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CCC/256

La disponibilità idrica e le politiche per la produzione di energia elettrica da carbone
Anne M Carpenter
Agosto 2015
L’acqua e l’energia sono beni di prima necessità per il benessere umano e la prosperità. Se da un lato il ciclo di prelievo, distribuzione dell’acqua e successivo trattamento dei reflui (indicato di seguito come industria idrica) è energeticamente dispendioso, è vero anche che l’industria energetica ha un elevato consumo idrico. Mente nell’industria idrica l’energia elettrica è utilizzata per il pompaggio, il trattamento e distribuzione, nonché per lo smaltimento e il trattamento delle acque reflue, nella generazione dell’energia elettrica l’acqua ha un grosso impatto in quanto è usata per estrarre, lavorare e trasportare la risorsa minerale, sia essa carbone, gas naturale, petrolio o uranio, e per la produzione di biocarburanti. Inoltre viene impiegata nella produzione dell’energia idroelettrica, ed è ampiamente utilizzata per il ciclo produttivo delle centrali termoelettriche, nonché nel controllo delle emissioni. Questa interdipendenza dell’acqua e dell’energia viene chiamata “nesso acqua-energia”.
La costante crescita della popolazione mondiale, insieme alla crescente urbanizzazione e industrializzazione e all’aumento degli standard di vita, soprattutto nei paesi che ora sono in via di sviluppo, sono tra le cause principali dell’aumento della richiesta energetica e idrica; inoltre molti di questi stessi paesi in via di sviluppo sono già in condizioni di scarsità idrica. Per soddisfare questa richiesta idrica occorrerà sfruttare intensamente le risorse di acqua dolce (si pensi che solo il 2,5% dell’acqua presente nel globo è dolce e di questa meno del 1% è accessibile da fonti di superficie – fiumi e laghi – o da falde acquifere). Tuttavia la risorsa idrica è generalmente una risorsa naturale rinnovabile (Figura 1), ma la sua disponibilità non è uniformemente distribuita nel pianeta a causa delle differenze climatiche e geografiche e a causa del diverso uso umano. Inoltre la quantità e la qualità dell’acqua non sono costanti durante l’anno, per cui alcune regioni affrontano delle criticità maggiori rispetto ad altre.
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Figura 1. Risorsa idrica rinnovabile totale pro capite (in m3) nel 2013 (WWAP, 2015).

Vi sono paesi che nonostante la loro abbondante diponibilità idrica a livello nazionale, vanno comunque incontro a periodi di criticità. Aree significative di quasi tutti i continenti sono sottoposte a un notevole stress idrico. Tali aree a maggior criticità si trovano in Cina, India, Nord e Sudafrica e l’America sud occidentale.

Questa condizione di criticità, dovuta per lo più alla riduzione delle precipitazioni, porterà entro il 2050 a una riduzione della risorsa idrica nelle regioni delle medie latitudini compresa tra il 20 e il 40%. Inoltre il progressivo cambiamento climatico può aggravare la situazione dei cicli dell’acqua che sono strettamente connessi al clima. A livello globale, l’agricoltura è l’attività che maggiormente sfrutta la risorsa idrica (circa il 70%), seguita dall’industria (circa 20%) e dall’uso domestico (10%).
Mentre le nazioni cercano di bilanciare le risorse idriche con la necessità di sostenere la crescita energetica, agricola e industriale, rispettando le richieste ecologiche per i prossimi decenni, è sempre più chiaro che l’acqua è un fattore chiave per il raggiungimento di un futuro energetico sicuro e sostenibile.
L’IEA ha stimato che la produzione di energia ha portato l’utilizzo di circa il 15% della risorsa idrica nel 2010, un ammontare di circa il 75% dell’acqua utilizzata in tutti i settori industriali.
La disponibilità idrica per la produzione di energia elettrica, in particolar modo quella prodotta nelle centrali elettriche a carbone, è attualmente molto critica per quattro paesi: Cina, India, Sudafrica e Stati Uniti. Questi quattro paesi nonostante siano i maggiori consumatori di carbone per il settore energetico, sono anche tra i dieci maggiori produttori di carbone al mondo; tali paesi hanno politiche energetiche nazionali diverse, che tuttavia mirano a garantire sistemi energetici sostenibili, convenienti economicamente ed affidabili.
