Università di Pisa
Sistemi per la generazione di elettricità in
una prospettiva di sviluppo sostenibile
Electricity generation systems for a
sustainable development
Francesco Oriolo, Sandro Paci
6-10-1973
Guerra del Kippur
11-9-2001
Torri Gemelle
Gas Naturale +5%
Nucleare +6%
Carbone -1.5%
Petrolio -10.1%
IEA Key World Energy Statistics 2003
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Energy is essential to economic and social development and improved quality of the life.
Much of the world’s energy however, is currently produced and consumed in ways that
could not be sustained if technology were to remain constant and if overall
quantities were to increase substantially
Agenda 21 Chapter 9
Progresso Storico dell’Efficienza Termodinamica
Lo sviluppo della
scienza e della
tecnologia ha portato ad
un uso più razionale ed
efficiente delle risorse
I progressi della
tecnologia nel campo
dell’industria
automobilistica sono
stati “spesi” nello stile di
vita – aumento cilindrate
G.P. Berretta, UIT Genova 2004
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Negli ultimi duemila anni, il fabbisogno complessivo è aumentato di ben
70 volte, la popolazione è aumentata di 20 volte e il consumo pro capite è
poco più che triplicato passando da 0.11 tep (per la sopravvivenza), 0.45
(età del bronzo), 0.5 (Italia del 1900), 1 (Italia del 1939) a 3.5 (Italia 2000)
G.P. Berretta, UIT Genova 2004
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Indici Energetici ed Aspettative di Vita
G.P. Berretta, UIT Genova 2004
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Scenario Riferimento OECD 2002
6000
5
Tasso di crescita medio annuo
Consumi finali di energia
5000
4000
4.5
OECD
Transition economy
PVS
OECD
Transition economy
PVS
4
2.9
3000
%
Mtep -
3
2
2000
1.3
1.2
1.1
1
1000
0.6
0
0
1971
2000
2010
2020
2030
1971 -2000
Anno
16000
8
2001-2030
7.5
Energia elettrica generata
12000
Tasso di crescita medio annuo
7
OECD
Transition economy
PVS
OECD
Transition economy
PVS
6
8000
%
TWh -
5
4
4
3.2
3
4000
2
1.7
1.9
1.5
1
0
0
1971
2000
2010
2020
2030
1971 -2000
2001-2030
Anno
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6
20000
Emissioni di CO2
16000
OECD
Transition economy
PVS
Mt
12000
8000
4000
0
1971
2000
2010
2020
2030
Anno
300
Emissione C02 vs. 1990
250
OECD
Transition economy
PVS
200
%
150
100
50
0
2000
2010
2020
2030
-50
Anno
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Scenari Energetici
US Interlaboratory Working Group, 2000
A1) alto sviluppo economico e bassa
crescita demografica
A2) basso sviluppo economico ed alta
crescita demografica
B1) medio sviluppo economico e medioalta crescita demografica
B2) medio-basso sviluppo economico,
media-alta crescita demografica
• Lo scenario A1 significa un rilancio
dell’energia nucleare (con impianti ad alta
efficienza energetica) e delle energie
rinnovabili, con probabile avvio
dell’economia dell’idrogeno
• Possibile dimezzamento delle attuali
concentrazioni di CO2 in atmosfera
2020
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2050
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Valutazione delle Esternalità Ambientali
A cost or benefit that is not included in the market price of a good
because it is not included in the supply price or the demand price
(Pearce & Turner, 1989)
• Le valutazioni di tutti i costi per l'ambiente, lungo tutta la catena
produttiva termoelettrica sono stati finora trascurati
• Nel costo del kWh devono essere introdotte le “esternalità ambientali”
cioè gli apporti della catena produttiva (ciclo di vita), che comprende
l'estrazione, la lavorazione, il trasporto e l'uso del combustibile, i
materiali necessari per la costruzione delle centrali, il trattamento dei
residui inquinanti e la restituzione del sito per altri usi
• Un esempio della valutazione delle “esternalità” ambientali dell’intero
ciclo di vita, per la Germania, è riportato nella figura seguente
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Electricity generation from fossil fuels, nuclear energy or renewable energy sources
leads to an increased level of air pollution, or to an increased exposure of the
population to ionising radiation, which in turn might cause an increased risk to the
health of the exposed population...
