Mario Agostinelli: Leggere il Rapporto Europa solare e rinnovabile al 100%
Mario Agostinelli ci ha trasmesso il Rapporto europeo Solar Power Europe che definisce un piano articolato e organico per per arrivare a una Europa solare e rinnovabile al 100%. Per motivi tecnici www. inchiesta on line .it tramette solo il testo e non le figure e grafici a colori. Il Eapporto completo può essere chiesto a agostinelli.mario@gmail.com
RAPPORTO EUROPA SOLARE E RINNOVABILE AL 100%
Come realizzare un sistema energetico europeo neutro per il clima prima del 2050 https://www.solarpowereurope.org/new-study-100-renewable-europe/
PREFAZIONE:
Claude Turmes, ministro dell’energia di Lussemburgo
Cari lettori,
Il 4 marzo 2020, la Commissione europea ha presentato una proposta per la “Legge sul clima”, impegnandosi a diventare il primo continente neutro dal punto di vista climatico. Questa visione è del tutto necessaria in un momento in cui la nostra visione tradizionale di crescita e lo stesso sviluppo industriale sono messi in discussione dall’esaurimento delle risorse della terra, dal collasso dei nostri ecosistemi naturali, dallo sconcertante livello di riscaldamento globale e da una crisi sanitaria senza precedenti: sono in discussione i nostri modelli di produzione e consumo.
I cittadini europei e la società civile stanno aprendo la strada, a partire
dai nostri giovani: nel 2019 si sono verificati migliaia di scioperi climatici
in quasi tutti i paesi europei.
Come deputato al Parlamento europeo da 19 anni, ho portato avanti la lotta contro i cambiamenti climatici e ho contribuito con orgoglio all’adozione del pacchetto energia e clima 2009 che ha dato luogo ad un vivace mercato interno per una crescita esponenziale di energie rinnovabili ed ha reso l’UE un leader globale nel settore. Adottato nel 2019, Il pacchetto per l’Energia Pulita è un’altra pietra miliare fondamentale nel potenziare lo spiegamento di energie rinnovabili e di efficienza energetica nel prossimo decennio, come soluzioni più convenienti per affrontare i cambiamenti climatici.
L’Europa è sulla buona strada per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, ma la dimensione della sfida ci impone di accrescere le nostre ambizioni.
Nel mio attuale ruolo di ministro dell’Energia del Lussemburgo, ho collaborato con colleghi provenienti da Austria, Danimarca, Irlanda, Lituania e Spagna, chiedendo alla Commissione europea di includere uno scenario 100% di energie rinnovabili come obiettivo per l’energia al 2050. Il 14 aprile 2020, insieme a 180 ministri, Parlamentari europei, CEO, ONG e sindacati, abbiamo lanciato l’alleanza l’europea per una ripresa verde dopo la crisi del coronavirus, che dovrebbe agire come acceleratore della transizione verso la neutralità climatica. Come leader politici, dobbiamo dimostrare alle giovani generazioni che sono stati ascoltati e che gli scenari più ambiziosi possibili sono stati seriamente considerati per aiutare a combattere il cambiamento climatico e creare un’Europa più resiliente e sostenibile.
SolarPower Europe e LUT University sono all’avanguardia: la loro modellizzazione dimostra che l’UE può diventare completamente neutra dal punto di vista climatico entro il 2040, rispettando l’ambizioso obiettivo di 1,5 ° C dell’accordo di Parigi e senza alcun trucco, come i pozzi di assorbimento del carbonio, ma attuando politiche ambiziose di efficienza energetica e andando al 100% di energie rinnovabili.
Inoltre, lo studio evidenzia il vantaggio critico di un percorso rinnovabile al 100%, in quanto il più efficace e meno costoso approccio per raggiungere la neutralità climatica prima del 2050 e per rendere il sistema energetico europeo meno dipendente e più resiliente. Mostra anche il ruolo cruciale che l’energia solare ha nella transizione energetica.
Ecco perché in Lussemburgo abbiamo lanciato il primo progetto solare per supportare e utilizzare il solare a terra più economico esistente e perché abbiamo migliorato il quadro normativo per le applicazioni ai tetti solari. Nel nostro piano nazionale prevediamo di moltiplicare per un fattore 6 la nostra produzione di energia da fotovoltaico entro il 2030.
Questo studio arriva in un momento importante e accende un dibattito utile sul clima europeo mentre sono in corso trattative e piani di risanamento. Per affrontare la sfida del cambiamento climatico, l’UE deve considerare tutte le possibili opzioni con il massimo livello di trasparenza e con costi tecnologici credibili e una ragionevole ipotesi di prezzo delle emissioni di carbonio. Solo così saremo in grado di fare una scelta illuminata, e riuscire nella sfida senza precedenti, ma emozionante, di diventare il primo continente neutro dal punto di vista climatico.
Con il solare che potenzialmente genera fino a due terzi della potenza dell’Europa entro il 2050 o prima, l’UE deve spingere per le tecnologie necessarie a portare avanti questa transizione per dar modo anche in Europa di garantire la sicurezza energetica a lungo termine. Questo studio dimostra chiaramente che abbiamo bisogno del lancio di una strategia industriale solare oggi, per beneficiare veramente della generazione solare di energia domani. Le esigenze dell’industria europea del solare fotovoltaico vanno rafforzate come pietra angolare della Green Economy europea, integrando le alleanze esistenti nel settore per lo sviluppo di batterie e l’impiego di idrogeno.
Chiaramente la transizione verso un sistema energetico neutro dal punto di vista del clima comporta un costo; tuttavia, sorprendentemente, se ci muovessimo lentamente non ce la faremmo ad un costo minore. Il modo più economico per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050 è un sistema di energia rinnovabile al 100%. Secondo il modello di questo studio, il costo totale per raggiungere il 100% entro il 2050 è del 6% inferiore al costo di un’azione inadeguata meno ambiziosa con uno scenario ritardatario (Laggard) che comporta solo il 62% di energie rinnovabili entro
il 2050, mancando quindi entrambi gli obiettivi dell’accordo verde europeo e dell’accordo di Parigi.
Inoltre, qualsiasi tipo di pacchetto di stimolo europeo offre opportunità non solo per la ripresa economica da COVID-19, ma, se ottenuto in modo sostenibile, offre la possibilità di accelerare la transizione energetica e di impostare la strada per diventare il primo continente a neutralità climatica del mondo alimentato al 100% da fonti rinnovabili entro il 2050 o anche prima.
RAPPORTO SULL’EUROPA. BASI E ANTICIPAZIONI PER 100%.
È possibile che l’UE diventi completamente neutrale dal punto di vista climatico entro il 2040, rispettando l’ambizioso obiettivo dell’accordo di Parigi di 1,5 ° C e senza alcun trucco, come i sequestri di CO2 sottoterra, ma unicamente andando al 100% di rinnovabili. Questo è il messaggio principale di SolarPower Europe e del modello della LUT University per una transizione energetica ottimale in termini di costi per l’Europa.
I nostri risultati sono ottime notizie per il Green Deal europeo, dimostrando che l’ambizioso obbiettivo climatico della Commissione europea può essere raggiunto, anche prima della scadenza del 2050.
La chiave per raggiungere un’Europa rinnovabile al 100% è l’elevato tasso di elettrificazione di circa l’85%, che migliora l’integrazione settoriale e si traduce in significativi incrementi di efficienza per il sistema energetico. Inoltre, apre la strada affinché l’idrogeno rinnovabile contribuisca pienamente a partire dal 2030 alla decarbonizzazione dei settori del calore e dei trasporti. Una tecnologia di base per il segmento di calore sono le pompe di calore. Con il trasporto che comporta il più lungo tragitto per arrivare al 100% di energie rinnovabili, dall’8% di oggi, questa trasformazione fa affidamento sulle batterie che sono cruciali per elettrificare i veicoli e ancora di più sull’idrogeno, ma in questo caso come base per carburanti sintetici che hanno un ruolo primario da svolgere nel grande campo di applicazione marittima e aeronautica del settore dei trasporti. La parte fondamentale dello stoccaggio dell’energia in uno scenario rinnovabile al 100% consiste in un’Europa alimentata a batterie. Quanto più la quota di solare ed eolico flessibili cresce significativamente dopo il 2030, tanto più le batterie devono contribuire fino al 70% di accumulo di energia, con un sostegno fino al 24% della domanda europea di elettricità.
Una delle principali novità di questo rapporto è che un sistema rinnovabile al 100% in Europa sarà principalmente una storia solare. Il solare fotovoltaico e il vento rappresentano i due pilastri principali della transizione energetica, fornendo oltre il 90% di domanda di energia a lungo termine. Ciò in ragione della loro versatilità – capace di essere installata in qualsiasi dimensione sia per applicazioni distribuite che centralizzate – combinata con la forte competitività in termini di costi. Il solare genererebbe Il 60% dell’elettricità in entrambi gli scenari rinnovabili al 100%, sia per il 2040 (Leadership) sia per il 2050 (Moderato). A questo livello di penetrazione, il solare impiegherebbe oltre 4 milioni di persone nel 2050.
Una transizione energetica così ambiziosa richiederà sforzi significativi.
Considerando il volume puro delle installazioni solari, almeno 7,7 TW entro il 2050 nello scenario moderato dai 150 GW di oggi, significa una capacità installata annuale di circa 250 GW / anno in media – cioè un fattore 10 rispetto a quanto installato l’anno scorso.
Se l’UE rispetta l’accordo verde europeo e l’accordo di Parigi seriamente, i politici devono utilizzare questo decennio per concentrarsi sulla creazione di una giusta politica e di quadri di finanziamento conseguenti per consentire una crescita senza precedenti delle energie rinnovabili. Dobbiamo sancire l’obiettivo di neutralità climatica in legge e modificare l’obbiettivo sull’abbattimento dell’effetto serra che la UE si è data per il 2030.
L’obiettivo di riduzione di CO2 ad un livello conforme alla previsione della COP di Parigi di 1,5 ° C comporta che sia data priorità all’elettrificazione basata su fonti rinnovabili entro il 2030, con uno sviluppo della competitività e di impiego di idrogeno tutte da verificare nella loro sostenibilità. In questo contesto, è essenziale potenziare, espandere e modernizzare la rete elettrica europea, nonché altre infrastrutture, al fine di consentire l’impiego di risorse per una flessibilità distribuita in risposta alla domanda, come nel caso di stazioni di ricarica per veicoli elettrici, pompe di calore e stoccaggio nelle batterie.
OBBIETTIVI CHIAVE
1. Un sistema di energia rinnovabile al 100% consente all’UE di diventare neutrale dal punto di vista climatico prima del 2050, rispettando l’ambizioso obiettivo dell’Accordo di Parigi di 1,5 ° C, e senza ricorrere a sequestro di carbonio.
La modellazione di SolarPower Europe e LUT mostra che è possibile raggiungere un’Europa rinnovabile al 100% entro il 2050 in uno scenario moderato e entro il 2040 in uno scenario di leadership.
2. Un sistema di energia rinnovabile al 100% è il modo più economico per diventare clima- neutrali entro il 2050. I costi cumulativi per raggiungere un’energia rinnovabile al 100% entro il 2050 nello scenario Moderato è inferiore del 6% rispetto al costo di un’azione inadeguata nello scenario “Laggard” meno ambizioso, che comporta solo il 62% di energie rinnovabili entro il 2050, mancando così entrambi gli obiettivi (di neutralità climatica europea e dell’accordo di Parigi).
3. Un sistema di energia rinnovabile al 100% è principalmente una storia solare.
In entrambi gli scenari dei modelli al 100% rinnovabile, il solare genera oltre il 60% di energia elettrica dell’UE entro il 2050. A lungo termine, il solare e l’eolico sono i due pilastri principali di la transizione energetica europea. A causa dei suoi maggiori fattori di capacità, l’energia eolica fornisce le quote più elevate di generazione di elettricità fino al 2030, tuttavia la versatilità e competitività in termini di costi del solare, la renderanno la principale fonte di generazione di elettricità dal 2030 in poi.
4. Una transizione rinnovabile al 100% innesca il calo più marcato di emissioni di GHG. Seguendo il percorso degli scenari rinnovabili al 100% (Moderato e Leadership), le emissioni di gas a effetto serra diminuiranno di oltre il 60% (rispetto al 1990) entro il 2030 e fino a zero nel 2050, o addirittura nel 2040 nello scenario leadership. Nello scenario meno ambizioso “di Laggard”, l’Europa raggiunge solo il 53% di riduzione delle emissioni di CO2 nel 2030 ed emette ancora circa 800 milioni di tonnellate di CO2 (MtCO2eq) all’anno.
5. Un alto tasso di elettrificazione è essenziale per raggiungere un sistema di energia rinnovabile al 100% e integrato. La spinta verso l’elettrificazione è di circa l’85% nello scenario del 100% rinnovabile. Gli scenari rinnovabili migliorano l’integrazione settoriale, conseguendo significativi guadagni di efficienza del sistema e riducendo così il costo della transizione.
6. Gli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno sono una tecnologia fondamentale per un sistema di energia rinnovabile al 100%.
Dal 2030 in poi, l’idrogeno rinnovabile contribuisce pienamente alla decarbonizzazione dei settori del calore e dei trasporti, diventando Il secondo vettore chiave per l’energia in Europa. Nello scenario Leadership, entro il 2040 l’Europa può persino diventare un esportatore di fonti rinnovabili trasformate in idrogeno e carburanti sintetici.
7. Le batterie forniscono la maggior parte dello stoccaggio di elettricità nel sistema di energia rinnovabile al 100%.
Poiché la quota di energia solare ed eolica aumenta notevolmente oltre il 2030, lo stoccaggio di elettricità diventa cruciale nel fornire un approvvigionamento energetico ininterrotto, con il supporto fino al 24% della domanda di elettricità europea. Dal momento che risulta la tecnologia di storage più economica, le batterie contribuiranno fino al 98% dello stoccaggio di elettricità.
8. Un settore dei trasporti rinnovabile al 100% deve avere un contributo significativo di carburanti sintetici per uso marittimo e aeronautico.
Partendo dal solo 8% delle energie rinnovabili oggi, il settore del trasporto ha la strada più lunga da percorrere per raggiungere il 100% di energie rinnovabili in Europa. L’elettrificazione diretta emerge come la più efficiente soluzione per decarbonizzare il trasporto su strada, ma l’aviazione e i settori marittimi dipenderanno fortemente dai carburanti sintetici rinnovabili (idrogeno, metano e potenza da combustibili liquidi).
