Economia energetica: perché i costi di sistema sono importanti

Traduciamo e condividiamo un articolo comparso su mzconsulting il 31 gennaio 2022

Oggi parleremo dell’importanza dei costi di sistema nella comprensione dei costi delle diverse tecnologie di generazione elettrica. 

Il rapporto IEA/NEA Projected Cost of Electricity 2020 evidenzia come il nucleare sia competitivo con le alternative nella maggior parte delle giurisdizioni, utilizzando il tradizionale approccio di analisi basato sul costo livellato dell’energia (LCOE). L’LCOE è un ottimo modo per confrontare i costi dell’elettricità: è calcolato su due o più differenti opzioni implementate in un punto della rete con caratteristiche di sistema simili. 
Tuttavia, quando nel sistema sono presenti le fonti rinnovabili intermittenti, l’LCOE da solo non fornisce più una base sufficiente per un confronto diretto. Per la loro stessa natura, infatti, l’implementazione di fonti rinnovabili aggiunge costi al sistema affinchè queste possano fornire elettricità in maniera affidabile tanto quanto le risorse dispacciabili più tradizionali come il nucleare, l’idroelettrico e le fonti fossili.

Quali sono i costi di sistema? In un rapporto emesso dall’Agenzia per l’ energia nucleare dell’OCSE (NEA) , i costi di sistema (si veda il rapporto per una definizione completa) sono sostanzialmente i costi aggiuntivi richiesti per mantenere un sistema stabile, tenendo conto che le fonti rinnovabili, naturalmente intermittenti, producono elettricità solo per un numero limitato di ore, ovvero quando la risorsa è disponibile (per esempio la luce diurna, nel caso degli impianti solari), con un’incertezza dovuta a giorni con scarse risorse (per esempio giornate piovose o nuvolose). A questo si sommano anche i costi infrastrutturali per accedere ad una produzione elettrica più distribuita sul territorio (per esempio una sorgente eolica collocata lontano dalla domanda).

Uno studio del 2018 condotto dal MIT “The Future of Nuclear Energy in a Carbon Constrained World” considera l’impatto dell’energia nucleare sul costo dei sistemi elettrici, nel caso in cui si fissino target di decarbonizzazione avanzati. Nello studio vengono esaminate varie giurisdizioni in tutto il mondo e la conclusione è sempre la stessa: il costo dell’elettricità è inferiore con una quota nucleare maggiore rispetto al tentativo di decarbonizzare con le sole rinnovabili variabili intermittenti (più i sistemi di stoccaggio). 

La ragione di questo effetto è fondamentalmente dovuta al tempo relativamente limitato in cui queste risorse producono elettricità. L’energia solare ed eolica vengono prodotte solo quando il sole splende e il vento soffia, il che significa che ciò avviene solo per una parte del tempo e non sempre quando necessario.

I fattori di capacità media di queste tecnologie variano in base alla località, con un valore medio mondiale di poco inferiore al 20% per il solare e di circa il 30-35% per l’eolico (il fattore di capacità corrisponde alla frazione di tempo in cui una risorsa produce elettricità, rispetto al caso in cui fosse operativa per il 100% del tempo). Emerge il contrasto con la disponibilità 24 ore su 24, 7 giorni su 7, dell’energia nucleare, che può funzionare con fattori di capacità superiori al 90%.

L’impatto sui sistemi elettrici è evidente. Data la durata limitata di funzionamento delle rinnovabili, è necessario sovradimensionare molto gli impianti per catturare tutta l’elettricità necessaria quando la risorsa è disponibile in modo da coprire il tempo in cui il sole non splende e il vento non soffia. Tutto questo supponendo che esistano modalità di stoccaggio ragionevolmente efficienti, e al momento ciò non è ancora una realtà. Il risultato è un sistema con una capacità complessiva molto maggiore di un sistema che includa il nucleare (o qualsiasi altra risorsa dispacciabile). Nello studio del MIT, ad esempio, il sistema elettrico del Texas ammonterebbe a 148 GW di potenza installata con il nucleare, ma richiederebbe 556 GW di capacità con le sole rinnovabili. Nel New England un sistema elettrico con il nucleare avrebbe una capacità di 47 GW ma richiederebbe una capacità di 286 GW con le sole rinnovabili. Nel Regno Unito ciò significherebbe 77 GW con nucleare rispetto a 478 senza. E così via. I costi di adeguamento del sistema per accogliere queste capacità molto più grandi sono significativi.

Le ricerche si susseguono, ma giungono tutte al medesimo risultato. Anche uno studio in Svezia, in cui vengono presi in considerazione venti diversi scenari per la completa decarbonizzazione, giunge alla stessa conclusione: in ogni scenario, il sistema più economicamente vantaggioso prevede di continuare ad utilizzare a lungo termine gli impianti nucleari esistente. Più recentemente uno studio in Francia ha dimostrato che decarbonizzare senza nucleare significa necessitare di un sistema elettrico grande più del doppio, e maggiore è la quota nucleare nel sistema, minore è il costo medio di produzione complessivo.

In definitiva, cosa comportano questi risultati per la pianificazione energetica? L’approccio all’implementazione di una rete elettrica economica e affidabile a basse emissioni di carbonio deve iniziare con l’esame dell’intero sistema. Uno studio dovrebbe valutare i costi totali di implementazione del sistema in una serie di scenari utilizzando diverse quote di risorse disponibili. Diverse forme di generazione hanno capacità diverse e queste devono essere prese in considerazioni. Una volta determinato un mix efficiente, dovrebbe essere messo in atto un piano per implementarlo (ad esempio, X% nucleare, Y% solare, Z% eolico, A% stoccaggio, ecc.). Quando si cerca di implementare ciascuna tecnologia, è possibile utilizzare l’LCOE per confrontare le varie opzioni. Ad esempio, quando si confronta un progetto solare con un altro o un progetto nucleare con un altro. Ed ovviamente, se i costi di una specifica tecnologia variano significativamente rispetto alle ipotesi è necessario aggiornare la strategia.

I mercati energetici odierni si basano molto spesso sul presupposto che tutta l’elettricità generata sia la stessa. Questo è vero al momento della generazione quando sì, un elettrone è un elettrone. Sfortunatamente, la capacità di una data tecnologia di essere effettivamente lì per produrre nel momento in cui è necessaria varia sostanzialmente. Pertanto, un confronto diretto tra l’LCOE di un’opzione e un’altra è solo una parte della questione.

Per comprendere appieno i costi dell’elettricità generata, devono essere considerati anche i costi di integrazione di una determinata tecnologia in un sistema affidabile. Dopotutto, ciò che conta davvero è quanto paghiamo come clienti per la nostra elettricità e gli studi parlano chiaro, il nucleare come parte di un sistema completamente decarbonizzato è sempre un costo inferiore rispetto a un sistema basato solo sulle rinnovabili.