LCA applicata alle tecnologie alimentate da fonti rinnovabili di energia
Prof. Maurizio Cellura
Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali (DREAM)
Convegno scientifico “Rete Italia LCA” – Palermo 12 Giugno 2009
LCA applicata alle tecnologie alimentate da fonti rinnovabili di energia – Prof. M. Cellura
“La sicurezza dell'approvvigionamento richiede varie iniziative politiche che consentano di diversificare le fonti e le tecnologie, senza ignorare il contesto geopolitico e le sue implicazioni”
“E’ necessario un sostegno alla ricerca e allo sviluppo, orientato all’innovazione e al cambiamento, sfruttando il potenziale di tutte le tecnologie energetiche”
L’UE ha evidenziato:
“Le tecnologie sull’energia rinnovabile, come molte altre tecnologie innovative, risentono di un’iniziale mancanza di fiducia da parte degli investitori, dei governi e degli utilizzatori, dovuta a scarsa dimestichezza con il loro potenziale tecnico ed economico e ad una resistenza generale al cambiamento e a nuove idee”
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Convegno scientifico “Rete Italia LCA” – Palermo 12 Giugno 2009
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Le tecnologie per lo sfruttamento delle RES(Renewable Energy Sources) generano impatti seppur considerate “pulite”
Tecnologie per lo sfruttamento delle RES
L’approccio del “life cycle thinking” è prioritario per valutare le prestazioni globali di tali tecnologie, per valutarne gli impatti ambientali, confrontarne le prestazioni con tecnologie tradizionali surrogabili e definire delle possibili strategie e soluzioni innovative per il loro miglioramento nell’ottica di ciclo di vita
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Le ricerche nel settore hanno lo scopo di:
Tecnologie per lo sfruttamento delle RES
Promuovere le tecnologie più efficienti ed ecocompatibili, ed incentivare la ricerca sulle tecnologie con i maggiori margini di miglioramento
Comunicare al pubblico informazioni attendibili e scientificamente fondate, cercando anche di superare ”l’iniziale mancanza di fiducia da parte degli utilizzatori, dovuta alla scarsa dimestichezza con il loro potenziale tecnico ed economico ”
E’ inoltre auspicabile che la raccolta ed elaborazione e comunicazione delle informazioni sia organizzata secondo “format” standardizzati (ad es. sulla base di un format EPD).
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Esigenze in termini di ricerca:
Alla luce della Direttiva 2005/32/CE sull’ecodesign dei prodotti che consumano energia, le tecnologie per lo sfruttamento delle RES sono da classificarsi come EuP. In tal senso occorrerà elaborare apposite misure di esecuzione che fissino criteri minimi ambientali.
Necessità di:
studi scientifici in tal senso
dati affidabili e rappresentativi modelli condivisi di supporto
alla decisione
Individuare criticità (hot spot)
indicatori condivisi
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Necessità di un numero sempre crescente di approfonditi studi di LCA sulle tecnologie per le RES
GdL ENERGIE E TECNOLOGIE SOSTENIBILI
L’obiettivo GdL “Energie e Tecnologie Sostenibili” della Rete Italiana LCA è lo studio delle prestazioni dei sistemi per la generazione, trasformazione ed utilizzo dell’energia con lo scopo di promuovere l’eco-efficienza a tutti i livelli
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GdL ENERGIE E TECNOLOGIE SOSTENIBILI
Analisi dei sistemi per la generazione dell’elettricità:
Obiettivi specifici sono:
Raccogliere, confrontare e valutare le informazioni inerenti agli impatti specifici per la produzione dell’energia elettrica secondo le differenti tecnologie basate sullo sfruttamento di fonti energetiche fossili e rinnovabili;
Raccogliere dati di campo relativi al contesto italiano di produzione dell’elettricità e definire un ecoprofilo medio del mix energetico nazionale
Analisi delle principali categorie di EuP con lo scopo di
Aggiornare e ampliare il lavoro di ricerca già avviato dall’UE per lo studio delle categorie di prodotti “EuP”significative per il mercato europeo
Elaborare possibili soluzioni progettuali che migliorino l’eco-efficienza delle tecnologie investigate
Promuovere soluzioni innovative per gli EuP caratterizzati da elevate prestazioni energetiche ed ambientali
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Indicatori di payback
Una delle priorità nel processo di valutazione delle tecnologie per le RES è la definizione di indicatori energetico-ambientali opportuni e condivisi. Gli “indicatori di payback” possono rappresnetare un interessante esempio
Prendendo a prestito dei concetti tipici degli studi economici, tali indici permettono di valutare in quanto tempo gli “investimenti” iniziali per gli impianti innovativi (in termini di Embodied Energy ed emissioni) sono “recuperati” grazie ai ridotti impatti in fase d’uso
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Indicatori di payback
Benefici netti
Bnet, i = Beneficio primario netto per l’indicatore “i”;
IConventionale,i = impatto “i” di ciclo di vita riferito all’uso di un impianto convenzionale;
IInnovativo,i = impatto “i” di ciclo di vita, riferito all’uso dell’impianto innovativo
iInnovativoialeConventioninet IIB ,,, −=
Caratteristica, ma anche principale limite per gli indici, è la necessità di definire un sistema convenzionale di riferimento rispetto a cui valutare i benefici ottenuti
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Indicatori di paybackL’ “Energy Payback Time (EPT)” rappresenta il tempo di utilizzo di un impianto innovativo affinché l’energia risparmiata uguagli l’energia spesa per la produzione, manutenzione e smaltimento dell’impianto stesso rispetto a quella spesa per un impianto convenzionale
GERInn = Energia primaria consumata per la produzione, installazione/manutenzione e smaltimento dell’impianto innovativo [MJ];
GERref = Energia primaria consumata per la produzione, manutenzione e smaltimento del sistema convenzionale di riferimento [MJ];
PEref,anno = Consumo annuale di energia primaria del sistema di riferimento [MJ/anno].
