Oggi:

2018-06-22 13:18

Il Punto su Risorse Energetiche Primarie ed Elettricità

SCENARI ENERGETICI NEL MONDO

di: 
Alessandro Clerici*

Pubblichiamo la prima parte di un Rapporto** realizzato da Alessandro Clerici, Presidente Onorario WEC Italia e FAST. Questa prima parte, in particolare, analizza le riserve attuali di combustibili fossili che ancora dominano il mercato e le potenzialità dei diversi tipi di fonti rinnovabili (FER); i trends, sia di utilizzo delle risorse energetiche primarie e sia di produzione di elettricità per tipologia di fonte, vengono riportati per le varie aree geografiche. Vengono mostrati gli andamenti degli ultimi 15 anni, che evidenziano nel settore generale dell’energia la crescente importanza sia dei paesi non OCSE (che hanno superato quelli dell'OCSE), sia dell'elettricità e delle fonti energetiche rinnovabili (FER).

L'energia è riconosciuta come il fattore principale per lo sviluppo economico e sociale delle popolazioni e per il loro benessere. Tuttavia, alla fine del 2016, ancora oltre il 15% della popolazione mondiale (che era di 7,5 miliardi) non aveva accesso a fonti energetiche commerciali e all’elettricità. L'aumento del consumo di energia e di elettricità è la spinta per gli investimenti in infrastrutture e quindi anche per i sistemi di trasmissione e distribuzione,T&D,  che si prevede abbiano uno sviluppo percentuale maggiore rispetto ad altri settori.

 

1 Panoramica sulle attuali risorse energetiche primarie

I combustibili fossili, basati sulle attuali risorse comprovate (R) e la produzione effettiva (P) nel 2016, hanno i seguenti rapporti R / P:

petrolio ~  50 anni

gas ~  55 anni

carbone ~ 155 anni

Le comprovate risorsedi petrolio e gas sono ora secondo BP[1], il 50% maggiori di quelle  di 20 anni fa anche con i consumi consistenti degli ultimi due decenni. Le risorse prevedibili di petrolio non convenzionale da scisti bituminosi (80% negli Stati Uniti), di bitume naturale (60% in Canada) e petrolio extra pesante (95% in Venezuela) sono molto grandi ed economiche con prezzi del petrolio stabili intorno a 50 dollari/barile; lo stesso vale per lo shalegas (e il "boom" americano qui è evidente).

Il problema reale non è quindi la mancanza  di combustibili fossili (il picco della produzione di petrolio è obsoleto da diversi anni rispetto a un picco della domanda di petrolio), ma:

- la loro distribuzione disomogenea tra aree di produzione e di consumo (soprattutto del petrolio e del gas) e gli effetti geopolitici sul loro sviluppo e trasporto;

- come bruciarli senza impatto sull'ambiente, e questa è diventata la principale preoccupazione.

Riguardo alle altre principali risorse, secondo il WEC, il nucleare ha comprovate riserve di uranio che dureranno almeno per 100 anni con l’attuale consumo e tipi di reattori. Lo sviluppo commerciale di reattori autofertilizzanti veloci (ma dobbiamo attendere qualche decennio) dovrebbe diminuire di 80 volte sia il consumo di combustibile per kWh prodotto che le scorie nucleari. L'uso commerciale della fusione non sembra attuabile prima di 50 anni.

L’idroelettrico potrebbe più che triplicare l'attuale produzione annuale di energia  di 910 MTEP (milioni di tonnellate equivalenti di petrolio pari a circa 4.000 TWh) con importanti contributi da Asia, Africa e Sud America.

L’eolico ha un potenziale teorico annuale di 1,5 volte l'attuale consumo energetico mondiale di energie primarie, ma le principali aree eoliche sono spesso lontane dai centri di consumo e gli impianti offshore presentano investimenti e costi di O&M (gestione e manutenzione) e di connessione alla rete elevati, anche se i risultati recenti con grandi turbine sono interessanti.

L’energia  solare che raggiunge la superficie dei continenti (20% della superficie  del globo terrestre) ha un potenziale teorico annuale pari a 1.000 volte l'attuale consumo di energia primaria mondiale. Le bioenergie hanno un enorme potenziale da sfruttare adeguatamente, evitando i problemi di concorrente uso dei suoli per la produzione di cibo.

