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Economia, Corso di L.M. in Ing. Elettrotecnica, A.A. 2013-2014. Prof. R. Sestini

SCHEMA DELLE LEZIONI DELLA UNDICESIMA SETTIMANA

Energia e ambiente: le fonti rinnovabili

Premesse (1)

DEFINIZIONE di esternalità:

Si ha una esternalita’, positiva o negativa, quando si verificano

congiuntamente le seguenti 2 condizioni:

� le decisioni relative al consumo o alla produzione prese da un certo

agente economico influenzano, in maniera positiva o negativa, il

benessere di altri agenti;

� e’ impossibile procedere a compensazioni monetarie tra agenti

svantaggiati ed agenti avvantaggiati dall’esternalita’ stessa.

LIVELLO EFFICIENTE di una RISORSA di RILEVANZA AMBIENTALE

L’efficienza (sociale) nell’uso di una certa risorsa si ha quando non e’ possibile

che la posizione di qualche componente della societa’ migliori senza che al

contempo cio’ induca un peggioramento nella posizione di qualche altro

componente della societa’.

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Un esempio

La risorsa ambientale e’ la qualita’ dell’acqua di un lago, fonte di acqua

potabile per un villaggio turistico.

Ipotesi:

una impresa, nel produrre, deposita agenti inquinanti nell’acqua del lago,

provocando nei riguardi del villaggio una esternalita’ negativa

Si indichi con

� Q = livello di produzione (ed anche un indicatore del livello di

inquinamento).

� I profitti costituiscono un indicatore dei benefici netti privati B(Q).

� Poiche’ Q identifica sia la produzione che livello

di inquinamento, il beneficio privato per

l’impresa che scaturisce dall’inquinare coincide

proprio con la funzione di profitto.

La condizione per la massimizzazione del profitto e’ :

BM (Q) = 0,

dove BM (.) indica il beneficio marginale privato.

Si noti che:

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� la curva BM(Q) e’ decrescente, poiche’ in concorrenza perfetta il MR e’

costante, mentre e’ ragionevole supporre che il MC sia crescente.

� l’area al di sotto di BM (Q) rappresenta il beneficio totale privato

dell’inquinamento.

La curva del danno marginale dell’inquinamento

DM(Q)

e’ ipotizzata essere crescente, poiche’ esprime il valore (al margine) che il

villaggio attribuisce al danno causato dall’impresa.

L’area al di sotto della curva DM (Q) rappresenta i costi totali del danno

ambientale subito dal villaggio.

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Q* costituisce il livello socialmente efficiente (o Pareto-efficiente) di

inquinamento, in quanto massimizza la differenza tra benefici e costi sociali.

Dal punto di vista analitico, Q* e’ la soluzione del problema:

max SB(Q) = B(Q) – D(Q)

da cui BM (Q) = DM (Q)

MA il livello scelto da parte dell’impresa e’ QP > Q*.

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Un processo di negoziazione tra le parti e’ in grado di condurre al livello di

inquinamento socialmente efficiente ??

Teorema di Coase

A patto che i diritti di proprieta’ siano correttamente definiti (e dunque

negoziabili), un processo di contrattazione tra le parti puo’ condurre al livello

di esternalita’ efficiente.

Si noti che il risultato finale del processo di contrattazione e’ indipendente

dalla allocazione iniziale dei diritti di proprieta’.

1° CASO: i diritti di proprieta’ sono attribuiti al villaggio (= il villaggio

ha il diritto ad avere acqua pulita). Il punto iniziale, da cui puo’ cominciare la

contrattazione e’ dunque Q = 0.

Le due parti, l’impresa e il villaggio, hanno un mutuo vantaggio a contrattare

finche’ il risarcimento massimo che l’impresa e’ disposta a pagare e’ superiore

alla somma (minima) che il villaggio richiede per essere risarcito del danno

causato dall’inquinamento.

Il passaggio dal livello di inquinamento iniziale (pari a 0) al livello Q*

comporta un miglioramento nel senso di Pareto per entrambe le parti, ovvero

conduce ad un miglioramento nell’efficienza sociale.

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2° CASO: i diritti di proprieta’ sono attribuiti all’impresa.

Essa inquinera’ fino al punto Qp, che massimizza il beneficio privato.

Anche in questo caso e’ possibile mostrare che entrambe le parti, l’impresa

ed il villaggio, hanno interesse a concludere contratti che prevedano una

riduzione dell’inquinamento da Qp a Q*.

Se i diritti di proprieta’ sono esattamente definiti e negoziabili tra i

contraenti, gli scambi tra individui danno luogo ad una allocazione efficiente

dell’esternalita’.

CRITICHE al TEOREMA DI COASE

� e’ necessario che non vi siano effetti reddito. Se cosi’ fosse il processo

di contrattazione potrebbe spostare le curve del danno e del beneficio

marginale delle due parti.

