Esercitazione 1 Analisi economica di impianti di potenza

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1 Esercitazione 1 Analisi economica di impianti di potenza In questa esercitazione si andrà ad effettuare un analisi di tipo economico al fine di confrontare le prestazioni economiche delle seguenti tecnologie per la produzione di energia elettrica: Idraulica: Centrale elettrica di pompaggio/turbinaggio PWR: Centrale nucleare con reattore ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor) NGCC: Ciclo combinato alimentato a gas naturale (Natural Gas Combined Cycle) HDGT: Turbina a gas industriale (Heavy Duty) alimentata a gas naturale ADGT: Turbina a gas di derivazione aeronautica (Aero-Derivative) a gas naturale : Ciclo a vapore alimentato a gas naturale (Natural Gas Steam Cycle) CCcog: Ciclo combinato per cogenerazione PCSC: Ciclo a vapore convenzionale a polverino di carbone (Pulverized coal) + FGD (Fuel Gas Desulphurization) IGCC: ciclo combinato integrato con un processo di gassificazione del carbone USC: Ciclo a vapore Ultra Super Critico alimentato a polverino di carbone + FGD Solare: Centrale solare termodinamica (specchi parabolici a olio diatermico + ciclo a vapore) Eolico: Parco eolico on-shore La prima analisi è stata effettuata senza tenere conto di incentivi ed esternalità, considerando che ognuna delle tecnologie elencate funzioni durante l anno per un numero di ore pari alla relativa disponibilità. Con i risultati ottenuti è stato calcolato il costo specifico al kwh per ciascuna tecnologia: Impianto Costo al kwh [ /kwh] Idraulico, PWR, NGCC, HDGT, ADGT, , CC cogenerativo, PCSC+FGD, IGCC,74599 USC+FGD, Solare termodinamico, Eolico on-shore (8m/s), Eolico on-shore (15m/s), Si nota immediatamente che le tecnologie con costo specifico minore sono quelle che utilizzano come sorgente di energia il carbone; l unico impianto alimentato a gas che risulta avere un costo specifico competitivo è l impianto con ciclo combinato cogenerativo. Mentre per quanto riguarda gli impianti alimentati da fonti rinnovabili risulta interessante il parco eolico on-shore in cui viene considerata una velocità nominale del vento di 15 m/s, che però è una condizione difficile da trovare realmente. Per questo motivo da questa prima analisi, gli impianti appena citati risulterebbero essere i più vantaggiosi per la generazione di energia di base.

2 Di seguito riportiamo il grafico che descrive l andamento del costo in /kwh al variare delle ore di funzionamento per ciascuno degli impianti considerati: Idr 1 PWR 9 NGCC 8 HDGT 7 ADGT 6 5 CC cog 4 PCSC+FGD 3 IGCC 2 USC+FGD 1 Solare Eolico Ore equivalenti Eolico 15

3 Da questo grafico si può notare che gli impianti aventi costi di investimento iniziale alto, come ad esempio la centrale nucleare, non sono competitivi per la generazione di anergia di picco, poiché per diminuire il costo specifico è necessario che funzionino per un numero di ore maggiore possibile, così da distribuire gli alti costi iniziali. Per la generazione di energia di picco risultano invece competitive le tecnologie che hanno un costo di investimento iniziale ridotto, come ad esempio gli impianti HDGT e ADGT. È stato detto in precedenza che gli impianti competitivi per la generazione di energia di base sono in particolar modo quelli alimentati a carbone. L unico modo per rendere competitivo con questi un impianto alimentato a gas naturale è ridurre il costo del gas naturale stesso, che va ad incidere sui costi variabili dell impianto. Confrontando quindi un impianto a carbone, in questa caso la tecnologia USC, con un impianto a gas naturale, in particolare la tecnologia, è risultato che il costo del gas naturale deve ridursi da.3 /Sm 3 a.15 /Sm 3, cioè si dovrebbe praticamente dimezzare. È quindi improbabile che un impianto alimentato a gas risulti competitivo per la generazione di energia di base, per questo motivo gli impianti a gas sono utilizzati soprattutto per soddisfare i carichi di picco USC+FGD Lineare () ore equivalenti Grafico che rappresenta il costo in euro/kwnom anno con prezzo del gas naturale pari a.15 euro/smc Prendiamo ora in considerazione la centrale solare termodinamica: dal grafico possiamo notare che il costo di investimento è piuttosto alto, e questo, nonostante i costi variabili siano praticamente nulli, rende tale tecnologia non competitiva con le altre soluzioni. In particolare non può essere competitiva per la produzione di energia di base poiché la risorsa solare non è una risorsa garantita nel tempo, quindi le ore equivalenti di funzionamento durante l anno sono basse e perciò il costo d investimento non viene spalmato su un lungo periodo. Mentre per la produzione di energia di picco, che è la destinazione migliore che può avere, risulta comunque svantaggiata rispetto ad esempio alla tecnologia NGCC, che come abbiamo detto in precedenza è utilizzata proprio per la produzione di energia di picco. Per riuscire a diventare una soluzione attraente il costo d investimento dovrebbe essere minore, in particolare, per avere lo stesso costo specifico annuo della tecnologia NGCC il prezzo dello specchio parabolico dovrebbe diminuire da 4 euro/mq a circa 15 euro/mq. Risulta chiaro quindi che la tecnologia del solare termodinamico diventa appetibile solo grazie agli incentivi che permettono di avere costi d investimento minori, altrimenti non verrebbe mai presa in considerazione come possibile alternativa.

