Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


domenica 16 settembre 2012

Punti di leva nell'accumulo di energia

Da Cassandra's Legacy. Traduzione di Massimiliano Rupalti



Questa è una versione scritta di una lezione che ho tenuto ai miei studenti del corso di “Tecnologia Avanzata dei Materiali”. In questo caso il tema della lezione, l'accumulo di energia, mi ha portato a sviluppare alcune considerazioni che hanno a che fare con il tipico modo umano di prendere così spesso la decisione sbagliata. Non sono sicuro se c'è una ragione termodinamica alla base di questa tendenza, ma questo post fornisce alcuni suggerimenti sul fatto che potrebbe essere così. L'immagine della cascata sopra è usata per indicare il flusso che risulta da un potenziale energetico. 


Salve a tutti e benvenuti. Oggi vorrei cominciare raccontandovi una cosa che mi è capitata ieri. Stavo facendo una presentazione sull'energia a un incontro pubblico e c'erano diverse persone politicamente schierate che assistevano. Durante il dibattito, qualcuno ha detto qualcosa tipo: “Vede, Professore, penso che se lei si candidasse alle prossime elezione prenderebbe zero voti”.

Lasciatemi dire che non era da intendersi come un'offesa. No, era la constatazione di un fatto ed era corretta. Ma cosa ho detto da rendermi totalmente ineleggibile? Be', ho detto che le risorse naturali sono limitate e che dovremmo sforzarci di consumarne di meno, non di più. Ma, naturalmente, non puoi presentarti alle elezioni con un programma del genere! C'è qualcosa, credo, che impedisce la connessione della realtà fisica con la politica ed è per questo che a volte ho l'impressione che la politica si possa definire come l'arte di prendere le decisioni sbagliate.

Naturalmente, la politica non è il tema della lezione di oggi, ma ho pensato di citarvi il dibattito di ieri perché penso che sia importante inquadrare il problema in modo ampio, altrimenti ci potremmo ritrovare in una situazione in cui spendiamo un sacco di energia e soldi per sviluppare tecnologie sofisticate per risolvere il problema sbagliato. Penso sia una situazione molto comune, molto più comune di quanto vorrei che fosse. E potrebbe anche essere così per l'accumulo di energia. Si spendono molti soldi ed energia per trovare soluzioni tecnologiche per accumulare l'energia prodotta dalle rinnovabili, ma molto poche per capire quale sia il vero problema. Di quanto accumulo di energia abbiamo veramente bisogno? Ed è vero che se non abbiamo il 100% dell'accumulo di energia allora le rinnovabili sono inutili, come dice qualcuno?

Su questo tema, vorrei partire citando una cosa detta qualche decennio fa da Jay Forrester, lo sviluppatore della dinamica dei sistemi. Lui diceva che i sistemi complessi hanno qualcosa che lui chiamava “punti di leva”, cioè, punti in cui si può agire per controllare il sistema facendo un piccolissimo sforzo. E aggiungeva un altro concetto: in genere la gente capisce molto chiaramente dove siano le “leve” del sistema, ma spesso tendono a tirarle dalla parte sbagliata, peggiorando il problema anziché risolverlo. L'idea di Forrester è stata resa popolare da un saggio piuttosto famoso di Donella Meadows intitolato "Leverage Points" (Punti di Leva). E' un saggio molto interessante, ve ne raccomando caldamente la lettura. Ma, oggi, concentreremo la nostra discussione sull'accumulo di energia.

Ricorderete sicuramente, dalle lezioni precedenti, che la dinamica dei sistemi è un modo curioso di disegnare rettangoli e piccole frecce. Così, quando disegniamo un rettangolo lo intendiamo come “stock” (riserva); una quantità di qualcosa. Quindi, fatemene disegnare uno sulla lavagna.
Questo riquadro rappresenta uno stock di risorse e l'ho contrassegnato con una “R”. Ora, con “risorse” possiamo intendere qualsiasi cosa, dai soldi nelle nostre tasche al grano in un granaio. La cosa interessante, tuttavia, è quando intendiamo queste risorse come energia. Quindi possiamo chiamare questo riquadro energia accumulata.