Il potenziale energetico totale delle onde è di circa 30 PetaTWh (1015 TWh ), ma i costi tecnologici per sfruttare l'energia marina sono ancora molto elevati e ne ostacolano lo sviluppo su larga scala nel breve/medio termine. Il contributo e le tendenze attuali della geotermia sono ancora marginali; anche se con un grande potenziale teorico, il suo sviluppo è ostacolato da ingenti costi di installazione e lunghi periodi di sviluppo rispetto al solare e all’eolico.

 

2 Panoramica sui consumi di energia primaria

Il consumo globale di energia primaria nel 2016 [1] è stato di circa 13.270 MTEP. Per regione, secondo BP [1], la quota di consumo di energia primaria nel 2016, l'aumento percentuale rispetto al 2015 e la crescita media annuale nel periodo 2005-2015 sono state:

 

Quota 2016

Crescita 2016

Crescita 2005-2015

Asia delPacifico

42,0%

2,1%

3,9%

Europa e Eurasia

21,6%

0,4%

-0,4%

Nord America

21,0%

-0,4%

-0,2%

Medio Oriente

6,7%

2,1%

4,5%

America del Sud e Centrale

5,3%

-1,0%

2,8%

Africa

3,3%

1.2%

3,3%

Totale Mondiale

100%

1,0%

1,8%

Per le aree più significative (Asia del Pacifico e Medio Oriente), le cifre sono chiare nelle tendenze sia presenti che nel passato decennio. I dati sull'Africa sono simili a quelli riportati più avanti nel settore elettrico e lì vengono mostrate le osservazioni rilevanti per il continente Africano. Il valore negativo 2016 del Sud e Centro America è causato principalmente dal Brasile. La situazione in Europa e Nord America è ancora guidata dall'effetto delle passate turbolenze economico/ finanziarie e dalla crescente disaggregazione tra aumenti dei consumi energetici ed emissioni di CO2 ed aumento del PIL come mostrato in figura 1 [4]. Questa è la conseguenza delle razionalizzazioni nelle attività di consumo dei diversi settori e nelle politiche di efficienza energetica, implementate per contrastare i cambiamenti climatici e i problemi ambientali con riduzione dell'intensità energetica (consumo di energia per 1 dollaro di PIL).

Figura  1 – Disaggregazione dallo sviluppo del PIL dell’aumento dei consumi di energia primaria e delle conseguenti emissioni di CO2  (fonte: IEA  WEO  2016)

 

La figura 2 mostra l'andamento  per il periodo 1990-2015 del PIL pro capite e dell’intensità energetica in alcune  nazioni/aree chiave.

Figura 2 – Andamento del PIL pro capite in dollari statunitensi 2015 (asse orizzontale) e intensità di energia in kTEP per 1 dollaro di PIL (asse verticale) nelle principali nazioni/aree mondiali, periodo 1990-2015 (elaborazione WEC Italy)

Esistono ancora grandi differenze tra i vari paesi, ma in ogni caso è da notare l'impressionante riduzione dell’intensità energetica della Cina (quasi 3 volte) dovuta principalmente alla ristrutturazione del settore industriale. L'Unione Europea è la regione con il valore più basso per intensità energetica.

Secondo Enerdata [2] "I paesi della CSI (Comunità degli Stati Indipendenti comprendente 9 delle 15 ex repubbliche sovietiche, alle quali si aggiungono il Turkmenistan come membro associato e l'Ucraina come paese partecipante) rimangono l’area con la più alta intensità energetica, essendo ad un livello molte volte superiore a quello dell'Unione Europea. L'alta intensità energetica nella CSI, nel Medio Oriente, in Cina e in altri paesi asiatici in via di sviluppo si spiega principalmente con la predominanza delle industrie ad alta intensità energetica, con economie basate sull'esportazione di materie prime e con i bassi prezzi dell'energia che non incoraggiano l'efficienza energetica".

A livello mondiale l'intensità energetica nel 2016 è migliorata del 2% rispetto al 2015, principalmente per merito della Cina.

 Con riferimento al consumo di energia primaria del 2016, la quota dei primi 5 paesi è stata:

Cina
23,0%

USA
17,1%

India
5,5%

Russia
5,1%

Giappone
3,4% 

La seguente figura 3 riepiloga lo sviluppo della quota di consumo di energia primaria per fonte nel decennio dal 2005 al 2015.

