Ridurre l’intermittenza delle rinnovabili col carbone Dr L L Sloss
Le centrali elettriche a carbone sono state progettate per essere più efficienti ed efficaci quando operano ad un carico di base costante (steady baseload), mentre i sistemi a fonte rinnovabile come l’eolico e il solare, sono molto più intermittenti e la produzione di energia varia con le condizioni ambientali. Le fonti ad energia rinnovabile oggigiorno sono prioritarie in molti Paesi e hanno priorità di emissione nella rete elettrica, il che significa che gli impianti termici (come quelli alimentati a carbone) o le fonti nucleari devono fornire un’uscita più flessibile in modo tale da mantenere l’energia disponibile in rete al valore richiesto. Il ramping e il cycling degli impianti a carbone sono delle tecniche che consentono di adattare il carico delle centrali alle richieste della rete. Esse esercitano uno sforzo sulla caldaia e aumentano il rischio di problemi operativi e di manutenzione. Questo Report valuta le diverse penali sui costi dovute alla maggiore flessibilità delle centrali elettriche a carbone, a causa delle intermittenze delle fonti di energia rinnovabile, indicando che le operazioni cicliche possono essere costose e in molte situazioni i costi possono aumentare anche di diversi ordini di grandezza.
I limiti delle emissioni di sostanze inquinanti provenienti dalle centrali elettriche a carbone sono state rigidi per decenni e continuano ad esserlo. Nonostante sia possibile controllare una quota significativa di emissioni, molti Paesi si stanno allontanando dalla produzione di energia basata su sistemi termici convenzionali per passare ad opzioni a più bassa intensità di carbonio. I singoli Paesi e regioni hanno imposto degli obiettivi per incrementare la quota dell’energia prodotta da sorgenti prive di carbonio, in particolare in Unione Europea, Nord America e Giappone. Attualmente le più comuni fonti di energia rinnovabile sono l’eolico (con più bassi costi capitali e una tecnologia più matura) e il solare fotovoltaico. La Figura 1 mostra la crescita delle rinnovabili no-hydro nei Paesi OECD (Organisation of Economic Cooperation and Development) a partire dal 1971. La quota delle fonti rinnovabili (circa il 22% nel 2014, includendo l’idroelettrico) nelle regioni OECD è oggi maggiore rispetto a quella nucleare (circa 19%).
Figura 1. Produzione di elettricità da fonti rinnovabili nei Paesi OECD dal 1971 al 2014
Per incentivare il raggiungimento degli ambiziosi obiettivi nazionali e regionali, i sistemi che producono energia rinnovabile spesso sono autorizzati al “free spill” nei mercati energetici, ossia quando viene prodotta energia elettrica da fonti rinnovabili viene garantita la vendita. Questo differisce per la maggior parte dei sistemi energetici che si basano su un carico di base pianificato e sui picchi previsti, in cui la domanda di energia elettrica è conforme alla domanda e all’offerta con il costo; quest’ultimo è il principale fattore decisionale. La crescita delle rinnovabili è inevitabile e necessaria, ma non può avvenire senza costi o complicazioni. La natura intermittente dell’energica elettrica prodotta da fonti rinnovabili non fornisce un’uscita energetica consistente in relazione alle domande regionali e alla rete nazionale. Al fine di contrastare la natura intermittente e fluttuante di questi sistemi bisogna utilizzare risorse affidabili come il carbone, il petrolio e il gas. Le condizioni climatiche, e quindi l’energia eolica e solare, possono essere previste in certa misura ma non risultano precise; nel Regno Unito, ad esempio, l’energia prodotta differisce di circa il 5% da quella prevista. L’energia delle onde/maree è considerata “altamente prevedibile” ma deve ancora raggiungere un livello significativo di disponibilità e di penetrazione nel mercato. Il Governo del Regno Unito ha indicato la necessità di avere un sistema flessibile con l’incremento della capacità rinnovabile. Questo significa che i paesi come il Regno Unito andranno sempre di più verso le rinnovabili ma lo stress posto sugli impianti nucleari e fossili prevede che il bilancio di energia continuerà ad aumentare. Tuttavia, gli impianti a combustibili fossili come le centrali elettriche a carbone sono state progettate per fornisce l’energia di base ad certa capacità di carico. Questi impianti non sono stati progettati per variazioni del carico in brevi periodi di tempo, necessarie a colmare le lacune della rete causate dall’intermittenza delle fonti rinnovabili. Il Report si focalizza sulla necessità di avere impianti dinamici e sulle conseguenze che si verificano sulla conduzione dell’impianto e sui costi di esercizio.
