Economia e politica dell ambiente e dell energia A.A. 2012-2013 Modulo IV Le industrie energetiche: Le fonti fossili
Gli stadi dell attività energetica (in generale) Scoperta Estrazione Trasformazione Trasporto e distribuzione Fase mineraria L importanza dei problemi legati ai diversi stadi varia da un industria energetica ad un altra
L industria petrolifera La fase di scoperta: Elevati costi fissi Elevata incertezza Entrambe le caratteristiche favoriscono una struttura di mercato altamente concentrata, con imprese dotate di grandi risorse finanziarie
Il petrolio Petroleum: nella terminologia anglosassone, una miscela naturale di idrocarburi e altre sostanze: - In fase liquida (oil) - In fase gassosa (natural gas) - In fase solida (bitumi e asfalti) In italiano, petrolio indica di solito solo la forma liquida ( olio o greggio ) L unità di misura del greggio è il barile (barrel) che corrisponde a 159 litri
Il petrolio (in senso lato) ha origine da un processo di alterazione termica di materiale organico disperso nelle rocce sedimentarie Il 90% delle riserve di olio è contenuto in meno di 1500 grandi giacimenti (una piccola parte degli oltre 40.000 giacimenti (oil fields) esistenti) I giacimenti differiscono per la qualità dell olio in essi contenuto (inversamente proporzionale al tenore di zolfo e direttamente alla densità, misurata mediante i gradi API)
Riserve: L insieme dei prodotti contenuti in giacimenti accertati ed effettivamente sfruttabili data la tecnologia ed i prezzi correnti Risorse: Produzione cumulata+riserve+giacimenti potenzialmente scopribili e sfruttabili Riserve/Produzione annua= Durata in anni delle riserve esistenti L entità delle riserve è comunque soggetta ad incertezza e viene stimata in modo più preciso man mano che il giacimento viene sfruttato. La stima è tanto più precisa quanto più numerosi sono i pozzi scavati.
UNDISCOVERED PIIP TOTAL PETROLEUM INITIALLY IN PLACE (PIIP) SUB-COMMERCIAL DISCOVERED PIIP COMMERCIAL Riserve e risorse secondo la nomenclatura Society of Petroleum Engineers PRODUCTION RESERVES CONTINGENT RESOURCES UNRECOVERABLE PROSPECTIVE RESOURCES UNRECOVERABLE
Titolo asse Oil proven reserves 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 World OPEC Fonte: BP Statistical Review
La concentrazione geografica delle riserve Proven Oil Reserves 2010 Total Asia Pacific 3% Total North America 5% Total Africa 10% Total S. & Cent. America 17% Total Middle East 55% Total Europe & Eurasia 10% Fonte BP Statistical review
La concentrazione per impresa La concentrazione geografica si riflette in una forte concentrazione per impresa. Il 50% delle riserve mondiali di olio è controllato da 3 imprese (Saudi Arabian Oil Company, Petroleos de Venezuela.S.A, National Iranian Oil Company ), il 90% da 13 imprese appartenenti a 12 paesi. L italiana ENI è al 26 posto, e controlla il 3 per 1000 delle riserve mondiali (Fonte: www.petrostrategies.org/)
Modalità di accesso alle risorse I giacimenti di petrolio appartengono in genere al governo del paese che li ospita, per cui le imprese esploratrici ed estrattrici devono concludere contratti con i governi.
I principali modelli di accordo sono: 1. Concessione mineraria: la Oil company si assume l intero rischio minerario e paga una royalty proporzionale alla produzione (di fatto un imposta di fabbricazione) più un imposta sul reddito 2. Production sharing: i costi di esplorazione vengono condivisi con il paese, se l esplorazione ha avuto successo, altrimenti restano a carico dell oil company. La produzione viene divisa e il governo commercializza la propria quota indipendentemente dalla oil company 3. Prestazione di servizi: la oil company fornisce appunto i servizi (di esplorazione e di sfruttamento) ma il rischio di esplorazione prima e di commercializzazione poi sono in capo al paese proprietario. 4. Joint ventures: collaborazione tra più imprese per suddividere il rischio. Nel caso di joint ventures con l impresa del paese ospitante, questo ha il vantaggio dell accesso alla tecnologia.
