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Combinazione di energia solare con centrali elettriche a carbone, o co-combustione di gas naturale

CCC/279

Dr Stephen Mills

October 2017

L’aumento dell’efficienza energetica, congiuntamente all’ottimizzazione della flessibilità operativa e all’aumento della vita utile dell’impianto, nonché alla riduzione dell’impatto ambientale, sono tra i punti più importanti nella gestione della produzione energetica delle centrali a carbone.

In questo documento vengono esaminate due alternative: i) utilizzare un sistema combinato che sfrutti l’energia solare in ausilio alle centrali elettriche a carbone, oppure, ii) sfruttare la co-combustione di carbone e gas naturale. Entrambe le tecniche mostrano un grande potenziale, e a seconda delle circostanze possono aumentare la flessibilità di una centrale elettrica, riducendo contemporaneamente le emissioni, e in alcuni casi i costi di gestione dell’impianto.

È chiaro che, qualsiasi sistema basato sullo sfruttamento dell’energia solare presenti restrizioni di natura geografica, in quanto può essere efficiente solo in aree con un elevata radiazione solare. Allo stesso modo (nonostante alcune centrali a carbone utilizzino già la co-combustione di carbone e limitate quantità di gas naturale) la co-combustione a livelli significativi può essere applicata solo se sussiste una disponibilità di tale risorsa che sia affidabile ed economicamente conveniente, condizione che non è ubiquamente valida.

Molti sistemi economici stanno cercando di ridurre la loro dipendenza dai combustibili fossili, in seguito al crescente interesse per energia da fonti rinnovabili, in special modo quelle sostenibili e a basso costo, tra le quali troviamo l’eolico e il solare. Tuttavia quasi tutti i principali sistemi economici e molti altri paesi emergenti in una certa misura, contano ancora sul carbone come fonte energetica. È chiaro quindi che i combustibili fossili, come il gas ed il carbone, sono ancora di vitale importanza per la produzione di buona parte dell’energia elettrica globale, e in molti paesi, continuano a fornire una fonte energetica affidabile a basso costo; per questo, nonostante la concorrenza di gas naturale, energia nucleare e forme di energia rinnovabile, si stima che per molti anni il carbone continuerà ad essere ampiamente utilizzato in quantità considerevoli.

L’utilizzo del carbone in generale, viene sottoposto a un crescente controllo, in particolare, la generazione di energia elettrica è stata spesso segnalata come una delle maggiori fonti di emissione di inquinanti e CO2. In molti paesi, sono state introdotte politiche e legislazioni che incoraggino una maggiore diffusione di sistemi alternativi che includono la generazione da gas naturale e le rinnovabili come l’eolico e il solare. Le rinnovabili sono spesso promosse fortemente attraverso l’introduzione di target di riduzione delle emissioni, mandati per l’obbligo delle rinnovabili, direttive sulla qualità dell’aria e schemi di scambio delle emissioni, ed inoltre vengono utilizzati incentivi fiscali o varie forme di sussidio in quanto l’energia generata da fonti rinnovabili è più dispendiosa. Le rinnovabili sono spesso promosse fortemente attraverso l’introduzione di target di riduzione delle emissioni, direttive sulla qualità dell’aria e schemi di scambio delle emissioni; inoltre vengono utilizzati incentivi fiscali o varie forme di sussidio, nonché provvedimenti per obbligare i produttori a utilizzare le rinnovabili.

Il maggiore inconveniente con l’energia eolica e solare è la loro innata intermittenza e l’elevato costo per unità di elettricità generata. Queste variabili impattano negativamente sul funzionamento degli impianti a carbone che alimentano la stessa rete. Molti di questi sono stati progettati per lavorare su un carico di base stazionario, ma ora spesso vengono forzati ad operare in maniera molto più flessibile o ciclica per accogliere gli input da fonti rinnovabili. Ripetuti avviamenti e fermate, cicli o load following (letteralmente “inseguimento del carico”,si tratta di uno dei servizi di “Bilanciamento della potenza”, e consiste nel livellamento del carico elettrico in modo da rendere più regolare e prevedibile la produzione di energia da fonti rinnovabili e di compensare le variazioni di carico) aumentano inevitabilmente l’usura sui vari componenti dell’impianto e  riducono l’efficienza complessiva. Però, questa modalità di funzionamento sta diventando sempre più diffusa, e vengono ricercati metodi che siano economicamente vantaggiosi per aumentarne le performance in termini di flessibilità operativa e impatto ambientale.

