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CCC/244

Programmi di Ricerca e Sviluppo per le tecnologie del carbone pulito

Anne Carpenter

Il carbone è il combustibile fossile più abbondante e meglio distribuito sulla terra e rappresenta un’importante risorsa per la produzione di energia; la sua domanda è aumentata notevolmente negli ultimi dieci anni, superando le richieste di gas, di petrolio e di energia da fonti rinnovabili.

Diversi studi sul tema indicano che questa tendenza dovrebbe continuare. Nel World Energy Outlook 2013, si stima un aumento del 17% della domanda mondiale di carbone nel periodo 2011 – 2035, con due terzi della crescita previsti entro il 2020. Questo scenario è basato sul proseguimento delle politiche esistenti e sull’ipotesi dell’attuazione delle nuove linee guida sul carbone annunciate dai governi.

Il maggiore incremento della domanda si verificherà nelle economie emergenti (India, Cina, Sud-Est asiatico); tuttavia si prevede un calo della domanda per i Paesi membri dell’OCSE (Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico). Globalmente il carbone resterà la principale fonte di produzione di energia elettrica, anche se la sua incidenza dovrebbe subire un calo dall’odierno 41% al 33% nel 2035. Il settore energetico concorrerà al consumo della risorsa per circa il 63% sul totale previsto nel 2035.

La capacità di generazione installata globale è destinata a crescere del 70% – da 5649 GW nel 2012 a circa 9760 GW nel 2035 – ipotizzando anche la dismissione di vecchie centrali per una potenza pari a 1.940 GW. Circa il 60% delle dismissioni verrà effettuato nei paesi OCSE, dove circa 2/3 del parco di generazione da carbone ha più di 30 anni (AIE, 2013a).

Il carbone bruciato nella caldaia di una centrale produce inquinanti come:

  • ossidi di azoto,
  • ossidi di zolfo,
  • particolato,
  • mercurio,
  • biossido di carbonio.

Tali inquinanti, superate determinate concentrazioni, sono pericolosi per la salute e per l’ambiente; ciò ha portato oltre 40 Paesi a fissare dei limiti di emissione sulle quantità di ossidi di azoto, ossidi di zolfo e particolato. I limiti di emissione citati sono sempre più stringenti e, attualmente, si stanno inserendo restrizioni su sostanze inquinanti precedentemente non regolate.

La Cina ed alcuni altri Paesi hanno recentemente introdotto limiti alle emissioni di mercurio.

Il Canada, per tutte le nuove centrali a carbone che entreranno in funzione dopo il 1 luglio 2015, richiede di non emettere più di 420 tonnellate di CO2 per ogni GWh di energia prodotta.

La US Environmental Protection Agency (Agenzia per la protezione ambientale statunitense) ha proposto limiti di emissione di CO2 per le nuove centrali alimentate a carbone e a gas, mentre in alcuni altri Paesi sono state introdotte delle carbon tax.

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Il settore dell’energia rappresenta la più grande fonte di emissioni di anidride carbonica di origine antropica, la principale causa del cambiamento climatico; è responsabile dell’immissione in atmosfera di circa i due terzi di gas a effetto serra a livello mondiale. Nel 2011, il settore dell’energia elettrica e del riscaldamento ha emesso 13,1 Gt di CO2 pari al 42% delle emissioni globali di CO2 prodotte dalla combustione di combustibili, con un contributo delle centrali elettriche a carbone stimato in 9.4 Gt di CO2 (AIE, 2013b).

L’obiettivo di limitare l’aumento medio della temperatura globale tra 2 e 3°C impone di dimezzare entro il 2050 le emissioni di CO2, rispetto ai livelli attuali. Tuttavia, il World Energy Outlook 2013, prevede che le emissioni di CO2 legate all’energia saliranno del 20% nel periodo 2011-2035, raggiungendo nello scenario discusso in precedenza i 37,2 Gt, con le emissioni da carbone pari a 15,7 Gt di CO2 (AIE, 2013a).

E’ evidente che per prevenire un aumento eccessivo della concentrazione di CO2 in atmosfera sia necessario sviluppare e diffondere le tecnologie del carbone pulito (Clean Coal Technology, CCT) e le tecnologie per la cattura e lo stoccaggio della CO2 (Carbon Capture e Storage, CCS); ciò concorrerà anche a ridurre altre problematiche ambientali connesse alla produzione di energia da carbone.

In questo estratto si esaminano le politiche che guidano la ricerca, lo sviluppo e la dimostrazione (RD&D) di tecnologie del carbone pulito e della cattura di CO2 nel settore di produzione di energia per determinati Paesi.