� Ciascuna controparte conosce esattamente la funzione obiettivo

dell’altra controparte, ed agisce in base ai principi della concorrenza

perfetta (cioe’ e’ price-taker);

� Non vi sono consistenti costi di transazione;

� Atteggiamento delle parti disponibile alla contrattazione (assenza di

hold-up)

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NELLA REALTA’ osserviamo la sistematica violazione di una o piu’ condizioni

richieste dal teorema di Coase:

� il numero delle parti e’ superiore a 2;

� esistenza di costi di transazione e di difficolta’ nella acquisizione

dell’informazione;

� gli agenti economici hanno potere di mercato;

� fenomeni di resistenza a raggiungere accordi con la controparte.

ENERGIA e AMBIENTE: le FONTI di ENERGIA RINNOVABILI

Non esiste ancora una definizione unica e condivisa di “green

economy”.…

Tuttavia, il concetto di sostenibilita’ implica che non si puo’ prescindere dalla

diffusione di tecnologie e fonti “low-carbon” per la produzione e il consumo di

energia.

“Nel medio termine (2035) le rinnovabili contribuiranno per oltre il 20% alla

riduzione complessiva delle emissioni di gas serra rispetto allo scenario

tendenziale” secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia.

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Intersezione tra questione energetica e questione ambientale.

Attualmente nella maggior parte dei paesi industrializzati il fabbisogno

energetico e’ soddisfatto perlopiù facendo ricorso al petrolio e al gas

naturale (in Italia nel 2001 queste due risorse insieme fornivano piu’

dell’80% dell’energia consumata).

Entrambe sono fonti esauribili e non riciclabili.

In base ai modelli sulle risorse esauribili, il petrolio e il gas naturale

costituiscono combustibili di transizione: essi dovranno essere impiegati

(nell’ottica di una allocazione efficiente) fino a che il MC dell’uso di una loro

ulteriore unita’ non supera il MC delle risorse sostitutive.

Possibili soluzioni:

� Risorse esauribili con offerta + abbondante (es.

carbone);

� Fonti rigenerabili (es. energia solare).

Cruciale, nel reperire fonti di energia alternative, e’ (anche) la stima

degli effetti sull’ambiente.

I dati piu’ recenti mostrano ancora l’importanza dei combustibili fossili per

i sistemi energetici mondiali: su un totale di poco più di 12.000 Mtep (milioni

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di tonnellate equivalenti di petrolio), più dell’85% deriva da combustibili di

transizione, ovvero:

carbone,

prodotti petroliferi

gas naturale.

Si stima che, per il 2020, il fabbisogno di energia primaria prodotta

dalle suddette fonti fossili potrebbe essere vicino al 90%, se non si interviene

con importanti ed efficaci politiche energetiche

Problemi connessi con l’impiego del carbone:

- emissioni di anidride solforosa, responsabili del fenomeno delle piogge

acide;

- emissioni di biossido di carbonio, uno dei gas serra implicati nel

fenomeno del riscaldamento globale.

se nel far uso del carbone non si tiene conto dei costi ambientali

(esterni) il mercato indurrà una eccessiva dipendenza da tale fonte

energetica.

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Viceversa le energie rinnovabili (cioè energia idroelettrica, solare termica e

fotovoltaico, eolica, geotermica, da biomasse, dalle maree, dai rifiuti)

presentano la caratteristica della “rinnovabilità”, e producono inoltre un tipo

di energia “pulita”, cioè con minori emissioni inquinanti e gas serra. enfasi

sulle rinnovabili,

Altre opzioni:

� tecnologie del carbone pulito come la cattura e lo stoccaggio del

carbonio (CSS= coal with carbon capture and storage),

� Nucleare

Comuni caratteristiche economiche delle fonti energetiche

rinnovabili:

� Rilevanti costi fissi;

� Costi variabili bassi o nulli

AC dipendente dal livello di output.

� Inoltre, tutte le rinnovabili - eccetto quelle da rifiuti – non hanno costi

da combustibili. Esse presentano esclusivamente costi delle operazioni

di manutenzione degli impianti (O&M)

Al contrario, una grossa centrale a carbone fa ampio uso di combustibili ed

emette 30 o piu’ migliaia di tonnellate di CO2.

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Al fine di comprendere se le rinnovabili saranno sempre piu’ una via

percorribile, occorre rispondere a 2 quesiti:

1) Sono esse piu’ costose rispetto ai combustibili fossili?

2) Possono essere disponibili in larga scala, tanto da poter sostituire

totalmente i combustibili fossili?

Quesito n.1)

Abbiamo visto che nel caso delle rinnovabili

� AC dipende fortemente dalla scala di produzione (e varia molto),

� mentre MC è estremamente basso.

