Absolute Automation. Il ruolo dell industria per la competitività nell energia energia e nell ambiente

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1 Bologna, 2 ottobre 2007 Absolute Automation Il ruolo dell industria per la competitività nell energia energia e nell ambiente E. Macchi Dipartimento di Energetica, Politecnico di Milano

2 Agenda 1 Il sistema energetico mondiale: stato attuale e scenari futuri 2 Il sistema energetico in Italia: le 7 anomalie 3 Quale futuro per la generazione distribuita: le rinnovabili 4 Il ruolo dell industria nella generazione distribuita 5 Sviluppo della microgenerazione: un sogno? 6 Picture of the Future: lo sviluppo integrato del sistema energetico

3 L evoluzione dell offerta mondiale di energia primaria La fornitura mondiale di energia da fonti primarie è quasi raddoppiata, passando dai 6 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio del 1973 agli oltre 11 miliardi del Nell ultimo trentennio non è cambiata la ripartizione relativa del peso delle diverse fonti energetiche. Si è però assistito alla riduzione della quota di petrolio (-23%) e all incremento del gas naturale (+29%) e dell energia nucleare. Ripartizione dell offerta globale di energia primaria * per tipologia di fonte (milioni di tonnellate equivalenti di petrolio), 1973 e 2004 Rinnovabili e rifiuti 11,2% Gas naturale 16,2% Carbone 24,8% Nucleare 0,9% Idroelettrico 1,8% Altro ** 0,1% Totale: Mtep Gas naturale 20,9% Petrolio 45,0% Nucleare 6,5% Rinnovabili e rifiuti 10,6% Carbone 25,1% * Sono esclusi dal calcolo gli stivaggi marittimi internazionali e gli scambi di elettricità. ** La categoria Altro include energia geotermica, solare, eolica, calore, etc. Fonte: IEA International Energy Agency, Key World Energy Statistics, 2006 Idroelettrico 2,2% Altro ** 0,4% Totale: Mtep Petrolio 34,3% 3

4 L offerta mondiale di energia primaria: Benchmarking Internazionale Tra i Paesi esaminati, si osserva come il petrolio rappresenti la principale fonte per la produzione di energia per Giappone (47%), Italia (46%), Stati Uniti (41%) e Germania (36%). In altre nazioni il primato spetta al gas naturale (Russia e Regno Unito), al carbone (Cina) o all energia nucleare (Francia). Cina Russia Giappone Regno Unito USA Danimarca Francia Germania Italia % 19,6% 20,4% Ripartizione percentuale della fornitura totale di energia primaria (TPES) *, ,9% 40,8% 32,8% 41,3% 36,0% 2,7% 47,8% 46,2% 14,3% 53,9% 22,6% 61,4% 13,2% 37,5% 22,1% 22,8% 5,0% 36,6% 21,8% 23,5% 21,5% 24,6% 16,2% 16,1% 41,6% 9,2% 13,8% 12,5% Fonte: IEA International Energy Agency, giugno 2007 * Le quote di TPES escludono gli scambi di elettricità. È inoltre esclusa l offerta di energia primaria inferiore allo 0,1% del totale. 5,9% 8,9% 9,1% 4 0,8% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Petrolio Gas naturale Carbone Rinnovabili e rifiuti Geotermico/solare/eolico Idroelettrico Nucleare

5 L evoluzione dell offerta mondiale di risorse naturali 5

6 L evoluzione dell offerta mondiale di energia elettrica Il 66% dell elettricità mondiale deriva da produzione termica (carbone, petrolio e gas naturale). Se nell ultimo trentennio il carbone è rimasto la principale fonte per la generazione di elettricità, al contrario si è assistito alla contrazione del peso del petrolio (passato dal 25% del 1973 al 7% del 2004) e all incremento del gas naturale (passato dal 12% al 20%). La quota dell elettronucleare ha raggiunto il 16% del totale mondiale. Generazione mondiale di energia elettrica per tipologia di fonte (TWh e valori percentuali), 1973 e 2004 Gas naturale 12,1% Idroelettrico 21,0% Petrolio 24,7% Nucleare 3,3% Altro ** 0,7% Carbone 38,3% Totale: TWh (per il 75,1% da termoelettrico) Gas naturale 19,6% Nucleare 15,7% Idroelettrico 16,1% Fonte: IEA International Energy Agency, Key World Energy Statistics, 2006 ** La categoria Altro include energia geotermica, solare, eolica, biomasse e rifiuti. Altro ** 2,1% Petrolio 6,7% Totale: TWh (per il 66,1% da termoelettrico) Carbone 39,8% 6