Diversamente rispetto alla politica energetica, i quattro paesi suddetti, hanno politiche idriche diverse.
Cina
La Cina è il secondo Paese al mondo per consumi idrici; è responsabile del 14% circa dei prelievi globali (Reig e altri, 2014), ma è il terzo Paese più arido, avendo solo il 6% delle risorse idriche globali.
Le risorse idriche non sono uniformemente distribuite nel Paese; infatti, la regione meridionale è maggiormente ricca d’acqua, mentre le regioni settentrionali e centrali si trovano in condizioni di scarsità idrica, tuttavia sono anche luogo della maggior parte delle attività economiche e vi è un elevata percentuale di popolazione.
La Cina è il più grande produttore e consumatore di carbone; nel 2013 il consumo è stato circa metà del consumo mondiale di carbone. Nonostante le ampie riserve (la terza dopo USA e Russia), la Cina è attualmente il più grande importatore mondiale di carbone (IEA, 2014A).
A causa della scarsità idrica della regione, la sicurezza idrica è diventata una delle principali priorità del governo. La disponibilità idrica è diventata un fattore chiave per la futura pianificazione energetica del Paese. Per arrivare ad ottenere una sicurezza idrica duratura, il Paese sta ampiamente investendo in fonti rinnovabili (attualmente è il più grande investitore al mondo), anche se il carbone sarà ancora per molto tempo la fonte energetica principale. Nonostante il massiccio utilizzo di carbone nella produzione energetica, la Cina sta cercando si utilizzare dei processi che consentano un maggior risparmio idrico associato a tecnologie avanzate. A tal fine la maggior parte delle nuove centrali sarà realizzata in modo tale da sfruttare dei cicli di vapore di tipo supercritico o ultra supercritico, che utilizzano tra il 15 e il 20% in meno d’acqua, rispetto agli impianti a ciclo di vapore subcritico.
India
L’India è il secondo Paese più popoloso al mondo, tuttavia i due ostacoli principali alla sua crescita sono l’energia e l’acqua; di conseguenza, la disponibilità di risorse idriche è diventata fondamentale. L’India possiede solo circa il 4% del totale delle risorse idriche mondiali (Bhattacharya e Mitra, 2013). Le principali fonti di acqua dolce (ghiacciai e piogge) non sono equamente distribuite, sia geograficamente che stagionalmente, e ci sono ampie fluttuazioni annuali nella quantità di pioggia che cade nelle diverse parti del Paese. Inoltre la qualità dell’acqua sta diventando un problema importante in quanto la maggior parte dei fiumi sono inquinati a causa della mancanza di impianti di trattamento delle acque reflue, e delle acque sotterranee da sostanze inquinanti, limitando ulteriormente la disponibilità idrica.
L’India è stata nel 2013 il quarto maggiore consumatore di energia, dopo la Cina, Stati Uniti e Russia (BP, 2014). In India la fonte primaria di energia è il carbone (in quanto a risorse e riserve di carbone, l’India è la quarta al mondo – BP, 2014), con una domanda abbondantemente raddoppiata nel corso dell’ultimo decennio.
L’acqua sta rapidamente diventando un bene raro in India, dove le risorse non sono uniformemente distribuite sia geograficamente che stagionalmente. Inoltre lo Stato detiene la proprietà delle sole acque superficiali.
La situazione è destinata a peggiorare in futuro con l’aumento della domanda idrica ed energetica a causa della crescita demografica ed economica.
Le politiche energetiche e idriche dell’India devono dunque essere integrate al fine di evitare esigenze contrastanti.
Sudafrica
Il Sudafrica è un Paese semi arido, attualmente classificato come il trentesimo Paese più secco al mondo. Ha una popolazione di 54 milioni di abitanti ma una quantità d’acqua pro capite inferiore rispetto a paesi considerati più secchi, come Namibia e Botswana. Le precipitazioni annue sono ben al di sotto della media mondiale, e di queste solo circa il 9% costituisce le acque superficiali. Le condizioni climatiche, a causa di un’elevata evaporazione, non sono favorevoli ad aumentare la disponibilità idrica.