PEinn,anno = Consumo annuale di energia primaria del sistema innovativo [MJ/anno].
( )annoinnref
refinnE PEPE
GERGERPT
−
−=
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Indicatori di payback
L’ “Emission Payback Time (EMPT)” rappresenta il tempo necessario di utilizzo di un impianto innovativo, affinché gli impatti ambientali evitati eguaglino gli impatti connessi alla produzione, manutenzione e smaltimento dell’impianto innovativo stesso
GEMinn,i = Emissioni complessive del generico inquinante “i” relative alla produzione, installazione, manutenzione e smaltimento del sistema innovativo [kgi];
GEMref,i = Emissioni complessive del generico inquinante “i” relative alla produzione, installazione, manutenzione e smaltimento del sistema convenzionale [kgi];
EMinn-i = Emissioni annue del generico inquinante “i” relative all’uso del sistema innovativo [kgi /anno];
EMref-i = Emissioni annue del generico inquinante “i” relative all’uso del sistemaconvenzionale [kgi /year].
( )yeariinniref
irefiinniEM EMEM
GEMGEMPT
,,
,,, −
−=
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Indicatori di payback
“Energy Return Ratio (ER): rappresenta quante volte l’energia risparmiata grazie all’uso dell’impianto innovativo supera l’energia investita per la realizzazione e gestione dello stesso
inn
innrefR GER
EEE
−=
Eref = Energia complessiva spesa durante tutto il ciclo di vita dell’impianto di riferimento (produzione, installazione, manutenzione, uso e smaltimento) [MJ].Einn = Energia complessiva spesa durante tutto il ciclo di vita dell’impianto di innovativo (produzione, installazione, manutenzione, uso e smaltimento) [MJ] GERInn = Energia primaria consumata per la produzione, installazione/manutenzione e smaltimento dell’impianto innovativo [MJ];
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Collettore solare termico – Task 27 IEA
Global Energy Consumption
0
1
2
3
4
5
[GJP
rim
]
FeedstockFuel energy
Feedstock 0.22 0.49 0.04 0.14 0.63
Fuel energy 0.3 3.49 3.96 1.09 0.06 0.15 0.2 0.70 0.02
Transport of raw mat.
Collector Boiler Support Other parts Packaging Installation Mainten. Disposal
Collettore solare piano a circolazione passiva, con serbatoio integrato e supporto regolabile
Massa complessiva a secco: circa 180 kgConsumo complessivo di energia primaria: 11.5 GJEmissioni di gas serra: 721 kgCO2 eq.
Payback energetico ed ambientale: tra uno e tre anni (insolazione dell’Italia meridionale; sistema convenzionale di riferimento: caldaia a gas)
Energy payback time
0
1
2
3
4
111098765Energia utile [GJPrim]
Payb
ack
time
[ann
i]
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Solar cooling – Task 38 IEA
Studio (in corso) sulle prestazioni di un Impianto di Desiccant and EvaporativeCooling plant (DEC), assistito da collettori solari termici
Confronto dei benefici netti dell’impianto in confronto con un impianto tradizionale.
0
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
3.000.000
[MJ Pr
im]
Summer 1.976.934 1.379.977 596.957
Winter 554.941 405.357 149.584
Conventional Innovative Net Benefits
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Wind farm
Wind farm in Sicilia. 11 generatori da 650 kW su di una superficie di circa 4,5 km2
Consumo energetico globale
0
10
20
30
40
50
60
Produzione Uso &Manutenzione
Fine vita Totale
[TJ]
91,8%
6,7 % 1,5 %
Producibilitò media misurata: circa 11.400 MWh/annoConsumo complessivo di energia primaria: 53.4 GJEmissioni di gas serra: 3.98 106 kgCO2 eq.