� A scopo comparativo è utile impiegare una nozione di AC. Faremo uso

del LCOE (levelized cost of energy) ossia il costo di produzione

costante dell’energia , rapportato all’intera vita dell’impianto, e

comprensivo dei costi esterni (LSCOE).

Per comprendere l’entità dei costi esterni:

Stime dei costi sociali dei combustibili fossili :

� Nordhaus, 2009: costo sociale delle emissioni di CO2 = 8 $ per

tonnellata.

� Stern Review, 2006: 85 $ per tonnellata!

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N.B. Vi sono inoltre emissioni di SO2 e di vari ossidi di azoto e particelle fini

FONTE: dati Commissione Europea:

NB: questi dati includono un costo sociale di 16 euro per tonnellata di

emissioni di CO2 (molto basso!)

Incorporando le stime di Stern, avremmo un lcoe di 11 c/kwh per il

carbone, versus 5 c/kwh per le rinnovabili.

E i costi privati delle rinnovabili?

Confronto del LCOE dell’eolico con altre tecnologie

(cent€2010/kWh)

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La convenienza ad investire nelle rinnovabili dipende da 4 fattori:

1) Prezzo del petrolio e di altri combustibili fossili (attualmente volatili

poiché sia la domanda che l’offerta sono inelastiche rispetto al prezzo,

ma la domanda è altamente elastica rispetto al reddito)

2) Costo attribuito alle emissioni di CO2

3) Costo del capitale

4) Incentivi o sussidi concessi ai produttori di elettricità ‘verde’.

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Quanto al punto 1), elevati prezzi del petrolio sono stati il fattore

determinante per gli investimenti nelle rinnovabili nel 2007 e 2008;

Il 2) ha un effetto ovvio: un alto prezzo delle emissioni influenza il costo

dell’elettricità (da carbone) e rende le rinnovabili competitive;

Anche il 3) è chiaro, per via degli alti costi fissi delle rinnovabili (spesso +

elevati che per i combustibili fossili)

Quanto al 4), cioè al ruolo degli incentivi, basta considerare il caso della

Germania, caratterizzata dalla piu’ alta penetrazione di energia solare del

mondo, poche ore di sole, e generosi incentivi.

Per il caso degli USA, si veda la figura seguente:

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Attualmente ben 3 di questi fattori non volgono a favore dello sviluppo delle

rinnovabili negli USA:

� Il prezzo del petrolio e di altri combustibili fossili è piuttosto basso,

� Il prezzo delle emissioni di CO2 è zero (e molto basso anche nella UE)

� Il capitale è scarso

� Solo il regime regolatorio è piuttosto favorevole.

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Altri meccanismi incentivanti:

� Negli USA il c.d. “Renewable Portfolio Standard”, in base al quale i

produttori di elettricità devono garantire una % di produzione specifica

da fonti rinnovabili (in alcuni Stati trasferibile)

� In Italia, il D. Lgs 78/99 (c.d. Decreto Bersani) ha introdotto l’obbligo

per produttori e importatori, a partire dal 2010, di immettere energia

elettrica prodotta con impianti da fonti rinnovabili per una quota pari al

2% dell’energia elettrica prodotta o importata nell’anno precedente

eccedente i 100 GWh.

� Il Conto Energia è stato introdotto in Italia con la Direttiva

comunitaria per le fonti rinnovabili (Direttiva 2001/77/CE), recepita con

l’approvazione del Decreto legislativo 387 del 2003.

Questo meccanismo, che premia con tariffe incentivanti l’energia

prodotta dagli impianti fotovoltaici per un periodo di 20 anni, è

diventato operativo con l’entrata in vigore dei Decreti attuativi del 28

luglio 2005 e del 6 febbraio 2006 (Primo Conto Energia) che hanno

introdotto il sistema di finanziamento in conto esercizio della produzione

elettrica, sostituendo i precedenti contributi statali a fondo perduto

destinati alla messa in servizio dell’impianto.

� Con il DM 28/12/12, il c.d. decreto “Conto Termico”, si dà attuazione al

regime di sostegno introdotto dal decreto legislativo 3 marzo 2011, n.

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28 per l’incentivazione di interventi di piccole dimensioni per

l’incremento dell’efficienza energetica e per la produzione di energia

termica da fonti rinnovabili.

Gli interventi incentivabili si riferiscono sia all’efficientamento

dell’involucro di edifici esistenti (coibentazione pareti e coperture, sostituzione

serramenti e installazione schermature solari) sia alla sostituzione di impianti

esistenti per la climatizzazione invernale con impianti a più alta efficienza

(caldaie a condensazione) sia alla sostituzione o, in alcuni casi, alla nuova

installazione di impianti alimentati a fonti rinnovabili (pompe di calore,

caldaie, stufe e camini a biomassa, impianti solari termici anche abbinati a

tecnologia solar cooling per la produzione di freddo).

