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Titolo: Economia di scala ed EPR e gigantismo

Un link interessante proposto da Alessandro:
http://atomicinsights.blogspot.com/2010/06/can-smaller-nuclear-plants-be-more.html
mi ispira ad un'intervento che smaschera un'altro dei fasulli cavalli di
battaglia degli antinuclearisti. Quello della ipotetica non convenienza
della energia nucleare.
In sostanza travasano sul nucleare in generale, un difetto specifico di
un certo nuclearismo malato di manie faraoniche.
Anzi, spesso elencano tra i vantaggi del fotovoltaico, uno che non e'
specifico del fotovoltaico, quello che micro-impianti permettono minori
investimenti iniziali e quindi sono piu' accessibili (anche se ad un
maggiore prezzo per unita' di prodotto reso). Chi e' interessato a
piccoli quantitativi, come il consumo elettrico domestico si trova in
una situazione in cui i costi accessori (impianto, pratiche
burocratiche, gestione) indicono molto sul costo vivo della "tecnologia"
applicata e quindi le percezioni su cosa costa o non costa subiscono uno
slittamento.
Ricordo che spesso i "contro" il nucleare si riempono la bocca dei costi
faraonici di un'impianto tipo l'EPR da 1600 MW confrontandolo con il
costo di poche migliaia di euro di un'impianto fotovoltaico domestico.
Il paragone non ha alcun senso (si dovrebbe fare il confronto del costo
ripartito sull'energia producibile), ma fa appello sul concetto sopra
esposto, di come e' attraente l'accesso a costi di investimento
accessibili anche per un bilancio domestico (naturalmente ripartito ed
ammortato in un numero sufficiente di anni). Hmmm ... a dire la verita'
questo "accesso" e' possibile grazie al "faraonico" incentivo,
altrimenti, la famiglia dovrebbe calcolare un mutuo almeno di 50 anni
(sempre che gli interessi siano tali da arrivare al punto di non
ritorno, ovvero che non e' possibile ripagare l'impianto con il valore
dell'energia prodotta).
Ho trovato un'altro interessante articolo sull'argomento:
http://web.mit.edu/alamaro/www/IEEE_economy_of_scale.pdf
dove si osserva come, per fare un'esempio di interesse comune di
chiunque utilizza internet, nonostante che il costo per unita' di tempo
di accesso ad un terminale di un elaboratore principale (main-frame) sia
minore di quello di un computer personale (PC), il PC abbia preso piede
per altri vantaggi dovuto primariamente al fatto che il PC e' "piccolo".
Tra parentesi un'altro errore del mito del "grande e' meglio", si ha
nell'agricoltura, ove e' noto che la produzione agricola per unita' di
lavoro e' minore nelle grandi fattorie, a coltivazione estensiva, che
hanno i mezzi finanziari per accedere a costose macchine e la
possibilita' di sfruttarle a pieno su ampie distese. Pero', ... la
produzione totale per unita' di superficie agricola e' di molto
superiore nelle piccole fattorie (da 2 a 10 volte!!!). Fonte:
http://www.inmotionmagazine.com/devore5.html
Tra parentesi: la grossa agricoltura pianificata sovietica e' anche
fallita per questa semplice verita': il piccolo produce molto di piu'
per unita' di terra.
Insomma, occorre sempre tenere presente che cosa si "misura".
Torniamo alle centrali elettriche.
Per evitare un messaggio troppo lungo (gia' parecchio arrosto fin qui
:-), spezzo qui e prosegue in sequenza nel thread ... cosi' chi volesse
fare considerazioni puo' limitarsi a pochi argomenti.
-- 
Roberto Deboni
[Messaggio Usenet via Tiscali su 
text.giganews.com
. Se leggete via Web
il sottoscritto informa che non conosce o partecipa al sito/forum Web.]

