Università Bocconi - Slides Corso Digital PR - Nicola Bonaccini
La Università Bocconi 7 maggio 2008 · La situazione dell’energia nucleare nel mondo: un quadro...
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La situazione dell’energia nucleare nel mondo: un quadro di sintesi Milano‐Università Bocconi‐ 7 maggio 2008 Maurizio Cumo Nei paesi industrializzati l’energia nucleare svolge un ruolo fondamentale nel soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica in condizioni di sostenibilità economica e ambientale. L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007 Produzione elettrica (2006) Unità in esercizio Unità in costruzione Unità in progetto Unità in opzione TWh % Ee N MWe N MWe N MWe N MWe 2.658 16 439 371.642 33 26.838 94 101.595 223 194.695 Carbone 40% Gas 19% Nucleare 16% Idroelettrico 16% Olio combustibile 7% Altre rinnovabili 2% Nucleare 33% Carbone 30% Gas 20% Idroelettrico 11% Olio combustibile 4% Altre rinnovabili 2% Contributi alla produzione elettrica nel mondo: Contributi alla produzione elettrica in Europa (27 paesi): Fonte: IAEA, 2008
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La situazione dell’energia nucleare nel mondo: un quadro di sintesiMilano‐Università Bocconi‐ 7 maggio 2008
Maurizio Cumo
Nei paesi industrializzati l’energia nucleare svolge un ruolo fondamentale nel soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica in condizioni di sostenibilità economica e ambientale.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007
Produzione elettrica(2006)
Unitàin esercizio
Unitàin costruzione
Unitàin progetto
Unitàin opzione
TWh % Ee N MWe N MWe N MWe N MWe2.658 16 439 371.642 33 26.838 94 101.595 223 194.695
Carbone 40% Gas 19% Nucleare 16% Idroelettrico 16%Olio combustibile 7% Altre rinnovabili 2%
Nucleare 33% Carbone 30% Gas 20% Idroelettrico 11%Olio combustibile 4% Altre rinnovabili 2%
Contributi alla produzione elettrica nel mondo:
Contributi alla produzione elettrica in Europa (27 paesi):
Fonte: IAEA, 2008
Alla fine del 2007 la situazione delle unità nucleari delle varie filiere èrappresentata dallo schema seguente
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007
La maggior parte dei paesi industriali ricava dal nucleare quote consistenti della produzione elettrica.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007
Fonte: IAEA, 2008
Media mondiale 16%
Media OCSE 24%
Media europea 33%
Il disastro di Chernobyl, pur motivando approfondite riflessioni in tutti i paesi che avevano impianti nucleari in esercizio, non ha bloccato l’evoluzione dei programmi.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Sviluppo del parco nucleare
371.642
26.838
101.595
194.695
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
IN ESERCIZIO IN COSTRUZIONE IN PROGETTO IN OPZIONEFonte: IAEA, 2008
Potenza in esercizio al 31.12.1986
+48,8%
Potenza in esercizio al 17.10.2007
Potenza elettronucleare in costruzione nel mondo al 17.10.2007.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Sviluppo del parco nucleare
Fonte: IAEA, 2008
La consapevolezza del ruolo che l’energia nucleare svolge per assicurare il soddisfacimento dei fabbisogni energetici in modo sostenibile sul piano economico e ambientale è riflessa in alcune recenti prese di posizione in ambito politico internazionale:
Marzo 2007 ‐ Unione Europea ‐ Risoluzione sulla limitazione delle emissioni di gas serra con orizzonte 2020. L’energia nucleare, insieme alle fonti rinnovabili, è indicata come mezzo per il conseguimento degli obiettivi di riduzione.Aprile 2007 ‐ Vertice dei Ministri delle finanze del G7 ‐ Dichiarazione congiunta ‐ “Al fine di assicurare la sicurezza delle forniture di energia e di contrastare i cambiamenti climatici (…) le azioni di diversificazione possono fondarsi su tecnologie energetiche avanzate come le rinnovabili, il nucleare e il carbone pulito”.Giugno 2007 ‐ Vertice G8 di Heiligendamm ‐ Dichiarazione congiunta ‐ “La prosecuzione dello sviluppo dell’energia nucleare può contribuire alla sicurezza degli approvvigionamenti riducendo contemporaneamente l’inquinamento atmosferico e contrastando i cambiamenti climatici”.Ottobre 2007 ‐ Parlamento europeo ‐ Documento nel quale si dichiara che l’energia nucleare sarà indispensabile nel medio termine “per ragioni economiche e ambientali” al soddisfacimento del fabbisogno di energia dell’Europa. Novembre 2007 ‐ International Panel on Climate Change (IPCC) dell’ONU ‐ Rapporto di sintesi conclusivo approvato a Valencia il 17 novembre 2007 ‐ Per soddisfare la domanda energetica mondiale, e in particolare quella dei paesi emergenti, è necessario un mix produttivo che includa anche l’energia nucleare.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Posizioni politiche sull’energia nucleare
Il costo di produzione del kWh di fonte nucleare è stato valutato fra il 1997 e il 2007 in oltre una decina di approfonditi studi nazionali e internazionali.