9. Le pompe di calore emergono come parte centrale di un sistema di energia rinnovabile al 100%, con una quota superiore al 60% della generazione di calore entro il 2050.
Mentre la domanda di calore finale crescerà maggiormente rispetto ad altri settori, entro il 2050, la capacità di generazione di calore europea è dominata da pompe di calore e soluzioni di riscaldamento elettrico diretto.
BOX DI CHIARIMENTO: ESIGENZE SOLARI ENTRO IL 2030 E OLTRE
• Istituire un “Organismo di attuazione del pacchetto energia pulita”. Oggi l’esistenza di quadri normativi e amministrativi inadeguati rimane la principale barriera allo spiegamento del solare in Europa, incluso l’accesso limitato alla rete e alla terra. L’Unione europea ha la responsabilità di assicurare il raggiungimento pieno dell’obbiettivo del clima al 2030 e degli obbiettivi energetici, aprendo la strada a una economia clima neutral entro il 2050.
• Liberare l’enorme potenziale del solare su larga scala coinvolgendo i cittadini
Le installazioni solari su scala pubblica sono essenziali per guidare una realizzazione efficiente in termini di costi per un’UE neutrale dal punto di vista climatico e fornire i volumi necessari per alimentare il sistema energetico con energia rinnovabile al 100%. Inoltre, le installazioni a livello di utilities territoriali forniscono preziosi servizi di rete, con un positivo impatto sulla biodiversità. Per un utilizzo ottimale, il solare galleggiante e le soluzioni agro-solari devono essere prese in considerazione. Per liberare tutto il potenziale, l’UE ha bisogno di un nuovo “patto sociale”, di accrescere il concetto di ” energia per la cittadinanza” e di abilitare le autorità e le comunità locali a partecipare e a condividere la proprietà nello sviluppo di progetti solari su larga scala.
• Sviluppare il programma solare paneuropeo sui tetti come parte di una dovuta ondata in corso di rinnovo e restauro degli edifici.
Con oltre il 90% dei tetti europei inutilizzati, c’è bisogno di una regolamentazione che incoraggi tutti gli edifici residenziali, nuovi e rinnovati, commerciali e industriali nell’UE affinché sia incluso in essi il solare fotovoltaico. Infine, entro il 2050, il solare deve essere installato su ogni tetto appropriato per consentire a tutti i cittadini di diventare consumatori attivi.
INDICAZIONI DI POLICY
Un chiaro impegno per raggiungere la neutralità climatica prima del 2050 e il rispetto degli ambiziosi obiettivi dell’accordo di Parigi è un segnale necessario per accelerare gli investimenti nelle tecnologie delle energie rinnovabili in tutti i settori dell’economia dell’UE. Per prendere parte all’enorme potenza di energia solare ed eolica che deve essere installato per raggiungere il 100% di energie rinnovabili entro il 2050 – almeno 7,7 TW solare e 1,7 TW eolico – i responsabili politici devono concentrarsi in questo decennio nella creazione di una giusta politica e di scenari finanziari in grado di consentire questa crescita senza precedenti. Occorre quindi:
1. Rafforzare l’obiettivo della neutralità climatica nella legge e nella revisione dei target UE 2030 sulle GHG per rispettare l’accordo di Parigi di 1,5 ° C.
2. Entro il 2030, dare la priorità all’elettrificazione dell’UE in base ad una economia delle rinnovabili, che apra la strada allo sviluppo di competitività e di soluzioni di idrogeno sostenibili (dice sostenibili anziché rinnovabili!). Per sostenere un massiccio dispiegamento di energia solare ed eolica a basso costo, che in quanto fonti di energia primaria stabiliscono la direzione verso un vero sistema energetico decentralizzato, flessibile e basato sulla domanda. Dal 2030 in poi, le energie rinnovabili consentiranno la nascita di queste soluzioni diversificate e competitive basate sull’energia rinnovabile, come idrogeno, metano e potere-a-liquidi (power to liquids).
3. Investire nell’aggiornamento, nell’espansione e nella modernizzazione delle reti elettriche dell’Europa. Le reti elettriche sono fondamentali per consentire livelli elevati di elettrificazione e integrazione settoriale, e di efficienza anche sotto il profilo dei costi per la realizzazione di un sistema di energia rinnovabile al 100% in Europa. Nella revisione del regolamento TEN-E, il concetto di progetti di interesse comune (PCI) deve evolversi per rispondere all’esigenza di infrastrutture smart, distribuite e aggiornate della rete elettrica. (tensione inferiore, partecipazione DSO / TSO).
4. Accelerare il dispiegamento di risorse flessibili e decentrate. Il lancio di soluzioni decentralizzate intelligenti ed efficienti e di una risposta alla domanda come nel caso di stazioni di ricarica per veicoli elettrici, pompe di calore, e storage in batterie, favorisce un sistema di energia più flessibile ed efficiente. È essenziale ridurre la necessità di investimenti nella rete elettrica di distribuzione a lunga distanza ed ottimizzare l’utilizzo delle risorse di energie rinnovabili locali per soddisfare la domanda annuale di energia.
5. Lancio di una strategia industriale solare. Entro il 2050, l’energia solare potrebbe alimentare quasi i due terzi della generazione di elettricità dell’Europa, che costituisce la base della maggior parte dei sistemi energetici. Occorre sostenere l’implementazione industriale su larga scala di soluzioni solari europee sia esistenti che innovative.
Le tecnologie sono essenziali per consentire la sicurezza energetica a lungo termine.
La produzione di solare fotovoltaico deve essere rafforzata come se fosse l’autentica pietra angolare della green economy europea e deve essere un elemento importante nella strategia industriale europea, che porta all’integrazione di tutte le alleanze industriali esistenti nel settore delle batterie e degli elettrolizzatori.
6. Sviluppare competenze e programmi di formazione per liberare il potenziale di occupazione e lavoro qualificato nel solare. La mancanza di una forza lavoro qualificata nell’UE nelle tecnologie per l’energia pulita è diventata un collo di bottiglia critico, che ostacola il dispiegamento di energie rinnovabili. Il solare è la tecnologia rinnovabile più creatrice di posti di lavoro e potrebbe impiegare oltre 4 milioni di persone nel 205o.
Alla luce della visione 2050 della neutralità climatica della Commissione europea per un green europeo in funzione del raggiungimento dell’accordo di Parigi, SolarPower Europe e LUT University (LUT) hanno sviluppato un progetto di ricerca per comprendere meglio il ruolo del solare nella transizione energetica europea.
Mentre la quota di energia solare nella fornitura di energia elettrica dell’UE è attualmente inferiore al 5%, la tecnologia del sole è la fonte di generazione di energia pulita più versatile e spesso a basso costo, con una rapida traiettoria di riduzione dei propri costi. Nel 2019, nell’Unione Europea, è stata installata una quota di solare maggiore rispetto a qualsiasi altra tecnologia di generazione di energia.
L’obiettivo generale del progetto consiste tuttora nel presentare una valutazione che dimostri il costo più basso ottenibile del mix energetico per la transizione nei settori dell’energia, del calore e dei trasporti in un sistema energetico integrato in Europa da q1ui al 2050. Il progetto utilizza una nuova tecnologia di modellizzazione e previsione: un’analisi economica ricca, multisettoriale, multiregionale, con un’elevata spazialità (20 sub regioni) ed una risoluzione temporale (oraria e stagionale) dei percorsi di transizione energetica per l’Europa intera.
La transizione energetica in Europa è esplorata attraverso la modellizzazione di tre scenari distinti con le seguenti condizioni al contorno e con, in sintesi, i risultati principali (vedi Fig o.1)
· Scenario ritardato (“Laggard”): una transizione energetica più lenta fino al 2050 comporta solo una quota di energia rinnovabile del 62% ed una riduzione di circa il 90% delle emissioni di gas a effetto serra entro il 2050, mancando gli obbiettivi della UE.
· Scenario moderato: transizione energetica di medio ritmo verso il 100% di energie rinnovabili entro il 2050, rispettando il clima visione di neutralità della CE con emissioni zero di gas a effetto serra nel 2050 e obiettivo dell’accordo Parigi fissato a 2 ° C.
· Scenario di leadership: una rapida transizione energetica nei prossimi due decenni con il 100% di energie rinnovabili e zero emissioni di gas a effetto serra nel sistema energetico entro il 2040, raggiungendo l’ambizioso 1,5 ° C del Paris Agreement target.
RISULTATI scen. Leader/ scen. Euroelectric/scen.WindEurope
Le principali tendenze e approfondimenti che emergono dalla ricerca includono le seguenti considerazioni:
L’elevato tasso di elettrificazione è essenziale per raggiungere un sistema 100% di energia rinnovabile e integrato.
Con la transizione energetica europea ci sarà uno spostamento fondamentale verso alti livelli di elettrificazione, mentre oggi il sistema si basa sull’85% di combustibili fossili e nucleari. Parliamo di elettrificazione in tutto il settore energetico – composto da potenza, calore e trasporto: il risultato è una quota di elettrificazione dell’86% per lo scenario Leadership e una quota relativamente bassa del 51% per lo scenario Laggard (vedi Fig. 0.2).
Fig 02 rapidità di Elettrificazione e domanda residua di energia primaria nel 2050
Nonostante un aumento complessivo della domanda di servizi energetici nei settori dell’energia, del calore e dei trasporti, la domanda di energia primaria diminuisce con quote più elevate di elettrificazione a causa di una maggiore efficienza. Ciò suggerisce un settore fortemente accoppiato e un sistema energetico efficiente basato su energia rinnovabile in futuro.
In sintesi, la spinta verso l’elettrificazione a basso costo e migliorata sotto il profilo della integrazione settoriale porta a una forte crescita della domanda di elettricità entro il 2050, con l’elettricità da rinnovabile che sta emergendo come principale vettore energetico per i futuri sistemi energetici, raggiungendo il 100% entro il 2040 nello scenario Leadership e quasi il 100% nello scenario moderato entro il 2050 (con poche centrali nucleari ancora in modalità di eliminazione graduale) (vedi Fig. 0.3)
Figura 03. domanda di energia primaria. Ricorso a combustibili
Un’alta rapidità di elettrificazione è essenziale per ottenere un sistema energetico rinnovabile ed integrato
Generazione: un sistema energetico europeo rinnovabile al 100% è principalmente una storia solare. Grazie alla sua competitività in termini di costi, il fotovoltaico diventerà la principale fonte di generazione di elettricità nei tre scenari. Il solare fornisce le maggiori capacità nel corso della transizione energetica, raggiungendo 4,7–8,8 TW nel 2050.
A partire dal 2040, le strutture solari rappresentano le quote maggiori di potenza di generazione e entro il 2050 raggiungeranno almeno il 48% nello scenario “Laggard” e il 63% nello scenario Leadership.
Entro il 2050, l’altro pilastro della transizione energetica, l’energia eolica, a seconda dello scenario, rappresenterà il 28–33% di quote di generazione e 1,1–1,9 TW di potenza.
Calore: le pompe di calore emergono come parte centrale del sistema con 100% di energia rinnovabile, con una quota superiore al 60% di generazione di calore entro il 2050. Considerando che il mercato del calore di oggi è dominato dal gas fossile, che richiede una quota di mercato di quasi il 50%, una combinazione di riscaldamento elettrico diretta e indiretta subentrerà entro il 2050, raggiungendo il 62–68% in totale nei due scenari, grazie ai sostanziali guadagni di efficienza di queste soluzioni basate sull’elettricità. Un riscaldamento elettrico a base rinnovabile (diretto) e con pompe di calore (indiretto) costituirà la maggior parte della potenza generativa di calore entro il 2050, integrata da una piccola ma stabile quota di altre energie rinnovabili, come la bioenergia sostenibile. Tutti e tre gli scenari comportano anche una notevole porzione di sintetico a base rinnovabile, cioè carburanti – vale a dire idrogeno e metano – che contribuiscono al calore nei processi industriali nelle fasi successive della transizione
FIG 04 Quote di elettricità al 2050
Trasporti: un settore dei trasporti al 100% rinnovabile richiede quote significative di carburanti sintetici per uso marittimo e aeronautico.Responsabile di quasi un quarto delle emissioni europee di gas a effetto serra, il settore del trasporto mostra le quote di energia rinnovabili più basse rispetto ai suoi coetanei. Solo il 5% dell’energia necessaria per il trasportoin Europa è fornito da fonti rinnovabili nel 2020. L’elettrificazione diretta emerge come la soluzione più efficiente per la decarbonizzazione del trasporto su strada. D’altra parte, nel 2050, i settori dell’aviazione e della marina si dovranno basare fortemente su carburanti sintetici rinnovabili (idrogeno, metano e power-to-liquid) almeno nei due scenari rinnovabili al 100%, con la conseguenza che quasi due terzi della domanda finale di energia rispetto al 2006 può essere esportata, mentre lo scenario “Laggard” dovrà ancora approvvigionare oltre un quarto del proprio fabbisogno energetico da combustibili fossili.
Figura 05 Quote di calore al 2050
Figura 06 Quote di fonti energetiche per il trasposto per 2050
Le batterie forniscono la maggior parte della conservazione dell’energia in un sistema di energia rinnovabile 100%. Lo stoccaggio svolge un ruolo fondamentale nella transizione del sistema energetico verso quote elevate di energie rinnovabili fornendo vantaggi di stabilità e flessibilità economici.
Le combinazioni di tecnologie di stoccaggio coprono la domanda di energia per tutto il periodo di transizione, con batterie che forniscono la maggior parte delle esigenze di stoccaggio, raggiungendo quote comprese tra il 67 e il 70% a seconda dello lo scenario. Considerando che le tecnologie di gas e di stoccaggio termico sono principalmente utilizzate nel settore del calore, le batterie sono utilizzate principalmente nel settore elettrico. Le tecnologie di stoccaggio sono una parte indispensabile per la transizione energetica, tuttavia, con un approccio altamente integrato l’intero accoppiamento settoriale e gli alti tassi di elettrificazione forniranno il sistema energetico più efficiente ed economico, mantenendo la crescita della produzione di stoccaggio fino a circa il 25% della domanda nel 2050.
Figura 07 Output di stoccaggio
Un sistema di energia rinnovabile al 100% è il modo più efficiente in termini di costi per diventare neutrali dal punto di vista climatico entro il 2050.