 Torniamo alle centrali elettriche.
Una centrale elettrica e' prima di tutto un'impianto industriale.
L'esperienza insegna che, almeno fino ad un certo punto, il prezzo di
una apparecchio aumenta con un coefficiente empirico di 0,6 rispetto
alla potenza resa. Esempio:
- se un motore da 100 kW costa  1000 Euro
- un motore da 1000 kW costerebbe 6000 Euro
cioe' 4000 Euro in meno di 10 motori da 100 kW che fanno lo stesso
lavoro. Ovviamente questo risparmio significativo e' solo quando la
produzione cresce linearmente con l'aumento di potenza e non ci sono
costi accessori relativi al gigantismo dell'impianto (cosa che invece
accade proprio con l'EPR ...).
Vediamo di capire quale e' questo limite nel settore della generazione
elettrica. Sicuramente il settore termoelettrico e' un settore maturo,
ormai con un secolo di vita, operanti in modo sufficiente secondo regole
di mercato. Quindi le "prassi" industriali relative ci danno una
indicazione di quali sono i valori "ideali", come dimensioni.
Prendiamo, ad esempio, la centrale termoelettrica di Montalto di Castro,
la piu' grande d'Italia: 3600 MW(elettrici)
Ed anche tra le piu' moderne a progetto tradizionale (mono-tipo).
A prima vista questo parebbe dare ragione ai francesi ... ma se andiamo
a guardare meglio, non e' una unica unita' di produzione, bensi' si
tratta di quattro gruppi identici policombustibile da 600 MW(e) cadauno
 e 8 unita' turbogas da 100 MW(e) cadauno (parziale ciclo combinato ?).
IMHO, questo significa che il "limite" pratico/economico per una unita'
generazione elettrica e' intorno ai 600 MW(e).
Quindi, primo punto contro i 1600 MW(elettrici) dell'EPR (la cui unita'
a vapore e' quasi tre volte piu' grossa).
Tra parentesi, il limite "pratico industriale" per le turbogas pare
intorno ai 250 MW(e) e dovendo la turbina a vapore essere dimensionata
in base al calore di scarico resto dalle stesse, anche se in coppia, si
ha una potenza "normale" per una centrali a ciclo combinato intorno ai
750 MW(e).
La considerazione che pero' una turbina a vapore ha una convenienza
tecnica per dimensioni maggiori dei 400 MW(e) renderebbe ancora piu'
interessante l'integrazione termica apportata da un campo solare ...
(vedi il thread sulla sorpresa dal Marocco).
Per ora, la scelta industriale per assicurarsi che la turbina a vapore
non sia troppo piccola e' abbinare gli scarichi di due turbogas per ogni
turbina a vapore. Suppongo che se non si usano tre turbogas e' per
motivi pratici di altro tipo (forse la distanza tra le unita', etc.).
Uno potrebbe a questo punto obbiettare: anche se le turbine a vapore
"ideali" sono intorno ai 600 MW(e), forse il nucleare conviene
ugualmente di grande dimensione, semplicemente basta aggiungere piu'
turbine per ogni "reattore".
Ma oltre al dimensionamento tecnico/economico della turbina a vapore,
una centrale nucleare a ciclo tradizionale (U-235) ha un grosso
problema, quello di una certa instabilita' del processo nucleare che
produce il calore (la caldaia nucleare) e che richiede investimenti in
sistemi di sicurezza.
In altre parole, in caso di emergenza, si interviene in modo energico,
bloccando in tronco le reazioni nucleari. Ma anche cio' faccendo c'e'
una "inerzia" termica che richiede di continuare a dissipare il calore
che si era formato nel nocciolo del reattore fino a poco prima e che non
scompare d'incanto solo perche' si sono fermate le reazioni.
Insomma, spegnere un reattore nucleare non e' come spegnere un
bruciatore di una caldaia di vapore, in cui basta chiudere il rubinetto
del combustibile.
In un reattore nucleare occorre continuare a potere scaricare il calore
che si trova nel nocciolo fino a quando non si e' raffreddato a
sufficienza. Questo significa che nel caso di qualsiasi tipo di guasto
che fermi l'afflusso di calore dal nocciolo verso la sezione di
generazione vapore oppure che fermi l'estrazione di vapore dalla sezione
di generazione vapore (ad esempio per un fermo rapido dei generatori, ad
esempio per un blackout occorso in rete ?), occorre un qualche sistema
di emergenza alternativo di raffreddamento del nocciolo per il tempo
occorrente a scaricare il calore residuo.
Ebbene, il dimensionamento (e quindi il costo) di questi sistemi di
emergenza, dipende dalla dimensione del nocciolo. Ma, attenzione, il
volume del nocciolo da raffreddare in caso di incidente cresce con il
cubo mentre la capacita' naturale di disperdere il calore cresce con il
quadrato. Questo significa che con l'aumentare della dimensione, il
costo dei sistemi di emergenza aumenta molto di piu'.
Inoltre, piu' e' grosso e' il nocciolo e piu' catastrofico e' l'evento