Le “CCT” consistono in sistemi avanzati per la produzione di energia da carbone a basso impatto ambientale e ad alta efficienza; migliorare l’efficienza della produzione di energia è un modo per ridurre le emissioni di CO2.

Le CCT comprendono una vasta gamma di tecnologie, fra le quali:

  • La combustione di carbone polverizzato ad alta temperatura,
  • Cicli a vapore ad alta pressione con sistemi di clean-up dei fumi ad alta efficienza,
  • Centrali elettriche ultra supercritiche avanzate (attualmente in fase di sviluppo).

Gli altri principali sistemi CCT sono quelli basati su:

  • La combustione a letto fluido,
  • La gassificazione del carbone su impianti IGCC (ciclo combinato di gassificazione integrata).

Le CCS (cattura e stoccaggio del carbonio) rappresentano un insieme di tecnologie in grado di ridurre le emissioni di CO2 ben oltre l’adozione delle sole CCT. Le CCS risultano essere necessarie se anche da parte delle centrali elettriche a carbone si vogliono ottenere significative riduzioni delle emissioni di CO2 (> 90%).

Le tecnologie includono:

  • Sistemi di pre-combustione in cui la CO2 viene rimossa dal gas ottenuto dalla gassificazione del carbone, questa tecnologia è utilizzata nelle centrali IGCC;
  • Metodi di post-combustione in cui la CO2 è separata dal gas di combustione (Impianti di combustione a carbone polverizzato).
  • Ossicombustione, dove il carbone viene bruciato con una miscela di ossigeno e fumi di combustione invece dell’aria. Dopo la rimozione della condensa dal gas, ricco di CO2, il ~ 98% CO2 puro viene inviato allo stoccaggio.

Tuttavia, gli alti requisiti di costo e di energia degli attuali processi di cattura di CO2 sono i principali ostacoli al loro utilizzo. Nella presente trattazione è analizzato solo l’elemento CCS relativo alla cattura, mentre il trasporto e lo stoccaggio di CO2 non sono stati presi in considerazione.

IEA CCC ha anche pubblicato una serie di relazioni sulle prospettive del carbone e delle CCT in vari Paesi, tra i quali le Filippine, il Kazakistan, l’Ucraina, la Malaysia, la Tailandia, il Vietnam, la Russia, la Repubblica Ceca, la Polonia e la Turchia che non rientrano in questo Report.

Il rapporto riguarda sia i Paesi sviluppati sia le economie emergenti, che affronteranno sfide diverse per lo sviluppo e la diffusione di tecnologie CCT. Lo sviluppo di queste tecnologie comporta, infatti, notevoli investimenti in CCT e CCS RD&D (Clean Coal Technology & Carbon Capture and Storage Research, Development and Demonstration – Ricerca, sviluppo e dimostrazione delle tecnologie del carbone pulito e di cattura e sequestro del carbonio).

Una guida importante per le CCT RD&D è la politica energetica del Paese interessato; tutti i Paesi, infatti, devono affrontare sfide comuni quali: la necessità di una fonte energetica sicura, la tutela dell’ambiente, lo sviluppo economico e il contenimento dei prezzi dell’energia.

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La politica energetica deve soddisfare gli obiettivi di emissione di CO2 in atmosfera preferibilmente senza danneggiare la crescita economica nazionale; le questioni ambientali sono enfatizzate maggiormente in Paesi con un elevato livello di reddito, dove i problemi ambientali vengono percepiti maggiormente, mentre nelle economie emergenti la crescita economica ha una priorità più alta anche a discapito dell’impatto ambientale. Le politiche svolgono quindi un ruolo fondamentale nella pianificazione energetica. Qui verranno esaminate le linee guida di:

  • Australia
  • Cina
  • Unione Europea
  • India
  • Giappone
  • Corea del Sud
  • Sudafrica
  • USA

In Corea del Sud, lo sviluppo sostenibile ha avuto un ruolo fondamentale nella politica energetica, anche se ora ricopre un ruolo leggermente inferiore nel piano energetico nazionale redatto dal nuovo governo.

Il Giappone, oltre a mantenere la tutela dell’ambiente come elemento fondamentale nel suo nuovo piano strategico, ha introdotto un elemento di sicurezza in seguito dell’incidente alla centrale nucleare di Fukushima Daiichi (causato dal terremoto e dallo tsunami del Giappone orientale avvenuto l’11 marzo 2011). La sicurezza energetica è di fondamentale importanza per entrambi i paesi a causa della loro dipendenza dalle importazioni dovuta alla mancanza di riserve di combustibili fossili.