Payback energetico ed ambientale: inferiori ad un anno (ventosità della Sicilia; sistema convenzionale di riferimento: mix energetico medio italiano)
Energy payback time
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
19517515513511595
Energia utile [TJPrim]
Payb
ack
time
[ann
i]
Energy payback time
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
19517515513511595
Energia utile [TJPrim]
Payb
ack
time
[ann
i]
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Pannello fotovoltaicoNella letteratura scientifica sono presenti numerosi studi inerenti le prestazioni di ciclo di vita dei collettori fotovoltaici, riferiti a casi studio negli USA e nell’Europa centro-settentrionale
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Fonte: Fthenakis 2007
PV Europei. insolazione 1700 kWh/m2/anno
Si Europeo – Moduli USA. insolazione 1800
kWh/m2/anno
Si Europeo –Moduli USA.
insolazione 2280 kWh/m2/anno
Si Europeo –Moduli USA.
insolazione 2060 kWh/m2/anno
Per varie tipologie di collettori (mono e poli cristallini, ed a film sottile), sono stati valutati degli impatti molto variabili, in funzione anche delle differenti condizioni climatiche.Taluni studi testimoniano il miglioramento delle prestazioni dei collettori PV negli ultimi anni, specie dei collettori a film sottile (in CdTe), con impatti molto ridotti (anche minori a 20 gCO2 eq/kWh)Inoltre alcune stime prevedono che la ricerca riuscirà nei prossimi 5 anni a dimezzare l’impiego di Si nei collettori, e ad aumentare di un ulteriore 3% l’efficienza dei collettori in CdTe. Occorrono dunque nuovi studi di LCA per tali tecnologie
Centrale idroelettica
Gli impianti idroelettrici rappresentano a livello mondiale la tecnologia per lo sfruttamento delle RES maggiormente consolidata e matura.
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Da un’indagine dei dati in letteratura risulta che gli impianti idroelettrici sono caratterizzati da emissioni per kWh che variano da pochi grammi a 20 gCO2eq/kWh, e con payback dell’ordine di qualche anno e valori dell’indice di Return Ratio compresi tra 50 e 250
I potenziali per lo sfruttamento dell’idroelettrico sono in gran parte stati sfruttati. Restano invece aperti degli interessanti margini per gli studi sul mini-idro, per i quali non vi sono molti studi disponibili
In parallelo allo studio della LCA degli impianti per lo sfruttamento delle RES è interessante anche affiancare studi relativi alle prestazioni di ciclo di vita di centrali a fissione nucleare, alla luce anche del dibattito politico in ambito nazionale ed internazionale
Fissione nucleare e rinnovabili
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L’UE ha constatato che “le preoccupazioni per il riscaldamento climatico hanno modificato le percezioni dei vincoli di approvvigionamento energetico e che la questione èparticolarmente acuta per il nucleare che come fonte di produzione elettrica consente, insieme alle energie rinnovabili e all'efficienza energetica, di evitare le emissioni dei gas ad effetto serra derivanti dal consumo di combustibili fossili”
Commissione Europea. “Verso una strategia europea di sicurezza dell’approvvigionamento energetico (2000)
Laddove è massiccio il ricorso al nucleare lo sviluppo e la diffusione degli impianti per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili sono stati minori
Fissione nucleare e rinnovabili
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In Italia è in corso il dibattito sull’opportunità o meno di far ricorso a questa tecnologia nel medio periodo.
Spesso sono diffuse delle asserzioni inerenti al basso impatto ed all’elevata convenienza della tecnologia della fissione rispetto anche agli impianti per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia. Rischi? Accettazione da parte delle popolazioni? Scorie nucleari? Nucleare di quarta generazione?
E’ stata riscontrata una grande variabilità dei risultati da associare a diverse ipotesi, quali:
- Tipologia di processo di arricchimento (il metodo a diffusione è molto più “energivoro” del sistema a concentrazione)
- Concentrazione dell’uranio nei minerali
-Tipologia di centrali: PWR - Pressurized Water Reactor, BWR - Boiling Water Reactor (quest’ultima con impatti specifici minori)
- Vita utile e produttività degli impianti
- Modalità di gestione dei rifiuti
Ciclo di vita centrali nucleari
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LCA centrali nucleari: variabilità dei risultati
Emissioni di gas-serra da pochi grammi a
quasi 100 g
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Prestazioni di ciclo di vita rinnovabili[ g
CO2e
q. /
kWh]
100
200
300
400
500
600
700
800
Fonti varie nella letteratura scientifica
Idro
eolico
Nucleare
PV
Idro: caratterizzato da impatti molto bassi. Elevata flessibilità ed affidabilità. Importanza anche per lo stoccaggio delle risorse idriche
ed il contenimento delle piene.