Il costo dell’energia è un fattore decisivo per determinare la fattibilità di scenari energetici e le tabelle di marcia. La domanda vitale è quale sia il costo di un approdo a 100% rinnovabili. In breve, nel complesso esso può essere inferiore al costo di uno scenario meno ambizioso. Il costo cumulativo per raggiungere il 100% di energia rinnovabile entro il 2050 nello scenario Moderato è inferiore del 6% rispetto al costo di un’azione inadeguata nello scenario meno ambizioso “di Laggard”, che raggiunge solo il 62% di energie rinnovabili entro il 2050 e non raggiunge entrambi gli obiettivi della neutralità climatica europea e dell’accordo di Parigi.
Tuttavia, la transizione energetica non riguarda solo gli investimenti diretti ma anche costi di generazione per unità. Quando si guarda il livello del costo dell’energia nel 2050, i due scenari al 100% rinnovabili rivelano un costo del ciclo di vita per l’Energia (LCO ENERGY) a € 47 / MWh, cioè, circa il 5-6% in meno rispetto al LCO nello scenario “Laggard”, in media collocato ad € 50 / MWh, oltre il 7% più competitivo rispetto a quello di oggi (€ 51 / MWh). Si dimostra così che la transizione energetica accelerata verso fonti rinnovabili al 100% è più conveniente rispetto al muoversi lentamente. Il capitale costa sempre di più e dominail costo di LCOEnergy in tutti e tre gli scenari. Contemporaneamente i costi del carburante diventano meno rilevanti e critici durante il periodo di transizione. Nel 2050, solo la struttura dei costi dello scenario “Laggard” contiene una parte notevole di spesa in carburanti e costi per le emissioni di gas a effetto serra, mentre entrambi gli altri due scenari avranno raggiunto il livello rinnovabile del 100%.
Figura 0.8 Costi cumulativi del sistema per anni
Fig.0.9 costo dell’energia livellato
Una transizione rinnovabile al 100% innesca il declino più netto nelle emissioni di GHG.
Una transizione energetica accelerata verso uno scenario rinnovabile al 100% non significa solo una riduzione più rapida dei costi di generazione di energia, ma anche si traduce in un vantaggio più importante: ci sarà un livello inferiore di emissioni di gas a effetto serra in Europa. Seguendo il percorso degli scenari innovabili al 100% (Moderato e Leadership), le emissioni di GHG diminuiranno di oltre il 60% (dal 1990) entro il 2030 e scenderanno a zero nel 2050, o addirittura 2040 nello scenario Leadership, che si accorda con la neutralità climatica della CE e gli obiettivi dell’accordo di Parigi. Per lo scenario meno ambizioso di Laggard, l’Europa raggiunge solo il 53% di riduzioni delle emissioni di CO2 nel 2030 ed emette ancora circa 800 milioni di tonnellate di CO2 (MtCO2eq) all’anno, mancando così entrambi gli obiettivi climatici.
In sintesi, i risultati di questo progetto di ricerca indicano che un percorso a bassa ambizione in Europa è un onere per la società, sia dal punto di vista del cambiamento climatico sia dal punto di vista economico. Lo scenario moderato che modella le emissioni zero di gas a effetto serra entro il 2050 sembra essere il percorso più economico. È possibile un percorso di mitigazione dei cambiamenti climatici altamente ambizioso, che comporterebbe investimenti del 30% più elevati rispetto allo scenario “Laggard”, ma con il vantaggio di costi unitari energetici inferiori a partire dal 2050 e la promessa di raggiungere l’obiettivo dell’accordo di Parigi di 1,5 ° C poiché dal 2040 non saranno più emessi gas a effetto serra. Parti degli investimenti porteranno anche a esportazioni di energia e di fatto a emissioni di CO2 negative.
Fig.0.10 CHG EMISSIONI dal 1990 al 2050: i tre scenari da 7000 MtCO2eq a 0
INTRODUZIONE AL MODELLO UTILIZZATO:
Nel suo annuncio di un Green Deal per l’Europa come iniziativa di punta dell’Europa il presidente Ursula von der Leyen della Commissione (CE), ha sottolineato il fatto che la lotta contro il cambiamento climatico è una priorità assoluta per l’organismo esecutivo dell’Unione europea. Pioniera di vecchia data nel promuovere la transizione energetica negli anni precedenti, l’Europa ora cerca di diventare il primo continente neutro dal punto di vista climatico entro il 2050. Il Green Deal include un ampio pacchetto di misure per le quali si stanno attualmente elaborando i dettagli, tra cui una legge europea “Legge sul clima”, la revisione dell’obiettivo di riduzione delle emissioni di gas a effetto serra dal 40% in Europa entro il 2030 al 50-55%, e fino a 100 miliardi di euro di finanziamenti per la giusta transizione per trasformare l’economia dell’UE in un servizio per i cittadini futuri.
La CE ha inoltre ribadito il ruolo cruciale delle energie rinnovabili nel Green Deal, ma non ha specificato obiettivi chiari per lo sviluppo o la distribuzione di tecnologie rinnovabili. Finora, la CE ha esaminato nove scenari modellati internamente nel 2018, ben prima che il Green Deal fosse un argomento centrale, e nessuno di essi ha preso di mira la piena neutralità climatica del sistema energetico senza ricorrere a pozzi di assorbimento del carbonio. Inoltre, il riferimento è solo al settore dell’elettricità, che di solito è il più avanzato e dove il progresso è relativamente più facile. Un obiettivo al 100% di energie rinnovabili che include anche trasporto, riscaldamento e raffreddamento sono molto meno comuni.
Tuttavia, nessuna economia con le dimensioni dell’UE ha accettato la transizione dell’intero sistema energetico verso la neutralità climatica. Questoè un compito gigantesco che tiene conto dello stato delle energie rinnovabili in l’UE (vedi Fig. 1.1).
Nonostante la crescita delle energie rinnovabili nel settore di generazione in tutta l’UE arrivi a circa il 32% nel 2018, l’energia per i rimanenti settori rimane molto indietro. Il consumo di calore rimane fortemente basato su combustibili fossili, principalmente gas, con una quota conseguente di calore rinnovabile di circa il 20%, di cui la maggior parte, circa il 15%, proviene da risorse biologiche. Nel settore dei trasporti, la quota di energie rinnovabili è pari o inferiore, all’8%. L’energia per il settore dei trasporti, compresi quelli stradali, ferroviari, marittimo e aeronautico costituisce quasi il 40% dell’energia finale richiesta dall’UE.
Nonostante i miglioramenti in termini di efficienza, il settore dei trasporti contabilizza i due terzi del consumo complessivo di petrolio, dal momento che tutte le tecnologie di trasporto dominanti si basano su combustibili a base di petrolio fossile. Inoltre, quello dei trasporti è il più grande settore singolo in termini di emissioni di gas serra globale dell’UE e l’unico settore con emissioni in aumento.
FIGURA 1.1 QUOTA DI ENERGIA RINNOVABILE DELL’UE NEL 2018
SolarPower Europe e LUT University (LUT) hanno avviato un progetto di ricerca per comprendere meglio il ruolo del solare nel fornire energia all’Europa nella transizione energetica e industriale. La quota del solare nell’elettricità europea in offerta è solo del 5% oggi, ma l’elevata versatilità della tecnologia, forte del sostegno pubblico e della competitività in termini di costi rendono il solare un asso nella manica. Il solare è la fonte di generazione di potenza più economica in molte parti d’Europa oggi e batte già i prezzi all’ingrosso dell’energia nei paesi del nord come la Finlandia, oltre ad aver vinto molte delle recenti gare d’appalto. Nel 2019, nell’UE è stata installata una nuova capacità solare più elevata rispetto a qualsiasi altra tecnologia di generazione di energia e, recentemente, si sono aggiunte capacità solari annuali più che raddoppiate di anno in anno. Di recente, un numero crescente di città, stati e paesi si sono impegnati a diventare neutrali dal punto di vista climatico ed hanno persino cercato di mettere in programma il 100% di rinnovabili. Mentre il sostegno per raggiungere il 100% di energie rinnovabili è cresciuto in questo momento – con oltre 60 paesi e 300 regioni in tutto il mondo nel 2019 – i loro orizzonti temporali per raggiungere questo obiettivo varia, così come le loro ambizioni. La maggior parte considera il 2050 come un anno obiettivo, alcuni puntano al 2040, altri al 2030. Ci sono infatti già oltre 50 regioni subnazionali che hanno raggiunto gli obiettivi del 100% di energie rinnovabili.
Ma non è tutto chiaro. Ci sono diverse soluzioni tecniche disponibili per decarbonizzare i settori del calore e dei trasporti che sono sempre più oggetto di attenzione. Per il settore del calore, l’energia rinnovabile può soddisfare la domanda termica quando è fornita dall’elettricità, sia direttamente che utilizzando pompe di calore. Inoltre, l’elettrificazione del riscaldamento è già in parte in atto, ricorrendo – ad esempio – all’utilizzo di elettricità eolica per il riscaldamento o a pompe di calore nel teleriscaldamento. C’è anche la tendenza all’utilizzo dell’elettricità dal solare fotovoltaico per il riscaldamento per aumentare il consumo a fronte di riduzioni delle tariffe incentivanti ed a un aumento dei prezzi dell’elettricità al dettaglio.
I sistemi di teleriscaldamento coprono circa l’11% dello spazio globale per il riscaldamento dell’acqua calda per usi domestici e sono particolarmente adatti per l’uso in regioni densamente popolate. Anche il movimento verso l’elettrificazione nel settore dei trasporti sta iniziando a guadagnare slancio. Le vendite globali di veicoli elettrici (EV) ha raggiunto oltre 2,2 milioni nel 2019, traducendosi in media in una quota di mercato del 2,5% (1 su 40 auto nuove), il che indica che la crescita delle vendite di veicoli elettrici sta accelerando. Allo stesso modo, il settore marittimo ha a disposizione opzioni per sostituire i carburanti esistenti con una gamma sempre più ampia di carburanti alternativi disponibili, come i biocarburanti a breve raggio, e i combustibili sintetici basati sull’elettricità rinnovabile – come quelli sintetici da gas naturale, come i carburanti a base di Fischer-Tropsch o l’idrogeno – a lungo raggio (per le spiegazioni della tecnologia, vedere Riquadro 3, p. 50).
La produzione e l’uso di carburanti sostenibili per l’aviazione, in particolare bio-combustibile di base per jet o combustibile sintetico a reazione, oltre all’elettrificazione diretta per i voli a breve distanza, possono spingere il settore dell’aviazione verso maggiore sostenibilità. Il settore ferroviario comporta già una quota elevata di consumo di energia elettrica, ed è ben avviato a raggiungere il massimo di elettrificazione. Inoltre, i carburanti sintetici, compreso l’idrogeno e i biocarburanti, potrebbero coprire il trasporto ferroviario non elettrificato.
Lo studio di ricerca di LUT e SolarPower Europa prevede diversi percorsi di transizione del sistema energetico per l’Europa come continente, con diversi livelli di ambizione. Analizza lo sviluppo del sistema energetico europeo in tre scenari:
(1) Lo scenario ritardato, modellato su uno dei precedenti scenari CE nel quale le emissioni di gas a effetto serra del settore energetico sono ridotte di 80-95% al di sotto dei livelli del 1990 nel 2050;
(2) uno scenario moderato, in cui le emissioni di gas a effetto serra raggiungono lo zero entro il 2050;
(3) lo scenario di Leadership, in cui le emissioni di gas a effetto serra raggiungono lo zero entro il 2040.
Questo rapporto offre anche una nuova prospettiva alla discussione su come consentire un vero Green Deal europeo. Nessun altro rapporto contiene scenari di decarbonizzazione modellizzati su scala europea.
Nessuno studio esistente esplora uno scenario di energia rinnovabile al 100% in Europa senza pozzi di assorbimento del carbonio, e tantomeno modella uno scenario di energia rinnovabile al 100% per l’Europa entro il 2040.
SolarPower Europe e LUT sperano che questo rapporto offra nuove conoscenze e fornisca un prezioso contributo alla critica politica in corso sulla transizione energetica, garantendo così una visione europea in cui il Green Deal preveda veramente una UE totalmente neutrale dal punto di vista climatico.
Il modello LUT Energy System Transition viene applicato su un sistema energetico integrato, coprendo la domanda dei settori dell’energia, del calore e dei trasporti (vedi Fig. 2.1), che consente di modellizzare i percorsi di transizione del sistema energetico a costi ottimali su livelli elevati di geo-risoluzioni spaziali (20 regioni in Europa) e temporali (stagionali ed orarie). La capacità di modellizzare in una risoluzione oraria per un anno intero rende possibile scoprire approfondimenti cruciali, in particolare, per quanto riguarda le opzioni di stoccaggio e flessibilità. Al fine di riflettere la versatilità del fotovoltaico solare, il modello comprende sistemi fotovoltaici distribuiti sul tetto e fotovoltaico su larga scala, sia utilizzando strutture di montaggio inclinate fisse che “ad inseguimento” ad asse singolo.
Fig 2.1 Rappresentazione della modellistica utilizzata
Le simulazioni vengono eseguite in un approccio a due fasi. Nella prima fase, le simulazioni prosumer determinano una quota conveniente di prosumatori in tutta Europa attraverso la transizione dal 2020 al 2050, a intervalli di cinque anni. Nel second step, la modellazione dell’energia viene completata: il modello integra tutti gli aspetti cruciali e le esigenze del settore dell’energia, del calore e dei trasporti, mentre non sono incluse le materie prime energetiche per l’industria. Per ogni passo, il modello definisce una struttura del sistema energetico ottimale in termini di costi e modalità di funzionamento. L’obiettivo dell’ottimizzazione è ridurre al minimo il costo totale del sistema.
ASSETTO REGIONALE DEL MODELLO DELL’EUROPA
La transizione del sistema energetico è stata calcolata per l’Europa (tranne Russia e Bielorussia), struttuandola in 20 sottoregioni, costituite da paesi più piccoli che sono stati uniti a quelli più grandi per formare unità locali considerevoli e per predisporre una transizione energetica su base regionale. Le sottoregioni sono ulteriormente raggruppate in quattro macroregioni e in Islanda. La composizione delle regioni è come segue:
Nordico: Norvegia, Danimarca, Svezia, Finlandia e una regione baltica che include Estonia, Lettonia e Lituania;
Ovest: regione della penisola iberica – con Portogallo, Spagna e Gibilterra; Francia, insieme a Monaco e Andorra; Italia, insieme a San Marino, Città del Vaticano e Malta; regione delle Isole Britanniche – composta da Regno Unito e Irlanda; regione Benelux – composta da Belgio, Paesi Bassi e Lussemburgo;
Centrale: Germania, Polonia, una regione che comprende Repubblica Ceca e Slovacchia, una regione con Austria e Ungheria e una regione con Svizzera e Liechtenstein;
·Sud-est: una regione che comprende i paesi dei Balcani occidentali – Slovenia, Croazia, Bosnia ed Erzegovina, Serbia, Montenegro, Macedonia, Kosovo e Albania; una regione che comprende i paesi dei Balcani orientali – Romania, Bulgaria e Grecia; una regione con Ucraina e Moldavia e una regione con Turchia e Cipro;
Islanda, come regione isolata.
