Da “Resource crisis”. Traduzione di MR
Guidare la transizione energetica (parte 1): principi ed implicazioni
Di Sgouris Sgouridis (*)
Abstract: Seguendo la metafora del seminatore, vi presento una visione quantificata di quanta energia esattamente abbiamo bisogno di investire del nostro attuale paniere per essere in grado di navigare in sicurezza in una transizione energetica sostenibile. Ciò è nel contesto di una definizione formale di cinque principi per la transizione energetica. Attualmente investiamo circa lo 0,25% del nostro surplus di energia disponibile netta in capacità di generazione di energia rinnovabile (questo è il rapporto di investimento in energia rinnovabile - “epsilon”). Deve essere aumentato fino a circa il 3% (un ordine di grandezza) perché i nostri sistemi energetici siano in grado di fornire una società da 2000W pro capite su scala globale senza superare il bilancio del carbonio del IPCC (notate che la moderna vita occidentale consuma circa 8000W pro capite). Se permettiamo emissioni sfrenate, allora dobbiamo aumentare questo tasso ancora del 1,5%.
L'energia è una condizione sine qua non per qualsiasi sistema auto-organizzato, eppure è rappresentata solo marginalmente in ciò che passa per essere una pianificazione a lungo termine delle nostre società. Siamo diventati dipendenti da carbonio fossile a buon mercato e energeticamente denso in modo critico, ma il suo prezzo e le esternalità climatiche sono andati aumentando mentre ci avviciniamo al picco di produzione. Ciò necessita una transizione a fonti energetiche rinnovabili. Questo post affronta i requisiti fisici e finanziari impliciti se questa Transizione Energetica Sostenibile (TES) deve avvenire come risultato di una trasformazione pianificata e senza soluzione di continuità, non forzata sulle nostre società. Più specificamente, nella prima parte presento cinque principi (i primi tre sono limitanti e gli ultimi due normativi) che possono essere usati come una guida per la transizione. Sulla base del quarto principio, dimostro la necessità di aumentare la quantità di investimento in risorse di energia rinnovabile globalmente di un ordine di grandezza per raggiungere una Transizione Energetica Sostenibile all'interno del bilancio del carbonio del IPCC. I dettagli degli assunti e la metodologia si possono trovare in Sgouridis & Csala 2014. Nella seconda parte, a partire dal quinto principio, presento un concetto di una valuta energetica che possa mobilitare risorse per raggiungere questo obbiettivo, allineando meglio il sistema monetario ai limiti della biosfera.
In genere è buono cominciare con una definizione per creare le basi comuni necessarie a comprendere e giudicare un'idea. In questo caso, definirò la TES come:
un processo controllato che porta ad una società tecnica ed avanzata per sostituire tutti i grandi input di energia primaria dei combustibili fossili con risorse rinnovabili sostenibili, mantenendo un livello di servizio energetico finale pro capite sufficiente.
Come sono solite fare le definizioni, questa cerca di catturare molti concetti in modo sintetico. Ma le parole chiave sono “controllata”, “tecnica”, “tutti” e “sufficiente”. Le idee espresse indicano che la transizione debba essere dolce e non associata a un drammatico sconvolgimento sociale (controllata). Dovrebbe permettere alla società perlomeno di mantenere le proprie capacità tecnologiche (tecnica) e a livello individuale di soddisfare una certa soglia di disponibilità di energia finale (sufficiente).
Sapendo che la transizione sarà completa quando praticamente tutti i combustibili fossili saranno sostituiti, possiamo tracciare l'evoluzione della transizione fino all'attuale situazione energetica. In questo esercizio, è istruttivo usare una prospettiva di metabolismo energetico concentrandoci sulla disponibilità netta di energia. In questo modo emerge un quadro trasparente e non ambiguo che toglie il velo che le economie hanno posto sulla pianificazione a lungo termine.
Perché questa transizione si di fatto “sostenibile”, dovremmo preoccuparci dei tre pilastri della sostenibilità (ambientale, sociale, economica). Estendendo le idee di Daly, proponiamo cinque principi che devono essere soddisfatti - de minimis – perché una TES abbia successo:
I. Che il tasso di emissioni inquinanti sia inferiore alla capacità di assimilazione dell'ecosistema.
II. Che la generazione di energia rinnovabile non superi la capacità di carico a lungo termine dell'ecosistema, né che lo comprometta irreparabilmente.
III. Che la disponibilità energetica pro capite rimanga al di sopra del livello minimo richiesto per soddisfare i bisogni sociali in qualsiasi momento durante la TES e senza discontinuità distruttiva nel suo ritmo di cambiamento.