Pensate a questa energia accumulata come, ad esempio, a un serbatoio di benzina. Finché quest'energia rimane chiusa dentro il serbatoio, non fa niente per noi. Per far sì che l'energia sia utile per qualcosa, dobbiamo usarla, e per usarla, dobbiamo fare in modo che questa energia scorra; per far andare un motore bisogna bruciare benzina. Questo ha un valore generale ed è qui che le leggi della Termodinamica entrano in gioco. Sappiamo che l'energia dev'essere conservata e anche che dev'essere degradata. Quindi modifichiamo il diagramma per fare in modo che mostri i flussi di energia. 


Lasciate che vi spieghi. Vedete che c'è una doppia freccia che va dal riquadro “risorse” ad una nuvoletta in basso. Assumiamo che il riquadro abbia un potenziale termodinamico più alto della nuvola (che è un altro “stock”, ma non ci preoccupiamo di misurarne la dimensione). Così, l'energia scorre dal riquadro alla nuvola e si degrada nel processo. Potrebbe essere benzina che viene bruciata, acqua che scorre verso il basso da un bacino o cose simili. 


Lo scorrimento verso il basso dell'energia è regolato da una valvola rappresentata da un simbolo simile a una farfalla. Potete aprire e chiudere la valvola. Questo viene rappresentato nel modello dai valori variabili della costante “K1”. Questo regolerà il flusso, ma non è il solo fattore. Anche la dimensione del bacino avrà effetti sul potenziale e quindi sul flusso. Se fate uscire l'acqua dal fondo di una cisterna, la velocità del flusso dipenderà da quanta acqua c'è nella cisterna. Mentre fate uscire l'acqua, il flusso diminuirà gradualmente. Questo è un effetto comune anche ad altri tipi di sistemi, ma non sempre. Se pensassimo, invece, ad un serbatoio di benzina, il motore ovviamente non rallenterebbe quando la benzina diminuisce! 
Ho anche aggiunto un altro aspetto al modello: un modo per riempire il bacino. Qui abbiamo un altro tasso di flusso regolato da una valvola. L'energia scorre nel bacino da un altro stock ad un potenziale più alto. Anche questo stock è rappresentato da una piccola nuvola – il che sta a significare che non ci interessa la sua dimensione. Qui, assumo che non ci sia effetto da parte della dimensione dello stock sul tasso di flusso (pensate alla pioggia che riempie un bacino), che viene regolato semplicemente da una costante chiamata K0. Così abbiamo costruito un modello molto schematico di quello che intendiamo per accumulo di energia.  

Naturalmente, se scendiamo nei dettagli, vediamo che le reali caratteristiche fisiche dell'accumulo e della valvola varieranno a seconda del tipo di sistema con cui abbiamo a che fare. Immaginate di avere un carico immagazzinato in un condensatore (o in una batteria). E che possiate regolare il flusso di corrente attraverso una resistenza variabile. Se la resistenza obbedisce alle leggi di Ohm, allora il flusso (la corrente) è direttamente proporzionale al potenziale (voltaggio). Nel caso di batterie di automobile, viene fatto un grande sforzo per assicurarsi che il potenziale rimanga costante mentre la batteria si scarica. Questo fa sì che il sistema si comporti in modo molto diverso da una diga, ma assicura che la tua auto elettrica continui ad andare sempre con la stessa potenza a disposizione. Altrimenti sarebbe come una grande auto giocattolo che rallenta mentre si muove. 

Qualsiasi siano i dettagli del sistema, il punto è che il costo dell'energia in relazione al controllo delle valvole è spesso molto piccolo in confronto alla quantità di energia che può essere accumulata in un sistema. Quindi, avete il potere di controllare il potenziale del sistema. Naturalmente, avete bisogno di avere la giusta tecnologia, l'attrezzatura, l'ingegneria ed altro. Ma una volta che avete questa capacità – e spesso non è così difficile – allora controllare il flusso diventa una decisione che può essere presa indipendentemente dalla termodinamica. Penso che ora possiamo capire cosa avesse in mente Forrester con la sua idea dei “punti leva”. I parametri termodinamici del sistema non possono essere cambiati facilmente, ma grandi stock di energia possono essere controllati da una valvola relativamente minuscola, come un condotto di una diga o le barre di controllo di un reattore nucleare. E' un bel po' di potere che potete avere su quei sistemi.