Le 20 regioni sono interconnesse con reti di trasmissione ottimizzate e l’Islanda è considerata una regione isolata. I percorsi di transizione ottimizzati in termini di costi per un sistema energetico europeo integrato sono modellati per i tre scenari distinti
Fig 2.2 Le 5 Subregioni considerate nel modello
METODOLOGIA
Scenari: ritardato, moderato e di leadership
L’obiettivo di questo progetto è quello di evidenziare scenari energetici per
l’Europa, nel contesto del raggiungimento degli obiettivi dell’accordo di Parigi: raggiungere cioè emissioni nette zero di GHG dal settore energetico in modo
tecnicamente fattibile ed economicamente sostenibile. Sono previsti tre scenari distinti per un settore energetico integrato, combinando le esigenze di potenza, calore e trasporto per il caso europeo partendo dall’attuale sistema nel 2020 e procedendo a costi ottimali e con sistemi energetici con caratteristiche variabili entro il 2050 (vedi Fig 2.3).
Fig 2.3 Scenari ritardato, moderato, leadership in sintesi
Scenario ritardato:
• In questo scenario, il sistema energetico europeo è impostato su un percorso al minimo di ambizione.
• I combustibili fossili attuali e futuri e le centrali nucleari non sono gradualmente eliminati e continuano a funzionare fino alla fine della loro vita tecnica.
• Nel settore dei trasporti, con un tasso più lento di elettrificazione della strada, il trasporto porta a una maggiore presenza di motori a combustione interna (ICE) nel trasporto su strada entro il 2050. I combustibili per uso marittimo ed I trasporti aerei sono ancora fossili per il 50% entro il 2050 a causa di una transizione ritardata.
• Vengono aggiunte al sistema sostanzialmente nuove centrali nucleari, ma anche nuove centrali fossili secondo gli scenari della Commissione europea (CE).
• La visione della CE della neutralità climatica entro il 2050 non viene raggiunta.
• Lo sviluppo dei costi medi di GHG, sono rapportati al 2050.con lo stesso valore
di 150 € / tCO2 nel 2020
• Infine, l’obiettivo ambizioso dell’accordo di Parigi – limitare
l’aumento medio della temperatura globale al di sotto di 1,50 ° C non viene raggiunto.
Scenario moderato:
• In questo scenario, il sistema energetico europeo è impostato su un percorso di media ambizione.
• Le attuali centrali elettriche a combustibile fossile verranno gradualmente eliminate entro il 2050 e non vengono prese in considerazione nuove centrali nucleari, con gli impianti esistenti e in costruzione attivi fino alla fine della loro vita tecnica.
• Le nuove centrali a carbone non sono consentite a causa della regolamentazione climatica, mentre sono consentite nuove centrali elettriche a gas, ma con l’obbligo
di passare ai combustibili non fossili durante la transizione.
• La visione della CE della neutralità climatica entro il 2050 è raggiunta, come anche l’obbiettivo di emissioni zero di GHG nel 2050.
• Attualmente è considerato lo sviluppo di costi di medi di GHG agli stessi valori del 2020 entro il 2050 (a 150 € / tCO2).
• Infine, l’obiettivo meno ambizioso dell’accordo di Parigi – limitare
l’aumento della temperatura media globale inferiore a 2 ° C – risulta più probabile
rispetto all’obiettivo più ambizioso di 1,5 ° C.
Scenario di leadership:
• In questo scenario, il sistema energetico europeo è al massimo grado di ambizione.
• Gli attuali combustibili fossili e le centrali nucleari sono gradualmente eliminati. entro il 2040 e non verranno presi in considerazione nuovi impianti.
• Sono consentite nuove centrali elettriche a gas, ma con l’obbligo di passare ai combustibili non fossili prima del 2040.
• La visione della CE della neutralità climatica entro il 2050 è raggiunta dieci anni prima, poiché le emissioni di gas a effetto serra si riducono a zero entro il 2040.
• Viene considerato lo sviluppo di costi elevati per i gas a effetto serra rispetto ai valori attuali nel 2020 a 200 € / tCO2 entro il 2040.
Infine, l’obiettivo ambizioso del Accordo di Parigi – limitare l’aumento della temperatura globale al limite inferiore di 1,50 ° C – è probabile che sia raggiunto.
RISULTATI TESTATI IN BASE AI TRE SCENARI
3.1 TRANSIZIONE INTEGRATA DEL SISTEMA ENERGETICO IN EUROPA
Osservando lo stato del sistema energetico europeo nel 2019, vediamo un continente che ha ancora in atto le prime fasi della sua transizione energetica. Per diventare neutrale dal punto di vista climatico entro il 2050, l’Europa deve transitare dallo stato disaccoppiato odierno dei settori dell’energia, del calore e dei trasporti, in gran parte basato su fonti energetiche non rinnovabili, verso un sistema energetico integrato con elettricità rinnovabile al suo interno. Questo rapporto presuppone un tasso crescente di accoppiamento settoriale nei prossimi 30 anni, portando a un settore energetico altamente integrato entro il 2050, sebbene con vari livelli di guadagni di efficienza nei tre scenari.
In tutti e tre i casi, l’evoluzione della domanda energetica europea dal 2020 al 2050 dipende da diversi fattori chiave:
• Dipende dal livello di accoppiamento settoriale tra i settori dell’energia, del calore e dei trasporti in base all’adozione di diverse tecnologie. Maggiore è la quantità di tecnologie Power-to-X (co X = riscaldamento, combustibile, gas) maggiore è il grado di accoppiamento settoriale.
• Il tasso di elettrificazione nei settori del calore e dei trasporti dipende dall’adozione
di pompe di calore con riscaldamento elettrico e da un passaggio tecnologico dai motori ICE ai propulsori elettrici.
• Il tasso di adozione dei carburanti sintetici (metano, idrogeno e FT combustibili sintetici) è principalmente basato sull’elettricità e quindi sul livello di elettrificazione.
CONSEGUENZE
Domanda di energia primaria
Nel 2020, la domanda di energia primaria in Europa è coperta in larga misura dai combustibili fossili con una quota stimata dell’86%, mentre il tasso di elettricità rinnovabile è molto ridotto (per le definizioni di approvvigionamento di energia primaria, domanda, cfr. Riquadro 2, pag. 37). Il sistema energetico passa nel tempo a quote maggiori di energie rinnovabili e al 100% per due degli scenari entro il 2050 Una forte tendenza all’elettrificazione può essere osservato comunque in tutti e tre gli scenari (vedi Fig. 3.1). Nello scenario ritardatario, il settore energetico raggiunge il 51% di elettrificazione entro il 2050, mentre nello scenario moderato, il settore energetico è elettrificato all’85% entro il 2050. Nello scenario Leadership, la rapida elettrificazione dell’85% è già stata raggiunta nel 2040 e continua ad aumentare oltre. Ciò consente all’Europa di diventare un esportatore di carburanti sintetici a base rinnovabile una volta raggiunto il livello del 100% di energie rinnovabili a partire dal 2040, aumentando la domanda di energia primaria e aumentando il livello di elettrificazione all’86% per il 2050.
Al contrario, l’energia da combustibili fossili e il nucleare scendono a zero entro il 2040 nello scenario Leadership e quasi a zero entro il 2050 nello
Scenario moderato, in quanto alcune centrali nucleari saranno ancora presenti in servizio. In confronto, lo scenario “Laggard” avrà una considerevole quantità di centrali fossili e nucleari in Europa in operazione, contribuendo a una quota di circa il 38%. Da un punto di vista settoriale, la domanda di energia primaria per il settore dei trasporti cresce attraverso i tre scenari nella transizione – circa 1.200 TWh per i due scenari al 100% ma oltre 3.100 TWh per lo scenario Laggard (vedi Fig. 3.2). Ciò è dovuto principalmente alla domanda di carburanti sintetici nel settore aereo e marittimo; la maggiore domanda per lo scenario meno ambizioso è dovuta alle opzioni di trasporto esistenti basate sui combustibili fossili. Allo stesso tempo,
la domanda di energia primaria per i settori del calore e dell’energia diminuisce su tutta la linea a causa della maggiore efficienza di elettrificazione, mentre la riduzione è molto più significativa per gli scenari 100% nel 2050 a causa di un tasso di elettrificazione più elevato.
Figura 3.1 domanda di energia primaria quote di combustibili
Fig. 3.2 Domanda di energia primaria oggi per settori
Nel 2020, la domanda di energia primaria in Europa è coperta in larga misura dall’estensione da combustibili fossili con una quota stimata dell’86%, mentre il tassodell’elettricità rinnovabile è molto piccola (per le definizioni di primaria approvvigionamento energetico, domanda, cfr. riquadro2, pag. 37). Man mano che il sistema energetico va verso quote maggiori di energie rinnovabili nel tempo e al 100% per due degli scenari entro il 2050, una forte tendenza all’elettrificazione puòessere osservato in tutti e tre gli scenari (vedi Fig. 3.1). Nello scenario ritardatario il settore energetico raggiunge 51% di elettrificazione entro il 2050, mentre nello scenario moderato, il settore energetico è elettrificato all’85%entro il 2050. Nello scenario della leadership, l’elettrificazione rapida dell’85% è già raggiunto nel 2040, e continua ad aumentare oltre. Ciò consente all’Europa di diventare un esportatore di carburanti sintetici da fonti rinnovabili, una volta raggiunto il livello di energie rinnovabili al 100% a partire dal 2040, aumentando la domanda di energia primaria e aumentando il livello di elettrificazione all’86% entro il 2050.
RIQUADRO 2. L’EVOLUZIONE DELL’ENERGIA PRIMARIA E FINALE del SISTEMA ENERGETICO EUROPEO NEL CORSO DELLA TRANSIZIONE ENERGETICA
Fino ad oggi, la domanda di energia primaria (vedi Fig. 3.1) in Europa è rappresentato in gran parte da un sistema energetico frammentato, che è dominato da combustibili fossili che vengono convertiti in modo inefficiente in elettricità per il settore energetico, in calore per applicazioni nel settore del riscaldamento e come combustibili per l’energia nel settore trasporto. Nel corso della transizione energetica, la domanda di energia primaria si evolve per rappresentare un sistema energetico sempre più integrato e migliorato per elettrificazione e accoppiamento settoriale.
L’elettrificazione è guidata principalmente dal passaggio da combustibili fossili e da generazione di energia elettrica a base nucleare verso energia elettrica a base rinnovabile nel settore energetico, motori a combustione interna elettrici nei propulsori nel settore dei trasporti e riscaldamento elettrico accoppiato con pompe di calore geotermiche nel settore del calore. L’accoppiamento settoriale migliora il funzionamento efficiente del sistema energetico, che è oggi invece guidato da generazione a gas, energia da calore e energia da combustibili. L’energia elettrica da fonti rinnovabili, che è una fonte primaria di energia, emerge come il vettore energetico chiave. È utilizzato per l’elettricità nel settore energetico, per generare calore applicabile nel settore del riscaldamento e per la fornitura di energia elettrica per uso diretto per la produzione di carburanti sintetici (idrogeno, metano e carburanti FT, che sono combustibili liquidi come diesel e cherosene) nel settore del trasporto e per le applicazioni ad alta temperatura nel settore del calore.
L’idrogeno rinnovabile ottenuto per elettrolisi emerge come secondo vettore di energia più importante nella transizione, utilizzato principalmente per la produzione di carburanti sintetici. Calore naturale dall’ambiente sotto forma di calore geotermico, e bioenergia proveniente da biomassa e rifiuti organici, forniscono anche alcune quote di energia primaria per elettricità, calore e trasporti. Elevati livelli di efficienza, grazie all’elettrificazione e ai settori in accoppiamento, consentono di ridurre la domanda di energia primaria per un sistema energetico integrato entro il 2050. Ciò viene acquisito dalla domanda finale di energia (vedi Fig. 3.3), che rappresenta le esigenze di energia dei consumatori. Nell’attuale disaccoppiamento combustibile fossile- sistema di energia pesante, un livello più elevato di energia primaria è richiesto per soddisfare la domanda finale di energia, mentre in un sistema di energia altamente elettrificato e integrato, è richiesto un livello inferiore di energia primaria per soddisfare la domanda di energia finale, che nel 2050 sarà sostanzialmente allo stesso livello di oggi.
Domanda energetica finale
L’efficienza è significativamente più elevata per le applicazioni basate sulla generazione: un veicolo elettrico, ad esempio, ha un’efficienza da motore a ruota che raggiunge l’85% rispetto a un’auto con motore a combustione interna che ha un’efficienza del carburante alla ruota non superiore al 30%. (vedi Riquadro 2, p. 30). In altre parole, la penetrazione delle energie rinnovabili non è solo una questione di sostituzione di idrocarburi con fonti di energia a zero emissioni di carbonio: l’offerta, rappresenta anche un cambiamento significativo nell’efficienza delle risorse disponibili.
Ciò è illustrato nello sviluppo della domanda di energia finale in Europa, dove un tasso di elettrificazione crescente in tutti i settori dell’energia, del calore e dei trasporti, mantiene quasi costante la domanda di energia negli alti scenari di elettrificazione / energia rinnovabile al 100% attraverso l’intera fase di transizione fino al 2050 (vedi Fig. 3.4 b).
La domanda finale di energia può essere mantenuta stabile nonostante una continua
crescita dei servizi energetici, che si riflette nella crescita della richiesta di potenza e calore. Al contrario, la domanda finale di energia del settore dei trasporti diminuisce, nonostante una crescita annua del 2,2% in termini di passeggeri e 1,5% di crescita annua nel trasporto merci nei prossimi 30 anni (vedi Fig. 3.4). La spiegazione per questa domanda in calo sta nell’elevata efficienza dell’elettrificazione, che è rappresentata nel settore dei trasporti dalla grande quota di veicoli elettrici nel 2050. Le quote mutevoli nella domanda finale di energia per i diversi vettori energetici (“consumo di carburante”) sono anche influenzati dalla velocità crescente di elettrificazione, sia direttamente che indirettamente (vedi Fig. 3.3). Mentre la domanda di elettricità e calore fa crescere le loro quote tra i tre scenari: c’è meno bisogno di carburanti, come benzina e altri fossili poiché i carburanti saranno sostituiti da elettricità a energia rinnovabile e calore, combustibili sintetici sostenibili e alcune quote di biocarburanti.