Figura 3: sviluppo a livello globale negli ultimi 10 anni delle  quote di consumo delle varie risorse primarie di energia . Fonte: WEC [3]

È abbastanza chiaro che l’eolico e il solare hanno avuto uno sviluppo esplosivo in 10 anni (produzione annuale di energia circa 7 e 50 volte più grande rispettivamente), ma il loro contributo all'energia primaria è, ad ora, ancora marginale (2%). I combustibili fossili sono ancora predominanti nel  2015 con una quota dell'86% (rispetto all'87,5% del 2005) con il petrolio che rimane la prima fonte con il 33% (riduzione dal 37% nel 2005) e con aumenti marginali delle quote di carbone e gas. Il nucleare, a causa del post Fukushima, ha registrato un calo dal 5,73% al 4,44%. L’idroelettrico un aumento dal 6,05% al 6,79%.

Il consumo annuale totale pro capite di energia primaria presenta differenze molto ampie da paese a paese. Da circa 19.000 kTEP/anno di Islanda e Qatar, a circa 10.000 di Bahrein e Kuwait, 7.000 per Stati Uniti e Canada; la fascia 3.000-6.000 per molti paesi europei, Giappone e Corea del Sud; la Cina 2.300, l’India 650, molti paesi del Sub Sahara sotto a 250 kTEP/anno e di gran lunga meno in altri paesi.

 

3 - Panorama attuale nel settore dell’Energia Elettrica

La produzione globale lorda di elettricità nel 2016 è stata di 24.816 TWh, con una crescita media annua del 3,4% negli ultimi 40 anni; il contributo delle diverse fonti è riportato nella figura 4. Il 65,1% della produzione mondiale proveniva da impianti a combustibili fossili, contro il 10,5% da nucleare e il 24,4% da tutte le fonti rinnovabili (FER), mentre l'idroelettrico con una quota del 16,4% ha contribuito con circa il 67% alla produzione globale di FER. La produzione da petrolio è praticamente ridotta a circa il 4%.

Carbone

37,5%

FF: 65,1%

Petrolio

4,0%

Gas

23,6%


Nucleare

10,5%

 


Idroelettrico

16,4%

FER 24,4%

Biomasse

2,3%

Altre Rinnovabili

5,7%

Figura 4 – Contributo per fonte alla produzione lorda globale di elettricità 2016 - Elaborazione da IEA [4]

Dalla figura 5 risulta chiaramente come la capacità globale delle FER sia aumentata di 2,5 volte dal 2004 al 2016 con una crescita media annua dell'8%, rispetto al 4% della capacità totale termica convenzionale più nucleare; la crescita delle FER è stata trainata principalmente da circa 750 GW aggiuntivi di energia eolica e solare con un tasso di crescita medio annuo rispettivamente del 21% e del 47%. La bassa quota di energia eolica e solare nella produzione di energia elettrica rispetto alla capacità installata è spiegata dal minor numero di ore di funzionamento equivalenti all'anno (circa 2.000 e 1.100 rispettivamente) rispetto alle altre fonti.

Figura 5 - Aumento di capacità installata mondiale per fonte 2004-2016 e produzione di energia elettrica nel 2016. Fonte: WEC [5] e CESI

Al 31 dicembre 2016, l’eolico e il fotovoltaico hanno raggiunto una capacità installata globale di 487 GW e 303 GW rispettivamente con un aumento percentuale del 31% e del 67% rispetto ai loro valori al 31 dicembre 2014. Vale la pena notare che un aumento dei volumi di installazioni FER combinato con gli sviluppi tecnologici, ha condotto a una sostanziale riduzione delle spese in conto capitale di impianti eolici e solari; questo ha prodotto, in aree con forte vento, forte radiazione solare e bassi costi locali, effetti sulle vendite all’asta per grandi impianti a circa 18 dollari/MWh sul il fotovoltaico (PV) in Messico e Arabia Saudita e 28 dollari/MWh sull’eolico in Marocco. Ma anche in Europa sono stati ottenuti recenti risultati interessanti dalle aste: l’eolico  in Spagna a 47,8 dollari/MWh e il fotovoltaico in Danimarca a circa 60. Un investitore ha fatto un’offerta per un progetto eolico off-shore in Germania per vendere l'energia al prezzo del mercato elettrico, con costi di connessione però a carico del TSO (Trasmission System Operator) e, quindi, dei clienti finali.

