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Nuova roadmap per impianti ad alta efficienza e basse emissioni

Nei dieci anni trascorsi dalla pubblicazione della roadmap sulle tecnologie “High efficiency, low emissions” (le cosiddette Hele) sono stati compiuti notevoli progressi. Sempre più diffuse le tecnologie di controllo degli inquinanti atmosferici, accompagnate da standard di emissione più rigorosi anche nei Paesi che più utilizzano il carbone: Cina, India e Indonesia. Oltre l’85% delle centrali a carbone è dotata di un sistema di trattamento dei fumi per il controllo del particolato, con filtri a tessuto e precipitatori elettrostatici; e, a livello mondiale, oltre l’80% delle centrali dichiara di avere una qualche forma di trattamento dei fumi post-combustione.

Aumentare l’efficienza per ridurre le emissioni di CO2

Oltre il 60% dell’attuale parco mondiale di impianti a carbone è stata realizzata negli ultimi 20 anni e quasi il 50% utilizza una tecnologia subcritica inefficiente, evidenziando la necessità di rimodernare le unità obsolete sostituendole con alternative più efficienti e complementandole, ove non presenti, con l’installazione di efficaci apparecchiature di controllo degli inquinanti.

Globalmente la percentuale di centrali elettriche supercritiche è aumentata costantemente, passando da circa il 16% nel 2000 al 38% nel 2020. La metà di questa capacità è classificata come ultra supercritica (USC), a denotare impianti ancora più efficienti che utilizzano materiali all’avanguardia per operare a temperature più elevate. Le moderne centrali elettriche Usc a carbone raggiungono attualmente un rendimento energetico netto del 47%, equivalente ad un fattore di emissione di circa 720 gCO2/kWh. Poiché questo limite di prestazioni è in gran parte fissato dalle temperature del vapore, ottenibili con acciai avanzati, gli sforzi per andare oltre si sono concentrati sullo sviluppo di un impianto ultra supercritico avanzato (AUSC) che utilizza leghe a base di nichel. Negli ultimi dieci anni, Cina e India sono diventati attori significativi in questo campo.

Mappamondo Hele

L’implementazione delle tecnologie Hele varia in modo significativo da Paese a Paese. Soprattutto in base alla normativa nazionale (inclusi obiettivi di efficienza e standard di emissione), alla struttura del mercato elettrico, al sistema di tariffazione della CO2 e alla disponibilità di finanziamenti a supporto dell’installazione della tecnologia.

In Cina, un settore energetico fortemente controllato dallo Stato, con approccio “top-down”, ha permesso al Paese di compiere cambiamenti straordinariamente rapidi nell’adozione delle nuove tecnologie. A partire dagli anni 90 il Paese ha intrapreso una campagna di chiusura delle unità più piccole e subcritiche, privilegiando il passaggio ad unità grandi ed efficienti, con rigorosi controlli sugli inquinanti. Nell’ambito dell’accordo di Parigi, la Cina – nel Piano generale nazionale per l’azione per il clima (Ndc) ha incluso, tra gli obiettivi, un consumo specifico di carbone di 300 grammi di carbone equivalente (gce) per kWh per le nuove unità e di meno di 310 gce/kWh di media per l’intera flotta entro il 2020, obiettivo raggiunto nel 2019, con un anno di anticipo.

Negli ultimi vent’anni nel Paese è stata registrata una crescita di 800 Gw con una percentuale del 20% di capacità Usc e un ulteriore 26% di capacità supercritica; rimangono tuttavia oltre 500 Gw di impianti subcritici, di cui circa il 37% costruito prima del 2000. Sebbene le dimensioni del parco si stiano rapidamente avvicinando al limite imposto nell’ultimo piano quinquennale (Fyp), di 1,1 Tw, la costruzione di nuovi impianti continua a ritmo serrato: dal 2006 la Cina ha infatti commissionato circa 224 GW di unità USC e 36 GW sono attualmente in costruzione. Saranno tuttavia necessarie nuove unità Hele per sostituire gli impianti subcritici in dismissione.

Per promuovere il miglioramento dell’efficienza degli impianti a carbone, la Cina, a febbraio 2021, ha attivato un mercato nazionale delle emissioni di anidride carbonica, sulla falsa riga dell’Emissions Trading Scheme europeo. Si tratta di un meccanismo che stabilisce dei limiti di intensità di carbonio per unità di elettricità generata dalle centrali (979 kgCO2 /MWh per le unità con capacità inferiore ai 300 Mw, 877 kgCO2/MWh per le unità con capacità superiore ai 300 Mw), obbligando chi li sfora ad acquistare dei crediti di CO2 e consentendo a chi resta al di sotto di vendere le proprie quote, incentivando così la transizione energetica.

