The role of nuclear in the energy transition : correlation analysis for sustainability indicators and a CO2 emission reduction assessment

Curbing the carbon emissions is the current priority faced by institutions and policymakers worldwide. Resorting to nuclear electricity production is one of the possible alternatives to achieve this mission, in spite of its controversial position in the public debate. However, to secure a just and sustainable energy transition, the impacts of nuclear on the highest possible number of dimensions should be determined as well. Hence, the aim of the present work is to assess if and how nuclear may play a role in the energy transition. From the methodological perspective, first a literature review of the state-of-the-art of sustainability assessment has been carried out to identify a framework of suitable indicators. Second, data for the EU27+UK countries has been collected and distributed as a function of the share of nuclear in the national electricity production mix, to verify the existence of possible trends, which were then mathematically framed by means of regression analyses. Moreover, the indicators for nuclear and non-nuclear countries were further investigated by other proposed examinations. Third, an extended Kaya identity analysis has been performed in the 2000-2018 period to determine the impact of activating or shutting down nuclear units, and to compare the contribution to the emissions brought by nuclear-to-fossils and renewables-to-fossils substitution for Romania and Bulgaria, selected in light of a series of prerequisites that make them representative for the study. The results showed that, at the current state, the only valid correlations with nuclear are those of decarbonization and emissions indicators. Still, other dimensions should be further analyzed with more complete or reliable data whenever available, especially for water use and job creation. Two further conclusions were drawn regarding emissions and decarbonization. First, the comparative analysis of the regression lines for nuclear and non-nuclear countries showed that the joint presence of nuclear and renewables may be more effective than having renewables alone for total low-carbon shares higher than around 40% to curb emissions and to decarbonize the power sector. Second, according to the proposed analysis, replacing electricity production by fossils with nuclear showed a more significant positive impact on reducing emissions for the examined countries than the renewables-to-fossils substitution at same electricity produced.

Ridurre le emissioni di CO2 è l’attuale priorità affrontata dalle istituzioni e dai policymakers nel mondo. La produzione di energia elettrica da nucleare è una delle possibili alternative per compiere tale missione, nonostante la posizione controversa che tale soluzione occupa nel dibattito pubblico. Tuttavia, per garantire una effettiva transizione energetica sostenibile, si dovrebbe determinare il suo impatto su più dimensioni possibili. Lo scopo del presente elaborato è di valutare se, e come, il nucleare possa ricoprire un ruolo nella transizione energetica. Dal punto di vista metodologico, dapprima è stata svolta una revisione della letteratura sullo stato dell’arte delle procedure di sustainability assessment per individuare degli indicatori che formassero un framework di sostenibilità. Successivamente, i dati relativi sono stati raccolti per i 28 paesi dell’area EU27+UK e analizzati su grafici di dispersione in funzione della quantità di nucleare nel mix di produzione elettrica nazionale, e i trend individuati sono poi stati validati da analisi di regressione. Inoltre, delle ulteriori analisi riguardo agli indicatori per i paesi con e senza nucleare sono state proposte per ragionare sulle possibili differenze riscontrate. Infine, l’analisi di un’identità di Kaya estesa è stata svolta per il periodo 2000-2018 su Romania e Bulgaria, scelti come paesi in seguito al soddisfacimento di una serie di requisiti, per calcolare l’impatto sulle emissioni dovuto all’attivazione e alla chiusura di reattori nucleari e per confrontare gli effetti della sostituzione di fonti fossili nel mix con il nucleare e le rinnovabili. I risultati hanno mostrato che, allo stato attuale, le uniche correlazioni evidenziabili per il nucleare sono quelle con gli indicatori relativi a decarbonizzazione ed emissioni. Tuttavia, il suo impatto sulle altre dimensioni dovrebbe essere analizzato con dati più completi e affidabili quando saranno disponibili, specialmente per il consumo di acqua e la creazione di posti di lavoro. Due ulteriori conclusioni sono state formulate riguardo all’impatto del nucleare sulle emissioni e sulla decarbonizzazione. La prima è che, confrontando le rette di regressione per i paesi con e senza nucleare, la presenza congiunta di nucleare e rinnovabili nel mix, superata una soglia del circa 40% per la produzione low-carbon di elettricità, potrebbe essere più efficace della presenza delle sole rinnovabili per ridurre le emissioni e decarbonizzare il settore energetico. La seconda è che l’effetto della sostituzione di fonti fossili nella produzione elettrica da parte del nucleare è risultato più incisivo sulle emissioni rispetto a quello della sostituzione di fossili da fonti rinnovabili per entrambi i paesi presi in esame.