4 Avendo parlato di incentivi per gli impianti che utilizzano fonti di energia rinnovabili, riproponiamo ora lo stesso grafico visto inizialmente che descrive l andamento del costo in /kwh al variare delle ore di funzionamento per ciascuno degli impianti considerati, considerando però anche gli incentivi per le rinnovabili: Idr Eolico 9 8 Ore equivalenti Eolico 15 PWR NGCC HDGT ADGT CC cog PCSC+ FGD IGCC USC+F GD Solare Quello che si nota è che mentre senza incentivi gli impianti con energie rinnovabili risultavano non competitivi se paragonati a tutti gli altri impianti a causa dell alto costo di investimento, vediamo che considerando gli incentivi, come accennato prima, la centrale solare termodinamica diventa una valida alternativa per la produzione di energia di picco. Se osserviamo l eolico con velocità del vento di 15 m/s notiamo che il costo specifico al kwh diventa addirittura negativo, cioè grazie ai soli incentivi si pareggia la spesa iniziale di investimento e la si supera. Purtroppo però come già abbiamo detto è raro trovare zone con velocità del vento di 15 m/s. Se invece andiamo a considerare l impianto eolico con velocità del vento di 8 m/s vediamo che nonostante gli incentivi il costo specifico al kwh risulta ancora troppo alto per poter competere con le altre tecnologie. Consideriamo infine i costi per le varie tecnologie dovuti alle esternalità, ovvero dovuti alle emissioni dannose, in particolare NOx, SOx, Particolato, CO2 e combustibile nucleare. Tenendo conto di tali costi si ottiene l andamento riportato nel seguente grafico, che come in precedenza rappresenta l andamento del costo in /kwh al variare delle ore di funzionamento per ciascuno degli impianti considerati:

5 Idr 12 PWR 1 NGCC HDGT 8 ADGT 6 CC cog 4 PCSC+FGD 2 IGCC USC+FGD Solare 9-2 Ore equivalenti Eolico 8 Eolico 15

6 Il più importante risultato che si ottiene considerando i costi delle esternalità è che gli impianti che utilizzano carbone come combustibile sono quelli che vengono penalizzati maggiormente con un aumento del costo specifico del kwh. Dai risultati si nota che considerando questi costi iniziano a diventare una soluzione interessante per la generazione di energia di base gli impianti a ciclo combinato, in particolare l impianto NGCC. Infine spendiamo una parola per la centrale nucleare e la centrale idroelettrica: la centrale nucleare presenta altissimo costo di investimento, ma grazie alle elevate ore equivalenti e ai costi variabili bassissimi, si riesce a spalmare tale costo nel tempo, facendo sì che essa risulti una valida alternativa per la produzione di energia di base. Per quanto riguarda la centrale idroelettrica anch essa presenta un costo specifico del kwh piuttosto competitivo, il problema è che è una tecnologia che si è sviluppata già da molto tempo, e ad oggi i siti disponibili per nuove centrali sono rari, infatti l attenzione per oggi e per il futuro di è spostata sulla tecnologia del mini-idroelettrico.