Ma, allora, cosa significa quello che diceva Forrester, “tirare le leve nella direzione sbagliata”? Be', questa è la parte interessante. Torniamo al semplice modello di stock e flussi che abbiamo fatto prima. Pensiamo all'energia accumulata, stavolta, in termini di petrolio greggio accumulato nel sottosuolo, nei sui depositi naturali. Ora, sapete cosa dice la maggior parte dei politici su questo. Dicono che dovremmo investire sull'aumento della produzione di risorse petrolifere nazionali. Dicono che in questo modo creeremo lavoro, faremo ripartire la crescita economica e tutto il resto. Ma, nei termini del diagramma di stock e flusso, cosa significa esattamente? Ecco, qualcosa del genere:

“R” sta per giacimenti petroliferi. Ovviamente, non c'è il flusso in input, cioè non c'è petrolio che arriva nello stock, visto che il petrolio si è formato milioni di anni fa e nessuna attività politica può influenzare eventi che hanno avuto luogo nel Giurassico. Così, quello che è avvenuto è questo: mentre stavamo estraendo (o producendo, se volete) petrolio, la quantità dello stesso rimasta nel sottosuolo è scesa gradualmente. Questo ha cambiato il potenziale dei pozzi. La quantità di energia che potete ottenere da un barile di petrolio non è cambiata, ma l'energia totale che potete ottenere dal sistema è minore, visto che ci vuole più energia per estrarre la stessa quantità di petrolio. Questo cambiamento dei parametri termodinamici del sistema appare sotto forma di parametri economici. Ci vuole sempre più denaro per estrarre il petrolio e questo tende a ridurre il flusso segnato come “tasso 1” (rate1). Qui stiamo incrociando il concetto di “picco del petrolio”, ma non entriamo nei dettagli adesso.

Tornando a Jay Forrester, molta gente è perfettamente in grado di capire dove siano le “leve” e i nostri politici non fanno eccezione. Dicono che dovremmo agire sulla valvola del diagramma. Dovremmo aumentare il coefficiente K1 in modo da compensare la tendenza del sistema o rallentare il suo tasso di produzione. Questo è certamente possibile con investimenti, tecnologia ed altre cose. Ma capite che è un errore, vero? Aumentando il tasso di produzione finiremo il petrolio più rapidamente! E' quello che ho chiamato “Effetto Seneca”, in un post dove ho preso ispirazione dall'antico filosofo Romano, Seneca, quando diceva che la rovina è molto più rapida della fortuna. Spingendo per estrarre più petrolio dalle riserve rimaste, potremmo forse avere una breve abbondanza di petrolio,   ma poi lo vedremmo finire molto più velocemente del “normale” tasso di esaurimento delle riserve. Sfortunatamente, sembra che non molti politici leggano i miei post, ahimè... 

Quindi potete capire perché ieri all'incontro mi hanno detto che avrei preso zero voti come candidato alle prossime elezioni. Vedete? Proporre di produrre meno petrolio significa aumentare i prezzi della benzina, il che non è mai molto popolare in un contesto politico. Penso che non sarebbe impopolare quanto se proponessimo, diciamo, di abolire il calcio qui in Italia. Ma ci andrebbe sicuramente vicino. 

