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Le tecnologie HELE in Giappone e Corea del Sud

CCC/293

Marzo 2019

Ian Barnes

Il carbone continua a giocare un ruolo cruciale nel soddisfare la richiesta di energia primaria globale, specialmente nelle fiorenti economie asiatiche (in particolare sud-est Asia). Il carbone viene primariamente impiegato per la generazione di energia elettrica tramite uno svariato numero di tecnologie, principalmente la combustione di polverino. Il rendimento di conversione in elettricità ha una importante influenza nell’impatto ambientale di questi impianti, dal momento che a parità di produzione un miglior rendimento consente l’impiego di una minore quantità di carbone, e quindi la generazione di una minore quantità di inquinanti e gas serra.

Considerevoli sforzi nel campo della ricerca e sviluppo sono rivolti a livello mondiale alla realizzazione di impianti capaci di operare ad elevati rendimenti, unitamente all’adozione di tecnologie avanzate per la cattura di inquinanti. Tali sistemi possono inoltre beneficiare di tecnologie di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (CCS, Carbon Capture and Storage) che stanno diventando sempre più diffuse. Impianti così configurati sono anche noti come HELE (High Efficiency Low Emissions, ad alto rendimento e a basse emissioni).

La seguente figura esemplifica l’impatto di differenti condizioni di un ciclo a vapore su un impianto da 800 MW alimentato a carbone e operante con un fattore di capacità dell’80%. L’unità genererà 6 TWh di energia elettrica all’anno ed emetterà quantità di CO2 dipendenti dalle condizioni termodinamiche del ciclo a vapore e quindi del corrispondente rendimento di ciclo. Nel passare da un ciclo a vapore a bassa efficienza (subcritico) al corrente stato dell’arte (USC, ultra supercritico), è possibile ridurre le emissioni di CO2 approssimativamente del 20%. Cicli a vapore ancora più avanzati saranno in grado di incrementare ulteriormente l’efficienza e quindi ridurre le emissioni di CO2.

L’impatto delle tecnologie HELE nelle emissioni di CO2 (rendimento basato sul potere calorifico superiore HHV)

In questo studio viene analizzato il ruolo potenziale degli impianti HELE di Giappone e Corea del Sud nel venire incontro ai fabbisogni energetici globali. Queste nazioni sono state selezionate in quanto entrambe:

  • hanno un parco di impianti a carbone relativamente giovane e ad elevata efficienza;
  • sono attive nello sviluppo delle tecnologie HELE su impianti ultrasupercritici (USC) e IGCC (a ciclo combinato con gassificazione integrata);
  • esportano a livello mondiale la tecnologia HELE e ne supportano i servizi;
  • coprono gran parte della domanda energetica asiatica con tecnologie di sfruttamento del carbone all’avanguardia mondiale.

In Giappone il mercato elettrico è suddiviso tra 10 compagnie, ciascuna al servizio dei fabbisogni regionali della popolazione locale. Gli impianti a carbone del Giappone contribuiscono per circa il 2% della potenza globale da impianti a carbone e sono responsabili per approssimativamente il 3% delle emissioni globali di CO2 da combustione di questo fossile per la produzione di energia elettrica. A differenza di americani e europei, il Giappone è stato attivo nell’impiegare le tecnologie più avanzate fin dai primi stadi di sviluppo. Tutti gli impianti giapponesi bruciano carbone importato.

Impianti giapponesi alimentati a carbone, suddivisi per età e condizioni del ciclo di vapore

Dopo lo spegnimento di tutti i reattori nucleari, in seguito al disastro di Fukushima Daiichi nel marzo 2011, la scarsità di copertura di potenza elettrica ha rappresentato un grave problema. Per superare questa impasse ed evitare possibilità di blackout, il Ministero dell’Economia, Commercio e Industria e il Ministero dell’Ambiente giapponesi hanno acconsentito ad approvare la realizzazione di nuovi impianti alimentati a fonti fossili a condizione che impieghino soltanto tecnologie allo stato dell’arte. Conseguentemente tutti i nuovi progetti di taglia grande sono basati su tecnologie USC (ultra supercritiche), mentre i progetti che includono unità di taglia più piccola, basati su cicli meno efficienti, includono la co-combustione di biomasse per ridurre le emissioni di CO2.