Il governo finlandese ha commissionato nel 2000 uno studio (poi aggiornato nel 2003) sul costo di produzione del kWh dalle diverse fonti al fine di orientare le proprie scelte di politica energetica. Le risultanze dello studio mostrano la convenienza del nucleare rispetto alle altre fonti di produzione elettrica prese in esame, convenienza che si accentua se si considera il costo delle emissioni e l’incremento del costo delle fonti fossili intervenuto dal 2003 ad oggi.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Caratteristiche economiche dell’energia nucleare
Studio comparativo OCSE 2006 in 15 paesi a prezzi del gas e del petrolio 2004.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Caratteristiche economiche dell’energia nucleare
Grazie all’aumento della efficienza complessiva degli impianti, negli ultimi decenni la produzione di energia nucleare è aumentata più del numero e della potenza complessiva degli impianti in esercizio.
Incrementi della potenza installata e dell’energia prodotta nel periodo 1990‐2006:
potenza nucleare installata: +44 GWe = + 13,5% energia elettrica prodotta: +757 TWh = + 40%
• Nel periodo 1970‐2006 il fattore di utilizzazione degli impianti nucleari è aumentato di oltre il 60%(media mondiale).
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Aumento dell’efficienza degli impianti nucleari
1970 2006
53%
85%F.U.
Componenti del costo del kWh nucleare:
costo del capitale investito: 55%costi di esercizio e manutenzione:30%costo del combustibile 15%
Trascorso il periodo di ammortamento dell’impianto (20‐30 anni) il costo del kWh praticamente si dimezza; vi è quindi interesse a prolungare la vita operativa dei reattori (attraverso la sostituzione di alcuni componenti, l’ammodernamento della strumentazione e una verifica approfondita dello stato di conservazione dell’impianto).
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Prolungamento dell’esercizio degli impianti nucleari
L’US‐NRC ha giàconcesso un prolungamento di 20 anni della licenza di esercizio alla metà dei 104 reattori in funzione ed ha all’esame analoghe richieste per i restanti reattori.
Anni dall’entrata in esercizio
N. reattori
Fonte: IAEA, 2007
L’aumento della produzione di energia per unità di massa del combustibile comporta i seguenti benefici:
aumento dell’efficienza energetica degli impiantimigliore sfruttamento delle risorse fissili esistentiperiodi di funzionamento più prolungati fra una ricarica e l’altra (aumento del fattore di utilizzazione degli impianti)
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Miglioramenti nello sfruttamento del combustibile
Fonte: IAEA2007
La gestione del combustibile nucleare a ciclo chiuso (ritrattamento), in alternativa allo smaltimento del combustibile esaurito tal quale si va affermando in tutto il mondo per ragioni connesse con l’ottimizzazione dello sfruttamento del combustibile nucleare e con la riduzione della produzione di materiali ad alta attività. In tal modo l’energia ricavabile dall’uranio naturale aumenta dallo 0.6% allo 0.8%. Con l’impiego dei reattori veloci e con ricicli multipli si arriverà al 70%, con un aumento di cento volte e una disponibilità per millenni.
Il ritrattamento del combustibile scaricato dai reattori consente di separare:
l’uranio 238 (95% del combustibile scaricato)l’uranio 235 non fissionato (1%) il plutonio prodotto nel reattore (1%)i residui ad alta attività (3%)
Uranio e plutonio (97% del combustibile nucleare esaurito) sono riutilizzabili (riciclabili) per fabbricare combustibile fresco (di tipo MOX, Mixed OXides UO2 + PuO2).
Il combustibile ad ossidi misti di uranio e plutonio (MOX) è utilizzato sempre più nei reattori con l’obiettivo di passare dal corrente terzo di nocciolo alla metà e poi al nocciolo intero, con una contemporanea crescita delle resa energetica del combustibile impiegato.
