”Fonti e tecnologie energetiche, oggi e
domani”
Ennio Macchi
Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano
Congresso ATI 2009
2
Premesse
 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
Premesse (2)
3

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
Una “rivoluzione tecnologica” nel settore elettrico
italiano è avvenuta
Andamento temporale dei rendimenti elettrici del parco termoelettrico italiano
solidi
55
50
prodotti petroliferi
45
gas naturale (solo energia
elettrica)
%
40
gas naturale CC (solo
energia elettrica)
35
30
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Per il gas naturale: grandi progressi, siamo prossimi all’asintoto (già
raggiunto per i cicli combinati)
Per il carbone: grandi margini di miglioramento!
Ennio Macchi
4
Ennio Macchi
Net electric efficiency (LHV), %
62
CL-SC+SC
61
CL-SC
60
1300 1300 1275
59
OL-AC+SC
1300
1300 1300 1300
58
OL-AC
57
56
1250
1300
1350
1400
1450
Turbine
inlet temperature, °C
Ennio Macchi
1500
combustion
overall blade cooling
cooling heat transfer
coolant discharge
coolant pressure
losses
compressor
gas turbine fluid-dynamic losses
steam turbine
HRSG heat transfer
condenser
miscellaneous in steam cycle
elec./org./auxiliaries losses
thermal losses
leakages and filters
heat rejection at stack
combustor
useful work
LHV efficiency, %
specific work, kJ/kgair
Operating conditions:
Pressure ratio
HP turbine TIT, °C
TIT, °C
OL-AC
CL-SC
OL-AC +SC CL-SC +SC CL-MC
25.48 24.39 25.93 24.38 25.89
3.77
0.91
2.79
0.08
1.76
2.30
2.11
2.02
1.45
0.25
1.69
1.11
0.45
1.14
25.48
56.45
58.39
641.5
3.98
1.42
2.49
0.07
1.66
2.39
2.04
2.08
1.51
0.29
1.67
1.21
0.43
1.13
24.39
57.23
59.20
754.2
2.18
0.86
1.31
0.01
1.68
2.22
2.03
1.79
1.42
0.25
1.69
1.09
0.43
1.13
25.93
58.16
60.16
730.2
2.84
1.13
1.70
0.02
1.52
2.13
1.98
1.92
1.45
0.30
1.66
1.15
0.42
1.13
24.38
59.10
61.13
875.2
2.38
0.88
1.39
0.11
1.68
2.22
2.04
1.84
1.43
0.24
1.69
1.09
0.42
1.13
25.89
57.94
59.93
728.6
20
23
23
30
30
 1290  1430 
1430 1430 1430 1430 1430
Ennio Macchi
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
Benefici del passaggio a metano: significativi, ma non risolutivi
Confronto delle emissioni specifiche medie nella generazione elettrica (dati 2006)
g/kWh
1000
900
termo
800
totale
700
600
500
400
300
200
100
m
on
do
in
a
C
SA
U
25
EU
*
Sp
ag
na
Sv
ez
ia
Ita
l ia
Fr
an
ci
R
a
eg
no
Un
ito
G
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m
an
ia
0
 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
Ennio Macchi
8
L’Italia nel confronto internazionale – Prezzo
dell’energia elettrica per uso industriale
9
Prezzo dell’energia elettrica per uso
industriale, 1 gennaio 2007
(Euro per 100 KWh, tasse escluse)
11,3
9,2
9,3
9,5
9,5
9,6
Paesi Bassi
Slovacchia
Germania
Regno Unito
Lussemburgo
UE-27
9,0
Malta
Ungheria
8,8
Belgio
8,2
8,6
Portogallo
8,1
8,4
Romania
8,1
Spagna
7,9
Austria
7,5
7,8
Rep. Ceca
10,3
10,5
5,4
5,5
Francia
Polonia
Finlandia
Lituania
Danimarca
5,4
6,4
Svezia
5,4
6,3
Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat, 2007
Ennio Macchi
Irlanda
Cipro
Italia
Slovenia
Grecia
4,7
Bulgaria
Lettonia
4,4
5,3
Estonia
7,0
L’Italia nel confronto internazionale –
Prezzo dell’energia elettrica per uso domestico
10
Prezzo dell’energia elettrica per uso
domestico, 1 gennaio 2007
(Euro per 100 KWh, tasse escluse)
16,6
14,3
14,0 14,2
12,9
Italia
Lussemburgo
Irlanda
Germania
Portogallo
Paesi Bassi
Slovacchia
Regno Unito
Belgio
Cipro
UE-27
Danimarca
Fonte: rielaborazione The European House - Ambrosetti su dati Eurostat, 2007
Ennio Macchi
15,1
10,9
Svezia
Malta
10,5
Austria
Francia
Ungheria
Polonia
