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CCC/273

Panoramica sull’utilizzo della tecnologia HELE nei parchi di generazione elettrica a carbone in Cina, UE, Giappone e Stati Uniti d’America

Dr Malgorzata Wiatros-Motyka
Dicembre 2016

Il dibattito internazionale sul ruolo del carbone nel futuro mix energetico rispecchia i differenti atteggiamenti dei governi con particolare enfasi alle modalità di riduzione delle emissioni prodotte dalla sua combustione. Tutto questo influisce infine sulla diversa distribuzione di tecnologie pulite del carbone e sul numero di unità di produzione di energia elettrica a carbone in tutto il mondo.

La Cina, il Giappone, l’Unione europea e gli Stati Uniti impongono limiti di emissione più severi per le centrali elettriche a carbone. Tali limiti sono spesso utilizzati come valori di riferimento nei dibattiti nazionali e internazionali in materia di ridefinizione dei valori di soglia per le centrali elettriche a carbone.
I dati provenienti da queste nazioni sono quindi di particolare interesse, soprattutto quelli dei paesi che stanno sviluppando nuove strategie per il raggiungimento degli obiettivi climatici COP21.

Questo rapporto IEA fornisce una panoramica delle centrali a carbone di Cina, Giappone, Unione Europea e Stati Uniti, dei loro più efficienti impianti a carbone, delle tecnologie utilizzate nel controllo degli inquinanti, della legislazione e di tutte le altre restrizioni e barriere che influenzano lo sviluppo e l’introduzione di nuove tecnologie pulite del carbone quali gli impianti ad alta efficienza e bassa emissione (HELE) a carbone.

Cina

Il settore dell’energia cinese ha subito una trasformazione enorme negli ultimi anni. Le centrali a carbone hanno un’efficienza operativa media del 38,6% (LHV), superiore alla media di quella tra i paesi membri della IEA. Una volta importatore di tecnologie del carbone, la Cina è ora un esportatore di tecnologie avanzate e continua ad investire in ricerca e sviluppo. Ne è un esempio l’unità a doppio riscaldamento ultrasupercritico da 1000 MW (USC) Guodian Taizhou II unit 3, in funzione dal settembre 2015, che è stata interamente progettata, fabbricata e costruita in Cina e ha raggiunto un rendimento del 47.82% (al netto, LHV), il più alto a livello mondiale per una centrale elettrica a carbone a doppio riscaldamento. Le sue emissioni sono basse: il particolato PM – 2,3 mg / m3, il biossido di zolfo (SO2) – 15 mg / m3 e ossidi di azoto (NOx) – 31 mg / m3.

Ogni centrale cinese è dotata di apparecchiature di controllo per PM e SO2, e quasi tutte hanno dispositivi per la rimozione degli ossidi di azoto. Le centrali devono rispettare i limiti di emissioni inquinanti delle centrali elettriche a gas e dovranno raggiungere valori di emissioni ultra-bassi entro il 2020.
La combinazione di politiche stringenti, serrati standard ambientali e di rendimento, la loro rapida attuazione e la disponibilità di finanziamenti per progetti di centrali a carbone oltre che di tariffe incentivanti per la produzione di energia da impianti a ultra-bassa emissione, influenzano grandemente l’implementazione di tecnologie avanzate del carbone pulito in Cina. L’eccesso di capacità e, in alcune zone, la concorrenza per le risorse idriche limitate, il controllo dell’inquinamento localizzato, nonché il rapido sviluppo delle fonti di energia rinnovabile in grado di ridurre la redditività delle centrali elettriche a carbone, sono i principali ostacoli alla costruzione di nuove centrali a carbone in Cina.

Unione Europea

La produzione di energia elettrica a carbone in tutta l’UE varia notevolmente. Mentre l’UE lavora verso l’Unione energetica (Energy Union) e stringe le sue normative ambientali per le centrali elettriche a carbone, alcuni paesi, come il Regno Unito e la Germania, si sono impegnati a ridurre o eliminare gradualmente le centrali elettriche a carbone. Tuttavia, nonostante, gli ambiziosi obiettivi dell’UE per mitigare i cambiamenti climatici, alcuni stati, in particolare la Polonia, continueranno a fare affidamento sul carbone. Alcuni nuovi impianti a carbone sono infatti in fase di progettazione e costruzione.
Anche se l’efficienza media di una centrale elettrica a carbone è del 38% (LHV, al netto) e una parte significativa delle centrali è relativamente vecchia, si trova in UE, nello specifico nei Paesi Bassi, una delle centrali a carbone più avanzate, USC Maasvlakte Power Plant 3, da 1100 MW. Questo impianto raggiunge l’efficienza del 47% (al netto, LHV), con una co-combustione fino al 30% della biomassa. Ha inoltre un sistema di cattura della CO2 ed è in grado di fornire teleriscaldamento ad un intero quartiere. I suoi livelli medi di emissione sono: SO2 – 5-25 mg / m3, NOx – 60-65 g / m3 e PM – 1-2 mg / m3
Il piano per questa unità è quello di prendere parte al progetto pilota olandese CCS che, se combinato con la co-combustione di biomassa, gli consentirà di raggiungere livelli di emissioni di CO2 equivalenti a quelli di una centrale elettrica a gas.