Figura 2. Percentuale di capacità e produzione di varie sorgenti elettriche in Germania, Dicembre, 2013
La Figura 2 mostra la capacità energetica e la produzione per la Germania nel Dicembre 2013, e mette in risalto l’importante differenza tra la capacità disponibile e l’elettricità attuale fornita in qualsiasi momento. Sebbene l’energia eolica e solare è pari a circa il 40% della capacità disponibile, le condizioni che si sono verificate durante il periodo di studio hanno portato alla produzione di meno della metà dell’energia elettrica. Pertanto, i sistemi dispacciabili come le centrali elettriche a gas, a carbone e a lignite devono fornire energia elettrica quando l’energia rinnovabile è limitata. Questo comportamento pone sotto sforzo le centrali elettriche a combustibili fossili, in quanto lavorano per produrre una maggiore uscita in brevi periodi di tempo. Diversi problemi sorgono quando si combinano le sorgenti di energia intermittente con le centrali elettriche a carbone subcritiche, che vengono progettate per lavorare al carico di base: – I gestori di rete devono prevedere e coordinare gli ingressi energetici sia da sorgenti rinnovabili che da fonti a carico costante con la domanda fluttuante da parte degli utenti finali. Le più vecchie centrali elettriche a carbone subcritiche hanno bassi costi di esercizio e possono fornire elettricità in tempi relativamente brevi, ma questo mette pressione sui sistemi tecnici. – Cambiando le performance dell’impianto cambia anche l’economia. Gli impianti in esercizio che forniscono energia in periodi di punta spesso percepiscono un reddito più alto che si compensa con un aumento dei costi per la riparazione dell’impianto e la manutenzione, per sistemi che operano al di fuori dei parametri di progetto. I singoli Paesi sono impegnati a produrre energia rinnovabile a differenti livelli. Coloro che stanno tentando di produrre un maggior quantitativo di energia da fonti rinnovabili, come la Germania e il Regno Unito, ne hanno constatato il costo. I consumatori si trovano ad affrontare un aumento di spesa in energia elettrica domestica e alle industrie viene chiesto di adeguare la richiesta al fine di equilibrare le reti nazionali. Per quanto riguarda gli impianti a carbone subcritici, al centro di questo Report, il problema principale con il ramping e il cycling è la sollecitazione sulle apparecchiature operative. Nelle centrali a carbone si verifica un’oscillazione delle temperature che causa l’espansione e la contrazione delle parti metalliche, mentre le variazioni chimiche dei gas di combustione portano ad una maggiore condensazione e corrosione. Di conseguenza, il ramping e il cycling di un impianto a carbone comporta un rapido invecchiamento dell’impianto. Investendo nel monitoraggio, nella gestione preventiva e nella manutenzione è possibile evitare danni e rotture che possono risultare costose. Le centrali a ciclo sono in ogni caso più inclini ad interruzioni forzate nel momento in cui si verificano incidenti o rotture, portando a riparazioni costose. Le partenze a freddo (impianti di messa in servizio dopo essere stati offline per 2 giorni o più) possono costare decine di migliaia di sterline. Le nuove centrali elettriche a carbone, gli impianti super e ultrasupercritici, vengono progettati per essere flessibili e possono operare adeguatamente in una rete con un più alto ingresso rinnovabile. Tuttavia, i Paesi come il Regno Unito e la Germania necessitano di rendere operative anche le centrali elettriche più vecchie per soddisfare richieste a breve termine, che compensano le lacune causate da fluttuazioni da fonti intermittenti. Pertanto, per i prossimi decenni il desiderio di avere più energia rinnovabile rischia di causare problemi alle vecchie centrali a carbone. Inoltre, le centrali a carbone richiederanno un maggiore investimento per garantire la fornitura dell’energia elettrica richiesta e per sostenere l’espansione e la modernizzazione dei sistemi di rete nazionali.FDessì