Le Nazioni Unite hanno identificato nella povertà energetica il più grande problema di molte economie in fase di sviluppo e hanno stilato un elenco di 17 obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG, Sustainable Development Goals). L’applicazione della modularizzazione consente il raggiungimento di alcuni di questi obiettivi, come la riduzione dei costi e l’aumento dell’efficienza, contribuendo alla produzione e alla fornitura di energia pulita e sostenibile a basso costo (Goal 7 e 12).

Sebbene l’utilizzo del carbone sia in declino tra le economie più sviluppate, il suo impiego in Asia e in numerose altre nazioni in via di sviluppo rimane l’unica fonte di energia sicura e a basso costo. Di fatto, milioni di persone in molte aree del mondo, ancora non hanno accesso all'elettricità. Per questa ragione, alcuni governi continuano a incoraggiare la diffusione di centrali a carbone per la produzione di energia elettrica come una tecnologia redditizia capace di generare benessere economico, di migliorare la qualità della vita e di sviluppare le economie locali. Tuttavia, per rendere più attraente l’utilizzo dei sistemi di generazione elettrica a carbone è necessario ridurre i costi, migliorare l’efficienza e ridurne l’impatto ambientale.

Per questo motivo, sono state messe in atto molte azioni politiche che mirano, direttamente o indirettamente, a rendere le centrali elettriche a carbone più sostenibili da un punto di vista economico e ambientale. Ulteriori spinte all'innovazione provengono dalle compagnie ingegneristiche di costruzione e approvvigionamento (EPC), le quali, operando in un mercato altamente competitivo, continuano a ricercare soluzioni più redditizie ed ecosostenibili. Uno strumento considerato come un valido mezzo per le sue possibili applicazioni in questo settore è la modularizzazione.

La modularizzazione e i suoi vantaggi

Il principio base della modularizzazione è la scomposizione di un impianto o di un suo segmento in componenti di dimensioni più piccole che possono essere assemblate in un momento successivo. I moduli vengono progettati e realizzati da ditte altamente specializzate off-site. Una volta fabbricati, vengono trasportati e assemblati on-site, riducendo le risorse necessarie durante la fase di installazione e i costi per la realizzazione dell’impianto. Nella maggior parte dei casi, si cerca di modularizzare il più possibile l’impianto con l’obiettivo di migliorare la qualità, minimizzare i rischi, ridurre i costi e accorciare i tempi di realizzazione. L’entità della modularizzazione varia significativamente da un progetto all’altro a seconda delle dimensioni, sebbene tutte le società di progettazione tendono sempre ad includere nei nuovi progetti questo nuovo approccio alla costruzione con notevoli vantaggi, sia sotto il punto di vista tecnico che economico.

La fabbricazione di moduli viene effettuata da compagnie specializzate che dispongono di tutte le risorse necessarie per la realizzazione: i processi di realizzazione avvengono in condizioni controllate, contribuendo così ad una riduzione dell’energia necessaria e della produzione di rifiuti. La modularizzazione consente di accrescere le dimensioni dell'impianto (scale up) e semplifica l’adattamento dei progetti alle proprie esigenze. Tutto ciò si traduce in un vantaggio economico che porta ad una riduzione del 15-20 % dei costi totali della realizzazione dell’impianto.

La modularizzazione: dalla chimica al carbone

La modularizzazione è comunemente accettata e utilizzata in una vasta area dell’industria chimica, petrolifera e di trattamento del gas. Il suo utilizzo si è recentemente esteso al settore energetico dove è applicata nel design e nello sviluppo di impianti di generazione elettrica da carbone. Il grado di modularizzazione varia per ciascun progetto in relazione alle sue dimensioni fisiche.

Le dimensioni fisiche di un impianto di generazione elettrica da carbone rappresentano in generale un limite alla modularizzazione e potrebbero ridurne il peso nella realizzazione dei moduli off-site. La maggior parte delle sezioni dell’impianto possono essere potenzialmente soggette alla modularizzazione, in particolare i sistemi e i componenti più piccoli. Tuttavia, sezioni di grande dimensione come boiler e altre parti in acciaio, possono essere fabbricate e trasportate pronte per essere assemblate on-site. Anche quando l’impianto ha grandi dimensioni e la modularizzazione per alcune porzioni non è possibile, si cerca comunque di trovare soluzioni alternative per la modularizzazione delle altre parti.

Al contrario, le unità di generazione di energia da carbone in centrali di piccole dimensioni consentono un elevato grado di modularizzazione. Per esempio, in Giappone la modularizzazione è stata utilizzata per la progettazione e la costruzione di unità da 100 MW. Lo sviluppo di piccoli impianti, applicando il concetto della modularizzazione, è oggetto di studio anche negli USA, dove il Dipartimento dell’Energia sta sviluppando unità di generazione di energia elettrica da carbone a basse emissioni tra 50 e 350 MW. Impianti di piccole dimensioni possono essere fondamentali per produrre elettricità a basso costo in parti del mondo dove la costruzione di centrali più grandi è inadeguata.

La tecnica della modularizzazione è stata applicata anche ai processi di gasificazione. Un esempio è l’impianto di Wabash River negli Stati Uniti. La modularizzazione per la costruzione di alcune parti della centrale ha permesso un notevole risparmio nei costi e nel tempo di realizzazione. Più recentemente, in Giappone sono stati costruiti degli impianti personalizzando di volta in volta progetti già realizzati altrove. Tali impianti, la cui messa in esercizio è prevista per il 2020, sono situati a Iwaki, Fukushima, e hanno una potenza pari a 540 MW.

Accanto ai documentati impieghi della modularizzazione nelle centrali elettriche da carbone, esistono anche nuove applicazioni, alcune delle quali sono evoluzioni di tecnologie già esistenti. Diversi aspetti della concezione modulare sono potenzialmente utilizzabili per applicazioni diverse da quelle per le quali sono state progettate. E’ il caso di alcuni reattori concepiti e costruiti per l’industria chimica che possono essere usati, con piccole modifiche, per i sistemi di controllo delle emissioni. Inoltre, la modularizzazione può essere applicata per la costruzione di unità di trattamento delle emissioni di NOx, SOx e particolato atmosferico.

Sviluppi Futuri

In un mercato fortemente competitivo, la modularizzazione fornisce vantaggi concreti aprendo a nuovi potenziali mercati. Utilizzando adeguatamente questo approccio è possibile continuare ad impiegare le centrali elettriche a carbone per la produzione di energia sostenibile a prezzi accessibili e con un basso impatto ambientale.

Dove possibile, il settore energetico si sta muovendo verso la modularizzazione con una sempre maggiore consapevolezza dei benefici che possono derivare dalla pianificazione degli impianti, dall’approvvigionamento, dall’ingegnerizzazione e dall’installazione di moduli prefabbricati.  Non è azzardato prevedere una crescente importanza della modularizzazione nel settore energetico. SLai

Report IEA CCC/299

Autore: Stephen Mills Ottobre 2019