Fig 3.3 Domanda finale di energia: uso di combustibile
Fig 3.5 domanda finale energia per settori
RIQUADRO 3. COMPRENSIONE DEI GUADAGNI DI EFFICIENZA DOVUTI ALL’ELETTRIFICAZIONE E INTEGRAZIONE DEL SISTEMA
Passando dal sistema energetico di oggi dominato dai combustibili fossili ad un sistema energetico completamente rinnovabile significa sbloccare un enorme potenziale di efficienza.
Nel settore energetico, le centrali elettriche a combustibili fossili sono strumenti inefficienti di conversione di idrocarburi in elettricità. Le loro efficienze in generevanno dal 37% al 60%, a seconda del combustibile e della tipologia di centrale elettrica. Allo stesso modo, l’arricchimento dell’uranio per l’elettricità nucleare è un processo altamente inefficiente, in cui solo il 35% dell’l’energia nel combustibile di uranio si trasforma in elettricità, mentre il 65% rimanente viene perso, oltre al fatto che sono necessarie ulteriori energie nelle miniere e nella lavorazione dell’uranio, che alla fine aumenta la perdita totale. Al contrario, l’elettricità a base rinnovabile consente un più efficiente utilizzo di energia rispetto all’utilizzo di fonti convenzionali. La produzione di energia da fonti rinnovabili dirette, come il solare fotovoltaico, l’energia eolica e l’energia idroelettrica è energia primaria al 100%, secondo gli standard internazionali.
Nel settore del calore, l’approvvigionamento energetico convenzionale raggiunge livelli più elevati di efficienza: il calore e l’energia combinati (CHP) possono andare oltre 80% di efficienza, mentre una caldaia a gas ha un’efficienza vicina al 100%. Tuttavia, l’uso di pompe di calore consente un livello molto più elevato di efficienza, riferita all’ingresso di energia elettrica, poiché il calore aggiuntivo viene prelevato dall’ambiente come parte del processo. Per questo motivo, la loro efficienza, chiamata coefficiente di prestazione, è generalmente nell’intervallo da 3 a 4 (o dal 300 al 400%), ed il calore fornito è superiore di questo fattore rispetto all’elettricità richiesta.
L’elettrificazione è un forte trend di efficienza anche nel settore del trasporto. I motori a combustione interna (ICE) utilizzati in auto convenzionali hanno un’efficienza media annua del 20-30%, perché una porzione significativa di energia viene persa come calore residuo. Al contrario, i veicoli elettrici raggiungono un’efficienza molto più elevata delle auto convenzionali: l’efficienza di un motore elettrico è intorno a 85%, con una rigenerazione che consente di risparmiare energia
In decelerazione (la cosiddetta frenata rigenerativa), che non solo aumenta ulteriormente l’efficienza, soprattutto nei terreni urbani, ma anche ha l’effetto collaterale positivo di aumentare la durata della vita dell’auto: Infatti frena quando le parti meccaniche si consumano più lentamente. La produzione basata su sinfuels consente l’elettrificazione indiretta dei settori del calore e dei trasporti. Elettricità, acqua e aria possono essere convertiti in combustibili idrocarburici sintetici, come il carburante per jet, con un’efficienza media di circa il 50%, che è solo leggermente inferiore a quella per convertire la biomassa grezza in biocarburanti raffinati.
Per evidenziare i guadagni di efficienza da livelli aumentati di elettrificazione, i tre scenari sono confrontati con un scenario minimo di elettrificazione in cui cresce la domanda di energia primaria attraverso la transizione con gli stessi livelli di consumo di energia e le stesse tecnologie dal 2020. Mentre lo scenario “Laggard “con un tasso di elettrificazione significativamente più basso mostra una riduzione del 29% nella domanda di energia primaria entro il 2050 rispetto al basso scenario di elettrificazione, nel 2050 quasi equamente i sistemi energetici moderati e di leadership elettrificati necessitano del 38% e del 39% in meno di energia primaria, rispettivamente (vedi Fig. 3.5). L’efficienza operativa di sistemi altamente elettrificati può essere mostrato indirettamente dal rapporto tra la domanda finale di energia e quella primaria (vedi Fig. 3.6). Dai livelli attuali di circa 80% (basato sull’efficienza del sistema), lo scenario “Laggard” raggiunge a stento un ‘86% entro il 2050, mentre lo scenario moderato raggiunge un livello del 95% entro il 2050. Anche lo scenario di leadership più elettrificato raggiunge il più alto rapporto di efficienza (del 96% ) entro il 2050. Ciò significa che si avranno sistemi energetici con elevate quote di energie rinnovabili e maggiori efficienze di conversione, offrendo una moltitudine servizi energetici con livelli più bassi di input di energia primaria
Fornitura di energia primaria
Una visione sul lato dell’offerta energetica mostra che la quota europea di energie rinnovabili è solo del 14% circa, ovvero 3.200 TWh, oggi.
L’Europa è fortemente dominata dai combustibili fossili nel 2020, che forniscono circa il 72% della produzione di energia, pari a 16.300 TWh all’anno.
In linea con l’elettrificazione in rapido aumento del sistema dell’energia, la quota di energia rinnovabile cresce sostanzialmente al 100% durante il periodo di transizione, ma con variazioni e percorsi diversi attraverso i tre scenari.
Lo scenario Leadership mostra un percorso di transizione rapida per l’Europa, in cui le energie rinnovabili forniscono il 100% di energia entro il 2040. Da quell’anno, le energie rinnovabili continuano a fornire agli europei un ambiente pulito in un sistema energetico completamente integrato fino al 2050 e oltre.
Nello scenario moderato, la quota di energia rinnovabile cresce a un ritmo costante a quasi il 100% entro il 2050. In effetti, la quota effettiva sarà del 99% nel 2050 in quanto resterà qualche residuo di energia nucleare
Al contrario, lo scenario ritardatario mostra che l’energia rinnovabile si trova su una traiettoria a bassa crescita fino a raggiungere una quota di approvvigionamento di energia primaria di circa il 62% entro il 2050, con il resto dell’energia proveniente da combustibili nucleari e fossili.
OUTLOOK SETTORIALE
La penetrazione rinnovabile è molto diversa per i diversi settori di generazione, calore e trasporti in Europa, e, pertanto, diverse saranno le tendenze che emergeranno nei prossimi 30 anni nei tre scenari. Nel complesso del settore energia, i singoli settori vanno verso quote più elevate di energie rinnovabili nel mix di approvvigionamento energetico, mentre diverse tecnologie assumono ruoli diversi e responsabilità differenziate nel garantire la stabilità operativa del sistema energetico integrato.
Figura 3.7 fornitura di energia primaria – uso del carburante
Figura 3.8 quota di energia rinnovabile di fornitura di energia primaria
Generazione di energia (power)
Il settore energetico è un brillante esempio della transizione energetica in Europa, con circa il 34% di elettricità prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel 2020. Secondo i risultati della modellizzazione, la crescita delle energie rinnovabili continua in tutti gli scenari, anche se con livelli variabili di capacità installate e di generazione di elettricità. Livelli in crescita di elettrificazione, porteranno a più alti livelli di generazione di potenza delle rinnovabili e conseguenti capacità di generazione corrispondenti per tutti gli scenari: i due pilastri saranno il solare e l’eolico. Già negli ultimi anni, il solare e l’eolico erano responsabili dell’aggiunta dei maggiori volumi di tutte le fonti di generazione di energia nell’UE-28; lo scorso anno il solare ha superato il vento, aggiungendo quasi 17 GW, rispetto ai 13 GW di vento. I risultati della modellizzazione di questo rapporto presuppongono che questa tendenza continuerà, ma a una velocità sensibilmente più elevata.
Figura 3.9 Generazione di elettricità
Nel 2050 il solare PV da solo avrebbe installato 4.7 TW nello scenario Laggard, 7,7 TW nello scenario Moderato e 8,8 TW nello scenario Leadership. Ciò significherebbe che la capacità solare raggiungerebbe quote del 72%, 78% e 77% (vedi Fig. 3.10).
Considerando che le capacità solari sono già molto più elevate del vento in tutti gli scenari 2030, l’energia eolica offre ancora il massimo di percentuale di elettricità nel 2030 in due scenari su tre, a causa di migliori fattori di capacità. Supportato dalla sua competitività in termini di costi, il solare fotovoltaico versatile emerge come fonte primaria di elettricità a partire dal 2040. Dieci anni dopo, il fotovoltaico genererà in tutti gli scenari almeno la metà della potenza, ovvero il 48% dell’elettricità nello scenario Laggard, circa il 61% nello scenario moderato e oltre il 63% nello lo scenario di Leadership (vedi Fig. 3.9).
figura 3.10 elettricità capacità installata Solare giallo, vento blu , idro azzurro
Accumulo di elettricità
Con l’aumento significativo oltre il 2030 della quota di fonti energetiche variabili (solare ed eolica), il ruolo dello stoccaggio di elettricità diventa
cruciale nel fornire un approvvigionamento energetico ininterrotto; questo è il caso in tutti gli scenari, sebbene le esigenze siano più elevate per i due scenari al 100% nel 2050. Ciò è documentato attraverso il rapporto tra la domanda di elettricità coperta da accumulo di elettricità, che aumenta con il passaggio al 15% nello scenario “Laggard”, fino al 24% nello scenario moderato e a circa il 20% nello scenario Leadership entro il 2050. Inizialmente, il colpo d’occhio è sorprendente, dato che lo scenario Leadership sembra aver bisogno di meno storage rispetto allo scenario moderato. Tuttavia, ciò è dovuto all’assorbimento molto più rapido delle energie rinnovabili e all’eliminazione graduale dei combustibili fossili e del nucleare con un livello più alto di integrazione settoriale (vedi Fig. 3.13).
La maggior parte della produzione di energia elettrica sarà fornita da batterie dei prosumer e su larga scala, con oltre il 97% entro il 2050, mentre lo stoccaggio pompato di energia idroelettrica (PHES) contribuirà solo con quote minori (vedi Fig. 3.12).
figura 3.12 output dello stoccaggio elettrico.
figura 3.13 rapporto dello stoccaggio elettrico in relazione alla domanda
Calore
Il calore in Europa viene utilizzato principalmente per il riscaldamento degli ambienti, l’acqua calda sanitaria e i processi industriali La quota di energie rinnovabili nel settore del calore è molto inferiore a quella nella generazione – nel 2020, solo il 23% circa del calore è fornito da fonti rinnovabili, principalmente da bioenergia. Ad oggi il mercato del calore è fortemente dominato dal gas fossile con una quota del 48% (vedi Fig. 3.14). Tuttavia, con una combinazione di elettricità diretta e indiretta, il riscaldamento elettrico aumenterà le sue quote in molti paesi europei grazie ai sostanziali incrementi di efficienza di questi sistemi basati sull’elettricità, che diventeranno anche alternative e convenienti al gas fossile.
Il riscaldamento elettrico a base rinnovabile (diretto) e le pompe di calore (indiretto) costituiranno la maggior parte della capacità di generazione di calore entro il 2050, integrato da una piccola ma costante quota di altri fonti rinnovabili, principalmente bioenergia sostenibile.
Mentre il calore a base di combustibili fossili diminuisce nei tre scenari e va a zero nello scenario Leadership entro il 2040 e entro il 2050 nello scenario Moderato, ci saranno quote minori di gas fossile e petrolio residui nei processi di calore industriale nello scenario “Laggard”. Però, tutti e tre gli scenari dispongono anche di una notevole porzione di fonti rinnovabili e carburanti sintetici – in particolare idrogeno e metano – che contribuiscono al calore di processo industriale nelle ultime fasi della transizione.
figura 3.14 generazione del calore Fig 3.15 capacità di calore installata
Accumulo di calore
Lo stoccaggio del calore svolge un ruolo vitale nel coprire la domanda di calore in tutti e tre gli scenari, nella fase di transizione energetica. Le più grandi esigenze di accumulo di calore sono visibili nello scenario Leadership, seguito dal moderato, con sintetico a base rinnovabile e metano che forniscono la maggior parte dell’output nei tre scenari fino al 2030 (vedi Fig. 3.16). Un’altra quota verrà dall’accumulo di energia termica (TES), che diventa la fonte primaria di accumulo di calore nelle fasi successive della transizione per lo scenario moderato e di leadership, fornendo fino al 59% e 63% rispettivamente. Le ragioni di ciò stanno nella rapida transizione e il ruolo di Power-to-Heat, che converte l’elettricità in calore nella forma di accumulo di energia termica (ad es. i prosumatori immagazzinano la loro elettricità come calore in serbatoi di acqua calda, che viene quindi utilizzata per il riscaldamento).
La necessità di accumulare calore per soddisfare la domanda di calore è significativamente inferiore rispetto allo stoccaggio dell’elettricità, ma aumenta ancora tra i tre scenari. Nello scenario di Leadership lo stoccaggio di calore fornisce il 12% di richiesta di calore entro il 2040, consentendo una rapida transizione verso il 100% di energia rinnovabile (vedi Fig. 3.17). Negli scenari Moderato e ritardato i rapporti sono leggermente inferiori, intorno al 9% e 2% rispettivamente, entro il 2050. Lo stoccaggio del calore è per lo più fondamentale per l’approvvigionamento della domanda stagionale in quanto il gas fossile viene gradualmente eliminato dal sistema di riscaldamento dall’Europa.
Trasporto
Responsabile di quasi un quarto delle emissioni di GHG in Europa, il il settore dei trasporti mostra le quote di energia rinnovabile più basse rispetto ai suoi “coetanei”. Solo il 5% dell’energia necessaria per il trasporto è fornito da fonti rinnovabili nel 2020. Con l’elettrificazione, la digitalizzazione, l’automazione e l’economia della condivisione si potrebbe rapidamente dare forma ad un nuovo settore dei trasporti, anche perché numerosi modelli di business dei servizi sono entrati nel mercato. Spinti dall’aumento dei tassi di elettrificazione e da guadagni di efficienza, sarà la domanda di energia per il trasporto stradale a ridursi fortemente fino al 2040; questo vale per il segmento merci e ancora di più per i passeggeri, che useranno tutti nel tempo i veicoli elettrici (vedi Fig. 3.18). Al contrario, invece, la domanda finale di energia per il trasporto aereo di passeggeri aumenta con la transizione in tutti gli scenari, poiché è richiesta elettricità aggiuntiva per la produzione di carburanti sintetici, mentre la domanda finale di energia per il trasporto marittimo, principalmente merci, rimane stabile durante la transizione.