in caso di incidente se fallisce anche il sistema di emergenza. Questo
obbliga ad una ridondanza progettuale dei sistemi di emergenza,
moltiplicando ulteriormente il costo causato solo dalla "dimensione" del
reattore e non intrinseca nella sola tecnologia.
Nel caso dell'EPR, se non sbaglio, gli impianti di emergenza sono
"quadrupli". Il che significa, riepilogando:
- maggiori costi per un sistema di emergenza a maggiore dimensione
- maggiori costi per la duplicazione di questi sistemi maggiorati
- maggiori costi (del denaro) a causa di una piu' lunga durata dei tempi
di costruzione a causa della maggiore complessita' di un'impianto
equivalente quasi a quello di 4 impianti tradizionali in un solo edificio
Questo e' il secondo punto contro i 1600 MW(e) dell'EPR (ed e' il punto
spesso menzionato come argomento "contro" il nucleare, che pero' con il
nucleare di per se ha poco da fare).
Una grossa unita' di produzione causa un'ulteriore problema: se la
dimensione e' tale per cui il sistema produttivo e' composto da un
numero limitato di unita', ogni fermo (previsto o non previsto) produce
un grosso squilibrio (specialmente localmente) mettendo, anche a dura
prova, le reti elettriche di connessione, che devono sopperrire a flusso
concentrati sostitutivi fino a potenze di 1600 MW(e) e scusate, ma si
tratta di un linea elettrica di tutto rispetto, anche se non tra le piu'
grandi, tutta dedicata solo a questa funzione ...
Questo e' il terzo punto contro i 1600 MW(e) dell'EPR.
Nell'industria nucleare civile, ove operi in condizioni di libero
mercato (in sostanza, in passato, principalmente negli Stati Uniti), si
e' osservato che quando impianti simili sono costruiti dalla *stessa
organizzazione*, gli impianti successivi costano meno, e questo su una
esperienza di 110 reattori costruiti dall'industria civile.
Secondo uno studio della Rand Corporation, vale la regola empirica che:
"raddoppiando il numero di reattori costruiti da un progettista, si ha
una riduzione del 5% sia in tempi di costruzione che di costo
dell'impianto".
Una tabellina esemplificativa del suo significato:
                    costo
Reattore 1           100
Reattore 2            95
Reattori 3 e 5        91
Reattori 6,7,8 e 9    86
Successivi 8 reattori 82
Nel caso della scelta ENEL per l'EPR significherebbe che il costo
totale, fatto 100 per il primo, sia di 100+95+91+91=377 per 6400 MW(e).
Nell'ipotesi invece di costruire 16 reattori (un AWHR dall'India ?) da
400 MW(e) ognuno, il costo finale, sempre fatto 100 per il primo,
sarebbe di 100+95+2*91+4*86+8*82 = 1377 (le cifre sono una coincidenza).
Questo significa che la pratica empirica del libero mercato americano ci
dice che un reattore da 400 MW(e) potrebbe costare fino al 10% in piu'
nominalmente per ogni MW di potenza di un EPR eppure essere ugualmente
competitivo. Infatti se un EPR costasse 100 ed un AHWR costasse 27
(ovvero 4 AHWR costassero 108), alla fine si spende meno per costruire
16 AHWR, ovvero 108 * 1377/100 = 371,8 invece di 4 EPR, ovvero 100 *
377/100 = 377 unita'.
Il fenomeno e' noto anche sotto il nome di "curva di esperienza".
Questo e' il quarto punto contro i 1600 MW(e) dell'EPR.
E non dimentichiamo che la costruzione di un AHWR (o qualsiasi altro
piccolo reattore) richiede la meta' del tempo di costruzione di un EPR:
- e' molto meno complesso (non ha bisogno di 4 sistemi ridondanti di
sicurezza, e chiunque si intenda un minimo di software puo' immaginare
quando cresce la complessita' del software di gestione con una tale
ridondanza, quasi un'incubo gestionale)
- e' molto piu' piccolo (meno persone che lavorano significa anche piu'
spazio e tranquillita' per gli operai, se guardate le immagini dall'alto
del cantiere dell'EPR sembra un vero e proprio formicaio di gente)
- usa componenti di minore dimensione, quindi piu' facili da
controllare, anche utilizzando attrezzature di piu' frequente
reperimento, quindi accessibili da un maggiore numero di aziende (e piu'
concorrenza, a pari qualita' del risultato, significa sempre un minore
costo economico) e quindi meno fermi sul cantiere, meno intoppi [qui
voglio rimarcare che l'EPR non sara' pericoloso, perche' ci sono
numerosi controlli esterni ed indipendenti sull'operato delle aziende,
ma la maggiore difficolta' si ripercuote in tempi di costruzione piu'
lunghi ed in maggiori costi per tutti, fornitori e committente]
Questo e' il quinto punto contro i 1600 MW(e) dell'EPR.
Nota bene: qualcuno potrebbe dire, ma avere 16 reattori significa
trovare 16 siti. Cosi' non e', nulla vieta di mettere insieme 4 AHWR nel
sito previsto per un'EPR.
Segue ...