10,0 10,2
Spagna
9,2
Rep. Ceca
Grecia
9,2
Slovenia
6,6
9,0
Finlandia
6,6
8,9
9,4
8,6
8,8
Romania
6,4
Lituania
Lettonia
Bulgaria
5,5
5,8
Estonia
11,7 11,7 11,8
12,3 12,5
14,7
Percentuale di energia elettrica prodotta dalla somma delle centrali
11
a carbone ed elettronucleari rispetto alla produzione complessiva
90
E’ evidente l’anomalia italiana
80
70
60
50
%
40
30
20
2003
2004 2005
10
on
do
M
25
*
EU
15
*
EU
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*
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Ennio Macchi
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m
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G
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R
ne
pp
o
G
ia
in
a
C
U
SA
0
Conclusioni (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
12
Quale 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
13
Ci 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
14
Peso dell’energia nucleare nei vari paesi del mondo
(% rispetto alla produzione totale)
15
90
1996
80
2005
70
60
50
%
40
30
20
10
Fr
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ci
R
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no
Un
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Ita
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**
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M
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co
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st
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EU
15
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M
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G
G
ia
pp
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e
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us
si
a
0
Ennio Macchi
Il programma francese
Ennio Macchi
16
Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (i)
17
• 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
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
Ennio Macchi
18
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1999
to
ta
le
ge
ot
er
m
ic
o
SU
R
bi
om
as
eo
l ic
sa
Produzione lorda totale (2006) 314 TWh
Consumo lordo di e.e. (2006) 359 TWh
o
2007
so
la
re
[TWh]
La produzione di energia elettrica in Italia da fonti
rinnovabili (escluso idroelettrico)
Nel 2008 eolico 6,437 TWh, PV 0,200 TWh
Ennio Macchi
19
Il valzer delle generazioni:
conviene aspettare la quarta???
Ennio Macchi
20
Perché l’Italia ha bisogno di energia nucleare (iii)
21
• 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?
Ennio Macchi
Perché 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
22
Qual 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
23
Gli incrementi percentuali fanno riflettere….
Ennio Macchi
24
Gli unici aumenti significativi:
eolico e biomassa (ritmo di crescita complessivo: 40 TWh/anno)
Fonte:
Ennio Macchi
25
Dopo questo impianto, una pausa di 20 anni
Ennio Macchi
26
Novità recente: un impianto solare termodinamico in
Nevada da 64 MW
Costo = 250 M$
Ennio Macchi
27
Ci sono enormi spazi per migliorare le prestazioni
LA SFIDA E’
NELL’ABBATTIMENTO DEI
COSTI
UTILIZZANDO UN MILLESIMO
DELLA SUPERFICIE
NORDAFRICANA SI
PRODUCE TUTTA
L’ELETTRICITÀ CHE SERVE
AL MONDO
Ennio Macchi
28
Ennio Macchi
Ennio Macchi
EGS = Enhanced/Engineered Geothermal Systems
Ennio Macchi
Ennio Macchi
Ennio Macchi
ESISTE UNA SOLUZIONE A LUNGO TERMINE PER AZZERARE
(O COMUNQUE RIDURRE DRASTICAMENTE) LE EMISSIONI DI CO2
34
• 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
CENTRALI “ZERO EMISSIONS”
(con sequestro di CO2)
35
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.