In Cina e in India le importazioni di carbone sono in aumento, nonostante le loro grandi riserve di carbone indigeno, in parte a causa della crescente domanda di energia e alla loro dipendenza dal carbone per la produzione di energia. Il carbone è destinato a continuare a svolgere, nei prossimi dieci anni e oltre, un ruolo importante nel loro settore di produzione di energia.

In Cina, l’importanza della tutela dell’ambiente è cresciuta a causa dell’inquinamento ambientale degli impianti di generazione elettrica; ciò ha portato ad individuare degli obiettivi per la riduzione di SO2, NOx e di CO2, riportati nel 12° piano quinquennale per l’economia nazionale e dello sviluppo sociale.

Paesi come l’India e il Sud Africa sono più interessati a ridurre la povertà e portare l’elettricità nelle zone rurali, investendo meno in CCT e CCS RD&D. Anche se l’economia del Sud Africa è fortemente dipendente dal carbone, esso non presenta una politica chiara in merito. Australia e Stati Uniti sono grandi esportatori di carbone, le entrate delle esportazioni di combustibili fossili contribuiscono in modo significativo alle loro economie. Così le CCT e le CCS sono importanti per i due Paesi, che hanno adottato politiche per lo sviluppo e la loro diffusione. Tali politiche potrebbero inoltre rafforzare la crescita delle esportazioni di carbone con la diffusione di CCT all’estero. Anche nell’Unione Europea le RD&D sono viste come parte integrante del pacchetto necessario al raggiungimento di obiettivi di emissione di gas serra e di politica energetica.

Paesi, come la Cina, il Giappone, la Corea del Sud, l’Australia e gli Stati Uniti, hanno progetti R&D sul carbone e delle politiche energetiche volte a contribuire e a soddisfare i loro obiettivi. L’utilizzo delle CCS nel comparto della produzione di energia sta ottenendo un discreto interesse in India, dove il governo è in procinto di formulare una nuova “mission” sulle tecnologie del carbone pulito.

La ricerca in CCT è stata trascurata poiché gli sforzi e gli investimenti, in passato, sono stati concentrati sulla ricerca nella produzione di combustibili sintetici dal carbone; la “coal roadmap”, tabella di marcia per il carbone pubblicata su The Green House (2013) indica gli obiettivi chiave, le tappe di RD&D e le sfide tecnologiche che devono essere superate.

In generale i governi stanno incoraggiando l’RD&D con progetti dimostrativi per l’evoluzione delle seguenti tecnologie:

  • USC (Impianti a vapore ultra-supercritici).
  • IGCC ( Gassificazione integrata con ciclo combinato).
  • IGFC (Gassificazione integrata con celle a combustibile, in particolare in Giappone).
  • FBC (Combustione a letto fluido).
  • Oxyfuel combustion (Ossicombustione).
  • Rimozione della CO2 in pre e post-combustione.

In Sud Africa è stato effettuato un RD&D sulla gassificazione del carbone in sotterranea, per poter utilizzare il carbone indigeno non estraibile. L’India non ha in agenda le tecnologie CCS, il governo ha deciso di attendere gli sviluppi dei programmi di altri Paesi prima di investire nella tecnologia; ciò a causa degli altri costi, dell’inadeguatezza delle infrastrutture R&D nelle istituzioni accademiche e nei laboratori nazionali che ostacolano lo sviluppo delle tecnologie CCT. Questo problema è dovuto all’inadeguato coordinamento di R&D fra governo, mondo accademico e industria – in netto contrasto con la buona organizzazione di Cina, Giappone e Corea del Sud, che presentano un ottimo coordinamento fra i diversi settori e una convergenza fra la ricerca e le politiche energetiche dei Paesi stessi.

Viste le attuali tendenze economiche e la stretta sui bilanci dei governi, si è presentata la necessità di istituire iniziative di collaborazione a livello nazionale ed internazionale, che comprendano la cooperazione pubblico-privato; ciò consentirà ai governi di svolgere le RD&D ad un costo inferiore e con maggiore coordinazione per evitare duplicazioni inutili. I governi stanno, quindi, investendo sulle CCT e tecnologie simili ma molte attività di collaborazione, con le economie emergenti, si concentrano sulla necessità di agevolare la distribuzione piuttosto che l’RD&D.