 Segue ...
Parte 3 di tre parti:
A questo punto, qualcuno potrebbe chiedersi, ma perche' i francesi hanno
puntato su una soluzione tipo EPR ?
IMHO ... forse perche' in Francia non operano in regime di concorrenza ?
Forse perche' sono sempre stati un po' malati di "grandeur" ?
Forse perche' hanno una mentalita' parastatale, e nonostante tutto il
rispetto per la loro efficienza, pero' certe volte sono un po' slegati
dalla realta' delle cose ?
L'autore dell'articolo citato da Alessandro ricorda che le prime aziende
coinvolte nella storia del nucleare civile Westinghouse, General
Electric, etc. erano gruppi aziendali grossi, molto grossi ed erano
organizzati per produrre energia su grande scala. E nella loro
esperienza, centrali elettriche piu' potenti producevano elettricita'
piu' economica. Il problema e' che una centrale nucleare e' qualcosa di
nuovo, ove la sezione "caldaia" presenta problematiche diverse da quelle
di un bruciatore di olio combustibile o carbone.
Questo ha portato alla costruzione di reattori nucleari sempre piu'
grossi il che ha limitato il loro numero al centinaio citato.
Se considerate che la parti interessate sono dell'ordine di una decina,
ognuna ha avuto mediamente percio' la possibilita' di costruire intorno
alla decina di reattori, chi piu', chi meno.
E poi c'e' stato un lungo fermo, mentre gradualmente gli impianti sono
stati migliorati (specialmente dopo l'incidente di Three Mile Island) e
potenziati (quando la domanda di energia ha continuato a crescere)
Quindi in realta' e' mancata una vera competizione e si e' rimasti su
impianti formato "dinosauro".
Se invece si fosse costruiti svariate centinaia di reattori di
dimensione moderata, le cose sarebbero state diverse.
Anche qui, come nel caso delle auto elettriche, il cambiamento arriva
dagli out-sider rispetto all'estabilishment, ovvero nazioni diverse,
come l'India (ma anche l'Iran potrebbe essere interessante) che in un
certo senso hanno tratto (l'Iran potrebbe trarne) un vantaggio
dall'isolamento internazionale a cui sono stati sottoposti, oppure
aziende nuove, come Toshiba.
[Nota: la Corea del Nord non ha espresso alcun progresso per il semplice
fatto che si tratta di una dittatura, ove quindi le scelte sono limitate
all'intelligenza e capacita' del singolo al potere]
Un'altro problema di reattori cosi' grossi come l'EPR e' che e'
difficile inserirli nella programmazione, se la domanda di mercato e'
per aggiungere poche centinaia di MW(e) su un'ampia area, i progettisti
tradizionali del nucleare finora hanno risposto che quel mercato non e'
pronto per il nucleare. Il progetto Toshiba di Galena in Alaska potrebbe
provare quanto hanno sbagliato.
Oggi, arriviamo ad studiare la costruzione di unita' da 200 kW(e)
ognuno, unita' che potrebbero essere costruiti in quantita' di migliaia.
E questo potrebbe far scendere i prezzi come sono scesi i prezzi della
auto quando Ford ha iniziato a produrre il modello T.
Gia' 200 kW(e) e' una dimensione gestibile da un grosso condominio, e
l'inserimento in un condominio significa una immediata capacita' di
riutilizzo del calore di scarto (per una unita' del genere si tratta di
oltre 600 kW(termici), come dire che per ogni 1 kW contrattuale c'e' un
bonus di 4 kW termici ... tutto l'anno (acqua calda ad iosa, oltre che
una utile integrazione termica d'inverno).
Come ho gia' ricordato, il concetto di un reattore sigillato, sepolto
per 30 anni a decine di metri di profondita', potrebbe significare una
certa autonomia energetica per piccole comunita' isolate e l'esperienza
accumulata rendere il tutto fattibile anche per grossi condomini financo
nelle citta'.
In quanto alla "paura" del "radioattivo", faccio solo presente che
alcune vostre bisnonne avevano ancora paura delle automobili. Eppure
oggi nessuno considerebbe l'ipotesi di vietare le auto per tornare al
cavallo. Anzi, semmai, oggi il cittadino medio ha paura di un cavallo,
specie se non sembra mansueto :-)
PS: spero che questo sistema di "spezzare" il post attenui il problema
della "abbondanza" ...
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 puntato su una soluzione tipo EPR ?
Un EPR può generare squilibri di potenza, vero. Tanti EPR invece si
bilanciano fra loro. Questa può essere una prima chiave di lettura.
Ossia: non posso pensare di costruire un solo reattore di questa
potenza.
Inoltre bisogna considerare che tutta l'industria nucleare è andata via
via a proporre impianti sempre più grandi secondo me per mitigare il
problema del costo di impianto. Tuttavia quest'idea funziona se il
reattore funziona sempre a (quasi) piena potenza e se si ha una rete
elettrica estesa e ben magliata. È il caso appunto della Francia.
Non per questo sono stati abbandonati progetti per reattori più piccoli,
più adatti per Paesi dove la domanda elettrica è minore e/o dove la rete
è meno magliata. A tal proposito si veda IRIS, sempre un PWR di
generazione III+.
Quindi, per concludere: esiste l'impianto grande e quello piccolo, a
seconda dei casi. Tuttavia è meglio stare almeno sopra ai 100 MWe, se no
la turbina a vapore ha un rendimento veramente scarso.
-- 
Lurkos