Alfred Voss Institute of Energy Economics and the Rational Use of Energy, Stuttgart (D)
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Total costs of various electricity generation technologies
Alfred Voss Institute of Energy Economics and the Rational Use of Energy, Stuttgart (D)
E' necessario che, a livello internazionale, vengano valutati
realisticamente i costi ambientali ed inglobati nei costi economici del
prodotto sulla base dei meccanismi di mercato, sempre più efficaci ed
a minor costo rispetto a norme governative ed a controlli burocratici
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• Quali saranno le tecnologie energetiche che nei
prossimi decenni potranno soddisfare la
crescita della domanda elettrica?
• Se oggi vogliamo anticipare le necessità di domani,
possiamo già individuare le forze che influenzeranno le
scelte dei prossimi decenni:
– La globalizzazione
– L’innovazione tecnologica:
 Il nucleare di IV generazione
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• La globalizzazione dell’economia e la libera
circolazione del denaro stanno accentuando le
disparità regionali
• Per affrontare il problema energetico è
necessario un nuovo modello di globalizzazione,
fondato sul pluralismo delle culture e sulle
specificità locali, poiché i meccanismi selvaggi
del mercato hanno mostrato i loro limiti
• Sono necessari progetti di R&D internazionali,
investimenti a lungo termine, la cooperazione tra
i popoli ed il trasferimento delle conoscenze
verso le popolazioni più svantaggiate
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Terza Generazione
Sono stai realizzati o in fase di realizzazione
reattori come AP-1000, System 80+, EPR,
ABWR, ecc.
Vantaggi
• Non emettono gas ad effetto
serra
• Costi del kWh competivi
Svantaggi
• Alto costo di capitale
• Sfruttamento limitato del
combustibile (non sostenibilità)
• Competitività economica
dipendente da Paese a Paese
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Sicurezza
Eco-sostenibilità
Competitività Economica
• Progettazione in base a sicurezza intrinseca ed eliminazione degli
incidenti con degradazione del nocciolo
• Rimozione calore di decadimento per circolazione naturale
• Taglia medio - piccola & modularità per ridurre il costo capitale al disotto
dei 1000 $ per kW istallato
• Tempo di costruzione inferiore ai 3 anni
• Spettro veloce o spettro termico. Sistemi sottocritici
• Refrigerati ad acqua, gas o metalli liquidi (Na, Pb, Pb-Bi)
• Utilizzo cicli U o U-Th ad alta efficienza nello sfruttamento delle materie
prime
• Impieghi: elettricità, desalinizzazione, calore, produzione idrogeno,
bruciamento delle scorie radioattive
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Obiettivi
• La sostenibilità nei nuovi sistemi nucleari riguarderà l’effettivo
utilizzo del combustibile, la gestione sicura delle scorie radioattive
e la resistenza alla proliferazione degli armamenti nucleari
• I problemi più gravosi riguardano la gestione e l’eliminazione delle
scorie radioattive nell’intera catena, che dovranno essere ridotte
al minimo e considerate come una risorsa da utilizzare con
tecnologie avanzate
• Un evento con danneggiamento del nocciolo diviene poco credibile
e ciò permetterà di eliminare la necessità di predisporre piani di
emergenza e di evacuazione. Il sistema di contenimento servirà
essenzialmente a proteggere il reattore dagli eventi esterni, incluse
azioni di terrorismo
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Principali iniziative internazionali di R&D
• Carem-25 25 MWe – Argentina
• IRIS 150-350 MWe/PWR Westinghouse - Consorzio
internazionale
• PBMR 114 MWe/HTR Eskom - Sud Africa
• SMART 100 MWe/PWR KAERI – Corea
• NHR-200 200 MWth/PWR INET – Cina
• AHWR 220 MWe/HWR BARC – India
• BREST-300 300 Mwe/LCFR ENTEK – Russia
• ADS Accelerator Driven Subcritical System - Italia,
Francia, Giappone, UK, USA, Russia, etc.