7 L Italia nel confronto internazionale: produzione dell energia per tecnologia La situazione a livello mondiale appare piuttosto variegata. L Italia, al pari di molti altri Paesi, fa largo uso di centrali termoelettriche, discostandosi però notevolmente dalla media EU-15 (caratterizzata anche da un elevato utilizzo del nucleare, assente invece in Italia). L impiego di centrali idroelettriche è superiore alla media europea, mentre la voce altro, che include le fonti rinnovabili, risulta in linea con la media dell UE a 15 Paesi, grazie soprattutto all energia geotermica Paese (primi 15 Paesi per produzione di energia elettrica) Produzione elettrica lorda (TWh) Ripartizione per tipologie termica nucleare idroelettrica altro Stati Uniti 4.222,4 73,2% 19,1% 7,0% 0,7% Cina 2.450,7 82,7% 2,1% 15,2% 0,0% Giappone 1.067,7 63,4% 27,9% 8,3% 0,4% Russia 952,0 66,2% 16,8% 16,9% 0,1% India 691,6 82,5% 2,6% 14,4% 0,5% Germania 609,1 64,1% 26,8% 4,6% 4,5% Francia 574,9 11,4% 78,5% 9,9% 0,2% Brasile 405,2 13,6% 2,3% 84,0% 0,1% Corea 404,4 59,3% 36,3% 4,4% 0,0% Regno Unito 399,3 77,0% 20,4% 1,8% 0,8% Italia 303,7 83,3% 0,0% 14,1% 2,6% Spagna 291,9 65,4% 19,7% 7,9% 7,0% Messico 270,2 83,0% 4,0% 10,3% 2,7% Sud Africa 244,9 93,5% 5,0% 1,5% 0,0% Australia 242,6 92,8% 0,0% 6,7% 0,5% EU ,8 54,8% 31,8% 10,7% 2,7% Mondo ,9 68,4% 15,4% 15,3% 0,9% Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Enerdata,

8 Le emissioni mondiali di CO 2 L introduzione di centrali elettronucleari. In parallelo si assiste ad una crescita delle fonti rinnovabili: biomasse e RSU, eolico, solare e geotermico. Innovazioni tecnologiche: i progressi nelle nuove tecnologie consentiranno di ridurre drasticamente le emissioni grazie alla diffusione di impianti con strumenti per la cattura delle emissioni di CO 2. 8

10 La prima anomalia 1 (mix delle fonti) Una prima anomalia dell Italia è rappresentata dall essere uno dei pochissimi Paesi che non produce la maggioranza dell energia elettrica di cui ha bisogno utilizzando le due tipologie di centrali che consentono, grazie ai costi limitati del combustibile, di avere bassi costi operativi: le centrali a carbone e le centrali elettronucleari. 10

11 La prima anomalia Confronto internazionale carbone + nucleare In quasi tutti i Paesi analizzati, si ottiene una quota consistente della produzione elettrica attraverso centrali a carbone e/o elettronucleari, le due tecnologie che comportano minori costi diretti variabili. Dal Sudafrica alla Spagna questa quota copre almeno il 50% del totale L Italia, anche scontando la scelta di aver escluso il nucleare, presenta una quota di energia elettrica prodotta mediante l utilizzo del carbone piuttosto bassa rispetto la maggioranza degli altri Paesi. Energia elettrica lorda prodotta dalla somma delle centrali a carbone ed elettronucleari in percentuale della produzione totale, % 80% 60% 40% 20% 0% 5% 92% 78% 5% 2% 3% 27% 19% 36% 20% 78% 79% 26% 23% 69% 50% 50% 16% 39% 34% 27% 29% 4% 17% 17% 3% 11% 3% Sud Africa Francia Cina Australia Germania Corea India Stati Uniti Regno Unito Giappone Spagna Russia Italia Messico Brasile Carbone Nucleare Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati IEA,

12 La prima anomalia Confronto dei costi diretti variabili per tecnologia di generazione Il costo diretto variabile per la generazione di energia elettrica è dato dalla somma dei costi operativi e di manutenzione dell impianto (personale, assicurazioni, reagenti chimici utilizzati, lubrificanti, ricambi, ecc.) e il costo dell acquisto del combustibile. Le centrali elettronucleari e quelle a carbone hanno costi diretti variabili di gran lunga inferiori agli impianti a gas (sia i cicli combinati gas/vapore che, in misura ancora maggiore, cicli semplici) Costi diretti variabili per la produzione di energia elettrica per diverse tecnologie di generazione (Euro per MWh) 79,27 74,19 53,79 17,75 6,06 5,08 2,78 5,41 8,47 Cicli a vapore olio/gas 56,57 Cicli Combinati a gas Operation & Maintenance 23,16 Centrali a carbone Combustibile 14,53 Centrali elettronucleari Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Politecnico di Milano, 2007 Per cicli a vapore olio/gas si intendono le centrali convenzionali alimentate a olio o gas dotate di turbine a vapore. I Cicli Combinati alimentati a gas sono centrali dotate di turbine a gas (che producono energia elettrica dalla combustione del gas) e di turbine a vapore (che producono energia elettrica attraverso il vapore prodotto con i gas di scarico della turbina a gas). A partire da un certo quantitativo di gas si produce quindi energia elettrica con due sistemi: il ciclo gas e il ciclo vapore, ottimizzando l utilizzo del combustibile. 12