L OPEC L OPEC è un cartello internazionale, del quale fanno attualmente parte 12 paesi - Nigeria, Angola, Libia e Algeria - Iran, Iraq, Kuwait, Qatar, EAU, Arabia Saudita - Ecuador, Venezuela Controllano circa l 80% delle riserve di petrolio e il 50% di quelle di gas naturale
La raffinazione Il petrolio greggio non è utilizzabile direttamente, ma va trasformato in altri vettori energetici mediante un processo detto raffinazione. Il settore della raffinazione è relativamente meno concentrato di quello dell esplorazione/sfruttamento (il 50% della capacità di raffinazione è controllato da 9 imprese che non coincidono in parte con le imprese estrattrici)
Si tratta in gran parte delle stesse compagnie che si occupano dell upstream, anche se con una graduatoria un po diversa (p.e. il primo raffinatore mondiale è Exxon, che si trova però in 14ma posizione nella graduatoria delle riserve) La National Iranian Oil&Gas Company, che è la prima nella graduatoria delle riserve, è 14 ma nella raffinazione. Questo suggerisce che il settore è fortemente integrato in senso verticale. Le motivazioni dell integrazione verticale sono numerose, ma soprattutto legate alla gestione dell incertezza e alla necessità di programmazione dell intera filiera.
Distillazione primaria (topping) Separazione dei tagli di idrocarburi in funzione del punto di ebollizione. Il topping dà luogo a : - Gas di petrolio liquefatto - Virgin Naphta (leggera e pesante) - Kerosene - Gasoli (leggero-medio-pesante) - Residuo Atmosferico (input dei processi successivi)
Vacuum (distillazione sotto vuoto) Il RA viene trasformato in gasolio (più pesante dei precedenti) ed in un residuo pesante Il gasolio da Vacuum viene poi trasformato mediante cracking in prodotti più leggeri
Reforming catalitico, isomerizzazione, desolforazione, coking (ciclo complesso) La virgin naphta viene migliorata per la produzione di benzine (Reforming, isomerizzazione) Tutti i prodotti vengono depurati dallo zolfo (desulphuration) Pet-coke (o coke di petrolio, combustibile molto pesante) riutilizzato dalla raffineria stessa
Dal punto di vista economico, ciò che più ci interessa è che la raffineria è un impianto multiprodotto. Il problema decisionale dell impresa è in questo caso un tipico problema di programmazione lineare P c =prezzo del greggio ( crude ) P G =prezzo del gasolio P L =prezzo del LPG P K =prezzo del Kerosene N lavoro, w salario 3 impianti con capacità limitate
maxp G G P L L P K K P C C wn min C 1, N 1 G G 1 1 min C 2, N 2 G G 2 2 min C 3, N 3 G G 3 3 G 0 min C 1, N 1 L L 1 1 min C 2, N 2 L L 2 2 min C 3, N 3 L L 3 3 L 0 min C 1, N 1 K K 1 1 min C 2, N 2 K K 2 2 min C 3, N 3 K K 3 3 K 0 C C 1 C 2 C 3 0 N N 1 N 2 N 3 0 C 1 C 1 C 2 C 2 C 3 C 3
Margine di raffinazione (Ricavo dai prodotti raffinati costo del greggio e altri costi di raffinazione)/quantità di greggio= margine di raffinazione unitario P G G P L L P K K P C C wn C
1Q92 4Q92 3Q93 2Q94 1Q95 4Q95 3Q96 2Q97 1Q98 4Q98 3Q99 2Q00 1Q01 4Q01 3Q02 2Q03 1Q04 4Q04 3Q05 2Q06 1Q07 4Q07 3Q08 2Q09 1Q10 4Q10 3Q11 30,00 Refining Margins (USGC) 25,00 20,00 15,00 10,00 Refining Margins (USGC) 5,00 0,00-5,00 Margini di raffinazione benchmark in USD /barile. Fonte BP statistical review
120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Refining margin crude oil price 20,00 0,00 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111-20,00 Margini di raffinazione e prezzi del greggio. Fonte BP statistical review
La questione petrolifera - Esistono regole ottimali per lo sfruttamento di risorse scarse? - Il petrolio è destinato ad esaurirsi? - Come funziona il mercato del petrolio? - La dipendenza energetica è un problema?
