Energia elettrica pulita e continua - Seconda parte

Seconda parte di quanto pubblicato in precedenza. Nella prima parte è stato analizzato il cosa, ovvero quanto di disponibile esiste nell'ambito delle tecnologie di generazione pulita di energia elettrica, suddiviso in tre argomenti principali (cosa, perché e come). A seguire qui il perché. Come premesso non sarà trattato l'ultimo gruppo.

Perché Clean Firm: potenziali vantaggi
Rimando alla prima parte per la definizione di Clean Firm.
I sistemi energetici dovranno affrontare sfide significative. Le infrastrutture esistenti sono obsolete e necessitano di essere sostituite. La crescita del carico, sebbene incerta, è tornata in molte regioni a un ritmo mai registrato da decenni. Laddove gli obiettivi di decarbonizzazione siano su larga scala o addirittura totali, si prevede che la futura crescita del carico derivante dall'elettrificazione sarà altrettanto rapida. Nel frattempo, l'approvvigionamento energetico pulito dovrà non solo soddisfare il nuovo carico, ma anche sostituire la generazione fossile finché continuerà ad essere presente, con impianti che invecchieranno rapidamente e diverranno troppo costosi da mantenere. Questa tendenza è testimoniata dal fatto che, ad oggi, la stragrande maggioranza della produzione di energia da fonti alternative, è servita a coprire nuovi fabbisogni, e non a sostituire l’esistente.

La commercializzazione di tecnologie di generazione di energia pulita a costi ragionevoli porterà tre ampie categorie di benefici:

• Vantaggio 1 - ridurre la realizzazione delle infrastrutture necessarie per decarbonizzare il settore energetico, soddisfacendo al contempo la crescita della domanda
• Vantaggio 2 - riduzione dei costi di decarbonizzazione del settore energetico
• Vantaggio 3 - gestione dei rischi associati a un insieme limitato di opzioni di decarbonizzazione del settore energetico

Vantaggio 1: riduzione delle esigenze di sviluppo delle infrastrutture

• Le tecnologie di produzione l’impatto economico necessario a realizzare le infrastrutture per decarbonizzare il sistema energetico, rispetto ai percorsi che invece non le prevedono.
• L'impatto della Clean Firm sulle esigenze totali di sviluppo riduce direttamente i requisiti di suolo, materiali e minerali critici necessari alla decarbonizzazione.

L'inclusione di tecnologie di generazione di energia pulita nei sistemi energetici riduce sostanzialmente la portata della realizzazione delle infrastrutture necessarie per soddisfare la crescita del carico e raggiungere la decarbonizzazione dell'elettricità, tutelando al contempo l'affidabilità della rete.

Le analisi dell'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) suggeriscono che la domanda globale di elettricità è destinata ad aumentare drasticamente entro il 2050 in tutti gli scenari futuri, con l'aumento più rapido dopo il 2030. Negli Stati Uniti e in Europa, la maggior parte delle analisi sull'evoluzione dell'elettricità presuppone aumenti significativi, spesso del 200%-400%, della domanda e dell'offerta di elettricità nello stesso periodo. Anche prima di considerare la decarbonizzazione, soddisfare in modo affidabile la crescita del carico e sostituire al contempo le infrastrutture obsolete richiederà un notevole sviluppo di nuove infrastrutture. Ad esempio per l'Europa è previsto che avrà bisogno di oltre 100 GW di nuova capacità dispacciabile entro il 2035 per mantenere l'affidabilità e gestire i costi.

I requisiti di sviluppo infrastrutturale diventano ancora più sostanziali quando si persegue la decarbonizzazione. Prendendo ad esempio un paese energivoro come gli Stati Uniti, in uno scenario che modella un percorso ad alto contenuto di energie rinnovabili verso un'economia statunitense decarbonizzata nel 2050, uno studio dell’Università di Princeton ha rilevato che il paese dovrebbe installare quattro volte più energia eolica e solare di quanta ne abbia mai installata in un solo anno, ogni anno per i prossimi due decenni, per raggiungere questo obiettivo. La capacità totale di trasmissione dell'elettricità dovrebbe aumentare di oltre il 400%!