In Corea del Sud la Korea Electric Power Corp (KEPCO), fondata nel 1982, ha praticamente il monopolio della produzione e della distribuzione di energia elettrica nazionale. Con oltre l’80% della potenza in cicli a vapore avanzati, il parco di impianti a carbone sudcoreano ha una delle più grandi percentuali di generazione elettrica da carbone con cicli supercritici o ultra supercritici concentrati in una singola nazione. La Corea del Sud è inoltre una delle tre nazioni con gli impianti più nuovi e la prima tra quelli di grande taglia attualmente in funzione.

Impianti sudcoreani alimentati a carbone, suddivisi per età e condizioni del ciclo di vapore

Gli impianti a carbone sudcoreani contribuiscono per circa il 2% alla potenza globale da impianti a carbone ed sono responsabili per circa il 2% delle emissioni globali di CO2 da carbone per la generazione elettrica. Come il Giappone, la Corea del Sud ha attivamente impiegato le tecnologie più nuove e più efficienti, anche se in modo leggermente più conservativo, dal momento che gli impianti USC hanno cominciato ad essere adottati solo all’inizio del nuovo millennio.

I parchi degli impianti a carbone dei due paesi presentano pertanto diversi punti in comune. Entrambi hanno adottato i più avanzati cicli a vapore fin dai primi stadi di maturità della tecnologia, il che rende il parco impianti altamente efficiente. Gli impianti giapponesi hannoil più elevato rendimento operativo al mondo: una media del 41,6% (netto, basato sul potere calorifico inferiore LHV). Tuttavia, il fatto che gli impianti a carbone sono già quasi completamente di tipo HELE limita il potenziale di miglioramento delle prestazioni. Il Giappone ha un significativo programma di costruzione di impianti a carbone che continua ad andare avanti, mentre la Corea del Sud ha una potenza pianificata di bassa entità.

Le politiche energetiche di Giappone e Corea del Sud sono state radicalmente riconsiderate alla luce del disastro nucleare di Fukushima. In Giappone, una considerevole riduzione della generazione nucleare attuata sulla base delle procedure di sicurezza ha fatto in modo che il carbone coprisse il carico di base. Nel lungo termine, il mantenimento di un mix energetico relativamente diversificato vedrà il carbone continuare a essere una fonte importante di potenza per i prossimi vent’anni almeno, e l’impegno del paese a usare le migliori tecnologie dovrebbe assicurare un mercato domestico per i prodotti HELE giapponesi. La Corea del Sud invece, nonostante abbia ridotto la potenza da nucleare alla luce delle preoccupazioni sulla sicurezza, ha ridimensionato iil carbone nel suo futuro mix energetico, virando sulle rinnovabili e il gas naturale. Questa linea è considerata rischiosa, in quanto non solo riduce la diversità energetica ma ripone grande affidamento su forniture di gas naturale che potrebbero essere inaffidabili a lungo termine. Le due nazioni hanno efficaci e stringenti controlli delle emissioni che rendono obbligatorie le tecnologie HELE.

Sia il Giappone che la Corea del Sud hanno settori tecnologici ampiamente sviluppati, capaci di raggiungere gli obiettivi prefissati sia nelle attività di ricerca e sviluppo che nella piena commercializzazione dei risultati. Il Giappone ha piani ambiziosi per continuare lo sviluppo delle tecnologie degli impianti termici “tradizionali” e delle tecnologie più innovative. La chiave del successo di questi piani risiede nello sviluppo dei materiali, delle tecniche di fabbricazione e dei metodi di manutenzione per supportare cicli avanzati ultra supercritici. Il programma giapponese 2008-2016 per i cicli USC è stato inteso allo sviluppo di leghe ad elevata prestazione in grado di operare a lunga durata con temperature di vapore di 700 °C e pressioni di 35 MPa (rispetto alle più tipiche condizioni di 600 °C e 25 MPa dei cicli USC). Questi impianti sarebbero pertanto in grado di avere un rendimento medio di 46-48% (HHV), contro il 42% degli impianti USC. In estensione a tale programma, per il periodo 2017-2020, è previsto uno studio per verificare l’ulteriore sviluppo delle tecnologie di manutenzione degli impianti; per affrontare le problematiche legate alla degradazione dei materiali; per la valutazione della vita residua dei componenti; per lo sviluppo di strategie per gestire i carichi variabili associati con le fonti rinnovabili di natura intermittente. Per quanto riguarda gli impianti IGCC, in Giappone è stato realizzato nel 2013 un impianto di gassificazione ad aria, ad oggi commercialmente operativo. La tecnologia HELE IGCC è ampiamente parte dei piani energetici giapponesi di lungo termine e futuri sviluppi sono rivolti per l’incorporazione di tecnologie a celle combustibili per aumentare ulteriormente il rendimento globale di ciclo.

