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”Fonti e tecnologie energetiche, oggi e domani”
Ennio Macchi
Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano
Congresso ATI 2009
Ennio Macchi
2Premesse
Sono convinto che le preoccupazioni relative all’aumento di concentrazione della CO2 siano giustificate
Sono convinto che chi opererà nel settore energetico nei prossimi decenni dovrà convivere con la realtà di un mondo “carbon constrained”
E’ evidente che servono misure “politiche” che modifichino drasticamente lo scenario “business as usual”:
• L’elettricità generata da centrali “zero” (o quasi) emission sarà sempre più costosa di quella prodotta in centrali convenzionali
• Le vetture “zero emission” saranno molto più costose rispetto alle vetture convenzionali
• I carburanti a bassa o nulla emissione di CO2 saranno più costosi dei derivati petroliferi
• Ecc.
Ennio Macchi
3Premesse (2)
Il mio intervento sarà concentrato sul settore elettrico, perché è quello che conosco meglio e perché ha un ruolo fondamentale (e crescente) nel quadro delle emissioni complessive
Non parlerò di misure di risparmio energetico negli usi finali,quali: • Motori elettrici efficienti
• Lampade a basso consumo
• Elettrodomestici classe A+
• Regolazione intelligente (inverter, ecc.)
• Climatizzazione
• Pompe di calore geotermiche
• Ecc.
Sono le più razionali, le prime (e le più facili)da intraprendere, ma…
Non devono essere un alibi per non agire anche su gli altri fronti, da sole certamente non bastano
Ennio Macchi
4Una “rivoluzione tecnologica” nel settore elettrico italiano è avvenuta
Per il gas naturale: grandi progressi, siamo prossimi all’asintoto (già raggiunto per i cicli combinati)
Per il carbone: grandi margini di miglioramento!
Andamento temporale dei rendimenti elettrici del parco termoelettrico italiano
30
35
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55
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
%
solidi
prodotti petroliferi
gas naturale (solo energiaelettrica)
gas naturale CC (soloenergia elettrica)
Ennio Macchi
Frame G
~
~
=21 TIT=1430°C
TFUEL=200°C
TMAX=600°C
Ennio Macchi
1250 1300 1350 1400 1450 1500
Turbine inlet temperature, °C
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60
61
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%
CL-SC+SC
CL-SC
OL-AC+SC
OL-AC
13001300 1300 1300
1300 1300 1275
Ennio Macchi
OL-ACOL-AC
+SC CL-SCCL-SC
+SC CL-MCcombustion 25.48 24.39 25.93 24.38 25.89overall blade cooling
cooling heat transfercoolant dischargecoolant pressurelosses
3.770.912.790.08
3.981.422.490.07
2.180.861.310.01
2.841.131.700.02
2.380.881.390.11
compressor 1.76 1.66 1.68 1.52 1.68gas turbine fluid-dynamic losses 2.30 2.39 2.22 2.13 2.22steam turbine 2.11 2.04 2.03 1.98 2.04HRSG heat transfer 2.02 2.08 1.79 1.92 1.84condenser 1.45 1.51 1.42 1.45 1.43miscellaneous in steam cycle 0.25 0.29 0.25 0.30 0.24elec./org./auxiliaries losses 1.69 1.67 1.69 1.66 1.69thermal losses 1.11 1.21 1.09 1.15 1.09leakages and filters 0.45 0.43 0.43 0.42 0.42heat rejection at stack 1.14 1.13 1.13 1.13 1.13combustor 25.48 24.39 25.93 24.38 25.89useful work 56.45 57.23 58.16 59.10 57.94LHV efficiency, % 58.39 59.20 60.16 61.13 59.93specific work, kJ/kgair 641.5 754.2 730.2 875.2 728.6Operating conditions:
Pressure ratioHP turbine TIT, °CTIT, °C
20
1430
3012901430
23
1430
3014301430
23
1430
ANALISI ENTROPICA
Tutte le perdite sono di piccola entità, tranne le perdite di combustione
Unica possibilità di fare un grande salto di qualità:
Sostituire la combustione con altri processi di ossidazione
Ennio Macchi
8Benefici del passaggio a metano: significativi, ma non risolutivi
0
100
200
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400
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800
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Regno
Unito
Italia
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Svezia
EU 25
USACin
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g/kWh
termo
totale
L’Italia è la più virtuosa al mondo (riferimento termoelettrico)
Fa meglio della Germania (riferimento termoelettrico e totale)
Fa enormemente peggio di Francia e Svezia
Confronto delle emissioni specifiche medie nella generazione elettrica (dati 2006)