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Progetto IRIS
•
Sviluppato da un consorzio internazionale tra
Industrie (Westinghouse come capo progetto,
Bechtel, BNFL, Ansaldo. Equipos Nucleares),
Enti di Ricerca (ORNL US, CNEN Brasile, LEI
Lituania, ININ Messico, OKBM Russia) e
Università (MIT, TIT Tokio, Pisa, POLIMI,
POLITO, Roma, Zagabria ed altre)
•
Reattore modulare ad acqua in pressione con
taglia da 100 a 350 MWe per modulo
•
Si basa sul principio di “safety by design” che si
prefigge di eliminare gli incidenti con nocciolo
degradato
•
Alto livello di sicurezza e di resistenza alla
proliferazione nucleare
•
L’elemento di combustibile ad alto bruciamento
permette di far funzionare il reattore per circa 4
anni senza arresti
•
Riduzione del costo di esercizio e di
manutenzione
•
Riduzione del volume delle scorie radioattive
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Bruciamento & Sistemazione Definitiva delle Scorie Radioattive
Accelerator Driven System (ADS)
•
Le scorie radioattive non presentano problemi che l'attuale
tecnologia non possa risolvere. Un impianto nucleare da 1000
MWe produce in un anno una quantità limitata di scorie
radioattive (circa 500 t, 200 t e 25 t rispettivamente a bassa,
media ed alta attività), contro le 300 ÷ 400 mila tonnellate di
ceneri di un impianto equivalente a carbone
•
L'attuale tecnologia permette la trasmutazione delle scorie ad alta
attività in media attività attraverso il bruciamento in reattori a
spettro veloce o spettro termico ad alto flusso
•
Altre soluzioni sono in fase di avanzata progettazione come il
Progetto ADS proposto dal Prof. Rubbia
•
L’Accelerator Driven System (ADS) si basa sull’accoppiamento
tra un acceleratore di particelle e un dispositivo sottocritico
nucleare
•
Il problema della sistemazione definitiva delle scorie non è di
natura tecnologica ma politica
•
Con l’eliminazione delle scorie ad alta attività i depositi attuali
verrebbero meglio sfruttati e diminuirebbe la richiesta di
realizzare nuovi depositi
•
E‘ necessario che l'opinione pubblica recepisca l'idea che il
deposito definitivo delle scorie radioattive non è una discarica
nucleare, ma un impianto tecnologico avanzato e come tale va
progettato e gestito
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Considerazioni conclusive
•
Le opzioni per produrre energia elettrica, nei prossimi 20 anni, saranno
probabilmente le stesse di oggi
•
La scienza e lo sviluppo sostenibile non devono avere frontiere ed hanno
bisogno di scelte politiche solidali e tempestive: l'energia elettrica da
biomasse, ad esempio, potrebbe essere molto interessante per i Pvs se
verrà facilitato l’accesso alla moderne tecnologie; ciò eviterà la competizione
con la scarsa disponibilità di terreni coltivabili per uso alimentare
•
Non devono essere incentivati
sistemi che non siano competitivi,
almeno localmente, evitando sussidi
e politiche protezionistiche
•
Un nuovo impulso alla conoscenza,
allo sviluppo di tutta la tecnologia
inclusa la tecnologia nucleare di IV
Generazione potrà dare una mano a
James Lovelock (EFN, association of
Environmentalists For Nuclear
Energy) per salvare GAIA
© EFN - Environmentalists For Nuclear Energy
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