Fig. 3.16 output di stoccaggio di calore/ fig. 3.17 rapporto tra stocccaggio di calore e domanda
In generale, le tendenze opposte nello sviluppo della domanda finale di energia nel settore dei trasporti possono essere spiegate dai vari livelli di elettrificazione diretta che sono possibili a seconda delle modalità di trasporto. Mentre il trasporto su strada ha un alto livello di elettrificazione diretta, negli scenari Leadership e Moderati, e in livelli leggermente inferiori nello scenario Laggard, c’è da tenere in conto di un comportano una domanda finale di energia leggermente superiore. D’altra parte, l’elettrificazione diretta molto ridotta nelle applicazioni di trasporto marittimo e aereo significa praticamente nessun guadagno di efficienza e quindi riduce gli effetti sulla domanda finale di energia.
A differenza del settore dell’energia e del calore, la quota del consumo di combustibili fossili nel settore dei trasporti nei tre scenari è ancora molto elevata nel 2030, anche per i due scenari al 100% rinnovabili (cfr. Figura 3.19). Anche lo scenario di leadership più progressivo mostra una quota del 78% di utilizzo di combustibili fossili nel 2030, rispetto al 95% nel 2020. La rapida diminuzione fino a zero nello scenario Leadership si svolge quasi interamente nel decennio 2030, quando i carburanti sintetici a elettrificazione diretta e a base rinnovabile. che sono anche prodotti indirettamente con energia rinnovabile. raggiungeranno il loro pienopotenziale. Qui, il principale contributo alla sostituzione dei combustibili fossili sarà il sistema Carburanti Fischer-Tropsch (FT). Questi sono realizzati utilizzando FT Power-to-Tecnologia liquida per carburanti sintetici, come diesel, benzina, jet carburante da idrogeno e CO2 (vedi Riquadro 3, p. 50). L’idrogeno può anche essere utilizzato direttamente per la produzione di elettricità nelle turbine a gas o come combustibile per i trasporti, e sarà uno dei tre pilastri principali dell’elettricità e FT per alimentare la domanda finale rinnovabile di energia nel 2050 al 100%. Anche se lo scenario Laggard nel 2050 vede grandi parti della domanda finale di energia nel trasporto che provengono da fonti rinnovabili, elettricità, FT e idrogeno, la quota principale del 26% sarà ancora a base di combustibili fossili.
figura 3.18 domanda di energia finale per il trasporto
figura 3.19 domanda di energia finale per il trasporto – uso del carburante
RIQUADRO 4: POWER TO HYDROGEN TO X
Un sistema energetico completamente integrato dipende dall’impiego di elettricità rinnovabile nei settori del calore e dei trasporti, applicazioni che oggi si basano principalmente su carburanti idrocarburici. Mentre l’utilizzo dell’elettricità diretta è una soluzione economica in un certo numero di casi, potrebbe risultare difficile sostituire completamente l’uso di carburante in alcune applicazioni, come quella industriale ad alta temperatura, il riscaldamento, il trasporto aereo e marittimo. Inoltre, la flotta attuale su strada si basa in gran parte sui veicoli con motore ICE e ci vorrà un po’ di tempo per sostituirli con veicoli elettrici.
Per superare questa sfida, una varietà di processi chimici furono scoperti nel XX secolo: vari sintetici (carburanti con caratteristiche equivalenti ai carburanti a idrocarburi) possono essere prodotti solo da elettricità, acqua e aria rinnovabili.
L’idrogeno svolge un ruolo cruciale come vettore energetico per creazione di carburanti sintetici e prodotti chimici. Il primo passo fondamentale è l’elettrolisi dell’acqua (1), un processo che utilizza l’elettricità diretta per dividere le molecole d’acqua in idrogeno (H2) e ossigeno (O). L’idrogeno può essere usato direttamente (2) come combustibile, oppure subire ulteriori trattamenti per produrre una gamma più ampia di prodotti.Questi passaggi aggiuntivi utilizzano ossidi di carbonio (CO o CO2) come materiali grezzi che, combinati con l’idrogeno, vengono trasformati in composti idrocarburici sintetici. In questo modello, la CO2 necessaria per questi processi viene prelevato dall’aria in ambiente attraverso cattura direttadell’aria (DAC). Sorgenti puntuali di CO2 sostenibili o non evitabili sono anche utili, come inceneritori di rifiuti, cartiere e cementifici, cioè emissioni di CO2 a base di calcare provenienti da cementifici.
La metanazione (3) converte l’anidride carbonica e l’idrogeno in metano (CH4), producendo metano sintetico e, attraverso liquefazione (4), GNL sintetico (gas naturale liquefatto).Il processo Fischer-Tropsch (5) si converte, attraverso una serie di reazioni chimiche, anidride carbonica e idrogeno in sintetico greggio, che viene raffinato in vari idrocarburi liquidi: diesel, benzina, carburante per jet e nafta. I primi tre sono usati come carburanti liquidi. mentre quest’ultimo è una materia prima fondamentale per l’industria chimica. Una terza via di combinazione di idrogeno con ossidi di carbonio è la sintesi di metanolo (6), che può essere utilizzata per produrre metanolo e successivamente varie altre sostanze chimiche. Si presume che il metanolo diventi la principale materia prima chimica. Inoltre, l’idrogeno può anche essere accoppiato con azoto (N2) per la produzione di ammoniaca (7), un’importante materia prima per l’industria chimica che viene utilizzato principalmente in agricoltura come fertilizzante. Il metanolo e l’ammoniaca non sono inclusi nell’ambito di questo studio. La domanda aggiuntiva di energia per un’industria chimica sostenibile, considerando che tutta la domanda viene fornita in Europa, richiede circa un aumento delle capacità installate di fotovoltaico e eolico del 16,0% e 19,3% più elevate in energia rispetto alle capacità riportate in questo studio.
ELETTRIFICAZIONE E DECARBONIZZAZIONE TRAMITE FONTI RINNOVABILI NEI SETTORI DELL’ENERGIA, DEL CALORE E DEI TRASPORTI
La nostra modellistica mostra che un alto tasso di elettrificazione attraverso sostituzioni dirette e indirette di combustibili fossili e nucleari sono fondamentali per la decarbonizzazione di tutti i settori con energie rinnovabili. La sostituzione diretta comporta la proliferazione di veicoli elettrici nel settore dei trasporti e l’adozione di sistemi di riscaldamento elettrico come le pompe di calore negli edifici e alcune parti dell’industria. D’altra parte, la sostituzione indiretta comporta un passaggio ai carburanti sintetici, che sono prodotti mediante elettrolisi, metanazione e sintesi FT utilizzando elettricità rinnovabile, per fornire energia per il calore, i trasporti e quanti più processi industriali possibili, che altrimenti farebbero affidamento sui combustibili fossili.
Tuttavia, l’attuale livello di elettrificazione tra potenza, calore, e i settori dei trasporti in Europa raggiunge circa il 6% nel 2020 (vediFig. 3.20). Nello scenario “Laggard”, con livelli più bassi di elettrificazione si arriva a solo circa il 51% di elettrificazione, ovvero 14.000 TWh entro il 2050, con solo il 62% dell’elettricità proveniente da fonti rinnovabili. Nello scenario moderato, si verifica un costante aumento di elettrificazione molto superiore fino all’85%, ovvero circa 17.000 TWh entro il 2050, con quasi 100% dell’elettricità prodotta da fonti rinnovabili. Lo scenario di leadership porta solo ad un livello leggermente superiore dell’86% ovvero circa 17.000 TWh, ma ciò avviene 10 anni prima rispetto allo scenario moderato, in modo che l’Europa sia alimentata al 100% di elettricità da fonti rinnovabili nel 2040. Nel 2050, lo scenario di Leadership completamente elettrificato è ulteriormente in grado do aumentare la capacità di generazione di energia rinnovabile fornita fino a quasi 20.000 TWh, con elettricità aggiuntiva di quasi 3.000 TWh, così da utilizzarla per la produzione di carburanti sintetici per l’esportazione.
Fig 3.20 rapidità di elettrificazione
Fig 3.21quota di rinnovabili in generazione di elettricità.
Con l’elettricità rinnovabile a basso costo che emerge come il principale vettore energetico nel futuro nel sistema energetico europeo e in linea con l’aumento dei tassi di elettrificazione, anche il continente deve affrontare una maggiore integrazione settoriale. Un aumento rinnovabile- diretto e indiretto – dell’uso di elettricità nei settori dell’energia, del calore e dei trasporti aumenta mentre si passa dall’uno all’altro degli scenari. Mentre il fabbisogno diretto e indiretto di elettricità è probabilmente più elevato nel trasporto, fino a 10.000 TWh nello scenario Leadership; il massimo possibile è fino a 7000 TWh nel settore dell’energia e poco oltre a 3.000 TWh nel settore del calore.
Nel settore del Calore, per gli scenari Leadership e Moderati, l’elettricità rinnovabile è utilizzata principalmente per il riscaldamento diretto, prima che l’idrogeno a base rinnovabile prenda il via dal 2040, mentre il metano a base di elettricità eroga fino al 12%, principalmente ai fini della commutazione dal riscaldamento a gas naturale a quello rinnovabile nel 2050
Nello scenario ritardato, l’elettricità rinnovabile e l’idrogeno basato ad elettricità rinnovabile, forniscono la maggior parte del calore durante la transizione, ma gli importi assoluti sono circa un terzo in meno, dal momento che il calore a base di combustibile alcuni fossili è ancora in parte in uso, come mostrato nella Figura 3.22.
figura 3.22 domanda di energia per calore sostenibile
figura 3.23 domanda di elettricità per trasporto sostenibil
Nel settore dei trasporti, l’elettricità rinnovabile favorisce l’elettrificazione nei periodi iniziali della transizione, mentre dal 2030 in poi l’idrogeno rinnovabile fornito da elettricità e i carburanti FT sono tecnologicamente e in termini di costi pronti a subentrare e a fornire il la maggior parte dell’energia nei tre scenari (vedi Fig. 3.23). L’uso dell’elettricità per i trasporti aumenta molto rapidamente nello scenario di leadership, in modo più costante nello scenario Moderato, e a un ritmo più lento nello scenario Laggard, in linea con i rispettivi obbiettivi verso alti tassi di energia rinnovabile. Il ruolo dei carburanti FT a base di elettricità rinnovabile sono fondamentali per la transizione di energia nei tipi di trasporto che non possono essere direttamente elettrificati, in particolare, marittimo e aeronautico, come mostrato in Fig. 3.18 – e inoltre per consentire l’integrazione dei settori dell’energia e dei trasporti.
figura 3.22 domanda di energia per calore sostenibile
figura 3.23 domanda di elettricità per trasporto sostenibile
RIQUADRO 5. ACCOPPIAMENTO DEL SETTORE E FLESSIBILITÀ NEL SISTEMA ENERGETICO
L’accoppiamento settoriale e l’integrazione del sistema energetico sono considerati da
molti esperti come attivatori chiave per ridurre le emissioni di gas a effetto serra nel
settore energetico europeo. Inoltre, possono essere mezzi economicamente efficienti
per integrare il sistema energetico valorizzando le sinergie potenziali e l’interconnessione tra usi in applicazioni e settori diversi.
In questo rapporto, l’accoppiamento settoriale include l’uso integrato di
diverse infrastrutture e vettori energetici, in particolare elettricità, calore, gas sintetico e combustibili liquidi sintetici. Questo modello di sistema energetico è abilitato sia sul lato alimentazione (input), con la conversione di elettricità rinnovabile in calore, idrogeno, metano e carburanti FT, che dal lato della domanda (produzione), sia con costi contenuti per elettrificazione dell’uso finale, stoccaggio e gestione del consumo di energia. Diversi studi dimostrano che l’accoppiamento settoriale può ridurre i costi complessivi della transizione energetica, come validato dai risultati di questo stesso studio.
Fig 3.24 (v.originale) Flussi di energia per il sistema europeo di energia al 2020
Oggi il sistema energetico europeo è guidato dall’offerta, centralizzato
e in gran parte disaccoppiato poiché dipende ancora dai combustibili fossili importati e dal nucleare (vedi Fig. 3.24). I flussi di energia nel 2020 sono fortemente ad alta intensità di impiego di risorse e inefficienti; c’è una porzione significativa di energia, circa il 18%, persa sulla strada per produrre energia finale, ma ancora più dispendioso è il passaggio dall’energia finale all’energia nei servizi, in particolare nel settore dei trasporti, dove circa il 69% è perduto. Mentre il settore energetico è il più diversificato in termini di fonti di energia, con diverse energie rinnovabili che già contribuiscono per quasi un terzo, il trasporto è il settore meno diversificato, facendo affidamento quasi esclusivamente su oli fossili. Anche se il settore del calore mostra una certa diversificazione poiché usa la biomassa, ma dipende ancora fortemente dal gas fossile con una quota del 20%,
Tuttavia, recenti sviluppi nel settore energetico e l’emergere di energia elettrica rinnovabile a basso costo in funzione di primo tra i vettori energetici, hanno aperto la
strada verso un sistema più decentralizzato, integrato, flessibile e orientato alla domanda.
Gli impatti dell’accoppiamento settoriale nello scenario moderato sono evidenziati in Fig. 3.25, che mostra i flussi di energia di un sistema energetico europeo completamente accoppiato nel 2050, rispetto al suo stato di disaccoppiamento nel 2020. Nello scenario “Laggard”, il sistema energetico nel 2050 è altamente integrato, con opzioni di stoccaggio flessibili. Tuttavia, ci sono ancora alcune quote di combustibili nucleari e fossili che contribuiscono a una perdita di energia del 27%. L’alto livello di diversificazione delle fonti dell’energia risulta evidente in tutto il settore di generazione, calore e trasporto, come dimostra una crescente complessità nei flussi di energia.
Rispetto al 2020, la maggior parte dell’energia per il calore e il settore dei trasporti non proverrà più da fonti di combustibili fossili, ma piuttosto dall’uso diretto di elettricità o dall’elettricità indiretta in forma di carburanti sintetici.
