Nucleare e rinnovabili. Un connubio possibile

Fonti, risparmio, efficienza per l’energia
10 Gennaio 2013

di Agostino Mathis, collaboratore Enea e docente di Controlli automatici, Università la Sapienza

 

L’evoluzione dell’Umanità, a partire dalla lontana preistoria, è strettamente condizionata dalla disponibilità di fonti energetiche abbondanti e di facile utilizzo. L’esplosione demografica dell’ultimo secolo è conseguenza dello sfruttamento sistematico di fonti fossili, peraltro limitate e comunque produttrici di enormi quantità di gas a effetto-serra, e in particolare di anidride carbonica (CO2): questi gas potranno determinare l’evoluzione delle variabili climatiche, ivi comprese possibili destabilizzazioni rapide verso nuovi regimi climatici.

Attualmente, dei 7 miliardi di abitanti della Terra, si può ritenere che soltanto un miliardo disponga in media di risorse energetiche adeguate a mantenere un livello di vita ritenuto accettabile (in base a criteri di giudizio ormai omologati in tutto il mondo dai mezzi di comunicazione di massa). Gli altri 6 miliardi dispongono invece di risorse inferiori di un ordine di grandezza. Se si volesse portare i 10 miliardi di abitanti previsti al 2050 a un livello anche solo pari alla metà di quello dell’attuale miliardo benestante, occorrerebbe probabilmente più che raddoppiare l’attuale disponibilità di energia.

Diviene allora indispensabile una realistica e accurata valutazione di quale potrebbe essere a medio-lungo termine un mix di fonti energetiche che permetta all’Umanità di disporre di abbondante energia evitando l’emissione di gas-serra, in particolare CO2 (considerata al netto, tra produzione ed assorbimento). Tenuto presente che l’energia elettrica rappresenta non più di un quarto o un quinto del consumo di energia primaria, quell’obiettivo richiederà la massima attenzione al soddisfacimento delle esigenze non solo di energia elettrica, ma anche di combustibili e carburanti, da produrre e utilizzare con ridotte o nulle emissioni di carbonio. Le opzioni energetiche da considerare sono: le rinnovabili elettriche, anche quelle non programmabili; le biomasse; la nucleare, come fonte sia di elettricità che di calore.

Riguardo alle “nuove fonti rinnovabili”, cioè l’eolica e la solare fotovoltaica, occorre notare che esse possono produrre solo energia elettrica, e in modo intermittente e non programmabile, e quindi praticamente non potranno coprire che una frazione della domanda di energia elettrica di un grande Paese industrializzato; inoltre, come detto, il consumo di elettricità non rappresenta più di un quarto o un quinto dell’intero fabbisogno di energia primaria. Quindi il contributo finale delle “nuove fonti rinnovabili” difficilmente potrà superare il 10% dell’energia primaria totale consumata. Le tradizionali fonti idroelettrica e geotermica, e le biomasse, sono già sfruttate ove possibile e opportuno, ma sono limitate da vincoli geografici e fisici.

 

In generale, se le fonti rinnovabili dovessero essere utilizzate su larga scala (secondo alcuni scenaristi, fino a coprire l’intero fabbisogno energetico dell’Umanità), sorgerebbero difficoltà praticamente insuperabili per l’occupazione di immensi territori e l’impiego di enormi quantità di materiali (anche pregiati) e di energia per la realizzazione delle infrastrutture, degli apparati collettori e dei sistemi di accumulo e di trasmissione dell’energia. L’energia così consumata, tra l’altro, per decenni non potrebbe che essere in gran parte di origine fossile, e quindi aumenterebbe notevolmente le emissioni di gas-serra, aggravando ulteriormente le conseguenze dell’effetto-serra.

Per modificare sostanzialmente e al più presto la tendenza crescente delle emissioni di CO2, occorrerebbe allora trovare una sorgente, priva di emissioni di carbonio, che sia in grado di fornire non solo elettricità, ma anche calore e carburante, i quali, come visto, rappresentano la maggior parte dei consumi di energia primaria. Questa sorgente esiste ed è l’energia nucleare.

 

Presso il Massachusets Institute of Technology (MIT), un gruppo di ricercatori, guidato da Charles W. Forsberg, ha iniziato una serie di studi per definire uno scenario a lungo termine in cui le energie rinnovabili siano integrate con l’energia nucleare, per soddisfare tutte le esigenze energetiche dell’Umanità con il minimo impatto sull’ambiente.

Il criterio di progetto basilare per l’economicità dell’integrazione rinnovabili-nucleare deve tener conto che sia la fonte nucleare, sia le rinnovabili elettriche, richiedono elevati investimenti nell’impianto, mentre i costi di gestione sono molto ridotti. Di conseguenza, in tutti i casi possibili, gli impianti nucleari dovranno lavorare “a tavoletta” (cioè con continuità, 24 ore al giorno 7 giorni alla settimana, ed alla massima potenza possibile), mentre gli impianti per le rinnovabili elettriche non programmabili (eolici, solari) dovranno poter immettere in rete tutta l’energia offerta momento per momento dagli eventi naturali.

Per far fronte ai tipici, ben noti, diagrammi di carico elettrico, occorrerebbe una fonte programmabile in grado di arrivare a coprire da sola anche i picchi massimi (per il caso di assenza completa di sole e vento): avendo escluso le fonti fossili, e in mancanza di sistemi di accumulo, quella non può che essere la nucleare. Ma quando il carico elettrico richiesto non è al massimo, e/o vi è produzione eolica o solare, la sovraproduzione degli impianti nucleari (che, come detto, conviene che operino sempre “a tavoletta”) deve essere utilizzata in altro modo, e ciò è possibile sia in forma elettrica che termica.