Ennio Macchi
9L’Italia nel confronto internazionale – Prezzo dell’energia elettrica per uso industriale
4,4 4,7
5,3 5,4 5,4 5,4 5,5
6,3 6,4
7,07,5
7,8 7,98,1 8,1 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,3 9,5 9,5 9,6
10,3 10,5
11,3
Lett
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27
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Cipr
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Irla
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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
Ennio Macchi
10L’Italia nel confronto internazionale – Prezzo dell’energia elettrica per uso domestico
5,55,8
6,4 6,6 6,6
8,6 8,8 8,9 9,0 9,2 9,2 9,410,0 10,2 10,5
10,911,7 11,7 11,8
12,3 12,512,9
14,0 14,2 14,3 14,715,1
16,6
Bulg
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Lett
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ia
Prezzo dell’energia elettrica per uso domestico, 1 gennaio 2007
(Euro per 100 KWh, tasse escluse)
Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat, 2007
Ennio Macchi
11Percentuale di energia elettrica prodotta dalla somma delle centrali a carbone ed elettronucleari rispetto alla produzione complessiva
0
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*
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Mon
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%
200320042005
E’ evidente l’anomalia italiana
Ennio Macchi
12Conclusioni (riferite all’Italia)
E’ illusorio sperare di abbattere in misura significativa le emissioni agendo sulle tecnologie di conversione termoelettrica e sul mix di combustibili fossili, ciò non toglie che è necessario migliorare le prestazioni delle centrale a carbone (da 34% si può arrivare a 45%)
Accentuare la già anomala dipendenza dal GN sembra autolesionistico
Ennio Macchi
13Quale fonte per l’energia del futuro?
Saranno certamente molte, classificabili in tre diverse tipologie:• Nucleare da fissione
• Fossili (ma con il sequestro della CO2)
• Rinnovabili
Non sono in concorrenza, la sfida è tanto difficile che servono tutte!
Al momento, le prospettive non sono molto brillanti per nessuna delle tre soluzioni
Ennio Macchi
14Ci sarà il rinascimento nucleare?
• Allo stato attuale delle conoscenze, non c’è dubbio: Se si penalizzano le centrali a combustibile fossile con una
“carbon tax” ragionevole, le centrali nucleari sono la soluzione economicamente più competitiva
• Mentre le tecnologie concorrenti “zero emission” (rinnovabili, CCS) hanno ampi margini di miglioramento, l’evoluzione dei costi dell’energia nucleare è incerto
• In Italia (e in molti altri Paesi), non è facile ipotizzare un futuro per l’energia nucleare
Ennio Macchi
15Peso dell’energia nucleare nei vari paesi del mondo(% rispetto alla produzione totale)
0
10
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*
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%
1996
2005
Ennio Macchi
16Il programma francese
Ennio Macchi
Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (i)• Perché dobbiamo diversificare l’attuale mix
energetico con soluzioni che non aggravino ulteriormente i costi medi di produzione
• Le uniche due soluzioni (nucleare e carbone) realistiche per raggiungere questi obiettivi vanno perseguite entrambe, ma incontrano – per svariati motivi - formidabili difficoltà nel nostro Paese
• Almeno una delle due soluzioni dovrebbe vedere realizzazioni in tempi certi
17
Ennio Macchi
Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (ii)
• Perché l’energia nucleare è energia “pulita” e dobbiamo rispettare gli accordi internazionali di riduzione delle emissioni: risparmio/efficienza energetica e rinnovabili da soli non bastano
• Il trend di crescita della produzione di energia elettrica netta da fonti rinnovabili non consente troppe illusioni
18
Ennio Macchi
19La produzione di energia elettrica in Italia da fonti rinnovabili (escluso idroelettrico)
Produzione lorda totale (2006) 314 TWh
Consumo lordo di e.e. (2006) 359 TWh
024
68
1012
141618
solar
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1999
2007
Nel 2008 eolico 6,437 TWh, PV 0,200 TWh
Ennio Macchi
20Il valzer delle generazioni: conviene aspettare la quarta???