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La collaborazione internazionale può essere di difficile applicazione, poiché esistono sostanziali differenze, fra i diversi paesi, sulle normative e sulle politiche energetiche e sulla gestione dell’RD&D; è necessario, ad esempio, chiarire il meccanismo di gestione dei diritti di proprietà intellettuale sulle tecnologie eventualmente sviluppate. Australia, Unione Europea, Giappone, e Stati Uniti considerano la collaborazione internazionale e il trasferimento di conoscenze fondamentali per lo sviluppo e la distribuzione di CCT e CCS. Progetti dimostrativi, come il progetto “Callide” sull’ossicombustione in Australia e il progetto “Greengen” IGCC in Cina, coinvolgono diversi partner internazionali. L’Unione europea ha esperienza nel finanziamento delle collaborazioni di ricerca, grazie ai programmi quadro per l’R&D aperti a partecipanti provenienti da vari Paesi europei e di Paesi terzi.

Il sostegno dei governi a CCT e CCS RD&D è necessario per stimolare lo sviluppo di tecnologie avanzate per la produzione di energia da carbone e per soddisfare i target di produzione di energia a emissioni quasi zero. L’innovazione nel settore energetico è impegnativa a causa dei lunghi tempi di sviluppo delle tecnologie CCS e della costruzione di infrastrutture per il trasporto e lo stoccaggio della CO2.

La diffusione delle CCS resta al momento improbabile, anche se alcune politiche sono in atto per motivare il settore energetico ad accelerare gli sforzi in quella direzione. Se il progetto di Porto Tolle in Italia e il progetto Bełchatów in Polonia sono stati cancellati nel 2013, per la difficoltà nel reperire i finanziamenti necessari, il progetto White Rose nel Regno Unito ha ricevuto il finanziamento atteso, attraverso il programma NER300 della Commissione europea.

La Cina ha il maggior numero di progetti dimostrativi sulle CCS in tutto il mondo. Per ridurre i costi si è concentrata sulla utilizzazione della CO2, anziché sullo stoccaggio e sul trasporto. Quasi tutti i progetti dimostrativi cinesi sulle CCS prevedono di utilizzare almeno una parte della CO2 catturata per l’Enhanced Oil Recovery (EOR) e nelle industrie alimentari e/o chimiche.

Valutazioni dettagliate su risultati specifici dell’RD&D sono difficili da estrapolare, sono però evidenti le ricadute positive in ambito finanziario: gli investimenti nel settore sono remunerativi.

Bezdek e Wendling (2013) hanno calcolato un ritorno sugli investimenti pari a 13:1 sui programmi RD&D del governo USA. Wiesenthal et al. (2010) hanno stimato un tasso interno di rendimento pari al 15% sugli investimenti UE per le RD&D, descritti nel Piano strategico per le tecnologie energetiche (che comprende la produzione di energia da carbone con CCS) nel periodo dal 2010 al 2030. Inoltre, gli investimenti e la commercializzazione di tecnologie CCT e CCS contribuiranno all’innovazione e alla creazione di posti di lavoro, oltre alla crescita dei consumi di combustibile.

IEA, nel report sui progressi compiuti sulle tecnologie CCT (aprile 2013), ha evidenziato come il finanziamento globale delle RD&D non riesca a tenere il passo con le esigenze future di basse emissioni (IEA, 2013e). Infatti, in un momento in cui sarebbe necessario un aumento dei finanziamenti sulle RD&D, la percentuale di spesa in questo ambito da parte dei governi (membri IEA) è scesa da un picco dell’11% (1981) fino al 3-4 % (2000). Paesi membri dell’IEA sono l’Australia, il Giappone, la Corea del Sud e gli Stati Uniti, ma non la Cina, l’India e il Sudafrica.

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Le Rinnovabili, l’idrogeno e le celle a combustibile hanno visto i maggiori incrementi dei finanziamenti dal 2000. In particolare alle rinnovabili è destinato il 24% della spesa pubblica totale per le RD&D sull’energia pulita. Tuttavia, riducendo le emissioni di CO2 dalle centrali elettriche a carbone si avrebbe un maggior contributo alla riduzione globale di CO2, rispetto a quello ottenibile attraverso l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Inoltre, nei paesi OCSE, la spesa dell’industria nelle RD&D sull’energia è in declino dal 1990 (CIAB, 2008). Molte aziende preferiscono non investire in R&D su tecnologie per l’energia all’avanguardia, poiché la velocità di sviluppo di tali tecnologie è molto elevata, il che dissuade gli investitori privati; diventa così necessario che siano i governi a incrementare i finanziamenti in RD&D e promuovere iniziative congiunte pubblico-privato.

Lo IEA raccoglie i dati di spesa nell’RD&D sul carbone dei suoi Paesi membri, mentre ha recuperato solo dati parziali per i paesi non appartenenti all’organizzazione (Cina, India e Sud Africa); ciò è dovuto principalmente al modo in cui il denaro viene distribuito fra i vari dipartimenti governativi e alla mancanza di informazioni di pubblico dominio.