Un vantaggio chiave delle tecnologie di produzione di energia pulita è il loro impatto significativo sulla realizzazione complessiva delle infrastrutture necessarie per soddisfare la crescita del carico e raggiungere la decarbonizzazione. La presenza di capacità di produzione di energia pulita riduce sostanzialmente la capacità totale di generazione, stoccaggio e trasmissione necessaria per raggiungere gli obiettivi di energia pulita mantenendo al contempo l'affidabilità. Questa riduzione del fabbisogno totale di realizzazione riduce direttamente i requisiti di suolo, materiali e minerali critici per la decarbonizzazione. Inoltre, poiché alcune tecnologie di produzione di energia pulita possono fornire calore oltre all'elettricità, potrebbero anche contribuire direttamente a soddisfare il fabbisogno di riscaldamento da fonti decarbonizzate e a ridurre la domanda di elettricità per il riscaldamento.

Un settore energetico dotato di una solida gamma di tecnologie di produzione di energia pulita e continua, consente la decarbonizzazione con minori requisiti infrastrutturali per diverse ragioni. In primo luogo, le risorse di energia pulita e continua operano generalmente a tassi di utilizzo più elevati (50-100%) rispetto alle fonti rinnovabili variabili (20-50%), richiedendo una minore capacità di generazione totale per produrre la stessa quantità di energia e una minore capacità di trasmissione per trasportarla. In secondo luogo, fornendo una produzione pulita costantemente disponibile per periodi indefiniti e indipendentemente dalle condizioni meteorologiche, le risorse di energia pulita e continua riducono la necessità di sovraccaricare altre risorse per garantire l'affidabilità in condizioni estreme. In assenza di opzioni di energia pulita e continua disponibili, una rete che mira alla decarbonizzazione deve invece essere dotata di una capacità eolica, solare, di accumulo e di trasmissione sufficiente a soddisfare la domanda anche durante i rari periodi di produzione eolica e solare estremamente bassa, molto più di quanto sia necessario per soddisfare la domanda in condizioni meteorologiche tipiche.  

La produzione di energia pulita può avere un impatto notevole nel ridurre il fabbisogno infrastrutturale totale di una rete decarbonizzata: 1 GW di capacità di energia pulita compensa circa 5-8 GW di fabbisogno variabile di capacità rinnovabile e di accumulo. Inoltre, il fabbisogno totale di energia per la trasmissione è più che dimezzato. Uno studio europeo di modellazione energetica, che ha riassunto numerosi studi di settore, ha prodotto risultati simili, dove le tecnologie di energia pulita riducono lo sviluppo infrastrutturale totale necessario per decarbonizzare l'intera Europa e in specifici stati membri.

Nelle figure seguenti sono illustrati i vantaggi dell’affiancare sistemi di produzione di energia elettrica del tipo Clean Firm a rinnovabili tradizionali. Complessivamente, allo scopo di soddisfare la domanda in crescita, risulta evidente come la capacità totale installata, realizzata con un portafoglio di soluzioni diverse, sia decisamente più bassa che non senza.

Capacità totale del sistema (magenta) e capacità di risorse pulite (blu) per gli scenari E+ (colore più scuro) ed E+RE- (colore più chiaro) nello studio statunitense. Entrambi gli scenari presuppongono un'elettrificazione aggressiva degli usi finali, ma lo scenario E+RE- consente tassi di utilizzo di energia eolica e solare inferiori e maggiori quantità di stoccaggio di CO₂ rispetto a E+.

Capacità media installata di energia pulita, energie rinnovabili variabili e stoccaggio necessaria per fornire elettricità pulita al 100% in California nel 2024 per scenari con e senza nuove opzioni di energia pulita disponibili, come analizzato da tre diversi modelli di sistema elettrico.

Risultati della modellazione del sistema energetico per realizzare un sistema energetico tedesco decarbonizzato entro il 2050 con (sinistra) e senza (destra) energia nucleare. 