13 La seconda anomalia 2 (mix delle fonti) Una seconda anomalia dell Italia, che deriva direttamente dalla precedente, riguarda la forte dipendenza della produzione elettrica da idrocarburi liquidi o gassosi, il cui costo è strettamente legato all andamento, fortemente volatile, del mercato petrolifero. 13

14 La seconda anomalia Confronto internazionale derivati petrolio + gas naturale I principali Paesi europei produttori di energia fanno un utilizzo di idrocarburi (liquidi e gassosi) per produrre energia elettrica inferiore al 40% del totale (Regno Unito e Spagna), poco superiore al 10% (Germania) o addirittura intorno al 5% (Francia, Polonia). La media dei 27 Paesi dell UE si attesta a 24%. L Italia appare invece fortemente dipendente dagli idrocarburi (oltre il 60%). Rispetto alla media, appare piuttosto elevato soprattutto il peso percentuale dei derivati del petrolio (4 volte tanto), rispetto al gas (2,5 volte tanto) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Energia elettrica lorda prodotta da derivati del petrolio e da gas naturale in percentuale della produzione totale, % 38% 27% 20% 1% 4% 16% 11% 2% 2% 8% 1% 4% Italia 1% 2% Regno Unito Spagna EU-27 Germania Francia Polonia Svezia Derivati Petrolio Gas Naturale Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat,

15 La seconda anomalia Evoluzione della ripartizione di combustibile fossili per la produzione elettrica In Italia la ripartizione tra i combustibili fossili destinati alla produzione di energia elettrica ha subito una significativa evoluzione negli ultimi 10 anni: la quota di carbone è aumentata, ma in modo lieve, mentre è avvenuta l inversione tra prodotti petroliferi e gas naturale come combustibile impiegato per produrre la metà dell energia totale. Quota percentuale di energia elettrica prodotta da combustibili fossili in Italia sul totale, 1995 e % 50% 40% 30% 20% 10% 0% 50,0% 49,2% 19,2% 14,4% 11,8% 10,0% Solidi (carbone e lignite) Prodotti petroliferi Gas Naturale Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Terna, Dati Statistici Anno

16 La terza anomalia 3 (mix delle fonti/approvvigionamento) Una terza anomalia dell Italia risiede nel fatto di essere l unico Paese al mondo in cui la metà della produzione elettrica viene effettuata con un combustibile (gas naturale), il cui approvvigionamento avviene in massima parte da pochissimi Paesi esteri, via gasdotto 16

17 La terza anomalia Evoluzione della dipendenza dal gas importato Europa: Evoluzione della quantità di gas importata Mld m³/a Italia: Andamento dei consumi e importazione gas Domanda Produzione Italia: Tipologia di infrastrutture di tarsporto Gasdotto 96,9% Nave 3,1% Fonte: International Energy Agency,

18 La quarta anomalia 4 (prezzo dell energia) I costi dell energia elettrica rappresentano una quarta anomalia del sistema elettrico italiano, essendo i più elevati tra i Paesi dell UE e superandone la media del 25% nel caso dell energia per uso industriale e del 41% nel caso di quella per uso domestico. Anche se i costi dell elettricità dipendono da diversi fattori, il mix di fonti energetiche utilizzato è senza dubbio uno dei più rilevanti che concorrono a determinare questa anomalia 18

19 10,3 10,5 7,8 7,9 8,1 8,1 8,2 7,5 5,3 5,4 5,4 5,4 5,5 4,4 4,7 6,3 6,4 7,0 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,3 9,5 9,5 9,6 11,3 19 Lettonia Bulgaria Estonia Francia Polonia Finlandia Lituania Svezia Danimarca Grecia Slovenia Rep. Ceca Austria Spagna Ungheria UE-27 Romania Portogallo Belgio Malta Paesi Bassi Slovacchia Germania Regno Unito Lussemburgo Italia Cipro Irlanda La quarta anomalia Prezzo dell energia elettrica per uso industriale 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