Eolico: caratterizzato da impatti bassi. Poca flessibilità e
producibilità non costante (legata ai fenomeni meteo-climatici)
PV: impatti specifici elevati rispetto ad altre rinnovabili.
Elevatissima variabilità dei risultati
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900
1000
1100
1200
1300
olio comb.
carbone
gas
Impianti a fonti fossili: impatti elevati, con variabilità ridotta.
Tecnologie affidabili ma mediamente flessibili.
Nucleare: impatti molto variabili secondo le tecnologie, minerali impiegati, e gestione dei rifiuti. Il nucleare inoltre ha una bassa
flessibilità e necessita di accoppiamento ad altri sistemi di
produzione
Mix elettrico nazionale
Il mix elettrico nazionale è un elemento fondamentale per gli studi di LCA, tenuto conto che l’energia elettrica è impiegata in quasi tutti i processi produttivi
Occorre dunque far riferimento a dati che siano affidabili, aggiornati e rappresentativi.
Molti dati, spesso contrastanti, sono disponibili dai vari database per la LCA. E’ opportuno focalizzare l’attenzione della ricerca sull’ecoprofilo del mix elettrico nazionale, anche valutando le modifiche indotte da cambiamenti nella strategie di pianificazione energetica.
Mix di produzione elettrico
Italia Media Europea
Il mix di produzione italiano, rispetto a quello europeo, ècaratterizzato da:- Maggior ricorso ai combustibili gassosi e liquidi, minore uso di carbone, produzione da rinnovabili nella media ed assenza del nucleare
Fonte: ENEA 2005
Fonte: ENEA 2005
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Bilancio Elettrico Italiano: 2005Fonte GRTN
Mix elettrico complessivo
Per valutare il mix elettrico complessivo
nazionale bisogna tener conto anche del saldo delle importazioni da
altri Paesi
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Fonte: ENEA 2005
IMPORTAZIONI DI ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA
Mix elettrico complessivo
L’energia importata è largamente prodotta da impianti nucleari.
In termini di life cycle thinking l’Italia è da considerare un paese che impiega energia elettrica da
centrali nucleari.
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Ecoefficienza di mix elettrici nazionali
[ gCO
2eq.
/kW
h]
100
200
300
400
500
600
700
800699
mix
di pr
oduz
ione
556
Prod
uzione
+ I
mpo
rt
L’Italia ha un mix energetico di produzione con elevate emissioni di CO2eq. dovuti al largo impiego di combustibili fossili. Il mix migliora se si tiene conto delle importazioni dall’estero
86 108
Francia e Svizzera sono invece caratterizzati da impatti molto minori grazie al largo ricorso al nucleare e fonti rinnovabili (idroelettrico in particolare).633
576
740
29
Fonte: Database LCA Ecoinvent
Germania, USA e GB, sebbene facciano ricorso al nucleare e rinnovabili, fanno largo uso di fonti fossili (tra cui il carbone) con conseguenti impatti elevati.
Esemplare il caso della Norvegia, in cui la maggior parte del mix è costituito da rinnovabili (idroelettrico) con conseguenti impatti molto bassi.
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Attività del GdL Energie e Tecnologie sostenibili
Il GdL si prefigge di effettuare la raccolta delle informazioni disponibili, sui sistemi tradizionali ed innovativi di generazione dell’energia elettrica relativi al contesto nazionale ed internazionale. Tale raccolta sarò propedeutica alla definizione dell’eco-profilo aggiornato di un kWh di energia elettrica prodotta mediamente nell’ambito nazionale italiano
Si procederà all’analisi delle peculiarità, dei vantaggi e delle problematiche di natura energetica ed ambientale connesse agli impianti per la generazione dell’energia elettrica basati sullo sfruttamento delle RES. Tale ricerca avrà lo scopo di definire e valutare dei possibili futuri scenari energetici alternativi per il contesto italiano.
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Attività del GdL Energie e Tecnologie sostenibili
In particolare la RETE ITALIANA LCA potrà svolgere il ruolo di organismo tecnico competente per il supporto delle attività che e decisori politici dovranno svolgere nell’ambito del quadro normativo introdotto dalla Direttiva EuP
In merito alla ricerca sugli “EuP”, il GdL potrà contribuire con la definizione di una bozza di “misura di esecuzione” in ottemperanza alla Direttiva 2005/32/CE. Essa dovrà basarsi sugli studi già svolti nell’ambito europeo, aggiornati sulla base di risultati relativi al contesto produttivo italiano, focalizzando l’attenzione sulle categorie di prodotti EuP significative per il mercato nazionale.
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Prof. Ing. Maurizio CelluraUniversità di PalermoDipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali (DREAM)Viale delle Scienze, 90128
E-mail: [email protected].: 091-236131Website: www.dream.unipa.it