Ennio Macchi
Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (iii)• Perché lasciar passare 20/30 anni in attesa di una
fantomatica quarta generazione non ha senso: sarebbe un’attesa troppo lunga, perché aspettare?
• I temi della sicurezza, delle scorie, ecc. sono importanti, ma..
• I reattori che potremmo ordinare a breve termine non sono certamente peggiori da questi punti di vista (sicurezza, scorie) rispetto ai reattori che operano in ogni altra nazione civile. Perché dobbiamo essere l’unico Paese che rinuncia alla produzione di energia da nucleare?
21
Ennio Macchi
22Perché l’Italia ha bisogno di elettricità da fonti rinnovabili?
• Perché è un trend virtuoso, perseguito in tutto il mondo
• Perché hanno potenziali di sviluppo enormi, soprattutto l’energia solare
• Perché ci siamo impegnati a livello internazionale
• Perché oggi sono sostenibili solo con forti(ssimi) incentivi, ma la speranza è che possano nel lungo termine divenire competitive
Ennio Macchi
23Qual prospettive per le rinnovabili?
I maggiori contributi verranno:• da eolico
• biomasse (per avere rendimenti elevati, o utilizzo cogenerativo o co-combustione)
• L’Italia non è il Paese più favorito (per entrambi)
Servono nuove idee…
Ennio Macchi
Gli incrementi percentuali fanno riflettere….24
Ennio Macchi
25Gli unici aumenti significativi: eolico e biomassa (ritmo di crescita complessivo: 40 TWh/anno)
Fonte:
Ennio Macchi
26Dopo questo impianto, una pausa di 20 anni
Ennio Macchi
27Novità recente: un impianto solare termodinamico in Nevada da 64 MW
Costo = 250 M$
Ennio Macchi
Ci sono enormi spazi per migliorare le prestazioni28
LA SFIDA E’ NELL’ABBATTIMENTO DEI COSTI
UTILIZZANDO UN MILLESIMO DELLA SUPERFICIE NORDAFRICANA SI PRODUCE TUTTA L’ELETTRICITÀ CHE SERVE AL MONDO
Ennio Macchi
Ennio Macchi
Ennio Macchi
EGS = Enhanced/Engineered Geothermal Systems
Ennio Macchi
Ennio Macchi
Ennio Macchi
34ESISTE UNA SOLUZIONE A LUNGO TERMINE PER AZZERARE (O COMUNQUE RIDURRE DRASTICAMENTE) LE EMISSIONI DI CO2
• Il sequestro e il confinamento geologico della CO2 :• Nel mondo si cominciano a fare esperienze su larga
scala
• E’ un errore costruire oggi centrali a carbone che non sequestrano la CO2 ?