Per poter sfruttare al meglio le fonti rinnovabili, sarebbe necessario immagazzinare in modo conveniente ed economico l’eccesso di elettricità prodotta dalle fonti rinnovabili nei periodi di bassa domanda, opzione che è attualmente ancora in fase di sviluppo. Pertanto, la diffusione delle energie rinnovabile all’interno di un sistema di alimentazione, implica spesso un’elevata variabilità dell’offerta, e l’attuale mancanza di sistemi di stoccaggio energetico applicabili su larga scala ed economicamente validi, comporta il fatto che l’integrazione delle energie rinnovabili, finora, è stata possibile grazie soprattutto alla presenza di tecnologie che utilizzino sistemi rapidi per la regolazione di potenza basati sui combustibili fossili che agiscono come capacità di riserva. Sulla base dei dati provenienti da 26 paesi OCSE (tra il 1993 e il 2013) si stima che siano necessari 8 MW di capacità di riserva ogni 10 MW di capacità di energia rinnovabile intermittente che viene immessa nel sistema.

Continuano tuttavia ad essere sviluppate soluzioni per combinare la produzione di energia elettrica dall’impianto a carbone in modi innovativi, nonostante la loro limitata capacità. In Spagna ad esempio, la compagnia elettrica Endesa sta considerando l’aggiunta di batterie per lo stoccaggio di 1,16 GW prodotti dall’impianto a carbone. Come molti altri, l’impianto fu originariamente costruito per operare sul carico di base, e l’aumento dei cicli mette in crisi i vari componenti dell’impianto, aumenta i costi di manutenzione e ispezione, aumenta il consumo di carbone, e produce ulteriori emissioni. Il progetto di stoccaggio è in una fase di sviluppo iniziale, anche se sembra che si baserà su batterie agli ioni di litio, e sarà in grado di stoccare solamente la quantità di energia prodotta dall’impianto in 30 minuti. L’opinione del settore energetico è che, l’uso di batterie in associazione a una centrale a carbone in questo modo, non avrà probabilmente un impatto importante nel settore energetico: è probabile che si tratti di una tantum.

Lo stoccaggio attraverso batterie sta trovando un’applicazione limitata per i carichi di picco, tuttavia, gli analisti suggeriscono che, affinché questo mezzo di stoccaggio energetico sia redditizio, il prezzo totale del progetto di installazione dovrà ridursi, dagli attuali 500 $/ kWh a meno di 275$. Ma la loro limitata capacità resta comunque un grosso problema.

Tuttavia, vi sono chiari incentivi per valutare le opzioni per combinare le fonti rinnovabili intermittenti come l’energia solare con centrali termiche convenzionali, in modo tale che ognuna offra vantaggi all’altra, creando così un sistema di generazione più pulito ed efficiente. Una delle opzioni possibili è quella di combinare il solare termico con gli impianti a carbone, la cosiddetta ibridazione solare-carbone. Viene considerato anche il potenziale ruolo dei sistemi di accumulo termico.

Un’ulteriore opzione per migliorare la flessibilità e ridurre le emissioni delle centrali elettriche a carbone è la co-combustione del carbone con il gas naturale. Questo potrebbe evitare i problemi dovuti all’intermittenza dell’energia solare, ma si porta comunque dietro alcuni degli svantaggi dei combustibili fossili.

La co-combustione con gas naturale può essere possibile solo dove vi sia una fornitura di gas affidabile ed economicamente conveniente.