A differenza dello scenario “Laggard”, il Moderato porta ad uno scenario del sistema energetico quasi completamente integrato nel 2050, in quanto quasi interamente basato su energia elettrica rinnovabile (vedi Fig. 3.25).
Il sistema energetico include una varietà di opzioni di flessibilità – batterie per stoccaggio a breve termine, stoccaggio del gas per le variazioni stagionali e un mix di energia elettrica, energia elettrica e gas combustibili da energia a liquido. I settori dell’energia, del calore e dei trasporti si basano su fonti energetiche altamente diversificate. Le perdite maggiori possono essere viste come risultato dell’elettrolisi e dei processi produttivi del combustibile sintetico, anche se viene recuperata una quota di energia sotto forma di calore recuperato. Perdite di sistema totali in questo scenario contano per il 13%; una parte minore di queste perdite è dovuta alla restante quota di nucleare nel sistema, che arriva a circa 80 TWh di produzione di elettricità.
Anche se non troppo diverso dallo scenario moderato, il sistema integrato completamente basato su fonti rinnovabili al 100% è rappresentato solo nello scenario di Leadership nel 2050. Che soprattutto differisce per il fatto che la maggior parte del calore proviene da pompe di calore ad alta efficienza che utilizzano calore naturalmente disponibile e combustibili sintetici rinnovabili ottenuti per via elettrica per soddisfare gran parte della domanda di energia di trasporto. Le tecnologie di stoccaggio svolgono un ruolo vitale nel fornire flessibilità al sistema, che consente un superiore livello di elettrificazione e di accoppiamento settoriale. In confronto allo scenario moderato, il sistema di Leadership ha una più elevata flessibilità derivante da ulteriori 550 GW di capacità da elettrolizzatori necessari per l’idrogeno, il metano sintetico, e carburanti FT, principalmente per il settore dei trasporti, ma anche per applicazioni di alta temperatura. Questi vettori energetici
possono essere immagazzinati fino a quando non vengono utilizzati. Pertanto, il tasso di riduzione è inferiore al 5% in entrambi gli scenari. Tuttavia, l’elevata flessibilità degli elettrolizzatori consente l’adozione efficiente della generazione di elettricità variabile dal solare fotovoltaico e dall’energia eolica, il che riduce efficacemente la domanda di stoccaggio di elettricità.
Fig. 3.25 Flussi di energia per il sistema energetico europeo nello scenario moderato nel 2050
Uscita di stoccaggio
Quanto più energia elettrica rinnovabile viene generata, tanto più tecnologie di stoccaggio complementari sono necessarie per migliorarne la penetrazione nei sistemi
energetici, dato che le energie rinnovabili sono intrinsecamente di natura variabile a causa della loro dipendenza dalle condizioni meteorologiche. In questo contesto, varie tecnologie di stoccaggio forniscono stabilità, flessibilità al sistema energetico e persino di consentire una vasta gamma di grid services. Con il loro costo in rapida diminuzione, le batterie emergono come l’opzione di stoccaggio dell’elettricità più conveniente in assoluto nei tre scenari, contribuendo con le più grandi condivisioni di stoccaggio a partire dal 2040 (vedi Fig. 3.26). Inoltre, l’accumulo di gas diventa fondamentale per far fronte alle variazioni stagionali della domanda e della fornitura di energia rinnovabile. Viene utilizzato il gas sintetico a base di elettricità rinnovabile (metano), come le centrali elettriche a gas, che forniscono elettricità quando altre risorse rinnovabili non sono disponibili. Per alcune quote di energia termica lo stoccaggio offre inoltre flessibilità a breve termine, accoppiata con riscaldamento, fornendo così sia elettricità critica che termica.
L’Hydro pompato, che è attualmente l’opzione di archiviazione di elettricità più utilizzata in Europa, continua a fornire quote, sebbene in diminuzione durante la transizione in tutti e tre gli scenari; la sua funzione è quella di fungere da opzione di stoccaggio a breve termine, molto simile alle batterie. L’output di stoccaggio aumenta nei prossimi 30 anni nei tre scenari da 50 a 100 volte. Il più grande output di stoccaggio è necessario negli scenari Moderato e Leadership, che vanno da 4.600 a 4.900 TWh nel 2050, mentre nello scenario ritardato si raggiunge circa 2.500 TWh in quel momento. Mentre la crescita dello stoccaggio è notevole, l’elevato livello di elettrificazione e l’integrazione del sistema energetico con altri settori riduce la necessità di maggiori volumi di stoccaggio su tutti e tre scenari. La produzione di stoccaggio rispetto alla domanda di energia nel 2050 è circa l’11% nello scenario Laggard, circa il 24% nel Moderato e raggiunge il livello più alto intorno al 25% nello Scenario di leadership (vedi Fig. 3.27). Le tecnologie di archiviazione sono una parte indispensabile della transizione energetica, che fornisce necessaria stabilità e flessibilità. Tuttavia, un approccio altamente integrato tra settori e tassi di elettrificazione molto elevati offre il più efficiente ed economico sistema energetico, mantenendo la crescita di output di stoccaggio fino a circa un quarto della domanda nel 2050.
figura 3.26 uscita di stoccaggio
Fig.3.27 output di stoccaggio su domanda di energia 100% rinnovabili
3.2 COSTI E BENEFICI DI UNA TRANSIZIONE DEL SISTEMA ENERGETICO INTEGRATO DELL’EUROPA
Il costo dell’energia è un fattore chiave per determinare la redditività di scenari energetici, tabelle di marcia e percorsi. Esaminiamo come fonti di generazione energia rinnovabile, tecnologie di accumulo di elettricità e calore – insieme ai combustibili sintetici a base di elettricità rinnovabile – evolvano fino a diventare elementi chiave del sistema di approvvigionamento energetico dell’Europa entro il 2050.
La domanda vitale che rimane è quale costo comporti il passaggio a un sistema di energia rinnovabile al 100%.
Costi di sistema annuali
Quando si tiene conto dei costi di sistema annuali totali – che rappresentano i costi annualizzati dell’intero settore energetico nella media di 5 anni si scopre che: i costi per lo scenario moderato sono coerentemente inferiori rispetto agli altri due scenari fino al 2050, in quanto il modello mostra il miglior rapporto tra nuovi investimenti e costi operativi durantela transizione (vedi Fig. 3.28). Mentre lo scenario di leadership richiede ingenti investimenti nel tentativo di raggiungere un livello rinnovabile del 100% nel 2040, i suoi costi di sistema annuali diminuiranno notevolmente negli anni fino al 2050, quando il sistema opererà in larga misura su centrali elettriche per produrre elettricità con un costo marginale pari a zero. Al contrario, lo scenario di “Laggard” col peso dei combustibili fossili mostra il più alto costo annuale in circolazione al 2050. Tuttavia, considerato complessivamente, il costo cumulativo annuale del sistema per lo scenario moderato entro il 2050 raggiungerà € 30 trilioni, ch 2050. Tuttavia, considerato complessivamente, il costo cumulativo annuale del sistema per lo scenario moderato entro il 2050 raggiungerà € 30 trilioni, che è 6-7% inferiore agli altri scenari essendo il Leadership a € 32,3 trilioni e il Ritardo a € 31,9 trilioni (vedi Fig. 3.29).
figura 3.28 costi annuali del sistema
figura 3.29 costi annuali cumulativi del sistema
SPESE IN CONTO CAPITALE
Considerando esclusivamente le spese in conto capitale (per le capacità installate delle tecnologie energetiche che si realizzano in ogni periodo di 5 anni) la modellizzazione per i tre scenari dimostra chiaramente che tanto più ambizioso è lo scenario, tanto prima la maggior parte dell’investimento deve essere remunerato (vedi Fig. 3.30). Lo scenario di leadership richiede ingenti investimenti a breve termine, in particolare nel decennio degli anni ’30 per raggiungere l’obiettivo del 100% di energie rinnovabili entro il 2040, mentre lo scenario moderato consente più tempo per gli investimenti in un secondo momento della transizione dal 2040 in poi, man mano che ci si avvicina al 2050 con le rinnovabili al 100% 10 anni dopo. Con la pressione sul tempo più bassa, gli investimenti nello scenario ritardato raggiungono il picco anche più tardi, da metà a fine anni ’40, anche se a livelli assolutamente più bassi in quanto la quota delle rinnovabili finali nel 2050 è solo del 62%.
Le spese cumulative più elevate sono necessarie per l’ambizioso Scenario di leadership – un importo vicino a € 8,3 trilioni fino al 2040, quando viene raggiunto l’obiettivo del 100%, dopo di che aumenta solo leggermente fino a € 8,37 trilioni entro il 2050 (vedi Fig. 3.31). Investimenti nella forma di spese in conto capitale sono principalmente spese per fotovoltaico, energia eolica, batterie, pompe di calore e tecnologie nella catena del valore nella produzione di carburanti sintetici a base rinnovabile, come gli elettrolizzatori.
L’investimento di capitale per lo scenario Laggard meno ambizioso è il più basso dei tre scenari, € 6,45 trilioni di euro, ma questo è solo mezzo trilione sotto la spesa necessaria per lo scenario moderato. In altre parole, per raggiungere un’Europa al 100% rinnovabile entro il 2050, ci sarà solo un investimento superiore dell’8% rispetto ad uno scenario mirato al 62% di energie rinnovabili allo stesso anno
Fig.3:30 Spese in conto capitale per ogni intervallo di 5 anni
Fig 3.31 Spese cumulative in conto capitale
COSTO DELL’ENERGIA LIVELLATO
N.B. Il Levelized Cost of Energy (LCOE) rappresenta il ricavo medio per unità di elettricità generata necessario a recuperare i costi di costruzione e gestione di un impianto di generazione durante un presunto ciclo di vita finanziaria e di funzionamento.
Alla fine, la transizione energetica non riguarda solo gli investimenti diretti ma anche i costi per unità di generazione o il costo livellato di energia, elettricità e calore. Dopo un breve picco per ciascuno degli scenari in questo decennio, il LCOEnergy declina in tutti e tre gli scenari attraverso la transizione fino al 2050 (vedi Fig. 3.32) confermando gli effetti positivi dell’integrazione di sistema. Il totale LCOEnergy a livello di sistema è il più basso negli scenari di Leadership e moderato nel 2050. Arriva a 47 € / MWh, circa il 5-6% in meno rispetto al livello medio dello scenario Laggard di 50 € / MWh, e, allo stesso tempo, circa il 7% più competitivo rispetto ai 51 € / MWh di oggi. Mostra così anche che una transizione energetica accelerata verso il 100% rinnovabile di energia è una proposta economicamente attraente. Il costo del capitale domina sempre di più il LCOEnergy in tutti e tre gli scenari, man mano che i costi del combustibile perdono importanza durante il periodo di transizione. Nel 2050 solo la struttura dei costi dello scenario ritardato contiene ancora una parte notevole di spese per carburanti e GHG, mentre entrambi gli altri scenari hanno raggiunto il livello rinnovabile del 100%.
Fig. 3.32 costo livellato di sviluppo energetico / figura 3.33 costo livellato di energia
COSTO LIVELLATO DI ELETTRICITÀ E CALORE
LCOEnergy è costituito da tutti gli aspetti del sistema energetico, compresi elettricità e calore come fonti primarie di generazione di energia, che sono i due indicatori vitali del costo della transizione energetica. Le tendenze dei costi di elettricità e calore seguono, modelli simili, diminuendo sostanzialmente fino al 45% per la generazione e fino al 27% per il calore rispetto ad oggi, così’ come la quota di carburante e i costi di GHG diminuiscono con i sistemi sempre più elettrificati e comportando costi del sistema energetico attribuibili in massima parte alle spese in conto capitale.
L’unica differenza sono i costi di rete, che sono rilevanti solo per il settore energetico; sebbene molto modesti su base unitaria. Nel tempo, gli importi totali sono significativi in quanto l’espansione della griglia è fondamentale per un sistema energetico accoppiato al settore con alti tassi di elettrificazione.
Il costo livellato dell’elettricità (LCOE) del settore energetico, che ha una media di circa € 71 / MW oggi, cala per gli scenari moderato e di Leadership, raggiungendo quasi € 39 / MWh nel 2050, mentre lo scenario “Laggard” raggiunge € 48 / MWh
(vedi Fig. 3.34). Oltre l’orizzonte modellistico del 2050, si prevede che il LCOE diminuisca ulteriormente, principalmente in seguito a reinvestimenti, con costi di capitale per unità che prevedono ulteriori riduzioni dei costi. Il costo livellato del calore (LCOH) diminuisce per tutti gli scenari da circa € 37 / MWh nel 2020, a circa € 27 / MWh negli scenari moderati e di leadership, € 25 / MWh nello scenario Laggard (vedi Fig.3.35). Questa riduzione avviene nonostante un sostanziale aumento di domanda di calore in tutta Europa, principalmente a causa del calore di processo industriale e di un maggiore riscaldamento dello spazio, che sono indotti da più spazio utilizzato a testa. Tuttavia, i livelli aumentati di elettrificazione facilmente compensano la crescita della domanda nel settore del riscaldamento.
Fig. 3.34 costo livellato di elettricità fig. 3.35 costo livellato di calore
EMISSIONI DI GAS SERRA
Una transizione energetica accelerata verso uno scenario rinnovabile al 100% non significa solo una riduzione più rapida dei costi di generazione di energia, ma porta anche un altro enorme vantaggio: l’aria diventa più pulita più rapidamente, poiché verranno emessi meno GHG.
Tutti gli scenari mostrano un forte calo delle emissioni di gas a effetto serra fino al 2050 nei settori dell’energia, del calore e dei trasporti (vedi Fig. 3.36). Le odierne emissioni di GHG in Europa di circa 4.700 milioni di tonnellate di CO2 (MtCO2eq) diminuiscono costantemente a zero entro il 2040 nello scenario Leadership, entro il 2050 nello scenario moderato. Lo scenario Laggard emette ancora circa 800 MtCO2eq di gas serra nel 2050. Ciò significa che seguire il percorso del ritardatario finirebbe con aggravare sulla società europea con 89 gigatons di CO2 (GtCO2eq) nei prossimi 30 anni (vedi società Fig. 3.37), mentre lo scenario Moderato risulta a circa 64 GtCO2eq ovvero il 28% in meno di GHG rispetto allo scenario Laggard.