Le regole ottimali Modello di Hotelling max T t 0 t p t q t c q t R t q t R t 1 0 R 0 R, R T 1 0
Il modello predice che : I prezzi della risorsa esauribile in equilibrio devono crescere Le quantità estratte diminuiscono Non necessariamente si raggiunge l esaurimento fisico delle risorse Fondamentali sono le caratteristiche economiche delle alternative
In altri termini, la teoria non nega la possibilità di un esaurimento delle risorse, ma sottolinea l importanza del meccanismo dei prezzi e dell innovazione tecnologica nel determinarne il ritmo. Attualmente, le riserve petrolifere accertate mondiali potrebbero garantire i livelli attuali di consumo per 51 anni a venire
Per quanto dureranno le riserve? 60 RP ratio (World) 50 40 30 20 RP ratio (World) 10 0 Fonte: BP Statistical review
Non solo le riserve sono aumentate nel tempo, ma più che proporzionalmente rispetto ai consumi
Il picco di Hubbert Marion K. Hubbert è un geofisico statunitense che nel 1956 predisse, sulla base dello studio dell'effettivo andamento dell'attività estrattiva, che la produzione di petrolio (ed altre risorse esauribilei) avrebbe conosciuto un picco (Hubbert Peak) in seguito al quale la produzione sarebbe costantemente declinata (negli Stati Uniti attorno al 1970).Una formula matematica che dà luogo a questo andamento è la seguente, dove Q t è la produzione cumulata al tempo t, Q* è la quanità complessiva di risorse
Q t La derivata prima è il flusso di produzione Q 1 ae bt dq t dt baq e bt 1 ae bt 2 La derivata seconda è prima positiva e poi negativa, cioè la produzione ha un massimo d 2 Q t dt 2 b 2 aq e bt aebt 1 1 ae bt 3
Il meccanismo della curva di Hubbert La prima fase: espansione rapida. Inizialmente, la risorsa è abbondante e bastano modesti investimenti per estrarla. In questa fase, la crescita della produzione è esponenziale. La seconda fase: inizio dell'esaurimento. Le riserve "facili", ovvero quelle meno costose, sono quelle estratte per prime. Con l'esaurimento delle risorse facili, comincia a essere necessario sfruttare risorse più difficili e questo richiede investimenti sempre più consistenti. La produzione continua a crescere, ma non più esponenzialmente come nella prima fase. La terza fase: il picco e il declino. A un certo punto, il graduale esaurimento rende talmente elevati gli investimenti necessari che non sono più sostenibili. La produzione raggiunge un massimo (il picco di Hubbert) e poi comincia a declinare. La quarta fase: il declino finale. In questa fase, normalmente non si fanno più investimenti significativi. La produzione continua, ma il declino procede fino a che non diventa talmente ridotta da cessare completamente. Fonte: www.aspoitalia.it/introduzione-alla-teoria-dihubbert-mainmenu-32
Il gas naturale I gas esistenti in natura sono numerosissimi. Noi siamo interessati a quelli appartenenti alla famiglia degli idrocarburi (metano, etano, propano e butano). Il 90% delle riserve di gas naturale è contenuto in circa 400 grandi giacimenti, mentre il resto si divide tra 24000 giacimenti conosciuti Le riserve accertate attualmente esistenti corrispondono a 62 anni dei consumi attuali. Le unità di misura del gas naturale sono unità di volume (metri cubi o cubic foot nei paesi anglosassoni). Una tonnellata di petrolio equivale, in termini di potere calorico,a 1200 m 3 di gas.
Mercato internazionale del gas Il mercato internazionale del gas naturale è concentrato all incirca come quello del petrolio. Il paese con le maggiori riserve accertate rappresenta il 23% nel settore del gas e il 19% nel settore del petrolio. Il 50% delle riserve mondiali è accentrato in tre stati (gas) Non si tratta però esattamente degli stessi Stati in cui è concentrato il petrolio, e questo consente una (parziale) diversificazione del rischio politico Per l Italia, la vicinanza geografica di Algeria, Libia, Norvegia e Olanda (risp. 10ma, 22ma, 17ma e 24ma nella classifica) ha giocato a favore
Le riserve mondiali di Gas GAS Proven reserves 2011 Africa 7% North America 5% S. & Cent. America 4% Asia Pacific 8% Middle East 38% Europe & Eurasia 38% Fonte: BP Statistical Review