Nell’ultimo decennio in India, il governo ha incoraggiato il passaggio a impianti più grandi e supercritici, con la prima unità di questo tipo commissionata nel 2010 e la prima unità Usc nel 2019. Buona parte del parco di impianti a carbone è però composta da unità più piccole e subcritiche, che operano da oltre 25 anni. Lo sviluppo e l’adozione delle tecnologie Hele deve fare i conti con diversi problemi, principalmente di ordine finanziario e tecnico. Il mercato dell’elettricità in India è un sistema altamente regolamentato, con oltre l’80% dell’energia acquistata tramite accordi a lungo termine (Ppa) tra i produttori ed i servizi di distribuzione statali. Questi ultimi molto spesso si trovano a dover affrontare condizioni di indebitamento dovute al mancato recupero del costo dell’acquisto dell’energia all’ingrosso, limitando di conseguenza gli investimenti delle società di generazione per l’ammodernamento degli impianti.

Questo spiega in buona parte la scelta conservativa del governo indiano di avviare nel 2022 la costruzione di un impianto dimostrativo, utilizzando materiali relativamente consolidati, sviluppati e testati nell’ambito di programmi di ricerca europei e statunitensi.

In seguito alla chiusura prolungata della centrale nucleare di Fukushima, il Giappone ha dovuto rinnovare il proprio interesse nell’energia da carbone, commissionando nel 2020 tre nuove unità Usc, oltre 6 Gw di impianti Usc o Igcc (cicli combinati integrati con processi di gassificazione) attualmente in costruzione. Lo sviluppo e l’installazione di centrali a carbone ad alta efficienza sono per lo Stato nipponico un elemento chiave della strategia di riduzioni delle emissioni di CO2.

La limitata disponibilità di carbone locale ha incentivato l’investimento verso impianti più efficienti al fine di ridurre al minimo il costo del combustibile. Sono stati proposti vari progetti per il retrofit di impianti esistenti, utilizzando leghe a base di nichel per la sostituzione delle componenti soggette a temperature più elevate (che verrebbero incrementate fino a 700 °C). È dimostrato inoltre come piccoli incrementi della temperatura del vapore, ottenibili con l’utilizzo di nuovi acciai ad alte prestazioni, insieme all’adozione di tecnologie avanzate di cicli a vapore consentano di incrementare l’efficienza fino al 50% (circa 680 gCO2 / kWh).

I grandi produttori giapponesi sono inoltre diventati i principali esportatori di impianti Usc e altre tecnologie a basse emissioni ai Paesi in via di sviluppo, incentivati dal governo attraverso l’agevolazione di prestiti. Tuttavia, il Paese è stato sottoposto a crescenti pressioni internazionali per ridurre il suo sostegno al carbone sia in patria che all’estero.

La sfida per i prossimi due decenni di energia da carbone sarà quella di coltivare un ambiente fruttuoso per lo sviluppo e il dispiegamento di nuove tecnologie Hele e Ccus (Carbon, capture, utilisation and storage) sullo sfondo di un plateau generale e diffuso, definendo il ruolo chiave dei governi nelle regioni in cui il carbone rimarrà un motore di crescita per gli anni a venire.

Il peso del carbone oggi

Il carbone rappresenta la principale fonte di energia al mondo e dal 1990 è responsabile di oltre il 37% dei consumi globali di energia. Con il rafforzamento degli sforzi internazionali per ridurre le emissioni di anidride carbonica si prevede che la produzione di energia da carbone diminuirà gradualmente e, secondo lo Scenario delle Politiche Annunciate (Steps, Stated policies scenario), elaborato dall’Agenzia Internazionale per l’Energia (Iea), si ridurrà quasi del 10% entro il 2040; mentre, nello stesso periodo, l’aumento delle energie rinnovabili soddisferà la stragrande maggioranza della domanda di elettricità.

Figura 1. Produzione globale di elettricità per fonte energetica (IEA, 2020a,b)

Attualmente la nuova capacità di centrali elettriche alimentate a carbone in costruzione nel mondo è di 145 Gw, di cui 44 Gw in Cina, 40 Gw in India e 26 Gw nell’Asean (Associazione delle Nazioni del Sud-Est asiatico). È tuttavia probabile che, nei prossimi decenni, il carbone continuerà a ricoprire un ruolo di primo piano nel settore energetico, in particolar modo per le economie emergenti.  La produzione di energia da carbone, oltre ad essere una delle principali fonti di inquinanti atmosferici nocivi tra cui particolato, anidride solforosa (SO2), ossidi di azoto (NOx) e metalli pesanti, è responsabile di un terzo delle emissioni globali di gas serra, generando nel 2019 circa 10 miliardi di tonnellate di CO2.