La sovraproduzione degli impianti nucleari può infatti essere utilmente utilizzata in forma elettrica (fino a circa 1/3 della potenza primaria, per gli impianti attuali), sia per ricaricare impianti idroelettrici ad accumulo, sia per produrre idrogeno per via elettrolitica (anche elettrolisi ad alta temperatura). L’idrogeno può poi essere utilizzato come tale, o nella sintesi di carburanti da biomasse, o aggiunto nei gasdotti del gas naturale.

La sovraproduzione degli impianti nucleari può però anche essere utilmente utilizzata in forma termica (da circa 2/3 fino all’intera potenza primaria, per gli impianti attuali), ad esempio per sfruttare i grandi giacimenti d’idrocarburi non convenzionali (in sabbie, scisti) evitando emissioni di carbonio, oppure per produrre combustibili e carburanti da biomasse, evitando la loro combustione per fornire calore di processo, o anche infine per riscaldare grandi volumi di sottosuolo, da utilizzare come fonte di energia geotermica in tempi successivi.

Com’è noto, la sfida per le aziende elettriche è fornire energia elettrica in modo programmabile per soddisfare una domanda variabile. Attualmente ciò è ottenuto con impianti idroelettrici a caduta (ove disponibili), e soprattutto con impianti a combustibili fossili, in particolare gas naturale. Invece gli attuali impianti nucleari e le nuove fonti rinnovabili (vento, sole) non sono adatte a soddisfare una domanda variabile, a meno di disporre di adeguati sistemi che accumulano energia quando è prodotta in eccesso rispetto alla domanda, per restituirla quando richiesta.

 

Poiché nei Paesi industrializzati almeno due terzi della domanda elettrica è “carico di base”, costante nelle 24 ore e poco variabile durante la settimana e le stagioni, la soluzione più conveniente per questo tipo di domanda, nella probabile eventualità che venga fortemente penalizzata l’emissione di carbonio in atmosfera, sarebbe senz’altro il nucleare. L’uso esclusivo delle rinnovabili intermittenti e non programmabili come vento e sole, infatti, richiederebbe potenze installate molto superiori al picco della domanda, e la disponibilità di enormi e costosissimi sistemi di accumulo, che potrebbero anche più che raddoppiare il costo del kWh da rinnovabili.

Mentre esistono molti sistemi di accumulo di elettricità per compensare produzione e domanda in ambito giornaliero (impianti idroelettrici di pompaggio, batterie, ecc.), soltanto due soluzioni appaiono praticabili per l’accumulo stagionale di energia, che richiede capacità di decine o centinaia di gigawatt-anno: l’accumulo geotermico di calore nucleare, e l’idrogeno. Un sistema integrato nucleare-rinnovabili, che produca idrogeno per usi industriali, infatti, può accumulare parte di quell’idrogeno per far fronte anche ai picchi di domanda di elettricità.

 

Per quanto riguarda poi la produzione di biocarburanti, l’energia nucleare può fornire calore di processo e idrogeno alla bioraffineria, evitando la combustione di biomasse a tali scopi, e triplicando quindi la quantità di carburanti liquidi prodotta per una data quantità di biomassa. Carburanti liquidi possono essere anche prodotti partendo dall’anidride carbonica dell’aria e dall’idrogeno dell’acqua, con il calore e l’elettricità forniti da un impianto nucleare. Secondo il citato gruppo del MIT, questa opzione potrebbe fornire quantità illimitate di carburante liquido ad un costo non superiore a 2-3 volte quello della elettricità per la stessa produzione di calore.

 

In conclusione, appare relativamente facile intravedere uno scenario integrato nucleare-rinnovabili, tenuto conto delle caratteristiche complementari tra l’energia nucleare e le varie rinnovabili, in particolare le biomasse. Il contributo dal vento e dal sole dipenderà fortemente da una possibile riduzione dei costi delle rispettive tecnologie e dei vincoli relativi alla loro integrazione nelle reti elettriche.

Sarebbe infatti estremamente dispendioso realizzare un sistema elettrico tutto basato su vento e sole, a causa della loro intermittenza e variabilità stagionale, che richiederebbero enormi sistemi di accumulo e la stesura di nuove linee ad alta tensione. Tali sistemi di accumulo, che dovrebbero essere anche di portata stagionale, e le nuove linee ad alta tensione comporterebbero costi che potrebbero rapidamente diventare superiori a quelli degli stessi generatori eolici e solari, in particolare alle alte latitudini dove è maggiore la variabilità stagionale. Questo aspetto è ulteriormente aggravato dalla necessità di prevedere possibili variazioni di anno in anno delle intensità di vento e sole, così come avviene per l’energia idroelettrica a seguito di variazioni della piovosità.

L’economicità e la continuità di servizio dovranno quindi essere i criteri principali di scelta per ogni specifica opzione energetica, e per l’integrazione di tutte le opzioni adottate in un sistema coerente ed affidabile, in quanto l’energia sarà sempre più un settore critico e di crescente rilievo nell’economia dei Paesi sviluppati e di quelli in via di sviluppo.

 

 

Questo intervento è stato presentato dal professor Mathis durante il Convegno "Nuova energia per il futuro: per uno sviluppo energetico umanamente sostenibile" il 21 novembre 2012 presso la Pontificia Università Lateranense.

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