La crescente adozione del combustibile MOX risponde anche all’esigenza di valorizzare sul piano energetico (e di distruggere nell’unico modo possibile) gli stock di plutonio derivanti dallo smantellamento delle testate nucleari.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Impiego dei combustibili MOX
Fabbisogno mondiale di uranio nel 2006 (IAEA 2007):
fabbisogno totale: 66.529 tfabbisogno soddisfatto con nuove risorse: 39.655 tfabbisogno soddisfatto con materiali in giacenza: 26.874 t
Risorse minerarie esistenti (“Red Book” IAEA‐NEA 2006):
risorse uranifere estraibili a costi non superiori a 130 $/kg: 4,7 Mtrisorse estraibili a costi superiori a 130 $/kg: 9,7 Mt
Altre risorse esistenti (CISAC 2005):
uranio depleto in giacenza (impianti di arricchimento): 1,2 Mturanio ad alto arricchimento in giacenza (negoziati di disarmo): 1.842 tplutonio ad alto arricchimento in giacenza (negoziati di disarmo) 248 tplutonio civile ad alto arricchimento in giacenza: 249 t
Durata al tasso attuale di utilizzazione:
solo risorse minerarie: 70 annirisorse minerarie e altre risorse esistenti (MOX): 360 annisolo risorse minerarie utilizzando reattori veloci: 4.200 anni
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Situazione delle risorse uranifere
Le percentuali delle riserve accertate di uranio estraibile a un costo inferiore a 130 $/kg sono indicate nella seguente tabella:
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Situazione delle risorse uranifere
Depositi definitivi per materiali a bassa e media attività (il 95% dei materiali radioattivi prodotti negli impianti nucleari) sono in esercizio in quasi tutti i paesi industriali.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
Forsmark (Svezia) Oskarshamn (Svezia) Gorleben (Germania) Konrad (Germania)
Morseleben (Germania) Yucca Mountain (USA) WIPP (USA)
L’Aube (Francia)
La Manche (Francia)
El Cabril (Spagna)
Per i materiali ad alta attività (solo il 5% dei materiali radioattivi prodotti) è in fase di studio in molti paesi lo smaltimento geologico, in cui la funzione di isolamento dei materiali è affidata a formazioni profonde di argilla, salgemma o granito giàstabili per milioni di anni.
L’unico deposito geologico attualmente in funzione si trova nel New Mexico (USA), e ha lo scopo di ospitare i materiali derivati dai programmi militari.
Il motivo per il quale nessun altro paese ha finora realizzato depositi geologici è che al momento non sono necessari, dato che i materiali ad alta attività prodotti negli impianti nucleari continuano ad essere stoccati presso gli stessi impianti nucleari, ove si “raffreddano” per il decadimento dei radionuclidi a vita più breve prima entro piscine e poi, dopo un adeguato raffreddamento, entro contenitori a secco
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
Un recente lavoro della World Federation of EngineeringOrganizations “Nuclear Power Feasibility 2007” descrive nella tabella accanto lo stato dei lavori per i depositi geologici in vari Paesi
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
Il problema delle scorie ad alta attività è in via di soluzione sistematica attraverso le ricerche sulla separazione e sulla trasmutazione delle componenti ad alta attività e a lunga vita. Le tecniche in fase di sviluppo in Francia, Regno Unito e Stati Uniti consentiranno di ridurre il tempo di decadimento degli attinidi a circa 300 anni, analogo a quello dei materiali a media attività.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
RADIOATTIVITÀ NATURALEDEL MINERALE DI URANIO
Il riciclo di uranio e plutonio riduce il periodo di decadimento di un fattore 100 La separazione e la trasmutazione degli attinidi minori riduce il periodo di decadimento di un fattore 1000
La fattibilità del processo di trasmutazione è stata giàdimostrata nell’ambito del programma francese Atalante
Il problema dei rifiuti ad alta attività si pone per quantitativi molto limitati, inferiori di molti ordini di grandezza ai quantitativi di rifiuti tossico‐nocivi prodotti nelle centrali termoelettriche convenzionali e più in generale nelle attività industriali comunemente accettate.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Impatto ambientale degli impianti nucleari
Centrale nucleare da 1.000 MWe:
combustibile movimentato 20 trifiuti ad alta attività 2 trifiuti a bassa e media attività 20 t radioattività (effluenti a lunga vita) 0.5.1020Bq
Centrale termoelettrica da 1.000 MWe:
combustibile movimentato da 1 a 2 MtCO2 da 4 a 7 MtCO da 600 a 2.000 tossidi di zolfo da 4.500 a 120.000 tossidi di azoto da 4.000 a 27.000 tparticolati in atmosfera da 1.500 a 5.000 tceneri da 25.000 a 100.000 tmetalli pesanti nelle ceneri da 1 a 400 tradioattività (a lunga vita) da 1 a 50 109Bq
2 carri ferroviari all’anno
1.000 carri ferroviari al giorno
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Impatto ambientale degli impianti nucleari
Progetto europeo EXTERNE:
valutazione dei “costi esterni” associati all’uso delle diverse tecnologie di produzione elettrica
ovvero, monetizzazione degli impatti sulla salute, sull’ambiente e sulle attività economiche, inclusi gli effetti di possibili incidenti, tenendo conto di tutto il ciclo produttivo.