Figura 2. Obiettivi per lo sviluppo e la realizzazione di centrali elettriche ad alta efficienza e basse emissioni e per le tecnologie di cattura, stoccaggio e utilizzo del carbonio

Il ruolo delle nuove tecnologie

Per minimizzare l’impatto ambientale è imperativo, per i prossimi decenni, massimizzare l’adozione e lo sviluppo di tecnologie del carbone ad alta efficienza e basse emissioni. Queste ultime includono progetti ad alta efficienza per nuovi impianti, tra cui: cicli avanzati a vapore ultrasupercritici, cicli combinati integrati con processi di gassificazione, impianti di gassificazione integrati con celle a combustibile (Igfc), cicli a CO2 supercritica, nonché strategie per migliorare l’efficienza e la flessibilità delle unità esistenti, la co-combustione della biomassa e la cattura dell’anidride carbonica.

In alternativa alla tecnologia convenzionale del carbone polverizzato, i cicli di generazione di energia basati sulla produzione di syngas da carbone, offrono numerosi vantaggi tra cui maggiore efficienza, flessibilità del combustibile, generazione di prodotti ad alto valore come l’idrogeno e compatibilità con le tecnologie di cattura, utilizzo e stoccaggio della CO2. Le Ccus si sono affermate come una soluzione tecnicamente applicabile sul 90% delle centrali a carbone esistenti, ma sono adottate solo da pochi siti dimostrativi.

La tecnologia di desolforazione dei gas di combustione (Fgd) è la più efficace e diffusa, in particolare per le unità più grandi, è l’Fgd ad umido. Molte centrali a carbone presenti in India, Indonesia, Sud Africa e Australia, non sono equipaggiate con sistemi di abbattimento di anidride solforosa, ma garantiscono il rispetto degli standard di emissione di SO2 con carboni a basso tenore di zolfo e adottano misure di “pre-combustione” (miscelazione o lavaggio del carbone) per ridurre il contenuto di zolfo nel combustibile. La tendenza in molte di queste regioni è quella di introdurre limiti di SO2 più severi che richiederanno l’utilizzo di Fgd ad umido.

I controlli degli NOx sono meno diffusi. E ci sono notevoli differenze tra le regioni. Il mezzo più efficace per l’abbattimento di questi inquinanti è la riduzione selettiva catalitica (Scr), che può raggiungere una rimozione di oltre il 90%. Ma in Cina, Giappone, Sud Corea e Stati Uniti solo un quarto della unità di taglia superiore a 20 Mw sono dotate di questa tecnologia. Nei paesi dell’Unione Europea la maggior parte delle unità non conformi ha scelto di soddisfare i limiti di emissione con una combinazione di misure alternative a basso costo, come l’ottimizzazione della combustione (controlli primari) e la riduzione selettiva non catalitica (Sncr).

Indonesia, India e Turchia hanno introdotto per i nuovi impianti, standard più rigorosi che richiederanno probabilmente l’adozione della riduzione selettiva catalitica. Le tecnologie di controllo degli inquinanti già citate sono nella maggior parte dei casi capaci di rimuovere il mercurio dal combustibile, riuscendo a soddisfare gli standard di emissione dei paesi non Ocse (ad esempio, 30 μg/m3 in India e Indonesia). Negli Stati Uniti l’introduzione di limiti sempre più rigidi ha favorito l’implementazione diffusa di specifiche tecnologie di rimozione del mercurio.

Oltre ad aumentare l’efficienza termica e ridurre le emissioni, vi è un crescente interesse nello sviluppo di centrali a carbone ultrasupercritiche (“Usc”), di taglia ridotta, più adatte a fornire una produzione flessibile, adeguata alla variazione della produzione da fonti energetiche rinnovabili. Attualmente in Europa la più piccola unità Usc operativa, completata nel 1988, è in Danimarca: l’impianto Nordylland 3 da 440 Mw. Più recentemente in Indonesia è stata messa in servizio un’unità da 315 Mw presso la centrale elettrica di Banten Lontar che rappresenta un nuovo punto di riferimento per gli impianti Usc più piccoli.  FPoggi

CCC/309

MARZO 2021

Toby Lockwood


Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.