Questo illustra l'errore che viene dall'aprire troppo la valvola. Naturalmente, la gente può fare l'errore opposto, anche se questo caso è un po' più delicato. Torniamo al caso di una diga. Se non lasciate scorrere l'acqua, cioè se tenete chiusa la valvola, allora la diga strariperà.
Potete vedere questo caso come una valvola che si comporta in modo non lineare – che ha una soglia. Ancora peggio, se c'è troppo potenziale nel bacino, la diga potrebbe cedere. Questo è un altro tipo di soglia per la valvola; uno molto pericoloso, naturalmente. Ci sono altri esempi. Al tempo dei motori a vapore, la gente tendeva ad aumentare la pressione nei bollitori agendo sulle valvole di regolazione. Questo dava loro più potenza, certo, ma a volte il tutto esplodeva. Pensate al controllo di un reattore nucleare ed avete lo stesso problema. E' quello che è accaduto col disastro di Chernobyl. I tecnici del reattore avevano i mezzi per controllare il flusso di energia generata dal reattore ma hanno lasciato accumulare troppo potenziale. Quando si sono accorti di quello che succedeva, si sono affrettati a cercare di spegnere il reattore, ma era troppo tardi. Così, il punto è che ogni volta che hai un potenziale energetico, se lo lasci accumulare, esso cercherà di liberare o “sfogare” questo potenziale in modi che possono non avere niente a che fare con una leva (o valvola) che siete in grado di controllare. Molti incidenti accadono a causa di questo effetto. Purtroppo.

Un fenomeno tipico, qui, è che potreste pensare di avere tutto sotto controllo; cioè anche se la vostra “leva” lavora bene, non sarete in grado di gestire il sistema come vorreste. Se ci sono ritardi nel sistema, gli esseri umani dovranno faticare per capirli e il risultato sarebbero delle grandi oscillazioni; molto difficili da controllare e che possono causare un sacco di danni. Questo fenomeno è stato studiato da – indovinate da chi! - Jay Forrester che lo ha chiamato “effetto frusta”. Viene normalmente applicato ai sistemi aziendali, ma anche i sistemi aziendali devono obbedire alle leggi della termodinamica. I sistemi possono oscillare e collassare anche senza l'intervento umano. E' il caso della cosiddetta “criticità auto-organizzata”. Potreste averne sentito parlare come del “modello della pila di sabbia”. E' un modello di tipo diverso, ma le valanghe nel mucchio di sabbia sono, alla fine, causate dal potenziale gravitazionale che agisce sui granelli.

Così, penso che abbiamo afferrato il punto che volevo evidenziare in questa presentazione. Leve o valvole sono modi di creare potenziali e di lasciarli accumulare. E' cosa buona avere tali valvole, ma dobbiamo essere molto attenti con quello che facciamo. A volte sperperiamo il potenziale accumulato e a volte potremmo creare alti potenziali che poi non riusciamo a controllare. Il risultato potrebbero essere delle oscillazioni incontrollabili. 

Ora, torniamo al problema col quale eravamo partiti: accumulo di energia per le rinnovabili. Ciò che dice spesso la gente in questo - specialmente i politici – è che dovremmo costruire un grande sistema di accumulo di energia che ci permetterebbe di avere energia “su richiesta” quando ci serve. Ma, siccome sarebbe troppo costoso, il problema è spesso considerato come la ragione definitiva per la quale le rinnovabili non saranno mai utili. 

Ma analizziamo la questione più in profondità. Energia “a richiesta” significa che vogliamo prezzi stabili e piena disponibilità ad ogni momento. Ma l'accumulo, in sé, non è garanzia di stabilità. Considerate il petrolio greggio: non c'è problema nell'accumularlo; di sicuro non abbiamo il problema di doverlo usare prima che sparisca, come è invece per il vento o per la luce solare. Ma i prezzi del petrolio fluttuano parecchio, come sappiamo tutti. Noi attribuiamo ciò che chiamiamo “volatilità dei prezzi” a fattori di mercato. Ma possiamo anche vederli come manifestazione del “effetto frusta” che Forrester ha descritto molto tempo fa. Così, l'accumulo non garantisce in sé la stabilità dei prezzi, al contrario potrebbe aumentare la grandezza delle fluttuazioni!

Lasciatemi spiegare. Se c'è poco spazio di accumulo disponibile, i produttori devono ridurre i prezzi per vendere l'energia che producono prima di doverla buttar via. E' esattamente l'opposto quando i produttori hanno molto spazio di accumulo. Col petrolio al sicuro nei pozzi, i produttori potrebbero essere tentati a lasciarli lì e aspettare che i clienti diventino disperati e disposti a pagarlo qualsiasi prezzo. Temo che qualcosa del genere dev'essere successo più di una volta nel mercato mondiale del petrolio. E potrebbe diventare sempre più frequente quando i produttori capiranno che le loro risorse si stanno esaurendo gradualmente.