20 La quinta anomalia 5 (approvvigionamento) Una quinta anomalia dell Italia che emerge dal confronto internazionale può essere identificata nell essere il primo Paese al mondo importatore di energia elettrica, sia in termini relativi che in termini assoluti. 20

21 La quinta anomalia Approvvigionamento dell energia Ogni Paese tra quelli rappresentati tende a bilanciare la richiesta elettrica interna con la propria produzione. Le due più rilevanti eccezioni a questa regola sono rappresentate dalla Francia, che esporta circa il 13% della sua produzione, e l Italia, che, al contrario, importa quasi il 15% dell energia richiesta L Italia, che consuma il 2% dell energia elettrica consumata nel mondo, è il primo importatore mondiale. Paese (primi 15 Paesi per produzione di energia elettrica) Richiesta elettrica lorda (TWh) Saldo importazioniesportazioni (TWh) Incidenza saldo imp-esp sulla domanda (%) Stati Uniti 4.045,3-23,8-0,6% Cina 2.241,5 9,0 0,4% Giappone 1.029,4 0,0 0,0% Russia 863,2-17,7-2,1% India 644,1 1,6 0,2% Germania 568,7-5,0-0,9% Francia 487,8-63,0-12,9% Brasile 428,2 36,5 8,5% Corea 393,7 0,0 0,0% Regno Unito 389,4 8,3 2,1% Italia 330,4 49,2 14,9% Spagna 278,9-1,4-0,5% Messico 205,3-1,3-0,6% Sud Africa 228,6-3,7-1,6% Australia 202,4 0,0 0,0% EU ,7-12,8-0,5% Mondo ,9 0,0 0,0% Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Enerdata,

22 La sesta anomalia 6 (impiego degli impianti di generazione) L Italia presenta una distribuzione dell utilizzo degli impianti di generazione (in particolare Cicli Combinati a gas) anomala (anche rispetto ad altri Paesi) ed economicamente non efficiente (considerando i costi totali di generazione). 22

23 La sesta anomalia Modalità di utilizzo degli impianti di generazione Distribuzione della richiesta sulla rete elettrica e ripartizione del carico fra le varie tipologie di centrali, 2005 Ogni valore della scala delle ascisse rappresenta il numero di ore dell anno in cui la potenza richiesta è stata uguale o superiore al corrispondente valore riportato sulla scala delle ordinate. Nel grafico sono riportati i contributi delle varie tecnologie alla generazione della potenza richiesta e le rispettive ore di funzionamento. Potenza attiva, GW turbine a gas di punta pompaggio vapore a olio/gas cicli combinati idroelettrico importazioni vapore a carbone cogenerativi a gas naturale (esclusi cicli combinati) combustibili di risulta anno 2005 rinnovabili Ore Fonte: ENEL - Politecnico di Milano - Prof. Paolo Chiesa e Prof. Ennio Macchi, Scenari evolutivi del parco di generazione italiano nel prossimo ventennio, marzo

24 La sesta anomalia Costi di utilizzo degli impianti di generazione per differenti modalità di utilizzo Considerando i costi totali (che includono oltre ai costi del combustibile e di O&M anche la quota di ammortamento del capitale investito e i costi esterni relativi alle emissioni) della generazione di energia elettrica attraverso tecnologie alternative, si osserva che al variare della modalità di utilizzo degli impianti (numero di ore annue di funzionamento), varia la competitività di costo dei diversi impianti. 120 GENERAZIONE DI BASE MEDIO CARICO SERVIZIO DI PUNTA Massimo numero di ore equivalenti ore equivalenti ore equivalenti 100 Carbon tax Combustibile 140 Carbon tax Combustibile 600 Carbon tax Combustibile Costo dell'elettricità, /MWh O&M Investimento Costo dell'elettricità, /MWh O&M Investimento Costo dell'elettricità, /MWh O&M Investimento Turbina a gas Ciclo combinato Centrale USC Centrale IGCC Centrale nucleare Turbina eolica 0 Turbina a gas Ciclo combinato Centrale USC Centrale IGCC Centrale nucleare 0 Turbina a gas Ciclo combinato Centrale USC Centrale IGCC Centrale nucleare Ai costi indicati, le tecnologie economicamente più efficienti per la generazione di base sono le centrali a carbone (centrali a ciclo Rankine supercritico alimentate a carbone USC) e quelle elettronucleari (NUC). Per il medio carico appaiono più indicati i Cicli Combinati gas/vapore alimentati a gas naturale o integrati con un processo di gassificazione del carbone (IGCC) e nuovamente le centrali a carbone (soprattutto in ipotesi di assenza di carbon tax). Per il servizio di punta, infine, la tecnologia più competitiva è quella delle turbine a gas operanti in ciclo semplice alimentate a gas naturale. 24