Entrambe le soluzioni considerate anche su base individuale (la combinazione degli impianti a carbone con l’energia solare e la co-combustione con gas naturale) devono rispettare dei criteri adatti al sito specifico, ma sembra che dove sussistono le condizioni adeguate, la combinazione di solare o gas naturale, con gli impianti a carbone, possa essere promettente. Entrambe le tecnologie hanno la potenzialità per migliorare la flessibilità operativa di impianto, ridurre i costi e le emissioni. Queste tecnologie possono coesistere sia in caso di ammodernamento di impianti a carbone esistenti, sia soprattutto su unità di nuova costruzione, in quanto ciascuna componente può essere adeguatamente dimensionata in fase di progettazione. Ad oggi, gli sforzi di ibridazione carbone-solare si sono concentrati principalmente sull’adeguamento di centrali a carbone esistenti, anche se il più grande potenziale di mercato risiede nell’integrazione del solare con centrali elettriche a carbone più recenti e più efficienti.

Nonostante i possibili vantaggi che l’ibridazione carbone – solare possono offrire, l’adozione diffusa di questa tecnologia appare improbabile. Sono stati proposti numerosi ibridi carbone – solare, alcuni dei quali raggiungono la scala commerciale, ma fattori quali le politiche anti carbone e una legislazione ambientale sempre più serrata, hanno fatto sì che l’interesse per questa tecnologia sia ridotto. In alcune regioni permane ancora un certo interesse legato a applicazioni di nicchia dove le condizioni sono favorevoli e la richiesta locale di elettricità è adeguata. Ad esempio, in Cile è stato avviato un progetto (ancora in fase di sviluppo) che prevede il riadattamento di un impianto a carbone esistente che sorge nei pressi di un bacino minerario fiorente ed è posizionato in un area adeguata all’installazione e con un elevata radiazione solare.

È improbabile che l’ibridazione abbia un impatto significativo sulla quantità complessiva di carbone consumato a livello globale, ma solo su base più localizzata. Se l’energia solare fosse utilizzata per sostituire una quantità significativa di carbone, il consumo complessivo potrebbe effettivamente diminuire. Tuttavia, l’ibridazione solare-carbone potrebbe portare altri benefici quali la riduzione dei costi del carbone e dei servizi di O&M (Operation and Maintenance) di impianto, nonché un ridotto impatto ambientale.

Per quanto riguarda l’altra possibile applicazione ossia la co-combustione del gas naturale in associazione alle centrali a carbone che fruttano questo combustibile come fonte principale, sono già operativi molti impianti. Spesso il carbone rimane il combustibile principale mentre il gas viene utilizzato come combustibile di riserva, nelle fasi di accensione, nelle operazioni di riscaldamento dell’impianto, o nella combustione per il controllo degli NOx

La co-combustione potrebbe essere vantaggiosa, vista l’economicità del gas naturale, in termini di una maggiore flessibilità operativa della centrale e una minore produzione di emissioni. Inoltre gli impianti di co-combustione ottengono una maggiore accettazione pubblica.

Non mancano tuttavia i contro, rappresentati dalla necessità di un approvvigionamento affidabile e continuo di gas, e dalla necessità di apporre modifiche agli impianti esistenti. Ad esempio, sostituire i bruciatori esistenti con la variante a doppio combustibile. L’ammodernamento di centrali a carbone per la co-combustione potrebbe non essere applicabile in alcuni impianti esistenti, mentre è del tutto utilizzabile in impianti di nuova costruzione.

Potenzialmente, il più grande mercato per la co-combustione di gas naturale si trova negli gli Stati Uniti. Con l’obbiettivo di estendere la vita utile di molti impianti esistenti, riducendo al contempo l’impatto ambientale, al fine di rispettare gli standard di emissione MATS– ossia limiti federali di inquinamento atmosferico che i singoli impianti devono rispettare entro una data stabilita. La conformità MATS e le normative statali sono stati i reali fattori trainanti di una serie di progetti di co-combustione, più di quanto non lo sia stata la spinta a limitare le emissioni.

Rispetto all’ibridazione solare, a livello globale le opportunità offerte dalla co-combustione sono più ampie essendoci molte località dove sono disponibili sia il carbone che il gas naturale, come ad esempio, nel caso del nuovo progetto DEWA a Dubai. In entrambi i casi sia i progetti carbone-solare che i progetti di co-combustione richiedono un’accurata valutazione di vari fattori economici, operativi e ambientali.  AMaiu