Sviluppo degli impianti a carbone

Le due figure seguenti mostrano come gli impianti a carbone di Giappone e Corea del Sud potrebbero evolversi nel caso le unità più vecchie venissero rimpiazzate dalle attuali migliori tecnologie, e nuove unità venissero aggiunte per far fronte a qualsiasi calo della domanda. L’analisi macroeconomica usata come base di questo studio è relativa alla crescita prevista nell’uso del carbone per generazione elettrica, considerata avendo come riferimento lo US Energy Information Administration Energy Outlook (US EIA 2018), che ipotizza una crescita economica mondiale del 3,6% all’anno al 2040 e un aumento del prezzo del petrolio greggio a 163 US$ nel 2040. La crescita di domanda prevista nei modelli EIA riflette la legislazione politica corrente e futura di breve termine per le due nazioni.

Profilo di generazione elettrica da carbone del Giappone nello scenario 2015-2040

 

Profilo di generazione elettrica da carbone della Corea del Sud nello scenario 2015-2040

Giappone e Corea del Sud hanno perseguito ambiziosi programmi di sviluppo per portare sistemi avanzati a vapore e di tipo IGCC alla commercializzazione. L’IGCC è di particolare interesse, dal momento che apre la via all’incorporazione di celle a combustibile e cicli modificati che potrebbero conseguire, nel lungo termine, rendimenti globali notevolmente alti. Nel breve termine, il fatto che si consideri possibile incorporare l’USC avanzato in impianti nuovi o esistenti è incoraggiante, dato che offre miglioramenti di efficienza rispetto agli attuali cicli USC allo stato dell’arte. Poiché già possiedono parchi di impianti a carbone altamente efficienti, un ulteriore sviluppo delle tecnologie HELE può portare soltanto guadagni marginali. Detto ciò, una volta che gli impianti USC avanzati cominceranno a sostituire le unità più vecchie, verranno ottenute concomitanti riduzioni di emissioni di CO2. Comparando la situazione del Giappone con quella della Corea del Sud, il previsto declino della popolazione del Giappone e di conseguenza della domanda di energia, unito a impianti a carbone più efficienti, porta a una previsione di una riduzione del 28% delle emissioni di CO2. La riduzione di emissioni per la Corea del Sud è più modesta e pari al 7%, come conseguenza del più alto livello previsto di crescita economica rispetto al Giappone.

Le attività estere delle due le nazioni, dirette ad esplorare e sfruttare le opportunità per le tecnologie HELE nei mercati emergenti, stanno avendo successo. Nel caso della Corea del Sud, il ridotto supporto per la generazione domestica da carbone non si è riflesso nelle attività internazionali. Esiste comunque un movimento che sta guadagnando popolarità a livello mondiale e che fa pressione sui principali enti di finanziamento per non finanziare i progetti sul carbone. Questo potrebbe ostacolare il lancio di impianti HELE a carbone nel lungo termine, a meno che non venga concesso un approccio più pragmatico alle forniture elettriche, specialmente nelle economie emergenti più in difficoltà, dove l’accesso a energia elettrica affidabile ed economica è una priorità. Questo non è il luogo per discutere i pro e i contro dei sistemi energetici alternativi, ma se il carbone avrà un ruolo nel soddisfare i fabbisogni energetici nel medio termine, cosa su cui tutti i principali commentatori energetici sono generalmente d’accordo, gli impianti HELE sono la scelta più ovvia, e sia il Giappone che la Corea del Sud stanno dimostrando come possano essere usati a livello domestico ed esportati all’estero con successo. SSollai