25 La settima anomalia 7 (rendimento degli impianti) L Italia presenta un anomalia anche riguardo al rendimento degli impianti di generazione elettrica. In particolare il rendimento degli impianti di cogenerazione risulta essere inferiore al rendimento dei cicli combinati per sola generazione elettrica. Esiste pertanto un ampio spazio di miglioramento e recupero di efficienza per i primi, anche in vista dell adeguamento alla Direttiva Europea sulla promozione della cogenerazione. 25

26 La settima anomalia Evoluzione del rendimento degli impianti in Italia I cicli combinati alimentati a gas naturale sono gli impianti che oggi mostrano le migliori prestazioni, prossime al 53-54%. Sorprendentemente, gli impianti a gas di cogenerazione industriale hanno un rendimento equivalente inferiore rispetto ai cicli combinati. Infine, i rendimenti degli impianti alimentati da prodotti petroliferi e da carbone/lignite sono rimasti nel quinquennio stabili attorno al 35%, un valore dovuto in particolare a un parco generazione obsoleto e di piccola taglia. % % gas naturale (cogenerazione) Andamento temporale dei rendimenti elettrici del parco termoelettrico italiano, gas naturale (solo energia el.) gas naturale CC (solo energia el.) prodotti petroliferi solidi Fonte: Politecnico di Milano,

27 La settima anomalia Centrali più efficienti e ridotte emissioni di CO2 grazie alle nuove tecnologie 27

29 Quali nuovi spazio per la generazione distribuita? AT: kv Linee di trasporto primario o elettrodotti Italia km; connessioni internazionali ( 16Ita) 6-25 kv Central power station Step-up transformer Distribuzione e generazione distribuita Microturbine Distribution Substation Stazioni di trasformazione Gas Turbine Receiving Station Distribution Substation Distribution Substation Recip Engine Photo voltaics Batteries Linee di distribuzione (AT kv, MT kv, BT 380/220 V) Cabina di ricezione Recip Engine Industrial Fuel cell Commercial Flywheel Fuel Cells Residential Allacciamento AT (P>5-10 MW), MT (P> kw), BT (P minori) Gas Turbine Rete di stabilimento es. 380 V trifase Commercial 29

30 Europa Lo sviluppo dell energia rinnovabile Il contributo di tutte le fonti di energia rinnovabile (esclusi gli impianti idroelettrici) sono relativamente modesti (< 10% in totale in ogni nazione europea) % Germania Francia Regno Unito Italia * Spagna Svezia EU 15 EU 25 30

31 Italia Lo sviluppo dell energia rinnovabile In Italia, nel periodo , l aumento delle energie rinnovabili è stato particolarmente sensibile per la produzione da biomasse e rifiuti (+9,2% rispetto al 2004; CAGR del 25,9%) ed eolica (+26,9% rispetto al 2004; CAGR del 39,2%). Andamento della produzione rinnovabile in Italia Spaccato per fonte energetica, (GWh) Fonte rinnovabile CAGR '98-'05 Idrica , , , ,7-1,9% Eolica 1.404, , , ,4 39,2% Solare 18,5 22,6 27,3 31,0 15,5% Geotermica 4.662, , , ,5 3,4% Biomasse e rifiuti 3.422, , , ,8 25,9% TOTALE , , , ,4 0,9% Fonte: Rielaborazione The European House-Ambrosetti su dati GSE Gestore Servizi Elettrici, Statistiche sulle fonti rinnovabili in Italia. Anno 2005,

32 Italia Lo sviluppo dell energia eolica nelle regioni italiane Produzione lorda degli impianti EOLICI secondo regione, 2005 Produzione lorda degli impianti SOLARI* secondo regione, 2005 GWh Veneto 0,0 Calabria GWh 0,0 Calabria 0,0 Trentino Alto Adige Umbria 0,1 2,6 Toscana 0,1 Toscana Emilia Romagna Lazio 3,0 2,2 5,9 Totale Italia: 2.343,5 MW Sicilia 0,1 Totale Italia: 4,0 MW Liguria 8,7 Sardegna 0,2 Molise 56,9 Basilicata Abruzzo 147,7 177,8 Puglia 0,4 Sicilia Sardegna 382,3 409,3 Abruzzo 1,0 Campania Puglia 25,0% 560,5 586,5 Campania 53,8% 2, ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Fonte: Rielaborazione The European House-Ambrosetti su dati GSE Gestore Servizi Elettrici, Statistiche sulle fonti rinnovabili in Italia. Anno 2005,