CARBONE
IDROCARBURI
RIFIUTI
Aria umida tiepida
idrogeno
elettricità
calore
CO2
Ennio Macchi
I sistemi di confinamento
Ennio Macchi
36
37
Le grandi potenzialità degli acquiferi salini
Sleipner A
Sleipner
0
T
500
m
CO 2 Injection W ell
1000
m
CO 2
Utsir a
For mation
1500
m
Sleipner Øst
Production and Injection
Wells
2000
m
0
2500
m
500
m
1000
m
Heimdal Formation
Soltanto l’acquifero salino Utsira, sotto al Mare del Nord può ospitare
600 miliardi di tonn. CO2: tutte le emissioni del Nord Europa di 300 anni di produzione
di energia elettrica (da IEA, www.ieagreen.org.uk)
Ennio Macchi
1500
m
SITI DI INIEZIONE di CO2 in Italia
38
INGV & partners studiano come
potenziali siti soprattutto:
Costa adriatica e Fossa Bradanica
Pianura Padana e offshore adriatico
settentrionale
Alcune
Lazio
strutture
Sardegna: in
Sulcis (ECBM)
Ennio Macchi
offshore
carbone
Alto
profondo
Le probabilità di fuga ….
Ennio Macchi
39
Con le tecnologie attuali, il costo dell’energia cresce di
circa il 50%
Ennio Macchi
40
Idrogeno liquido da carbone “pulito”
Ennio Macchi
41
Prospettiva interessante:la generazione distribuita (GD)
Micro-tri-cogenerazione da GN (idrogeno) + fonti rinnovabili
DISTRIBUITA
MOTORI
TG
Motori
Sottostazioni
Fuel
cell
MOTORI
BATTERIE
Utenze
Commerciali
Volani
FUEL CELL
Utenti residenziali
Turbina a Gas
Utenze Industriali
Ennio Macchi
Utenze
Commerciali
42
Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili) 43
80
Cicli ibridi con FC + turbina a
gas (Cap. 5.6)
Rendimento elettrico, %
70
Cicli
combinati
Celle a combustibile
(Cap.5)
60
50
C
SOF
FC
PA
40
TV
PEM
Mot.
Stirling
(Cap. 3)
30
C
MCF
USC e
IGCC
TG HD
20
TG AD
Micro-turbine a gas
(Cap. 4)
10
Motori a c.i (Cap. 3.1)
TPV
(Cap. 6)
0
0
1
MICRO
10
100
1000
MINI
Taglia impianto [kW]
Ennio Macchi
104
105
106
PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO (almeno da parte mia..) PER LA
MICROCOGENERAZIONE A GAS NATURALE?
•
•
•
•
•
•
•
44
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
GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI
!
45
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
Dai grandi impianti ai micro-impianti…
48
Non c’è solo la grande
cogenerazione industriale
L’Italia è piena di PMI
Terziario
Residenziale
Ennio Macchi
Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di
49
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
50
Back-up Burner
Hot Water Tank
Ai
r
Air compressor
PEFC Stack
Compressed
Air
Heat Exchanger
Hydroge
n
Reformer
Heat
Water
DC
City
Gas
Hot
Hot
Power
Water
AC
Power
Inverter
PEFC System Structure
Ennio Macchi
PEFC La
La soluzione
soluzione più
più attraente ( a lungo termine..)
Ebara/Ballard
51
Sanyo
Nippon Oil
Matsushita
MHI
IHI
Toshiba/IFC
Toyota
Nuvera
Ennio Macchi
52
BUON LAVORO A TUTTI I PRESENTI!
Ennio Macchi