Economia dell’ambiente e dell’energia A.A. 2012-2013 Modulo VI L’energia nucleare e le energie rinnovabili
• Ferrari, M. (2011) “L’energia nucleare” in Economia dell’energia, a cura di P. Ranci, il Mulino Bologna: 205-236 • Faiella, I.-Lavecchia, L. (2012) “Costi e benefici del rilancio dell’energia nucleare in Italia”, Banca d’Italia Occasional Papers, n. 114, febbraio • Bobbio,D.-Cirillo,M. (2011) “Le fonti di energia rinnovabile” in Economia dell’energia, a cura di P. Ranci, il Mulino Bologna: 167-204
L’energia nucleare: dimensioni • 30 paesi possiedono almeno 1 reattore attivo • A fine 2011 a livello mondiale erano in funzione 435 reattori, 5 erano in fase di chiusura definitiva e 65 in costruzione
Total electric power supply OECD 2011 Geoth./Wind/Solar/Other 4%
Hydro 14%
Nuclear 20%
Combustible Fuels 62%
Reactors in Operation Usa France Japan Russia Korea S. India Canada UK China Ukraine Sweden Germany Spain Belgium Czech Rep. Switzerland Finland Hungary Slovakia Pakistan Bulgaria Brazil South Africa Romania Mexico Argentina Iran Slovenia Netherlands Armenia
Fonte: IEAE – Pris NUCLEAR POWER REACTORS IN THE WORLD 2012 Edition
Reactors in Operation
0
20
40
60
80
100
120
Fonte: IEAE – Pris NUCLEAR POWER REACTORS IN THE WORLD 2012 Edition
Reactors Under construction 2011
Reactors under construction 2011: nr & capacity
Argentina
1
692
Finland
1
1600
Brazil
1
1245
Usa
1
1165
France
1
1600
Pakistan
2
630
Slovakia
2
782
Ukraine
2
1900
Japan
2
2650
Bulgaria
2
1906
Korea S.
5
5560
India
7
4824
Russia
10
8188
China
26
26620
Nuclear power distrib. 2011 S. America Africa 1% 1% Asia 5%
N. America 31%
Middle East 0%
Eurasia 10%
Asia Pacific 17%
EU 35%
Nuclear Power Distr. Europe Finland 2% Germany 10% Spain 6% Sweden 7% Slovenia 1%
Belgium 5%
Switzerland 3% Romania 1% Czech Rep. 3% Netherlands 0% Hungary 1%
France 50%
UK 8%
Bulgaria 2%
Slovakia 1%
La tecnologia elettronucleare I principi fondamentali: •Nel c.d. nocciolo del reattore si svolge la reazione a catena durante la quale gli atomi di uranio si scindono, producendo energia termica •Il processo viene controllato mediante un “moderatore” (grafite, acqua, leggera o pesante) •Un fluido (acqua o gas) detto coolant, trasferisce il calore permettendo così di azionare la turbina che a sua volta aziona il generatore di energia elettrica. •I reattori si differenziano per il tipo di moderatore e di coolant e per il tipo di materiale fissile (uranio naturale, arricchito, MOX, etc.)
Le “generazioni” • Generazione I: Le prime centrali elettronucleari nascono negli anni 50 (1954 in URSS, 1956 e 1957 in UK e USA) • Generazione II: dagli anni 60, si affermano diversi “modelli” di reattore. Il più diffuso (tuttora) è il PWR (pressurized water reactor), in cui l’acqua fa sia da moderatore che da coolant. In URSS si afferma il LWGR (light water grafite reactor) che è il tipo di reattore operante a Chernobyl • Generazione III e III+ : dall’inizio degli anni 2000, l’evoluzione si orienta verso maggiore sicurezza e nella gestione delle scorie • Generazione IV: progetto di ricerca promosso da 9 paesi nel 2000. Nel 2003 aderisce Euratom. Il primo prototipo è atteso per il 2030.
Il combustibile Il combustibile (termine improprio in quanto non avviene combustione) è l’uranio 235, che in natura si trova in concentrazioni molto basse. Va perciò “arricchito” Dopo l’utilizzo, le scorie contengono ancora uranio 235, altri isotopi dell’uranio e plutonio. Riprocessandole, si ottiene MOX (Multi Oxyde Fuel) che può essere riutilizzato come combustibile. Esistono varie stime circa i tempi di esaurimento delle riserve esistenti di uranio, che oscillano tra i 60 e gli 80 anni.
Uranium Proven Reseves 2008 Uzbekistan 2% Jordan 2% Ukraine 4%
India ChinaMongolia 1% 2% 1%
Australia 24%
Niger 5%
Namibia 5% Brazil 5% Kazakhstan 16%
USA 7% Canada 8% South Africa 8%
Fonte: EU Energy portal
Russia 10%
La “sicurezza” nucleare Gli incidenti collegati agli impianti nucleari sono classificati secondo la scala INES (International Nuclear Event Scale) che comprende 7 livelli da 1 ((anomalia): evento che si differenzia dal normale regime operativo, che non coinvolge malfunzionamenti nei sistemi di sicurezza, né rilascio di contaminazione, né sovraesposizione degli addetti. a 7 (incidente molto grave): evento causante rilascio importante di radionuclidi, con estesi effetti sulla salute e sul territorio.