33 Italia Lo sviluppo dell energia da biomasse e rifiuti nelle regioni italiane Abruzzo Valle d'aosta Liguria Basilicata Marche Sicilia Trentino Alto Adige Sardegna Friuli Venezia Giulia Umbria Molise Campania Piemonte Lazio Puglia Toscana Veneto Calabria Emilia Romagna Lombardia MW 0,0 0,8 6,0 7,2 7,8 14,0 16,1 17,2 21,1 22,3 25,1 32,3 Potenza efficiente lorda da biomasse e rifiuti secondo regione, ,2 67,3 69,9 71,8 111,9 118,5 28,6% Totale Italia: 1.199,8MW 193, GWh Abruzzo Valle d'aosta Basilicata Liguria Marche Sardegna Sicilia Trentino Alto Adige Campania Friuli Venezia Giulia Molise Umbria Piemonte Toscana Lazio Veneto Puglia Calabria Emilia Romagna 342,9 Lombardia Produzione lorda da biomasse e rifiuti secondo regione, ,0 2,3 22,1 23,6 45,8 65,2 76,3 80,4 105,2 117,3 129,1 130,2 269,6 290,4 372,4 374,0 421,3 32,0% 752,4 908,8 Totale Italia: 6.154,8 MW ,4 Nota: Per gli impianti in co-combustione la potenza considerata è pari ad una quota della potenza dell impianto calcolata in base alla produzione realizzata da biomasse e rifiuti rispetto a quella totale. Fonte: Rielaborazione The European House-Ambrosetti su dati GSE Gestore Servizi Elettrici, Statistiche sulle fonti rinnovabili in Italia. Anno 2005,

35 Impianti e rendimenti a confronto Le tecnologie di oggi e di domani Cicli ibridi con FC + turbina a gas (Cap. 5.6) Cicli combinati Rendimento elettrico, % Celle a combustibile (Cap.5) Mot. Stirling (Cap. 3) PEM TPV (Cap. 6) SOFC PAFC MCFC Micro-turbine a gas (Cap. 4) TV TG AD TG HD Motori a c.i (Cap. 3.1) USC e IGCC MICRO MINI ALTRI Taglia impianto [kw] 35

36 Perché tanto entusiasmo (almeno da parte mia) per la cogenerazione 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 punti di rendimento con la cogenerazione 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. 36

37 Il ruolo dell industria Risparmio di energia primaria 37

38 Italia La situazione attuale della co-generazione italiana DATI 2005 eta el eta ter PES (rif e 85%) % % % cicli combinati motori a C.I Vapore a CS Vapore a CP turbine a gas Totale E alimentata soprattutto da gas naturale (66 TWh su 92). La tecnologia dominante è il ciclo combinato (72,6 TWh su 92). E fortemente sbilanciata sulla produzione elettrica (92 TWhel contro 24,6 TWht). I rendimenti energetici medie sono scarsi, se confrontate con il moderno stato dell arte. Gran parte degli impianti non raggiungono le prestazioni richieste dalla direttiva europea per essere definiti ad alto rendimento. 38

39 Il ruolo dell industria Intensità elettrica e crescita della domanda elettrica nell industria e nel terziario Crescita domanda elettrica 95/04 (CAGR 95/04) 9% 8% 7% 6% 5% 4% Industria Estrazione Cartario Raffinerie 3% Meccanico 2% Costruzioni Alimentare Plastico 1% 0% -1% Tessile Automobilistico -2% Siderurgia Chimica 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Crescita domanda elettrica 95/04 (CAGR 95/04) 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1% Commercio Bancario PA Terziario Alberghiero Trasporti & Telco -2% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Intensità Elettrica (KWh per di produzione) Intensità Elettrica (KWh per di produzione) A livello di utenze industriali e utenze del terziario gli sviluppi futuri indicano investimenti per l aumento dell efficienza energetica e la riduzione dell impatto ambientale di specifici processi industriali. Inoltre molti operatori industriali stanno attuando politiche di autoproduzione e di diversificazione delle proprie attività di business che, prendendo spunto dai cicli energetici, legati ai loro processi industriali, consentano il riutilizzo di materiale di scarto per la produzione di energia elettrica e termica. 39