Così, l'idea di Forrester risulta essere corretta ancora una volta. Richiedendo sempre più accumulo di energie rinnovabili, stiamo tirando le leve nella direzione sbagliata. Se vogliamo ridurre la volatilità dei prezzi dovremmo fare esattamente l'opposto: dovremmo ridurre l'accumulo al posto di aumentarlo. Naturalmente, non fatemi dire che non abbiamo affatto bisogno di accumulo. Abbiamo bisogno di accumulo per servizi essenziali, per ospedali e cose simili. Abbiamo bisogno di essere in grado di accendere le luci anche in una notte senza vento. Ciò di cui non abbiamo affatto bisogno è un sistema che miri a fornire energia “su richiesta” ad ogni momento a prezzo costante. Sarebbe enormemente caro e avremmo grandi problemi nel mantenerlo stabile. 

Piuttosto, il miglior compromesso in termini di costi sarebbe un sistema con un accumulo limitato che usi i prezzi come un mezzo per gestire la domanda. Con un sistema simile potreste avere tanta energia quanta ne volete, in ogni momento, ma dovete anche essere disposti a pagare per averla. Questo potrebbe essere visto come un problema, ma anche come un'opportunità. Potreste dover pagare parecchio per l'energia in certi momenti, ma potreste anche averne di molto a buon mercato in altri momenti. Questa è un'opportunità se potete essere flessibili. E' un po' come col viaggio aereo. Se siete flessibili col vostro viaggio, potete viaggiare a prezzi bassi. Altrimenti dovete essere pronti a pagare molti soldi per il vostro biglietto. Incidentalmente,  queste tecniche di “gestione della domanda” usate dall'industria delle compagnie aeree danno la possibilità di viaggiare anche a persone che altrimenti non si sognerebbero nemmeno di permettersi un biglietto aereo. Qualcosa di simile potrebbe avvenire per l'energia in futuro – limitare la quantità di accumulo potrebbe rendere l'energia più abbordabile anche per i poveri.

Vorrei concludere questo discorso con considerazioni anche più generali sull'intero sistema economico. Possiamo vedere l'economia come una macchina che accumula energia in forma di “capitale” e gradualmente lo rilascia sotto forma di rifiuti (o “inquinamento” se preferite). Il punto interessante è che anche qui si applica la legge di Forrester, cioè che tendiamo a tirare le leve nella direzione sbagliata. Uno di questi modi sbagliati sarebbe quello di aprire troppo la valvola. E' ciò che chiamiamo “consumismo”. Naturalmente, consumare qualcosa significa distruggerla ed io ho la sensazione che forse lo stiamo facendo davvero troppo in fretta, non siete d'accordo con me? Questo è certamente un problema. L'altro modo possibile di operare sulla valvola nel modo sbagliato è che in qualche caso accumuliamo così tanto capitale – cioè, così tanto potenziale – che perdiamo il controllo su come viene dissipato. Potremmo superare qualche soglia che rende la dissipazione molto rapida, di fatto disastrosamente rapida. Chiamiamo questo tipo di fenomeno “guerra”, cioè, a proposito, un altro esempio di come la politica riesca  molto spesso a prendere la decisione sbagliata. 

Così, vedete che esiste qualcosa come il troppo accumulo e penso che vi stiate facendo qualche idea di come la dinamica dei sistemi, se accoppiata con la termodinamica, vi da una visione ampia di molti tipi di fenomeni. Molti sono parecchio rilevanti per la nostra vita. Ora, naturalmente questa lezione non è sull'economia e nella prossima entreremo ulteriormente nei dettagli della tecnologia dell'accumulo di energia; batterie, celle a combustibile e simili. Ma penso che questa introduzione potrebbe esservi utile e spero che abbia chiarito, almeno, che sapere di termodinamica non sarà molto utile alla vostra futura carriera politica, nel caso ne stiate programmando una!