L’UE ha severe norme sulle emissioni e i sistemi di controllo dell’inquinamento per NOx, SO2 e PM ampiamente sviluppati. L’Unione europea ha obiettivi ambiziosi per ridurre le emissioni di gas serra del 40% entro il 2030 e dell’80-95% entro il 2050 rispetto ai livelli del 1990. Per raggiungere tali obiettivi sarebbe necessario che tutte le centrali elettriche a carbone che intendono operare dopo il 2030 siano dotate di un impianto di cattura e stoccaggio CCS della CO2 funzionante. In realtà, nonostante la disponibilità di fondi significativi da parte della Commissione europea, i lavori sulle CCS risultano in stallo in Europa. Il prezzo della CO2 nel sistema Emissions Trading System (ETS) attualmente è troppo basso per incoraggiare l’industria ad investire. Questo è ovviamente un ostacolo significativo per la costruzione di nuove centrali a carbone.
Tuttavia, la situazione potrebbe cambiare. Una ripresa delle attività di ricerca e sviluppo e di finanziamento per le tecnologie CCS potrebbe verificarsi se i vantaggi percepibili dall’investimento nelle tecnologie CCS siano tali da rendere questa scelta come la più conveniente. D’altra parte, un notevole lavoro di ricerca e sviluppo sull’impianto ultrasupercritico avanzato (AUSC) mostra un impegno per il futuro sviluppo di tecnologie pulite avanzate del carbone, sia all’interno dell’UE o più lontano.

Giappone

Le centrali a carbone del Giappone sono moderne, relativamente giovani e hanno la più alta efficienza media (41,6% LHV, netto) nel mondo. Data la sua leadership nelle tecnologie del carbone pulito, la maggior parte delle centrali giapponesi sono impianti HELE.
Le centrali a carbone giapponesi costituiscono un punto di riferimento a molti livelli. Ad esempio, l’impianto a carbone Isogo unità 2 ha emissioni medie per NOx e SO2 e inferiori a 5 mg / m3 per il PM. Inoltre è considerata la centrale elettrica a carbone più pulita del mondo in termini di intensità di emissioni.
Il Giappone prevede di costruire nuove centrali elettriche a carbone impiegando le più efficienti tecnologie del carbone pulito. Per di più, raccomanda l’utilizzo di tecnologie HELE in tutto il mondo, per garantire un accesso all’energia e una sicurezza all’approvvigionamento soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Il Giappone contribuirà così alla riduzione globale di CO2 oltre a sostenere finanziariamente alcuni progetti all’estero.

Stati Uniti d’America

Le centrali a carbone americane sono per la maggior parte relativamente vecchie e la loro efficienza media è di circa 37,4% (LHV, al netto).
La centrale americana più efficiente è quella di John Turk Jr in Arkansas da 665 MW, che raggiunge un’efficienza del 42% netto (LHV) ed è l’unica unità ultrasupercritica della nazione. Al momento, non sono in corso di programmazione o costruzione nuove centrali elettriche a carbone.
In termini di tecnologie di controllo dell’inquinamento atmosferico per NOx, SOx, PM e mercurio, è chiaro l’indirizzo dato dalla normativa per l’implementazione di tecnologie avanzate del carbone pulito. Il paese è all’avanguardia negli standard di emissione nell’atmosfera di sostanze tossiche, in particolare mercurio, di cui è leader in specifiche tecnologie di controllo. Le centrali degli Stati Uniti hanno anche un alto tasso di installazione di sistemi di controllo dell’inquinamento di NOx, SOx e PM.
D’altra parte, i prezzi bassi di gas naturale e la diminuzione dei prezzi delle energie rinnovabili così come previsto dalla proposta di legge quale la Clean Power Plan costituiscono delle forti limitazioni alla costruzione di nuovi impianti a carbone.
Tuttavia, sono in fase di sviluppo diversi progetti CCS, nonché progetti sul AUSC, sistemi a carbone ibrido e rinnovabili, nonché ossicombustione e combustione con cattura chimica della CO2 (Chemical Looping Combustion). Dato che il carbone continuerà però ad avere un posto significativo nel mix energetico futuro (21% nel 2030 e del 18% nel 2040), è possibile che, una volta testate le nuove tecnologie (dopo il 2025), le vecchie unità a carbone vengano sostituite con nuovi sistemi.
Inoltre, con il mercato per le emissioni di CO2 da utilizzare nel enhanced oil recovery (EOR), i vari progetti di ricerca e sviluppo, nonché gli incentivi fiscali e di sostegno federale per la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio dell’anidride carbonica, gli Stati Uniti risultano attualmente leader sia nel capo delle CCUS che nelle CO2-EOR.

Conclusioni

C’è incertezza sul futuro delle centrali a carbone in tutta la Cina, l’Unione europea, Giappone e Stati Uniti. Nonostante il ruolo del carbone nel mix energetico nelle aree oggetto di studio sia in fase evolutiva, si può comunque prevedere che questo manterrà un ruolo significativo nel futuro. Le centrali a carbone continueranno a diventare sempre più efficienti e sempre meno inquinanti e si continueranno a sviluppare nuove tecnologie come AUSC, sistemi a carbone ibrido – rinnovabili e CCS. AMasili