IV. Che il tasso di investimento per l'installazione di generazione rinnovabile e il consumo di capitale sia sufficiente a creare una fornitura di energia rinnovabile a lungo termine prima che le risorse non rinnovabili recuperabili in sicurezza siano esaurite.
V. Che l'impegno per il consumo futuro (per esempio l'emissione di debito) venga accoppiato alla, e limitato dalla, futura disponibilità di energia.
Il primi due principi affrontano l'aspetto ambientale (né i fossili né le rinnovabili devono avere un impatto irreparabile sull'ambiente entro una generazione umana). Il terzo affronta l'aspetto sociale assicurando che (i) sia disponibile un livello minimo di energia e (ii) che il ritmo di cambiamento nella disponibilità di energia non sia troppo drastico da creare collassi dei sistemi di supporto sociali. Un corollario direttodi questo è che una società più equa affronta una TES più facile di una iniqua. Infine, gli ultimi due principi affrontano la sostenibilità economica (fisica e finanziaria). Il principio IV, una variante della regola di Hartwick in letteratura economica, garantisce che il tasso di investimento in energia rinnovabile sia sufficiente a compensare la riduzione della fornitura di combustibili fossili, mentre il principio V fa la connessione fra emissione di debito e disponibilità di energia per servire il debito in futuro (che è il tema della seconda parte).
Visti da una prospettiva normativa, i primi tre principi fungono da vincoli della funzione di transizione – il primo da un limite superiore nella quantità di energia fossile disponibile, il secondo mette un limite alla quantità di rinnovabili che possono essere istallate, il terzo fornisce un confine inferiore nella disponibilità di energia pro capite (e della sua prima derivata durante la transizione). Gli ultimi due però sono prescrittivi e perseguibili – offrono un approccio quantificabile per stimare il minimo di investimento energetico in energia rinnovabile e il debito massimo che può essere esteso per quel livello di investimento.
Concentrandosi sul lato fisico, possiamo essenzialmente creare un'equazione che colleghi il rapporto di investimento in energia rinnovabile (epsilon) alla disponibilità netta di energia per la società che può essere vista sotto (derivazione nel saggio e nel supplemento):
Questa equazione ricorsiva può essere risolta numericamente o analiticamente per stabilire la potenza netta disponibile secondo differenti ipotesi del valore di epsilon. Sotto fornisco, come punto di partenza della discussione, un confronto dell'evoluzione della disponibilità futura di energia secondo lo scenario che segue. Tipico delle transizioni energetiche (e per compensare i vincoli di discontinuità del principio III), ipotizziamo nel saggio che ci vogliano 30 anni per cambiare epsilon dal suo valore attuale di circa 0,25% (in realtà ipotizziamo lo 0,375% in questo modello) per “individuare” il valore e confrontare semplicemente la disponibilità di energia con la domanda di energia, assumendo che (a) la popolazione segua le previsioni a medio termine dell'ONU e si stabilizzi a 9 miliardi di persone per il 2050, (b) che la domanda pro capite di energia converga verso i 200oW e (c) che l'efficienza con cui convertiamo l'energia primaria in energia finale migliori del 25% (i dettagli sulle ipotesi che riguardano la popolazione sono descritti nel saggio di Sgouridis e Csala).
I risultati sono molto chiari: se permettiamo ai combustibili fossili di fare il loro corso friggendo il pianeta nel processo, dobbiamo comunque aumentare il nostro tasso di investimento in rinnovabili di quattro volte. Se decidiamo di salvare il clima e di aderire alle raccomandazioni del IPCC di non più di 3010 Gigatonnellate di CO2 antropogenico nell'atmosfera per il 2100 per avere il 50% di possibilità di rimanere al di sotto dei +2°C per la fine del secolo (che, apropos, é ancora l'equivalente morale di caricare un revolver con tre pallottole e giocare alla roulette russa coi nostri nipoti), ci serve un aumento di otto volte tanto il tasso di investimento in rinnovabili. Naturalmente, ci sono assunzioni chiave sensibili come l'EROEI delle rinnovabili (in questi scenari parte da 20 ed aumenta con le installazioni) – i lettori sono invitati a inserire i propri assunti nel nostro modello – tuttavia crediamo che le nostre scelte non siano ne prudenti né aggressive e intendiamo migliorare la risoluzione della simulazione disaggregando le tecnologie rinnovabili specifiche come abbiamo fatto coi combustibili fossili.