Nel 2011, i governi membri IEA hanno speso 398.221.000 US$ (prezzi e tassi di cambio calcolati al 2012) in RD&D sul carbone e 1092.583.000 US$ in RD&D sulle CCS (IEA, 2013d).

I dati CCS riguardano la cattura e stoccaggio della CO2 dai grandi fonti industriali, così come le centrali elettriche a combustibili fossili. Le cifre sono probabilmente basse poiché i dati provenienti da alcuni Paesi membri, come la Polonia, non erano disponibili.

Fra i quattro paesi oggetto della presente relazione, l’Australia ha speso la più alta quantità di PIL per le CCT RD&D nel 2011 (0.0033% o 50.907.000 US$), seguita da USA (0,0014% o 218.977.000 US$), Corea del Sud (0,0005% o 5.893.000 US$) e Giappone (0,0004% o 21.268.000 US$). I Paesi con grandi risorse di carbone (Australia e Stati Uniti) hanno consistenti portafogli CCT RD&D.

In termini di investimenti in CCS RD&D (dove è inclusa la produzione di energia da carbone con CCS), l’Australia ha speso la più grande quantità di PIL (0,1296% o 200.050.000 US$), seguita da Corea del Sud (0,0027% o 30.288.000 US$), Giappone (0,0026% o 153.014.000 US$) e USA (0,0019% o 295.356.000 US$). La percentuale nelle CCS nell’ambito delle spese in RD&D relativa ai combustibili fossili è cresciuta in modo significativo dal 2009, di pari passo con l’aumento le preoccupazioni dell’opinione pubblica sul cambiamento climatico.

L’IEA stima che gli investimenti in CCT RD&D dovranno aumentare da 3 a 6 volte, per contenere l’aumento medio della temperatura globale di 2 °C entro il 2050; probabilmente per le tecnologie CCS l’investimento dovrà essere ancora più elevato.

Le analisi della IEA hanno indicato che i settori pubblici dovranno contribuire per almeno la metà del totale delle esigenze delle RD&D sulla riduzione delle emissioni (comprendenti l’efficienza energetica, gli autoveicoli avanzati, le energie rinnovabili, la fissione nucleare, CCT e CCS).

Tuttavia, dal momento che i dati sugli investimenti privati nelle RD&D sono scarsi, è difficile procedere ad un’analisi per sostenere qualsiasi ipotesi.

L’esperienza nello sviluppo di tecnologie energetiche avanzate, in particolare quando i benefici pubblici ambientali rappresentano le motivazioni principali per il loro sviluppo (come nel caso delle CCS), suggerisce che la quota richiesta al comparto pubblico sia in genere superiore al 80%. I governi finanziano le RD&D principalmente attraverso budget di ricerca nazionali, sovvenzioni e prestiti, ma in futuro i ricavi derivanti dalle tasse sul carbonio, crediti d’imposta e incentivi potrebbero essere utilizzati a questo scopo.

L’Unione europea sta già utilizzando i fondi raccolti dal suo sistema di scambio di emissioni per sostenere la diffusione delle CCS su larga scala. L’India sta finanziando un fondo nazionale per l’energia pulita grazie a un prelievo sulla quantità di carbone prodotto o importato; mentre i produttori di carbone bituminoso australiani stanno contribuendo a finanziare dimostrazioni sulle tecnologie del carbone a basse emissioni con una tassa volontaria. Altri programmi come questi potrebbero accelerare lo sviluppo delle CCT e le CCS, tanto più che le necessità di finanziamento tendono ad aumentare quando la tecnologia si porta verso la commercializzazione; i costi di progettazione verranno ridotti quando le tecnologie saranno maggiormente disponibili.

Per concludere, lo sviluppo delle CCT migliorerà le prestazioni ambientali delle centrali elettriche e permetterà al carbone di rimanere un combustibile interessante anche in futuro.

Per circa dieci anni a partire da oggi sarà necessario sostenere uno sforzo nelle RD&D per raggiungere l’obiettivo finale di centrali emissioni quasi zero. Ciò richiede adeguate risorse e un’attenta pianificazione da parte dei governi, insieme a politiche e meccanismi adeguati a rendere commerciali le tecnologie CCT e CCS. GC/FD/DM/MM

Il rapporto originale è consultabile gratuitamente, previa registrazione, all’indirizzo:
http://www.iea-coal.org.uk/site/2010/publications-section/reports