In un Paese in cui la maggior parte dello sviluppo urbano ed industriale si trova lontano dai principali corsi d’acqua, la domanda idrica supera abbondantemente la disponibilità dei diversi bacini. Per implementare l’alimentazione si è provveduto a trasferire l’acqua tra i bacini idrografici, ma questa soluzione non è facile politicamente in quanto il Sudafrica condivide quattro dei suoi maggiori sistemi fluviali con sei paesi limitrofi, comportando anche problemi di carattere politico. La scarsità idrica e la necessità di preservare questa risorsa è un tema fondamentale per le politiche energetiche e climatiche del Sudafrica.
L’economia del Paese è fortemente dipendente dal carbone, la quale è la massima fonte di guadagno. Attualmente, il Sudafrica è il settimo più grande produttore di carbone del mondo e il sesto più grande esportatore.
Nel 2013 il carbone locale ha sopperito al 72% del fabbisogno energetico nazionale; mediamente l’utilizzo del carbone locale contribuisce a produrre il 93% dell’energia elettrica e il 30% di combustibili liquidi (il livello più alto del mondo). Tuttavia il settore elettrico, per via della sua dipendenza da carbone ha un elevato impatto sul consumo di acqua; infatti il Sudafrica sta già utilizzando il 98% della sua disponibilità idrica, con una domanda di approvvigionamento che supera del 60% la fornitura idrica dell’ente di gestione dell’acqua.
Per via della sua dipendenza dal carbone, il settore energetico è uno dei maggiori consumatori d’acqua. Il principale fornitore di energia elettrica del Sudafrica, la Eskom, utilizza circa il 2% della risorsa idrica per anno, divenendo dunque il maggior consumatore; al fine di tamponare questo uso smodato d’acqua nella produzione energetica, il Sudafrica è divenuto un pioniere dei sistemi di raffreddamento a secco, che consentono il riciclaggio e il riutilizzo dell’acqua.
Stati Uniti
Gli Stati Uniti hanno la più grande potenza economica mondiale, sono il terzo Paese più popoloso ed è il terzo per consumi idrici. Tuttavia la crescente domanda idrica ed energetica sta diventando un problema importante per via della scarsa riserva idrica del Paese, associata ad una crescente e prolungata siccità che interessa alcune parti degli Stati Uniti. L’acqua è distribuita eterogeneamente nel Paese, generalmente è più abbondante nel nord-est e nord-ovest, mentre scarseggia a ovest e sud-ovest.
Il consumo idrico pro-capite è uno dei più alti al mondo; il settore energetico utilizza la maggior parte della riserva idrica nazionale (circa 45%), seguito dall’agricoltura (33%). Tuttavia il consumo è diminuito del 20% dal 2005 al 2010; tale diminuzione è da attribuirsi all’incremento dell’utilizzo di gas naturale e fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica, in sostituzione al nucleare e al carbone.
La gestione e la pianificazione della risorsa idrica assume quindi un ruolo sempre più importante con la crescente domanda di energia per la fornitura idrica. Gli Stati Uniti non hanno una politica idrica nazionale generale, ma si avvalgono di una serie di strutture governative a livello federale, statale e locale, e ciò crea delle difficoltà nella gestione dell’acqua del Paese.
Questi quattro Paesi devono integrare le loro politiche energetiche e idriche in modo tale che queste siano interconnesse. Se storicamente queste due politiche venivano sviluppate separatamente, ora è necessario che queste vengano interconnesse e integrate ad azioni atte a mitigare i cambiamenti climatici.
La maggior parte delle soluzioni che questi governi utilizzano, come l’uso dell’energia nucleare, hanno un elevato consumo idrico. Inoltre, poiché le normative relative all’emissioni di gas serra e altri inquinanti sono sempre più restrittive, l’utilizzo dell’acqua nella produzione di energia è destinato ad aumentare.
Un grosso problema per le politiche energetiche e idriche è dato dal fatto che non sono disponibili dati adeguati ad una stima più possibile precisa di tale risorsa, il che rende difficile definire quale sia la risorsa da tutelare maggiormente.
La vulnerabilità del settore energetico dovuta ai vincoli imposti dalla disponibilità idrica sarà gradualmente in aumento. Tuttavia, vi è una vasta gamma di opportunità e soluzioni tecniche che consentono di ridurre l’uso dell’acqua nelle centrali elettriche, sfruttando i benefici di possibili sinergie, come la coproduzione di energia elettrica ed acqua. AMaiu