Riserve accertate Gas Naturale, 2009 Riserve accertate Petrolio, 2009 Quota sul totale Quota sul totale mondiale Progressivo mondiale Progressivo Russian Federation 0,24 0,24 Saudi Arabia 0,19 0,19 Iran 0,16 0,40 Venezuela 0,15 0,35 Qatar 0,14 0,53 Iran 0,10 0,45 Turkmenistan 0,04 0,58 Iraq 0,08 0,53 Saudi Arabia 0,04 0,62 Kuwait 0,07 0,60 US 0,04 0,66 United Arab Emirates 0,07 0,67 United Arab Emirates 0,03 0,69 Russian Federation 0,06 0,73 Nigeria 0,03 0,72 Libya 0,03 0,76 Venezuela 0,03 0,75 Kazakhstan 0,03 0,79 Algeria 0,02 0,77 Nigeria 0,03 0,82 Iraq 0,02 0,79 Canada 0,02 0,84 Indonesia 0,02 0,80 US 0,02 0,86 Australia 0,02 0,82 Qatar 0,02 0,88 China 0,01 0,84 China 0,01 0,89 Malaysia 0,01 0,85 Angola 0,01 0,90 Egypt 0,01 0,86 Brazil 0,01 0,91 Norway 0,01 0,87 Algeria 0,01 0,92 Kazakhstan 0,01 0,88 Mexico 0,01 0,93 Kuwait 0,01 0,89 Norway 0,01 0,94 Canada 0,01 0,90 Azerbaijan 0,01 0,94
La crescente importanza del gas 0,8 Gas/Oil (world Production) 0,7 0,6 0,5 0,4 Gas/Oil (world Production) 0,3 0,2 0,1 0 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Gli impieghi del gas naturale Composizione del consumo interno lordo Gas Italia 2009 0.404963851 0.008872962 0.002222153 0.017104316 0.371960189 Consumi e perdite Trasformazioni in Energia Elettrica Industria Trasporti Terziario e residenziale Agricoltura e Pesca 0.009405026 0.185471503 Usi non energetici
Gli impieghi del petrolio Composizione consumo interno lordo oil Italia 2009 0.046005867 0.089364895 0.032839894 0.065052186 0.080646702 0.069158879 0.07209223 Consumi e perdite Trasformazioni in Energia Elettrica Industria Trasporti Terziario e residenziale Agricoltura e Pesca Usi non energetici 0.544839348 Bunkeraggi
Il trasporto del gas naturale Due vie: Gasdotto (grandi investimento, rapporto bilaterale di lungo periodo) Trasporto via nave in forma liquida (richiede la rigassificazione)
Gas: importazioni per modalità di trasporto Liquefied NG 12% Pipeline 88%
Gasdotti In progetto - Galsi: Gasdotto Algeria-Sardegna- Italia - TAP: Trans-Adriatic Pipeline (Grecia-Italia via Albania) - Interconnettore Turchia-Italia (via Grecia) - Southstream: Russia-Italia (via Grecia e Bulgaria) Attualmente sono operativi con l Italia - Greenstream (Libia-Italia) - Trans-Austria Gas : Russia-Italia - Trans-Europa Naturgas Pipeline: Olanda-Italia - Transit Gas: Olanda/Norvegia Italia - Transmed (Gasdotto Enrico Mattei) Algeria-Italia via Tunisia
Rigassificatori Esistenti -Panigaglia (GNL S.p.A) -Terminale Adriatico Porto Tolle: (Exxon, Edison, ecc.) Approvati: -Livorno (E.on) -Porto Empedocle (Enel) - Capo Bianco (British Gas) In progetto
Carbone Il carbone fossile è stato uno dei più importanti combustibili in passato (v. la Rivoluzione Industriale) e tuttora svolge un ruolo significativo in molti sistemi energetici. I suoi impieghi prevalenti a si osservano: nella produzione di energia elettrica (a livello mondiale il 41% della produzione è realizzato utilizzando carbone) nella siderurgia, che utilizza negli altiforni carbone coke (ottenuto dalla lavorazione del litantrace) nel riscaldamento domestico
Le riserve mondiali accertate sono sufficienti, ai ritmi attuali di sfruttamento, per 112 anni (ma non è chiaro quanto delle riserve esistenti è realmente sfruttabile economicamente) Esistono diverse qualità di carbone fossile, dall antracite (a maggior potere calorico) al litantrace, alla lignite e alla torba (che non è un vero carbone fossile e viene utilizzata spesso come fertilizzante piuttosto che come combustibile) L unità di misura è la tonnellata metrica, il cui potere calorico è pari al 66% di una tonnellata di petrolio
La distribuzione geografica delle riserve Riserve accertate di carbone, 2011 Total Asia Pacific 31% Total North America 29% Total Middle East & Africa 4% Total Europe & Eurasia 35% Total S. & Cent. America 1% Fonte: BP Statistical Review
I produttori Coal - 2011 Shares of world production Kazakhstan Poland Germany South Africa Indonesia Russian Federation Coal - 2011 Shares of world production Australia India US China 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Fonte: BP Statistical Review
I consumatori Largest Coal consumers 2011 Turkey Taiwan Ukraine Indonesia Australia Poland Germany South Korea Russian Federation South Africa Japan India US China Largest Coal consumers 2011 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0%
La ripresa del carbone 1,2 Coal/oil World Production 1 0,8 0,6 Coal/oil World Production 0,4 0,2 0 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 Fonte: BP Statistical Review