Infatti noto che la taglia "termoelettrica standard" va dai 250 ai 400
MW(e), massimo 600 MW(e), quindi e' da presumere che siano questi i
valori "ottimali" di rapporto potenza/costo.
Unita' piu' grosse, sono invece piu' rare, in genere affibbiate a
reattori nucleari: ci sara' un motivo ?
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 reattori nucleari: ci sara' un motivo ?
Il ciclo del vapore in un reattore nucleare segue trasformazioni
differenti (ciclo rankine semplice invece che ciclo hirn con
risurriscaldamenti), quindi la turbina č diversa ed č progettata
diversamente. Non sono possibili confronti diretti.
Detto questo sorge una domanda: l'EPR ha solo una serie di turbine,
oppure divide la portata del vapore fra piů macchine?
-- 
Lurkos


La risposta e' la mostruosa Arabella ...
http://www.power.alstom.com/home/new_plants/nuclear/products/turbines/40341.EN.php?languageId=EN&dir=/home/new_plants/nuclear/products/turbines/
http://www.power.alstom.com/home/new_plants/nuclear/products/turbines/_files/file_40341_273533.jpg
nulla di dire, le' una tosa bellissima, solo piuttosto "gigante" :-)
Ecco la turbina per l'EPR finlandese:
http://www.fi.alstom.com/home/FI_HomeLeft/Technology___Innovation/Arabelle/22754.EN.php?languageId=EN&dir=/home/FI_HomeLeft/Technology___Innovation/Arabelle/
1550 MW(e) ... le due foto a destra danno l'idea della turbina e del ...
corrispondente generatore.
Infatti, c'e' anche il problema della macchina elettrica.
Come si va' per la manutenzione dei cuscinetti ?
Che sappia io, per tutta la meccanica, dovremo essere ai limiti della
resistenza dei comuni materiali ...
Insomma, se a Montalto di Castro hanno messo 4 turbine da 600 MW(e)
invece di due da 1200 MW(e) oppure di una da 2400 MW(e) qualche motivo
ci sara' stato ... e ritengo fortemente che sia economico, nonostante
eventuali differenze nel ciclo.
Inoltre non conosco alcun caso (ma posso sbagliarmi ...) in cui si
utilizza una "caldaia" in comune per far funzionare piu' turbine di
potenza equivalente.
Il problema dovrebbe essere nella efficienza di combustione/gestione che
predilige una "caldaia" per ogni "turbina" (infatti, cosa accade se una
delle turbine e' per un mese in manutenzione, con che efficienza
funzionerebbe la "caldaia", convenzionale o nucleare che sia ?).