Considerando la natura variabile del vento e del sole con impatto rilevante [5] sul funzionamento affidabile e sui costi complessivi del sistema elettrico quando essi  assumono una quota importante  di produzione di elettricità (necessità di capacità di riserva aggiuntiva e flessibile, costi di bilanciamento, necessari sviluppi del sistema di trasmissione e distribuzione, necessità di far fronte a rampe rapide in salita e discesa della produzione rinnovabile, mercato della capacità per assicurare sicurezza delle forniture in caso di scarsità di vento e/o sole ecc.), la vera sfida per il loro forte sviluppo è un approccio olistico a lungo termine per la riprogettazione del globale sistema di generazione-trasmissione e distribuzione e la sua pianificazione con sofisticate valutazioni tecnico-normative ed economiche, e l'introduzione di  futuri sistemi di accumulo a basso costo.

Una tendenza importante negli ultimi decenni è stata la crescente quota di paesi non OCSE nella produzione mondiale  di elettricità (lo stesso vale per il consumo di energia primaria) come mostrato nella Fig.6. Dal 2000 al 2010 la crescita annuale media nei paesi dell'OCSE è stata meno dell'1% rispetto a circa il 6% nei paesi non OCSE.

Figura 6 – Produzione di elettricità in paesi OCSE e non OCSE (fonte: CIGRE 2014)

Dal 2010 la produzione di elettricità dei paesi non OCSE supera quella dei paesi dell'OCSE con una differenza crescente. Le tendenze negli ultimi decenni per le diverse fonti di produzione di elettricità hanno mostrato differenze significative tra i paesi dell'OCSE e non OCSE come chiaramente mostrato in Fig.7; sia nell'OCSE che nei paesi non OCSE la fonte petrolifera è drasticamente ridotta; il carbone crolla nell'OCSE dal 1985  mentre è in aumento in paesi non OCSE, dove ha una quota vicina al 50%.

Il gas ha avuto un notevole aumento dal 1985 circa nell’OCSE e, ora, ha la stessa quota del carbone a circa il 28%, mentre la sua quota è stata piuttosto costante in paesi non OCSE.

L’idroelettrico ha dimezzato la sua quota in OCSE (ha praticamente sfruttato appieno il potenziale per i grandi impianti), ma ha mantenuto una quota costante nei paesi non OCSE; per quanto riguarda l'energia eolica e solare, i paesi OCSE sono stati precursori (in particolare l'Unione Europea), con un aumento maggiore rispetto ai non OCSE, ma hanno perso la loro leadership sia in quota che nella capacità installata annualmente;

Figura 7- Tendenza passata nella quota di produzione lorda di elettricità per fonte nell’OCSE (diagramma in alto) e nei paesi non OCSE (diagramma in basso) - Fonte IEA [4]

L'evoluzione della produzione globale di elettricità per fonte negli ultimi 15 anni è sintetizzata nella tabella seguente, sulla base delle elaborazioni dei dati dell'IEA.

In 15 anni la quota della produzione da combustibili fossili è aumentata dal 64,7% al 65,1% a causa della sua  crescita nei paesi non OCSE non compensata dalla sua diminuzione in quelli OCSE;

 

2001

2016

Carbone

38,7%

FF: 64,7%

37,5%

FF: 65,1%

Petrolio

7,4%

4,0%

Gas

18,6%

23,6%


Nucleare

17,1%

 

10,5%

 


Idroelettrico

16,5%

FER: 18,2

16,4%

FER: 24,4%

Biomasse

1,1%

2,3%

Altre Rinnovabili

0,6%

5,7%

Il carbone, dopo un picco di circa il 42% nel 2010, ha nel 2016 una quota di poco inferiore a quella  di 15 anni fa, mentre l'aumento del gas ha compensato il crollo del petrolio e parte di quello del nucleare. Il nucleare è crollato dal 17,1% al 10,5% (anche se i totali TWh prodotti sono praticamente gli stessi), la quota delle biomasse è raddoppiata. Il contributo delle FER è aumentato dal 18,2% al 24,4%, principalmente trainato da energia eolica e solare, che hanno aumentato la loro quota di quasi 10 volte. La quota dell’idroelettrico è praticamente costante.