40 Il ruolo dell industria Intensità elettrica e crescita della domanda di gas nell industria e nel terziario Consumo di Gas: Domanda per settori (m3) Stato attuale della cogenerazione ,6 38,5 22,8 11,4 20,6 25,1 32,2 31, ,3 20,6 20, Industria Terziario Centrali Elettriche Settori di attività Potenza media (MW) Totale Potenza installata(mw) Raffinerie 150, Industria chimica 93, Cartiere 17,2 859 Aeroporti 17,0 150 Industria motoristica 16,5 148 Riscaldamento e 10,8 508 teleriscaldamento Industria alimentare 9,9 167 Altri 9,0 266 Negli impianti di grande taglia servono cicli combinati molto più efficienti. Si riscontra un importante potenziale per applicazioni di teleriscaldamento. Raggiungere PES > 10% attraverso una gestione ottimizzata dell impianto. Per impianti di taglia limitata (< 10 MWel/20 MWel) vi sono ampi spazi per centrali di cogenerazione con turbine a gas a semplice recupero e motori alternativi. 40

41 Centrale di co-generazione in Cartiera Modifica Topping di impianto di generazione elettrica con turbina Siemens Ciclo vapore: 30 t/h 72 bar surriscaldato a 475 C TURBINA A VAPORE (Siemens) G 4,0 MWe CONDENSATORE GAS NATURALE COMPRESSORE GAS NATURALE AL PROCESSO RITORNO CONDENSE CAMINO DI BYPASS CAMINO DEGASATORE (Deareator) POMPA CONDENSE 7,7 MWe G ARIA (Air) TURBINA A GAS (Siemens SGT300) DIVERTER ARIA FRESCA CALDAIA A RECUPERO POST COMBUSTIONE POMPA ALIMENTO ACQUA CALDA TLR PRERISCALDO CONDENSE RECUPERO TERMICO PER PULPER EX-ANTE Generazione combinata energia elettrica/energia termica tramite: Caldaia a fuoco Turbina a vapore Condensatore/Spillamento No teleriscaldamento (TLR) Rendimento complessivo 32% EX-POST Generazione combinata energia elettrica/energia temica tramite: Turbina a gas Caldaia a recupero con Post-Combustione Turbina a vapore Condensatore/Spillamento Teleriscaldamento Rendimento complessivo 45% (escluso TLR) Payback stimato in 4 anni, considerando che il progetto è un green field.

42 Centrale di co-generazione in Cartiera Intervento di potenziamento impianto di cogenerazione con turbine a gas esistenti Ciclo vapore: 36 t/h 45 bar surriscaldato a 450 C TURBINA A VAPORE G 4 MWe GAS NATURALE AL PROCESSO RITORNO CONDENSE COMPRESSORE GAS NATURALE CAMINO DI BYPASS CAMINO DEGASATORE E (Deareator) POMPA CONDENSE 12,9 MWe G TURBINA A GAS (Siemens SGT400) DIVERTER CALDAIA A RECUPERO POST COMBUSTIONE POMPA ALIMENTO ACQUA CALDA PRERISCALDO CONDENSE EX-ANTE Generazione combinata energia elettrica/energia termica tramite: Turbine a gas 2 x 4 MWe Caldaia a recupero con Post-Combustione Turbina a vapore Contropressione Rendimento elettrico 28.5% EX-POST Generazione combinata energia elettrica/energia temica tramite: Turbina a gas 1 x 13 MWe Caldaia a recupero con Post-Combustione Turbina a vapore Contropressione Rendimento elettrico 33.5% Payback stimato in 5/6 anni, considerando che si partiva da una situazione già cogenerativa.

44 Impianti di micro-cogenerazione Dai grandi ai piccoli impianti Non c è solo la grande cogenerazione industriale L Italia è piena di PMI Terziario Residenziale 44

45 Impianti di micro-cogenerazione Micro-generazione o micro-cogenerazione? E inevitabile che la generazione distribuita alimentata a gas naturale sia fortissimamente cogenerativa, perché solo grazie alla cogenerazione si possono ottenere i benefici energetici e ambientali che possono giustificare un (indispensabile) quadro normativo e tariffario incentivante e perché la valorizzazione del calore è fondamentale nel bilancio economico dell operazione. Si deve co-produrre elettricità e calore in modo intelligente, vale a dire recuperando sempre integralmente il calore e concentrando la produzione elettrica nei periodi in cui essa è più pregiata. Questo consentirebbe di ottenere un rendimento unitario (imbattibile, dal momento che anche le migliori centrali di grande scala per sola generazione elettrica non arrivano al 60%) nella generazione di energia elettrica da gas naturale, per di più in ore pregiate ed esente dalle perdite di rete. 45