Vantaggio 2: riduzione dei costi di decarbonizzazione

Nonostante i costi livellati dell'elettricità (LCOE - Levelized Cost of Electricity, è il costo medio unitario, in $ o € per MWh, per la produzione di elettricità durante l'intero ciclo di vita di un impianto) siano più elevati rispetto all'eolico e al solare, gli impatti complessivi delle tecnologie di produzione di energia pulita possono ridurre significativamente i costi a carico dei contribuenti per la decarbonizzazione del settore energetico rispetto agli scenari in cui non sono disponibili. Le tecnologie di produzione di energia pulita sono convenienti anche in base a ipotesi ottimistiche di continui cali dei costi di produzione, accumulo e trasmissione da fonti rinnovabili tradizionali. 

Le tecnologie di produzione di energia pulita e continua possono ridurre significativamente i costi della decarbonizzazione per i contribuenti rispetto a scenari in cui non sono disponibili, riducendo quanto necessario a garantire il bilanciamento stagionale tra domanda e offerta e la resilienza alle condizioni meteorologiche estreme. L'elevata quantità di capacità di accumulo e di energia rinnovabile necessaria per garantire l'affidabilità senza tecnologie di produzione di energia pulita e continua significa che gran parte di questa capacità rimane di fatto inutilizzata durante le normali condizioni meteorologiche, aumentando significativamente il costo complessivo dei sistemi decarbonizzati.

Anche nell’ipotesi, utopistica più che ottimistica, che i costi complessivi di adozione di fonti rinnovabili siano in continuo calo, la conclusione resta valida. Sebbene la disponibilità di tecnologie di accumulo di energia a lunga durata e a costi estremamente bassi potrebbe ridurre la necessità di opzioni di energia pulita continua consentendo una distribuzione stagionale più conveniente delle energie rinnovabili, la ricerca indica che i costi di accumulo dovrebbero scendere a un decimo o meno degli attuali costi delle batterie agli ioni di litio affinché questa opzione possa fungere da sostituto economicamente competitivo dell'energia pulita continua. In alcuni casi in cui un mezzo di accumulo assume la forma di un combustibile e può essere trasportato, come l'idrogeno derivato dall'elettrolisi o il metanolo, il confine tra energia pulita continua e accumulo di energia a lunghissima durata diventa indistinto. In entrambi i casi, l'uso dell'accumulo di energia a lunga durata per raggiungere una profonda decarbonizzazione richiederebbe comunque un'enorme quantità di energia rinnovabile e pertanto non risolverebbe le sfide di sviluppo infrastrutturale.

La modellazione dei sistemi energetici europei ha mostrato risultati simili. Esaminando sedici studi di modellazione con regioni e approcci diversi si è concluso che, eccezioni a parte (paesi con una percentuale molto elevata di risorse idroelettriche flessibili, come ad esempio la Danimarca) la maggior parte degli studi esaminati mostra che i sistemi con produzione continua pulita presentano costi inferiori e una minore volatilità dei prezzi dell'energia rispetto a scenari senza produzione continua pulita.

Nel Sud-est asiatico, le tecnologie di produzione di energia pulita possono far fronte alla crescita della domanda di energia, alla dismissione degli impianti a combustibili fossili e al calo della produzione idroelettrica. Ad oggi, la maggior parte della crescita della domanda di energia in questa regione è stata alimentata da carbone e gas naturale. Le tecnologie di produzione di energia pulita potrebbero fornire alternative a basse emissioni di carbonio e meno inquinanti, soprattutto nelle regioni con vincoli di disponibilità di suolo o risorse rinnovabili di bassa qualità. Analogamente, in Africa, dove si prevede un rapido aumento della domanda di energia nei prossimi decenni, le risorse di energia pulita potrebbero svolgere un ruolo chiave nella simultanea espansione e decarbonizzazione dell'approvvigionamento elettrico.

Ovviamente ci sono delle carenze nella modellazione, che però si traducono in ulteriori vantaggi a favore dell’adozione delle tecnologie Clean Firm. In primo luogo sottostimano il valore complessivo delle risorse di energia pulita, semplificando o omettendo vincoli reali come quelli legati alla trasmissione, agli eventi meteorologici estremi e altri vincoli di affidabilità operativa, tutti ambiti in cui le risorse di energia pulita offrono ulteriori risparmi sui costi e vantaggi in termini di affidabilità. I significativi benefici finanziari identificati negli studi di cui sopra possono quindi essere considerati un limite inferiore del valore dell'energia pulita. Tuttavia, è anche opportuno notare che questi modelli spesso ignorano anche le sfide legate alla realizzazione o all'esercizio di un'energia pulita, come la disponibilità di acqua di raffreddamento per il funzionamento delle centrali elettriche.