Secondo i dati recenti di BP [1], in riferimento alla produzione mondiale di elettricità per il 2016 di 24.816 TWh, la quota dei primi 5 paesi è stata:

Cina 24,8%

USA 17,5%

India 5,6%

Russia 4,4%

Giappone 4%

I primi 3 paesi producono quasi il 50% dell'elettricità globale, con una considerevole produzione dal carbone, per un totale di circa 2/3 della produzione mondiale di elettricità da carbone (la quota da carbone della Cina e dell'India nella produzione di elettricità si attesta intorno al 65% e degli Stati Uniti al 31%, anche se in diminuzione rispetto al 39% del 2014).

Per regione, secondo BP [1], la quota globale di produzione di energia elettrica nel 2016, l'aumento percentuale rispetto al 2015 e la crescita media annua nel periodo 2005-2015, sono risultati :

 

Quota 2016

Crescita 2016

Crescita 2005-2015

Asia del Pacifico

43,9%

4,4%

5,7%

Europa e Eurasia

21,7%

0,8%

0,3%

Nord America

21,5%

0,1%

0,2%

America del Sud e Centrale

5,3%

0,4%

3,2%

Medio Oriente

4,5%

1,9%

5,7%

Africa

3,2%

0,6%

3,3%

Totale Mondiale

100%

2,2%

2,8%

È piuttosto evidente la posizione dominante dell'Asia del Pacifico sia nella crescita del 2016 che in quella degli ultimi 10 anni, anche se con una certa riduzione trainata principalmente dalla Cina (che ha registrato una crescita del 5,4% nel 2016 rispetto all'8,8% del periodo 2005-2015).

L'Europa e l'Eurasia hanno visto alcuni miglioramenti nel 2016 rispetto al periodo precedente mentre il Medio Oriente ma soprattutto l'America Centrale e del Sud e l'Africa, hanno avuto una drastica riduzione.

I paesi con il maggiore incremento della produzione nel 2016 sono stati il Bangladesh (10,6%), il Vietnam (9,7%), le Filippine (8,8%), la Malesia (8,1%), gli Emirati Arabi (7,1%), l'Irlanda (6,9%), l'India (6,8 %), il Perù (6,3%) e l’Indonesia (6,1%) - a parte situazioni particolari in Portogallo e Belgio che hanno avuto un aumento superiore al 15% .

Esiste una grande differenza nel consumo pro capite di elettricità nelle varie regioni rispetto alla media mondiale di 3,1 MWh/anno. Secondo gli ultimi dati delle Nazioni Unite, ignorando l'Islanda con circa 50 MWh pro capite all'anno, abbiamo: Nord America 13, Emirati Arabi Uniti 11, Giappone 7,5, Unione Europea 6, Cina 4, America Latina 2,5, India 0,8 e Africa circa 0,5.

L'Africa, con il 16% della popolazione mondiale, produce il 3,2% dell'elettricità globale; circa il 30% della sua produzione è però in Sud Africa che ha meno del 5% della popolazione africana. Escludendo i paesi del Nord Africa e del Sud Africa, nella regione sub-sahariana, a fronte di enormi risorse primarie sia fossili che idroelettriche e di biomasse e solari/eoliche, gli 880 milioni di abitanti hanno la più alta percentuale di persone senza elettricità (70%); in questi paesi il consumo medio pro capite annuo è dell'ordine di alcune centinaia di kWh e in alcuni si arriva al di sotto di 50.

 

 

*Presidente Onorario WEC Italy e FAST , ex Presidente della Task Force WEC su “Integrazione delle Rinnovabili nei Sistemi di Energia Elettrica”.

**Questo documento è parte di una versione aggiornata del rapporto presentato da Clerici alla Conferenza Mondiale INMR (INMR is the world's leading technical journal in the field of electrical insulators, surge arresters, bushings and cable accessories, electrical,insulators) svoltasi a Sitges in Spagna dal 4 al 6 Novembre 2017, e portato a termine con il supporto del CESI

La traduzione dall’inglese è stata curata da Alessandra Potalivo e Carlotta Basili

 

BIBLIOGRAFIA

[1] BP- Statistical Review of World Energy-June 2017

[2] ENERDATA- Global Energy Statistical Yearbook 2017

[3] WEC- World Energy Resources 2016

[4] IEA-World Energy Outlook 2017

[5] WEC- Variable Renewables Integration in Electricity Systems: how to get it right -2016