(*) Sgouris Sgouridis è professore associato all'Istituto Masdar di Scienza e Tecnologia (Emirati Arabi Uniti). I suoi interessi di ricerca sono concentrati nella comprensione delle transizioni all'energia sostenibile usando la modellazione di sistemi tecnico-sociali. Ha lavorato sul concetto di valuta energetica, su quello dell'adozione di veicoli elettrici, sull'aviazione sostenibile e sulle transizioni energetiche sostenibili locali e globali. Ha dato inizio allo sviluppo del Consorzio per la Ricerca della Bioenergia Sostenibile all'Istituto Masdar ed è stato un membro del comitato di revisione del Premio Energia Futura Zayed negli ultimi quattro anni. Ha un dottorato in Sistemi Ingegneristici (MIT-2007), un Master in Tecnologia e Politica e un Master in Trasporti (MIT-2005) ed una Laurea in Scienze (ad honorem) in Ingegneria Civile ed Ambientale (199-Università di Aristotle).
In un precedente post, ho usato il concetto di “strategia del seminatore” per proporre che il modo di risolvere il nostro dilemma dell'esaurimento e della distruzione climatica è quello di usare i combustibili fossili per sbarazzarci dei combustibili fossili. In altre parole, dobbiamo usare energia fossile – finché ce l'abbiamo – per sviluppare sostituti all'energia fossile. Ciò equivale alla vecchia strategia dei contadini di “tenere da parte le proprie sementi”. Ma quante sementi dobbiamo mettere da parte esattamente? In questo post, Sgouris Sgouridis fornisce una risposta. Risulta che per avere una transizione dolce e graduale all'energia rinnovabile prima che l'energia fossile diventi troppo costosa, dobbiamo intensificare gli investimenti in rinnovabili di un fattore 4-10 che dovrebbe essere raggiunto per mezzo di un aumento annuale dell'attuale investimento fra il 6% e il 9%. Alla fine, il tasso di investimento dovrebbe raggiungere delle quantità nell'ordine degli 1,5-2,5 trilioni di dollari per il 2045. E' un risultato stuzzicante, perché un 9% di aumento annuale è possibile: abbiamo fatto crescere le rinnovabili a tassi più rapidi fino ad ora. Ed anche una quantità totale di un paio di trilioni di dollari non è impossibile, considerando che l'attuale PIL mondiale è di circa 72 trilioni di dollari (in confronto anche agli 1,7 trilioni di dollari all'anno spesi per il sistema militare mondiale). Sfortunatamente, è del tutto possibile che l'azione della lobby dei combustibili fossili sarà capace di rallentare la crescita delle rinnovabili o persino di fermarla completamente. In questo caso, non saremo in grado di evitare un crollo significativo (e probabilmente disastroso) della quantità di energia disponibile in tutto il mondo, quando il declino inevitabile dell'energia fossile farà il suo corso. Ciononostante, ogni investimento in energia rinnovabile che possiamo fare ora, nel prossimo futuro aiuterà a rendere la transizione meno dura per tutti noi.
Guidare la transizione energetica (parte 1): principi ed implicazioni
Di Sgouris Sgouridis (*)
Abstract: Seguendo la metafora del seminatore, vi presento una visione quantificata di quanta energia esattamente abbiamo bisogno di investire del nostro attuale paniere per essere in grado di navigare in sicurezza in una transizione energetica sostenibile. Ciò è nel contesto di una definizione formale di cinque principi per la transizione energetica. Attualmente investiamo circa lo 0,25% del nostro surplus di energia disponibile netta in capacità di generazione di energia rinnovabile (questo è il rapporto di investimento in energia rinnovabile - “epsilon”). Deve essere aumentato fino a circa il 3% (un ordine di grandezza) perché i nostri sistemi energetici siano in grado di fornire una società da 2000W pro capite su scala globale senza superare il bilancio del carbonio del IPCC (notate che la moderna vita occidentale consuma circa 8000W pro capite). Se permettiamo emissioni sfrenate, allora dobbiamo aumentare questo tasso ancora del 1,5%.