• Lo fanno tutte le utilities del mondo ……• E’ possibile pensare a una trasformazione successiva
delle centrali che introduca il sequestro della CO2
• La soluzione può essere applicata a centrali “capture ready” , ma, nell’attuale contesto normativo è fortemente penalizzante in termini economici
Ennio Macchi
35CENTRALI “ZERO EMISSIONS”(con sequestro di CO2)
Impianti alimentati mediante combustibili fossili che co-producono elettricità e/o idrogeno (eventualmente anche calore) e, invece di rilasciare la CO2 generata in atmosfera, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lo stoccaggio di lungo periodo.
idrogeno
elettricitàcalore
CARBONEIDROCARBURI
RIFIUTI
CO2
Aria umida tiepida
Ennio Macchi
36I sistemi di confinamento
Ennio Macchi
37
Sleipner A
Sleipner T
Utsir aFor mation
Heimdal Formation
Sleipner ØstProduction and Injection Wells
CO 2
CO 2 Injection Well1000m
2000m
2500m
0
500m
1500m
1000m
0 500m
1500m
Soltanto l’acquifero salino Utsira, sotto al Mare del Nord può ospitare
600 miliardi di tonn. CO2600 miliardi di tonn. CO2: tutte le emissioni del Nord Europa di 300 anni di produzione
di energia elettrica (da IEA, www.ieagreen.org.uk)
Le grandi potenzialità degli acquiferi salini
Ennio Macchi
38SITI DI INIEZIONE di CO2 in Italia
Costa adriatica e Fossa Bradanica
Pianura Padana e offshore adriatico settentrionale
Alcune strutture offshore Alto Lazio
Sardegna: in carbone profondo Sulcis (ECBM)
INGV & partners studiano come potenziali siti soprattutto:
Ennio Macchi
39Le probabilità di fuga ….
Ennio Macchi
40Con le tecnologie attuali, il costo dell’energia cresce di circa il 50%
Ennio Macchi
Idrogeno liquido da carbone “pulito”41
Ennio Macchi
42
Sottostazioni
Utenze Commerciali
Utenze Industriali
Utenze CommercialiUtenti residenziali
MOTORI
MOTORI
Fuel cellMotori
TG
VolaniBATTERIE
FUEL CELLTurbina a Gas
Sottostazioni
Utenze Commerciali
Utenze Industriali
Utenze CommercialiUtenti residenziali
MOTORI
MOTORI
Fuel cellMotori
TG
VolaniBATTERIE
FUEL CELLTurbina a Gas
Micro-tri-cogenerazione da GN (idrogeno) + fonti rinnovabili DISTRIBUITA
Prospettiva interessante:la generazione distribuita (GD)
Ennio Macchi
43Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili)
Taglia impianto [kW]
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%
0 1 10 100 1000 104 105 106
0
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Celle a combustibile (Cap.5)
MCFC
Mot.Stirling
(Cap. 3)
Cicli ibridi con FC + turbina a gas (Cap. 5.6)
TPV(Cap. 6)
Micro-turbine a gas (Cap. 4)
Ciclicombinati
USC e IGCC
TG AD
TV
TG HD
PAFCSOFC
PEM
Motori a c.i (Cap. 3.1)
MICRO MINI
Ennio Macchi
44PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO (almeno da parte mia..) PER LA MICROCOGENERAZIONE 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 con la microcogenerazione 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
Ennio Macchi
45GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI !
BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3%
SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%
Ennio Macchi
46
Ennio Macchi
CICLI IBRIDI (FUEL CELL + TG)
RENDIMENTI oltre il 70%
Ennio Macchi
48Dai grandi impianti ai micro-impianti…
Non c’è solo la grande cogenerazione industriale
L’Italia è piena di PMI
Terziario
Residenziale
Ennio Macchi
49Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così….
Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella cucina
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
Ennio Macchi
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PEFC Stack
Air compressor
Reformer
Hydrogen
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Compressed Air
Inverter
City Gas
DCPower
ACPower
Heat
Heat Exchanger
HotWater
HotWater
Hot Water Tank
Back-up Burner
PEFC System Structure
Ennio Macchi
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IHISanyoEbara/Ballard Nippon Oil
Toshiba/IFC Toyota Nuvera Matsushita MHI
PEFC La soluzione piùLa soluzione più attraente ( a lungo termine..)
Ennio Macchi
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BUON LAVORO A TUTTI I PRESENTI!
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