti per la generazione dell energia elettrica basati sullo sfruttamento delle RES. Tale ricerca avrà lo scopo di definire e valutare dei possibili futuri scenari energetici alternativi per il contesto italiano.

29 Attività del GdL Energie e Tecnologie sostenibili In merito alla ricerca sugli EuP, il GdL potrà contribuire con la definizione di una bozza di misura di esecuzione in ottemperanza alla Direttiva 2005/32/CE. Essa dovrà basarsi sugli studi già svolti nell ambito europeo, aggiornati sulla base di risultati relativi al contesto produttivo italiano, focalizzando l attenzione sulle categorie di prodotti EuP significative per il mercato nazionale. In particolare la RETE ITALIANA LCA potrà svolgere il ruolo di organismo tecnico competente per il supporto delle attività che e decisori politici dovranno svolgere nell ambito del quadro normativo introdotto dalla Direttiva EuP

30 GRAZIE PER L ATTENZIONE Prof.Ing.Maurizio Cellura Università di Palermo Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali (DREAM) Viale delle Scienze, mcellura@dream.unipa.it Tel.: Website: