Stabilità della rete elettrica: il ruolo del nucleare e le alternative

Nell’articolo “Energia Nucleare: pro e contro. Emissioni, costi e tempi” abbiamo approfondito i pro e i contro di un eventuale sviluppo del nucleare dal punto di vista del clima, dei costi e delle tempistiche. Benché le emissioni climalteranti del nucleare siano confrontabili con quelle delle rinnovabili, dai dati appare evidente che il nucleare sia più costoso e i nuovi progetti particolarmente lunghi da realizzare rispetto ai quelli del solare e dell’eolico. Il risparmio di emissioni sembra perciò massimizzato con la costruzione di nuovi impianti rinnovabili, anziché di nuove centrali nucleari. Allora perché dovrebbe essere necessario investire nel nucleare? Il punto chiave è assicurare la stabilità della rete quando le rinnovabili intermittenti comporranno la stragrande maggioranza della generazione elettrica.

Il sistema energetico a basse emissioni di carbonio dovrà essere infatti caratterizzato da una schiacciante prevalenza di rinnovabili intermittenti e non programmabili, governate cioè della variabilità del vento o della copertura nuvolosa, nonché dall’assenza di luce solare di notte. Per poter assicurare la fornitura di energia indipendentemente dal momento della richiesta ed evitare possibili blackout, sarà necessario avere a disposizione anche fonti non intermittenti e/o meccanismi di storage, che possano sopperire alla carenza di energia rinnovabile nei momenti di produzione ridotta.

Il nucleare potrebbe essere parte della soluzione a questo problema: non è certo una fonte intermittente e, anche se in maniera limitata, può aggiustare le proprie operazioni per seguire le variazioni di domanda e offerta di energia. Inoltre, si stratta di una tecnologia matura e a basse emissioni di carbonio. Dati i tempi di realizzazione degli impianti (all’incirca un decennio), se volessimo utilizzarlo ai fini esposti dovremmo iniziare da subito ad investire in esso.

Alternative

Altre opzioni non godono di questi stessi rilevanti vantaggi. Il gas, fonte facilmente programmabile e scalabile in caso di necessità, non è chiaramente una soluzione dato l’impatto climatico pari addirittura alla metà di quello del carbone.

Le batterie sono, invece, sempre più utilizzate come storage e sono sempre più economicamente competitive. Rimangono dubbi però rispetto alla possibilità del loro impiego su larga scala, in particolare riguardo alla sostenibilità sociale, ambientale e geopolitica del loro utilizzo e dell’approvvigionamento dei materiali che le compongono (fra cui elementi rari quali litio e cobalto, e tossici quali il piombo). La ricerca scientifica è pertanto molto attiva nel cercare soluzioni per nuove composizioni delle batterie e per tecniche di riuso o di riciclo più efficienti. Anche per questo ambito di ricerca è fondamentale che siano allocati i necessari investimenti.

Un’altra valida opzione è quella dell’idrogeno, che potrebbe essere prodotto utilizzando elettricità rinnovabile quando essa è in eccesso e poi essere usato per generare energia nei momenti di minima produzione rinnovabile. I processi di sintesi dell’idrogeno a partire da energia rinnovabile sono però oggi ancora troppo costosi e il meccanismo di storage dell’energia ancora poco efficiente (circa al 35% contro il 95% per le batterie). Tuttavia, le aspettative sono alte sui prossimi sviluppi della tecnologia e sul suo potenziale utilizzo su larga scala.

Un sistema totalmente rinnovabile

Alcuni esperti ritengono che una fonte “di riserva” con output costante nel tempo – come può essere il nucleare – non sia in realtà necessaria per la tenuta di una rete con alte percentuali di rinnovabili intermittenti. Secondo Amory B. Lovins, uno dei massimi esperti di energia nel mondo, anche le fonti convenzionali richiedono ampi costi per la sicurezza di rete. Per Lovins, un mix di rinnovabili intermittenti, idroelettrico, geotermico, biogas, efficientamento energetico, ottimizzazione della distribuzione temporale della domanda (ad esempio elettrodomestici che si attivino nei momenti di massima disponibilità elettrica solare, nelle ore centrali della giornata) e storage distribuito (ad esempio nelle batterie delle macchine) dovrebbe essere sufficiente per garantire una rete stabile e potrebbe essere più economico del fare affidamento su fonti tradizionali.

Fino ad ora

Nel 2020, durante i lockdown, si sono raggiunti in Europa diversi record di generazione rinnovabile intermittente senza che si verificassero particolari problemi alla rete: fra aprile e maggio in Germania eolico e solare hanno coperto circa il 45% della produzione, in UK il 50-60% per diversi giorni; in Danimarca si sono raggiunti picchi orari persino oltre il 100% della domanda.

Benché esistano esempi concreti di resilienza della rete ad altissime percentuali di rinnovabili, non mancano però anche casi contrari. La California, che da anni riduce la frazione di produzione a gas, è uno degli stati con il sistema elettrico più verde degli USA. Per la prima volta dal 2001, nell’estate 2020 ha subito alcuni blackout programmati, necessari per ribilanciare domanda e offerta di energia. Essi hanno risvegliato l’attenzione sui problemi di stabilizzazione della rete, nonostante secondo il gestore di rete fossero il risultato di una “tempesta perfetta”. I blackout sono scaturiti infatti durante un periodo torrido dalla combinazione di elevata domanda di raffrescamento in ora serale (quindi senza fornitura dal fotovoltaico), di produzione idroelettrica ridotta a causa della siccità, dell’improvviso malfunzionamento di una centrale a gas e di 1 GW di eolico e dell’indisponibilità ad importare energia dagli altri stati, ugualmente alle prese col picco della domanda per raffrescamento.

Anche il nucleare, però, potrebbe rivelarsi poco adatto a far fronte a situazioni di tal genere – legate alle ondate di calore – a causa delle sue esigenze di continuo raffreddamento, come vedremo nell’ultimo articolo di questa serie di approfondimenti.

Idroelettrico

Esiste infine un’ultima soluzione alternativa che presenta non pochi aspetti positivi: si tratta del “pumped hydroelectric storage”, l’accumulo idroelettrico attuato tramite l’utilizzo di pompe fra due bacini posti ad altezza differente. L’acqua verrebbe pompata verso il bacino più in alto utilizzando l’energia rinnovabile in eccesso e poi utilizzata per produrre energia come in una centrale idroelettrica tradizionale. Si tratta, di fatto, di enormi batterie ad acqua.

Questa tecnologia presenta alcuni degli svantaggi del nucleare – come gli ingenti capitali iniziali e il lungo tempo per la costruzione degli impianti – e alcuni dei vantaggi – come il fatto di essere ben rodata; ma è sicuramente molto più flessibile nel suo utilizzo (ad esempio nella velocità di “avvio”). Secondo le stime di Lazard, nel 2016 era la tecnologia di storage più economica a disposizione, con un costo di storage (152-198$/MWh, compreso il costo dell’energia di “ricarica”) paragonabile al costo di produzione nucleare (129-198$/MWh). Attualmente costituisce più del 90% dello storage di griglia nel mondo. Gli alti investimenti iniziali necessari sono la principale causa della scarsa velocità di sviluppo del settore, insieme alla limitata convenienza dello storage nel sistema elettrico odierno.

Potenzialità

Ma questa tecnologia potrebbe rivelarsi un passaporto per il sistema energetico dei prossimi decenni. Un recente studio della Australian National University ha identificato 600mila siti in tutto il mondo dove sarebbe geograficamente possibile realizzare impianti a ciclo chiuso (non collegati a fiumi), anche sfruttando miniere in disuso o in corrispondenza di scarpate sul mare. Il potenziale di accumulo totale sarebbe 100 volte tanto quello richiesto per supportare un sistema elettrico globale al 100% rinnovabile. Secondo un report del 2015 di eStorage, un consorzio di ricerca finanziato dalla UE, con un uso quotidiano delle potenzialità di storage dei soli bacini già esistenti in Europa (ma non ancora usati a questo fine), si potrebbe immagazzinare e rilasciare in un anno una quantità di energia pari a circa un quarto di tutti i consumi annuali europei.

Ricapitolando

In conclusione, dal punto di vista della stabilità di rete, in linea teorica il nucleare potrebbe affiancare altre possibilità di storage nel supporto ad un sistema elettrico low-carbon. Resta ovviamente un’incognita se, una volta realizzati eventuali progetti nucleari (ribadiamo, con tempi di realizzazione di circa un decennio), essi si riveleranno più o meno competitivi rispetto a nuove tecnologie che saranno allora disponibili ed immediatamente utilizzabili.

Ma per far parte del mix futuro il nucleare deve rispondere ad altre questioni divisive e problematiche: non solo costi e tempi di realizzazione, di cui abbiamo parlato qui, ma anche sicurezza, scorie e impatti dei cambiamenti climatici. Ne discutiamo nell’ultimo articolo della serie: Energia Nucleare: pro e contro. Sicurezza, scorie e impatti dei cambiamenti climatici.