Vantaggio 3: aumentare la velocità di decarbonizzazione e la resilienza attraverso la diversità tecnologica

• I tassi di diffusione dell'energia pulita restano ben al di sotto di quanto sarebbe necessario per raggiungere reti a zero emissioni entro il 2050.
• L'impatto delle tecnologie di produzione di energia pulita sui sistemi energetici può ridurre la portata complessiva della sfida della decarbonizzazione, rendendo gli obiettivi più raggiungibili.
• Le tecnologie di produzione pulita integrano le energie rinnovabili e lo stoccaggio, attenuando i rischi che colpiscono in modo asimmetrico le tecnologie e che potrebbero ostacolare la decarbonizzazione.

La decarbonizzazione del settore elettrico si scontra con notevoli incertezze e rischi che potrebbero comprometterne il successo. Tra questi vanno citati innanzi tutto gli ostacoli logistici e normativi alla diffusione su larga scala di energia pulita, i blocchi nella catena di approvvigionamento, i conflitti geopolitici e le incertezze nell'evoluzione a lungo termine dei costi tecnologici e della domanda di energia. Le tecnologie di produzione di energia pulita offrono ai decisori politici opzioni per ridurre l'incertezza e mitigare i rischi per il raggiungimento della decarbonizzazione del settore elettrico.

Negli Stati Uniti e in Europa, numerosi sono gli ostacoli che continuano a limitare il ritmo di crescita dell'offerta di energia pulita, nonostante la crescente domanda e le politiche volte ad accelerarne la diffusione, non ultimi le dozzine di impianti che attendono ancora di essere allacciati alla rete elettrica e gli ostacoli burocratici ed amministrativi, se non addirittura quelli dei comitati locali di tipo NIMBY. Sebbene le risorse pulite rappresentino ancora la grande maggioranza delle nuove aggiunte di capacità di produzione, i tassi di diffusione (in particolare dell'energia eolica) rimangono ben al di sotto di quanto sarebbe necessario per raggiungere reti a zero emissioni entro il 2050. Queste barriere sono tutte tecnicamente superabili e i responsabili politici stanno facendo progressi nell'affrontarle (ad esempio, gli sforzi di riforma delle pratiche di allaccio volti a ridurre i tempi di sviluppo dei progetti). Tuttavia, le sfide che limitano la crescita dell'energia pulita potrebbero persistere e potrebbero emergere nuove sfide legate alla capacità della catena di approvvigionamento o ai conflitti commerciali.

Attese di interconnessione alla rete negli Stati Uniti e in Europa (BNEF, 2023)

Numero di sentenze locali (USA) contro l'attuazione di impianti di energia rinnovabile (Sabin Center of Climate Change Law, 2024)

Di seguito è riportato un elenco non esaustivo degli ostacoli pratici e procedurali che devono essere superati per accelerare la diffusione dell'energia pulita:

• Riformare i processi di pianificazione della trasmissione per consentire la trasmissione regionale e interregionale su larga scala e nuove tecnologie di trasmissione (ad esempio, tecnologie di potenziamento della rete).
• Migliorare i processi di allaccio alla rete per connettere più velocemente le risorse energetiche pulite.
• Superare le barriere di localizzazione e di autorizzazione mantenendo al contempo la salvaguardia dell'ambiente e degli interessi della comunità.
• Aggiornare i modelli di mercato per incentivare meglio la risposta alla domanda e consentire una più facile integrazione delle energie rinnovabili variabili nei sistemi energetici, e per incentivare adeguatamente le risorse a lungo termine e di lunga durata come le risorse pulite delle aziende.
• Includere gli impatti del cambiamento climatico e delle condizioni meteorologiche estreme nella pianificazione dell’affidabilità e della resilienza per migliorare la valutazione delle risorse pulite e garantire soluzioni complementari adeguate.
• Migliorare i processi di pianificazione dei servizi di pubblica utilità per renderli più proattivi, a lungo termine, trasparenti e sofisticati.
• Adottare nuovi modelli di business per le utility che incentivino le prestazioni (ad esempio, l'efficienza dei costi), non solo le spese in conto capitale, per consentire alle utility di implementare soluzioni più innovative dal lato della domanda e dell'offerta.
• Miglioramento della progettazione delle tariffe per includere tariffe variabili nel tempo e prezzi in tempo reale per i grandi clienti.
• Coinvolgere le comunità locali e i proprietari terrieri per identificare e risolvere in modo proattivo le future sfide di ubicazione.
• Ampliare rapidamente le catene di approvvigionamento per consentire l’impiego di energia pulita nella scala necessaria di fronte a varie incertezze.
• Gestire i risultati economici e occupazionali per garantire una transizione giusta per i lavoratori e le comunità.