Gli incidenti nucleari finora noti sono 14 di cui • 7 di grado 4 (incidente senza rischio esterno) • 4 di grado 5 (incidente con rischio esterno) Three Mile Island (1979) • 1 di grado 6 (Majak, URSS 1957) • 2 di grado 7 (Chernobyl 1986 e Fukushima 2011)
• Le stime dei costi materiali e umani degli incidenti è difficile, specialmente per i più gravi in cui gli effetti sull’ambiente,la salute umana e anche l’economia sono prolungati nel tempo (questa è una caratteristica generale delle catastrofi ambientali, come il recente episodio del Golfo del Messico) • Si tratta del tipico caso di eventi a bassa probabilità ma con conseguenze gravissime (v. l’incidente di Fukushima) • Negli ultimi anni ai normali fattori di rischio si sono aggiunti quelli derivanti dal terrorismo
Le scorie I rifiuti nucleari si possono dividere in • Very Short-Lived Waste: (rifiuti medici e di ricerca) • Very Low Level Waste: (stoccabili in siti di superficie) • Low Level waste: come i precedenti, ma necessitano di centinaia di anni di contenimento • Intermediate level waste: maggiore radioattività ed emissione di calore dei precedenti. Depositi sia in superficie che in profondità con particolari caratteristiche di contenimento e isolamento • High level waste: esclusivamente in depositi di profondità in siti geologicamente stabili (3% del totale 90% delle radiazioni) • Nessun paese ha finora individuato depositi definitivi per gli HLW
Le fonti rinnovabili • Quali fonti sono considerate rinnovabili ? “eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice,idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas. In particolare, per biomasse si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”. • D.Lgs. 29/12/2003 n. 387
Vantaggi delle fonti rinnovabili • Non esauribilità o riproducibilità • Impatto ambientale limitato (non nullo: paesaggio (eolico, geotermico, idroelettrico) suolo (biofuels, geotermico, idroelettrico), alterazione complessiva dell’ambiente (idroelettrico) • Carattere locale delle fonti (indipendenza energetica)
Problemi delle fonti rinnovabili • Estrema dipendenza da caratteristiche locali • Discontinuità nella disponibilità di alcune fonti (eolico, fotovoltaico, idroelettrico fluente) che comportano tipicamente problemi nel dispacciamento
Ren.Share in Final consumption % change 2004-2010 Malta Luxembourg United Kingdom Belgium Ireland Germany Netherlands Cyprus Hungary Italy Spain Slovakia EU (27 countries) Czech Republic Denmark Bulgaria Romania France Poland Greece Estonia Austria Portugal Sweden Slovenia Lithuania Finland Norway Latvia Croatia -1
Ren.Share in Final consumption % change 2004-2010
0
1
2
3
4
Share of renewables in gross electricity consumption 25
20
15 EU27 10
5
0
Italy
Levelized cost of Energy (LCOE) Definendo It mt ft rispettivamente come le spese di investimento, manutenzione, e combustibile da sostenere al tempo t, il Levelized Cost of Energy si definisce come segue (Et è l’energia prodotta al tempo t)
T t I t m t f t t0 LCOE T tE t t0
Ed è il prezzo costante a cui l’energia dovrebbe essere venduta in modo da coprire tutti i costi di investimento e di funzionamento di un impianto, tenendo conto del costo del capitale (β è il fattore di sconto)
Supponendo che i costi d’investimento si sostengano solo nei primi Z periodi (periodo di costruzione) la formula può essere distinta in due componenti: Z T t I t t m t f t t0 tZ1 LCOE T T t tE t t0 E t t0
E’ evidente che se confrontiamo due diversi impianti, l’esito del confronto dipende in modo cruciale dai tempi di costruzione, dalla vita utile dell’impianto (T-Z), dal fattore di sconto e dal profilo di utilizzo dell’impianto (la sequenza degli Et )
US Energy Information Administration “Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2012”
• • •
Tutti gli impianti devono recuperare i costi entro 30 anni Il costo del capitale è fissato al 6.8 % A questo è aggiunto un 3% per gli impianti a carbone, il cui alto impatto ambientale può richiedere in futuro adeguamenti o l’acquisto di diritti /pagamento di una carbon tax
Total LCOE Solar Thermal Solar PV1 Advanced Coal with CCS Conventional Combustion Turbine Biomass Advanced Nuclear Advanced Coal Total LCOE
Advanced Combustion Turbine Geothermal Conventional Coal Wind Advanced CC with CCS Hydro2 Conventional Combined Cycle Advanced Combined Cycle 0
50
100
150
200
250
300
Capital LCOE Solar Thermal Solar PV1 Advanced Coal with CCS Advanced Nuclear Wind Hydro2 Geothermal Advanced Coal
Capital LCOE
Conventional Coal Biomass Conventional Combustion Turbine Advanced CC with CCS Advanced Combustion Turbine Advanced Combined Cycle Conventional Combined Cycle 0
50
100
150
200
250
Variable Op. & Maint. costs Conventional Combustion Turbine Advanced Combustion Turbine Advanced CC with CCS Conventional Combined Cycle Biomass Advanced Combined Cycle Advanced Coal with CCS Advanced Coal
Variable Op. & Maint. costs
Conventional Coal Advanced Nuclear Geothermal Hydro2 Solar Thermal Solar PV1 Wind 0
20
40
60
80
100
Total Op.&Maint./Total Conventional Combined Cycle Advanced Combined Cycle Advanced Combustion Turbine Conventional Combustion Turbine Advanced CC with CCS Biomass Advanced Coal with CCS Conventional Coal
Total Op.&Maint./Total
Advanced Coal Geothermal Advanced Nuclear Solar Thermal
Hydro2 Wind Solar PV1 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Capital LCOE/total Solar PV1 Hydro2 Wind Solar Thermal
Advanced Nuclear Geothermal Advanced Coal Conventional Coal
Serie1
Advanced Coal with CCS Biomass Advanced CC with CCS Conventional Combustion Turbine Advanced Combustion Turbine Advanced Combined Cycle Conventional Combined Cycle 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