Risultati (valori medi dei costi esterni valutati in 15 paesi):
carbone 8,5 c € / kWholio combustibile 7,0 gas 2,5biomassa 1,5fotovoltaico 0,6nucleare 0,5idroelettrico 0,5eolico 0,1
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Il programma nucleare francese
Il miglioramento della tecnologia, dell’efficienza e della sicurezza dei reattori procede tuttora a livello internazionale con obiettivi di breve, medio e lungo termine.
Obiettivi a breve termine (0‐5 anni). Realizzazione di reattori di terza generazione avanzata(III+) finalizzati ad aumentare la sicurezza, a migliorare lo sfruttamento del combustibile, a migliorare l’efficienza e ad allungare la vita media degli impianti. I reattori di questo tipo comprendono impianti già offerti sul mercato internazionale, come l’EPR (Areva‐Siemens), l’APWR (Toshiba‐Westinghouse) e l’ABWR (General Electric). Due reattori di tipo EPR da 1.650 MW ciascuno sono attualmente in costruzione in Finlandia e in Francia.
Obiettivi a medio termine (5‐10 anni). Iniziativa Global Nuclear Energy Partnership (GNEP) finalizzata allo sviluppo a medio termine di reattori multiscopo di piccola taglia esportabili nei paesi emergenti e con ciclo del combustibile gestito centralmente dal paese esportatore, al fine di garantire la sicurezza ed evitare ogni rischio di proliferazione nucleare. All’iniziativa GNEP hanno finora aderito 16 paesi.
Obiettivi a lungo termine (20 anni). Iniziativa Generation IV International Forum (GIF) finalizzata allo sviluppo di reattori di quarta generazione in grado di migliorare lo sfruttamento del combustibile (reattori veloci, in grado di utilizzare l’uranio 238), aumentare il rendimento degli impianti (reattori ad alta temperatura) e ridurre la produzione di scorie ad alta attività (separazione e trasmutazione delle scorie mediante irraggiamento negli stessi reattori). All’iniziativa GIF hanno finora aderito dodici paesi, oltre all’Euratom.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Il reattore EPR e il programma nucleare francese
L’EPR (Enhanced Pressurized Reactor) è un reattore della filiera PWR (reattore ad acqua pressurizzata) derivato dall’evoluzione dei reattori francesi N4 e dai reattori tedeschi KONVOI.
Il progetto integra i risultati dei programmi di ricerca e sviluppo del CEA (Commissariat a l’Energie Atomique) francese e del centro di ricerca tedesco di Karlsruhe.
L’iniziativa nasce da una cooperazione fra Francia (Framatome, EDF) e Germania (Siemens KWU, EnBW e RWE Power, queste ultime successivamente fuse nella E.ON).
Il progetto EPR è stato sviluppato sulla base delle seguenti specifiche:
rapporto EUR (European Utilities Requirements) emanato dalle utilities europee;rapporto URD (Utility Requirements Document) emanato dall’ US Electric Power ResearchInstitute (EPRI);raccomandazioni formulate nel 1993 e nel 1995 congiuntamente dalle autorità di sicurezza francese e tedesca.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Il reattore EPR e il programma nucleare francese
Caratteristiche competitive:
riduzione dei costi di generazione elettrica (‐10% rispetto agli impianti nucleari più moderni, ‐20% rispetto agli impianti a gas a ciclo combinato);riduzione del consumo di uranio (‐17% per MWh prodotto);riduzione della produzione di materiali radioattivi a lunga vita (‐15% per MWh prodotto);miglioramento della resa elettrica rispetto alla resa termica (+14% in confronto ai reattori da 1.000 Mwe);massima flessibilità nell’uso di combustibili ad ossidi misti di uranio e plutonio (MOX).
L’elevato livello di competitività dell’EPR si basa sulle seguenti caratteristiche fondamentali:
potenza di 1.600 MWe (la più elevata fra gli impianti attualmente proposti sul mercato);efficienza complessiva pari al 36‐37% (a seconda delle condizioni locali del sito);breve periodo di costruzione (48 mesi dalla prima gettata di calcestruzzo)allungamento della vita operativa di progetto (60 anni);aumento del fattore di disponibilità dell’impianto durante la vita operativa (92%);utilizzo migliorato e flessibile del combustibile.
La centrale EPR è in grado di operare a potenze comprese fra il 20 e il 100% della potenza nominale in modo completamente automatizzato.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Il reattore EPR e il programma nucleare francese
La scelta di gestire il combustibile nucleare in ciclo chiuso e di minimizzare la produzione di scorie è chiaramente delineata nel programma nucleare francese, che si riconduce alle seguenti fasi:
allungamento della vita operativa dei reattori oggi in funzione;aumento della resa energetica del combustibile con largo impiego del MOX; sviluppo di una filiera EPR destinata a funzionare con il 100% di combustibile MOX;graduale sostituzione dei reattori con i nuovi EPR prima e con reattori veloci a sodio poi;uso di reattori veloci per la trasmutazione delle scorie.