Superare queste sfide richiederà a molti soggetti interessati a diversi livelli di governo di riformare rapidamente le strutture di incentivazione, le analisi di valutazione dei bisogni, i processi di pianificazione e la governance. Se una singola sfida importante – come la resistenza alla localizzazione, i colli di bottiglia nella catena di approvvigionamento o i ritardi nelle autorizzazioni – non viene completamente superata, la decarbonizzazione potrebbe bloccarsi. In questo scenario, il fallimento delle giurisdizioni nel raggiungere gli obiettivi di crescita non sarebbe dovuto al fatto che l'energia pulita non fosse sufficientemente economica, ma piuttosto all'affrontare barriere non legate ai costi. I decisori politici a qualsiasi livello di governo, in particolare gli enti locali, spesso non dispongono dell'autorità legale o degli strumenti per affrontare direttamente tutti i potenziali rischi, e le difficoltà di coordinamento tra e all'interno dei governi abbondano.

Promuovere l'uso di tecnologie diversificate, comprese le opzioni di produzione di energia pulita, può contribuire a ridurre la portata di queste barriere non economiche che limitano la decarbonizzazione. Come discusso in precedenza, l'impiego di risorse pulite può ridurre sostanzialmente la quantità di capacità di produzione, stoccaggio e trasmissione necessaria per decarbonizzare il settore elettrico. In tal modo, le tecnologie pulite possono ridurre al minimo l'impatto delle barriere non economiche che rallentano il ritmo di implementazione.

Oltre a ridurre la gravità complessiva dei potenziali ostacoli alla realizzazione di infrastrutture, l'inclusione di più soluzioni tecnologiche significa che i rischi che influenzano le tecnologie in modo asimmetrico hanno meno probabilità di trasformarsi in gravi colli di bottiglia per la decarbonizzazione. Se un percorso tecnologico incontra vincoli specifici in un dato momento o in una determinata regione, un portafoglio tecnologico diversificato garantisce la disponibilità di altre opzioni per colmare il divario. Grazie alle loro caratteristiche uniche, le tecnologie di produzione di energia pulita possono ridurre l'esposizione al rischio del settore elettrico nei seguenti modi:  

• Le esigenze diversificate di risorse e di produzione possono mitigare l'esposizione ai rischi a cui è esposta la catena di fornitura di ogni singola tecnologia.
• Un minore utilizzo del suolo da parte di risorse aziendali pulite per unità di energia e capacità può ridurre l'impatto complessivo di un sistema decarbonizzato e, a sua volta, ridurre le sfide legate all'ubicazione e all'opposizione pubblica.
• Una localizzazione più flessibile del progetto e un maggiore utilizzo della trasmissione richiedono una minore costruzione di reti di trasmissione greenfield.
• I requisiti minimi di minerali critici per alcune tecnologie di produzione di energia pulita possono mitigare le incertezze della catena di approvvigionamento e/o del commercio.
• Una minore esposizione ai mercati globali delle materie prime attenua l'esposizione agli shock dei conflitti globali.
• Una maggiore concentrazione dei benefici economici locali, compresi i posti di lavoro, se ben comunicata e associata a un significativo coinvolgimento della comunità, potrebbe ridurre i rischi di accettazione da parte del pubblico.
• Le applicazioni di coproduzione di calore ed energia possono contribuire a soddisfare direttamente le esigenze di riscaldamento, riducendo la dipendenza da altri approcci al riscaldamento decarbonizzato.