Possono accedere agli incentivi :

A) interventi di incremento dell’efficienza energetica

B) interventi di piccole dimensioni relativi a impianti per la produzione di

energia termica da fonti rinnovabili e sistemi ad alta efficienza

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Stato dell’arte, Problemi di implementazione

e Prospettive:

Nel 2010 gli investimenti mondiali in tecnologie pulite son aumentati del

30% rispetto all’anno precedente, arrivando a superare i 240 miliardi di

dollari, un picco mai raggiunto prima e pari a quasi 5 volte il livello

d’investimenti del 2004.

MOTIVI:

� meccanismi di incentivazione;

� progressiva decrescita del costo delle tecnologie , causata da economie

di scala, innovazione tecnologica, relativa facilità di accesso al credito

I grandi investimenti degli ultimi anni hanno consentito di raggiungere, a

livello mondiale, una quota di copertura dell’offerta totale di energia primaria

(12.264 Mtep) attraverso le fonti di energia rinnovabile pari a quasi il 13%

del totale, grazie a un contributo energetico che ha superato i 1.500 Mtep.

Si noti che oltre il 71% di questa energia proviene dalla biomassa solida,

fortemente utilizzata nei paesi con economie in via di sviluppo per scopi non

commerciali, come ad esempio il riscaldamento delle abitazioni.

La rimanente produzione proviene per gran parte dal settore idroelettrico con

circa il 18% del totale da rinnovabili.

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Inoltre, dal 1990 al 2008 i maggiori tassi di crescita medi annui della

produzione di energia si registrano tra le “nuove” fonti rinnovabili come

solare fotovoltaico ed eolico che mostrano aumenti, rispettivamente, del

42,3% e 25,1%. Lo sviluppo e’ stato particolarmente evidente nei paesi

europei.

Nuove installazioni nel periodo 2000-10, in ordine gerarchico: gas,

eolico, fotovoltaico.

Saldo negativo per petrolio, carbone e nucleare.

Sviluppi attesi nella UE:

Gli obiettivi per i singoli Stati membri in materia di fonti rinnovabili sono stati

stabiliti in maniera vincolante dalla Commissione Europea attraverso la

Direttiva 2009/28/CE. (PACCHETTO CLIMA-ENERGIA: OBIETTIVO 20/20/20=

ridurre le emissioni di gas serra del 20 %, alzare al 20 % la quota di energia

prodotta da fonti rinnovabili e portare al 20 % il risparmio energetico, il tutto

entro il 2020” )

Secondo la Direttiva, entro il 2020, il 20% dei consumi finali lordi di energia

dell'Unione Europea dovrà essere costituito da energia prodotta da fonti

rinnovabili.

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Dai PAN degli Stati membri, si ha che nel 2020 le fonti rinnovabili

consentiranno di andare oltre l’obiettivo posto dalla Commissione grazie a

una quota del 20,7% rispetto al totale dei consumi finali di energia.

In particolare le fonti rinnovabili raggiungeranno il maggiore livello di

penetrazione nel settore elettrico, coprendo il 34% dei consumi totali

(soprattutto biomassa per usi termici ed eolica)

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Eventuali problemi di implementazione sono dovuti alla discontinuità

nella fornitura di energia (es. sole, vento).

In aggiunta, nel caso dell’eolico vi è il problema della dislocazione

geografica. Si richiede un investimento nella capacità della rete

elettrica per un adeguato sfruttamento. Tuttavia, l’eolico onshore è

competitivo rispetto ai combustibili fossili (lcoe 8-10 cent/kwh versus poco

meno di 7 per il carbone senza carbon tax!).

L’eolico offshore potrebbe costituire uno sviluppo interessante.

Solare (fotovoltaico + CSP, cioe’ impianti a energia solare concentrata):

� fotovoltaico piu’ oneroso (lcoe 25-30 cent/kwh). Non competitivo

al momento per connessioni con la rete elettrica ma adatto per

installazioni su singoli stabili.

� CSP piu’ competitivo . Inoltre ha il potenziale di risolvere il

problema dell’intermittenza rispetto al fotovoltaico.

Geotermico: ha il problema della distribuzione geografica ma non quello

della discontinuità.

Tecnologia EGS (Enhanced Geothermal Systems = sistemi geotermici

migliorati): non è ristretta ad aeree con forte attività sismica. Uno studio del

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MIT riferisce che la tecnologia EGS sarà competitiva nell’arco di due decenni

(5-10 cent/kwh).

L’energia idrotermica è alquanto competitiva e profittevole (3.5 cent/kwh).