 Successivi 8 reattori 82
Non ho capito questa tabella , perchè per es, manca il reatt n°4 e il 6,7 e 
i num
succ costano uguale ?
Per inciso, se un reattore da diciamo 1000 MWe costa solo 4 volte più di uno
da 100 MWe, è interessante che 10 reattori da 100 MWe costruiti in serie
costano invece 8 volte tanto, ma se il dato sembrerebbe sfavorevole alla
versione da 100 MWe, di fatto i tempi più ridotti di costruzione ne rendono
molto più convenienti i *prezzi* (non i costi). Oppure se costruire dieci 
reattori da 1000 MWe costano 32 volte che uno da 100 MWe, costruire cento 
reattori da 100 MWe (se non ho sbagliato i conti, correggetemi se sbaglio) 
costa solo 20 volte di più (impressionante quindi quanto le economie di 
massa su grandi numeri incidano)
[ P.S. : ricordo che chi non lo sapesse che la somma: 1 + x + x^2 +....+ x^n 
= (1 - x^(n +1))/(1 - x) ]

 funzionerebbe la "caldaia", convenzionale o nucleare che sia ?).
Beh, gli RBMK-1000 hanno due circuiti differenti per la gestione di due
turbine da 500 MW

 elettrica estesa e ben magliata. Č il caso appunto della Francia.
Un'altro fattore č la certificazione dei componenti. Fino a certi
limiti, la verifica e la certificazione degli elementi č poco dipendente
dalle dimensioni; e quindi ecco un altro "incentivo" a fare singoli
reattori sempre piů potenti.

 funzionerebbe la "caldaia", convenzionale o nucleare che sia ?).
Dipende. Non è detto che tu possa neanche accendere la caldaia, come al
contrario è possibile funzionare. Non penso si possano fare congetture
su questo punto.
Se si fa una progettazione dedicata credo si possa risolvere questo
problema.
-- 
Lurkos

> Successivi 8 reattori 82 (ovvero i numeri da 9 a 16)


 Non capisco cosa intende per successivi (82 e' meno di 86).
Tipo, come sarebbe la situazione al reattore 17 ?


Un'ulteriore 5% in meno ?