Lo scenario di leadership ha l’impatto più positivo sul clima, con conseguente
restanti emissioni cumulative di GHG di soli 53 GtCO2eq e fino a zero nei prossimi 20 anni. In confronto allo scenario ritardatario, lo scenario Leadership emette il 41% in meno fino al 2050.
figura 3.36 emissioni di ghg per settore
figura 3.37 emissioni di ghg cumulative
4.1 VARIAZIONE STAGIONALE E REGIONALE
VARIAZIONE REGIONALE
L’Europa è una delle regioni più interconnesse al mondo, con runa robusta infrastruttura di energia che collega i diversi stati membri. Per quanto riguarda le energie rinnovabili le risorse sono abbastanza posizionate, l’Europa offre un buon mix di significative potenzialità eoliche nelle regioni settentrionali e occidentali (compresi Regno Unito e Irlanda), integrate da un eccellente potenziale solare nelle sue regioni meridionali. Altre forme di risorse rinnovabili, come l’idroenergia e la biomassa, inoltre, sono ben distribuite in tutto il continente, il che caratterizza il mix energetico regionale dei vari paesi in Europa.
Questa sezione esplora la suddivisione regionale per le diverse tecnologie utilizzate negli Scenari moderato e di leadership per raggiungere livelli di energia rinnovabile del 100% entro il 2050. Enormi capacità di generazione di elettricità sono installate in tutta Europa per soddisfare l’energia e la domanda di energia, calore e trasporto fino al 2050. Complessivamente, il solare fotovoltaico e l’eolico costituiscono la maggior parte della capacità installata nel 2050 in Europa, insieme a quote minori di energia idroelettrica in entrambi gli scenari Moderato e Leadership (vedi Fig. 4.1). La capacità di Solare fotovoltaico è situata prevalentemente nelle regioni meridionali dell’Europa che presentano livelli elevati di risorse solari durante tutto l’anno, mentre i sistemi di energia eolica sono installati principalmente nelle regioni settentrionali e occidentali dell’Europa, dove prevalgono buone condizioni di vento. La sola differenza tra i due scenari sta nel volume: nel 2050, vicino a 9.4 TW di energia eolica e solare fotovoltaica sono installati nello scenario Moderato, con una quota del fotovoltaico che raggiunge il 78%, mentre circa 10,7 TW sono installati nello scenario Leadership, in cui conta il solare fotovoltaico per il 77% delle capacità. Mentre lo scenario di Leadership raggiunge il 100% di rinnovabili già entro il 2040, a cui si aggiungono ulteriori capacità per alimentare la produzione di carburanti sintetici che possono essere esportati oltre il 2040.
La distribuzione dell’output di generazione di energia elettrica segue il modello delle potenze delle varie installazioni. La maggior parte della generazione solare fotovoltaica si attua nelle regioni meridionali, mentre l’energia viene prodotta nelle regioni settentrionali e occidentali dell’Europa da quote di vento più elevate (vedi Fig. 4.2). Ciò potrebbe migliorare la complementarità del solare fotovoltaico e l’energia eolica in un sistema energetico europeo interconnesso. Ciò che differisce è la percentuale più alta di generazione eolica rispetto alla capacità in quanto i fattori di capacità dell’energia eolica potrebbero essere complessivamente più elevati.
Fig 4.1Capacità di generazione regionale di elettricitàattraverso l’Europa nel 2050
Il solare fotovoltaico fornisce una media del 61% nello scenario moderato e del 63%
nello scenario Leadership. L’energia eolica, d’altra parte, contribuisce in media al 33% sia nello scenario Moderato che in quello di leadership. In entrambi gli scenari, il solare fotovoltaico e l’energia eolica generano oltre il 90% dell’elettricità necessaria in tutta Europa entro il 2050. Tuttavia, in linea con le maggiori capacità installate, lo scenario Leadership porta a circa 2.500 TWh in più di generazione di elettricità. Il sistema energetico flessibile europeo nel 2050 si basa sullo stoccaggio di output di elettricità prodotta in tutti i settori completamente integrati dell’energia, del calore e dei trasporti.
L’output di archiviazione proviene principalmente dalle batterie, inclusi i prosumatori su scala pubblica, residenziale, commerciale e industriale e in quota minore fino al 3% da idro pompato. Le Batterie a scala di Utility, che forniscono le maggiori quote di produzione di energia elettrica attraverso L’Europa, con una media fino al 59%, sono a capacità più elevata nelle regioni meridionali
Fig 4.2 Generazione regionale di elettricità attraverso l’Europa nel 2050
di entrambi gli scenari. Le batterie Prosumer offrono quote relativamente più grandi nelle regioni centrali e settentrionali dell’Europa per entrambi gli scenari, sebbene con numeri assoluti molto più bassi. Questo modello di distribuzione è dovuto a due motivi: primo, la maggior parte delle capacità solari, che richiedono un deposito a breve termine, si trovano nell’Europa meridionale; secondo, questi sono principalmente centrali elettriche su larga scala. D’altra parte, con un tetto prosumer più piccolo le installazioni di solito possiedono quote più elevate nei paesi dell’Europa centrale.
Una preoccupazione spesso sollevata quando si tratta di scenari rinnovabile al 100% per l’Europa è la quantità di spazio necessaria per generare l’energia domestica. Le capacità rinnovabili necessarie per uno scenario moderato, ad esempio, richiedono circa l’1% dell’area totale per FV su scala pubblica e meno del 2,5% per le centrali eoliche. Quest’area può essere utilizzata anche per altri scopi, come l’agricoltura o l’allevamento se progettati in modo appropriato (si noti che il fotovoltaico abbastanza nuovo come l’applicazione del solare galleggiante non è inclusa in questo modello).
Fig 4.3 output di Stoccaggio regionale di elettricità attraverso l’Europa nel 2050
OUTLOOK REGIONALE
Quando si tratta di stoccaggio stagionale, lo stoccaggio del calore svolge un ruolo vitale nell’assicurare un approvvigionamento energetico stabile in tutta Europa, prevalentemente nell’inverno, quando c’è una forte domanda di riscaldamento nelle regioni del nord. Esso viene gestito da gas sintetico e da stoccaggio di energia termica
(a livello distrettuale e individuale), che fornisce calore per l’’Europa nei due scenari 100% rinnovabili nel 2050. Lo stoccaggio di energia termica ha quote di output più elevate nelle regioni meridionali, dove la forte irradiazione viene utilizzata per il riscaldamento da solare, mentre l’infrastruttura del gas è la base per l’output di stoccaggio del gas sintetico, che domina le regioni settentrionali in entrambi gli scenari nel 2050 (vedi Fig. 4.4).
Gli elettrolizzatori sono una tecnologia chiave per un sistema di energia rinnovabile al 100%, che non ha solo un ruolo vitale nella produzione di carburanti sintetici, ma anche nel migliorare la flessibilità e l’integrazione del sistema energetico. Nel 2050, le installazioni di potenza degli elettrolizzatori saranno ben distribuite in tutta Europa sia nello scenario moderato che di Leadership con le maggiori capacità operative in Spagna e Turchia (vedi Fig. 4.5).
Nel complesso, lo scenario Leadership vede 2.825 GW di elettrolizzatori installati nel 2050, il 30% in più per lo scenario moderato con circa 2.170 GW, che sarannonecessarie dal 2040 in poi per la produzione di volumi di combustibile sintetico destinato alle esportazioni. Ciò è contrario alle ipotesi che contemplano che i carburanti sintetici debbano essere importati anche per l’approvvigionamento di energia rinnovabile al 100%. Mentre molto probabilmente le importazioni in un mercato aperto, si potrebbero verificare, il confronto in dettaglio dei costi ha dimostrato che la produzione di combustibile sintetico in Italia e in l’Europa meridionale nel 2030 non sarà più costosa di quella del Nord Africa e ovviamente c’è un guadagno in termini di sicurezza energetica poiché l’energia sarà prodotta in Europa.
FIG.4.5 capacità regionale degli elettrolizzatori attraverso l’Europa nel 2050
La generazione media di LCOE nelle 20 sottoregioni modellate segue più o meno il modello di distribuzione dei sistemi solari su larga scala, che sono in grado di generare energia ai costi più bassi previsti nelle giuste condizioni. Questa è principalmente una questione di ore di sole disponibile, che sono le più alte nell’Europa meridionale, dove nel 2050 la maggior parte dei sistemi su scala di utilità verranno installati, e principalmente con assi inseguitori per migliorare ulteriormente la resa. Gli LCOE medi per entrambi gli scenari rinnovabili al 100% sono sostanzialmente gli stessi al livello in 2050: € 39,3 / MWh per la Leadership e € 39,2 / MWh per lo scenario moderato. Tuttavia, ci sono lievi differenze regionali nei due scenari, con le regioni meridionali nello Scenario di leadership che mostrano LCOE leggermente più alti a causa di una più elevata quota di capacità fotovoltaica installata più vecchia e quindi più costosa in quanto avvenuta prima della piena decarbonizzazione entro il 2040, mentre la media più alta di LCOE nella regione Repubblica Ceca / Slovacchia proviene dai significativi investimenti incagliati nelle centrali nucleari, che continuano ad aumentare i costi senza la fornitura di elettricità, ed un livello elevato di dipendenza dalle importazioni.
Figura 4.6 livellato costo dell’elettricità nel 2050 in tutta Europa
Interconnessioni di trasmissione adeguate in tutta Europa (modellato per 20 regioni in questo progetto) sono fondamentali per l’ottimale utilizzo di risorse locali e per una generazione a basso costo utilizzando fonti rinnovabili di energia. L’integrazione del sistema energetico con alti livelli di elettrificazione, accoppiamento settoriale e tecnologie di stoccaggio ottimizza il commercio di elettricità nelle 20 regioni modellate nel 2050,a circa 2.200 TWh e 2.700 TWh negli scenari Moderato e Leadership
rispettivamente (vedi Fig. 4.7). La domanda e la generazione sono ben sincronizzate in entrambi gli scenari, indicando un elevato utilizzo delle risorse locali per soddisfare la domanda annuale di energia, realizzata con il supporto della rete elettrica di media e bassa tensione.
Fig.4.7 Domanda di elettricità, Generazione e scambio nel 2050 in Europa
Il 15% circa dell’elettricità generata viene scambiata tra le regioni interconnesse, il che significa che viene prodotta la maggior parte dell’elettricità (85%) nelle regioni in cui ha origine la domanda. Questo consente una progettazione altamente decentralizzata del sistema energetico, abbinata a un sistema energetico europeo interconnesso e ottimizzato in termini di costi. Come
risultato, l’elettricità ridotta è inferiore al 5% per entrambi gli scenari sostenibili
con energia rinnovabile al 100%..
VARIAZIONE STAGIONALE
Il dubbio più frequentemente sollevato su un sistema ad energi rinnovabile al 100% è l’argomento della stagionalità. Mentre le critiche di solito accettano che le batterie siano una soluzione adeguata per superare la notte, è più difficile spiegare come funzioni un sistema energetico a energia solare e vento per sopravvivere per tutto l’inverno. La risoluzione oraria di questo nostro modello consente di calcolare l’offerta e la domanda per ogni giorno fino al 2050 in ciascuna delle 20 regioni. A questo proposito, i risultati orari (tutte le 8.760 ore di un anno) sono state selezionate per visualizzare la modellazione dello scenario moderato per la settimana più ricca di risorse (primavera) e la settimana di generazione di energia rinnovabile meno variabile (inverno) in Francia, Germania ed Europa nel suo insieme.
Il funzionamento orario del sistema energetico europeo integrato per lo scenario moderato nel 2050, durante la settimana della più alta generazionein primavera e la settimana della generazione più bassa in inverno, è raffigurata in
Fig. 4.8. Durante la primavera, la produzione di elettricità è notevolmente maggiore
nell’intervallo da 4.750 GW a 6.000 GW rispetto alla settimana invernale, che ha una produzione di elettricità compresa tra 3.000 GW e 3.500 GW.
Fig.4.8 operatività oraria del sistema energetico europeo
Mentre il solare fotovoltaico è la fonte di generazione di energia dominante nelle settimane di primavera, la generazione eolica e idroelettrica forniscono il fabbisogno energetico nelle settimane invernali. Molto più Power-to-Fuels può essere impiegato nelle settimane di primavera, nella settimana invernale è necessaria più energia per riscaldare. La carica e la scarica della batteria sono importanti in entrambe le settimane. C’è una parte di elettricità in eccesso disponibile nelle settimane di primavera. Al fine di comprendere meglio il funzionamento di un sistema energetico europeo integrato e interconnesso nel 2050 su base regionale, lo scenario moderato è stato modellato per una settimana in primavera e una in inverno in Germania (vedi Fig. 4.9). A questo livello regionale, la generazione di energia è più alta in primavera (fino a 470 GW) che in inverno (fino a 275 GW). Nella settimana di primavera, il solare fotovoltaico è la fonte di energia dominante, mentre si possono osservare minori quantità di generazione da parte del vento. Durante la settimana invernale, il vento è la fonte dominante di elettricità.Tuttavia, la capacità solare installata di 605 GW è in grado di produrrecirca il 16% della domanda giornaliera, nonostante ci siano meno di 8 oredi sole al giorno. Il valore delle interconnessioni è notato in entrambe le settimane, poiché le importazioni coprono una notevole quantità di elettricità, riducendo quindi la necessità di maggiori capacità delle batterie.
Fig. 4.9 funzionamento orario del sistema energetico in Germania
I generatori di energia, principalmente elettrolizzatori, sono più operativi nella settimana di primavera rispetto alla settimana invernale, che vede un aumento del funzionamento di Power-to-Heat, principalmente pompe di calore ed elettricità diretta per riscaldamento, per soddisfare la domanda di calore in inverno.
Nel complesso, in una situazione di costo ottimale nel 2050, le importazioni sono una fonte vitale di elettricità in Germania. Al contrario, la Francia esporta più quote di potenza nelle settimane primaverili e invernali (vedi Fig. 4.10).
Le importazioni sono osservate anche nella settimana invernale, mentre le batterie hanno un ruolo vitale con i cicli di carica e scarica in entrambe le settimane.
In sintesi, il sistema energetico europeo nel 2050 completamente integrato e basato su fonti rinnovabili al 100% funzionerà a colpo sicuro tutti i giorni dell’anno. Questo è vero durante le buie giornate invernali, quando le maggiori economie del continente, Germania e Francia, potranno entrambe facilmente far fronte alla domanda di energia. Mentre diverse tecnologie di stoccaggio ed i carburanti sintetici sono fondamentali, la possibilità di importare energia da paesi limitrofi nel sistema flessibile e altamente integrato è altrettanto importante.
Figura 4.10 funzionamento orario del sistema energetico in Francia
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