46 Impianti di micro-cogenerazione Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici, se operano con recupero integrale del calore Rendimento elettrico, % Cicli ibridi con celle a combustibile + turbina a gas (Cap. 5.6) Celle a combustibile MCFC e SOFC (Cap. 5.4 e 5.5) Celle a combustibile ad acido fosforico e PEM (Cap. 5.2 e 5.3) Motori a combustione interna (Cap. 3.1) Micro-turbine a gas (Cap. 4) IRE=0 scenario avanzato IRE=0 scenario convenzionale Recupero termico realistico Motori Stirling (Cap. 3.2) Sistemi TPV (Cap. 6.1) Rendimento termico, % 46

47 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così: fra gli elettrodomestici anche un microcogeneratore 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. 47

48 Impianti di micro-cogenerazione Cogenerazione o tri-generazione? La domanda termica nei settori residenziale e terziario è fortemente stagionale: per molti mesi dell anno il microgeneratore deve operare per periodi molto ridotti. La possibilità di recuperare il calore per generare freddo è fondamentale per ampliare il periodo di funzionamento del microgeneratore (e fa bene al diagramma di consumo annuale del gas). Per taglie non piccolissime, la soluzione è praticabile. Spesso conviene ampliare il campo operativo aggiungendo nel sistema trigenerativo oltre a un frigorifero ad assorbimento anche un sistema a compressione (frigorifero/pompa di calore). 48

49 Impianti di micro-cogenerazione Perché la micro-cogenerazione deve essere basata sul gas naturale? Perché è il combustibile fossile più pulito. Perché è diffuso capillarmente su gran parte del territorio nazionale e in particolare nelle aree metropolitane. Perché si sposa particolarmente bene con le tecnologie di microcogenerazione più avanzate. Perché siamo seri, e non è realistico ipotizzare a breve-medio termine la disponibilità dell unico vettore energetico più pulito del gas naturale (l idrogeno). La transizione verso l economia dell idrogeno ha tempi lunghi e incerti Certamente la microcogenerazione è pienamente compatibile con l economia dell idrogeno. 49

50 Impianti di micro-cogenerazione Emissioni specifiche bassissime (quasi nulle) I meriti energetici ed ecologici a livello planetario e su larga scala della microcogenerazione sono fuori discussione, ma E fondamentale garantire che il livello di emissioni specifiche di sostanze nocive (in particolare di ossidi di azoto, monossido di carbonio, particolato) del microcogeneratore sia inferiore, o almeno pari, a quello (già molto basso) delle caldaiette che va a sostituire, così da evitare ogni dubbio sui ricorrenti timori in merito agli effetti sull inquinamento locale della generazione distribuita: Si aumenta il consumo di combustibile all interno delle aree metropolitane, ma non si deve peggiorare la qualità dell aria! E una sfida tecnologica difficile (soprattutto per i motori alternativi a combustione interna), ma i progressi nel settore sono continui. Certamente, in quest ottica le celle a combustibile sono la soluzione più attraente. 50

51 Impianti di micro-cogenerazione L impatto della micro-cogenerazione sul sistema gas Non si deve dimenticare che nel nostro Paese: La quasi totalità delle nuove centrali termoelettriche sono e saranno alimentate a gas naturale La penetrazione del gas naturale per la generazione di calore nel settore residenziale, terziario, PMI è fortissima La microcogenerazione, se correttamente realizzata, è una misura di risparmio energetico, produce beni che sostituiscono altri già prodotti a gas naturale, quindi la sua diffusione andrà a diminuire, non certo ad aumentare il consumo complessivo di gas naturale 51

52 Impianti di micro-cogenerazione L impatto della micro-cogenerazione sul sistema gas 52

53 Impianti di micro-cogenerazione Le principali applicazioni delle celle a combustibile Portatile Trasporti Stazionario Combat 1 kw Laptop 50 W Mobile 2 W Car < 100 kw Large Veh. > 100 kw Ships Submarine Central Power Plants > 10 MW DG Power Plants > 10 kw Residential < 10 kw Methanol Natural Gas Hydrogen Coal Natural Gas Natural Gas Hydrogen Landfill Gas Bio Gas Natural Gas Hydrogen / SECA HPD Proof of Concept Near to Mid Term Long Term.Near term Long term..near to Mid Term 53

55 Conclusioni Possibili innovazioni tecnologiche per ridurre le 7 anomalie attuali Generazione di energia elettrica Industria Terziario e residenziale Ciclo combinato Cogenerazione Microcogenerazione - Tecnologie di generazione - avanzato Carbone pulito Nucleare Fonti rinnovabili Cicli combintati Turbine a gas Motori alternativi Fonti rinnovabili e trigenerazione Motori Motore stirling Celle a combustibile Fonti rinnovabili Pompe di calore Teleriscaldamento 55