L'energia è una condizione sine qua non per qualsiasi sistema auto-organizzato, eppure è rappresentata solo marginalmente in ciò che passa per essere una pianificazione a lungo termine delle nostre società. Siamo diventati dipendenti da carbonio fossile a buon mercato e energeticamente denso in modo critico, ma il suo prezzo e le esternalità climatiche sono andati aumentando mentre ci avviciniamo al picco di produzione. Ciò necessita una transizione a fonti energetiche rinnovabili. Questo post affronta i requisiti fisici e finanziari impliciti se questa Transizione Energetica Sostenibile (TES) deve avvenire come risultato di una trasformazione pianificata e senza soluzione di continuità, non forzata sulle nostre società. Più specificamente, nella prima parte presento cinque principi (i primi tre sono limitanti e gli ultimi due normativi) che possono essere usati come una guida per la transizione. Sulla base del quarto principio, dimostro la necessità di aumentare la quantità di investimento in risorse di energia rinnovabile globalmente di un ordine di grandezza per raggiungere una Transizione Energetica Sostenibile all'interno del bilancio del carbonio del IPCC. I dettagli degli assunti e la metodologia si possono trovare in Sgouridis & Csala 2014. Nella seconda parte, a partire dal quinto principio, presento un concetto di una valuta energetica che possa mobilitare risorse per raggiungere questo obbiettivo, allineando meglio il sistema monetario ai limiti della biosfera.
In genere è buono cominciare con una definizione per creare le basi comuni necessarie a comprendere e giudicare un'idea. In questo caso, definirò la TES come:
un processo controllato che porta ad una società tecnica ed avanzata per sostituire tutti i grandi input di energia primaria dei combustibili fossili con risorse rinnovabili sostenibili, mantenendo un livello di servizio energetico finale pro capite sufficiente.
Come sono solite fare le definizioni, questa cerca di catturare molti concetti in modo sintetico. Ma le parole chiave sono “controllata”, “tecnica”, “tutti” e “sufficiente”. Le idee espresse indicano che la transizione debba essere dolce e non associata a un drammatico sconvolgimento sociale (controllata). Dovrebbe permettere alla società perlomeno di mantenere le proprie capacità tecnologiche (tecnica) e a livello individuale di soddisfare una certa soglia di disponibilità di energia finale (sufficiente).
Sapendo che la transizione sarà completa quando praticamente tutti i combustibili fossili saranno sostituiti, possiamo tracciare l'evoluzione della transizione fino all'attuale situazione energetica. In questo esercizio, è istruttivo usare una prospettiva di metabolismo energetico concentrandoci sulla disponibilità netta di energia. In questo modo emerge un quadro trasparente e non ambiguo che toglie il velo che le economie hanno posto sulla pianificazione a lungo termine.
Perché questa transizione si di fatto “sostenibile”, dovremmo preoccuparci dei tre pilastri della sostenibilità (ambientale, sociale, economica). Estendendo le idee di Daly, proponiamo cinque principi che devono essere soddisfatti - de minimis – perché una TES abbia successo:
I. Che il tasso di emissioni inquinanti sia inferiore alla capacità di assimilazione dell'ecosistema.
II. Che la generazione di energia rinnovabile non superi la capacità di carico a lungo termine dell'ecosistema, né che lo comprometta irreparabilmente.
III. Che la disponibilità energetica pro capite rimanga al di sopra del livello minimo richiesto per soddisfare i bisogni sociali in qualsiasi momento durante la TES e senza discontinuità distruttiva nel suo ritmo di cambiamento.
IV. Che il tasso di investimento per l'installazione di generazione rinnovabile e il consumo di capitale sia sufficiente a creare una fornitura di energia rinnovabile a lungo termine prima che le risorse non rinnovabili recuperabili in sicurezza siano esaurite.
V. Che l'impegno per il consumo futuro (per esempio l'emissione di debito) venga accoppiato alla, e limitato dalla, futura disponibilità di energia.
Il primi due principi affrontano l'aspetto ambientale (né i fossili né le rinnovabili devono avere un impatto irreparabile sull'ambiente entro una generazione umana). Il terzo affronta l'aspetto sociale assicurando che (i) sia disponibile un livello minimo di energia e (ii) che il ritmo di cambiamento nella disponibilità di energia non sia troppo drastico da creare collassi dei sistemi di supporto sociali. Un corollario direttodi questo è che una società più equa affronta una TES più facile di una iniqua. Infine, gli ultimi due principi affrontano la sostenibilità economica (fisica e finanziaria). Il principio IV, una variante della regola di Hartwick in letteratura economica, garantisce che il tasso di investimento in energia rinnovabile sia sufficiente a compensare la riduzione della fornitura di combustibili fossili, mentre il principio V fa la connessione fra emissione di debito e disponibilità di energia per servire il debito in futuro (che è il tema della seconda parte).
Visti da una prospettiva normativa, i primi tre principi fungono da vincoli della funzione di transizione – il primo da un limite superiore nella quantità di energia fossile disponibile, il secondo mette un limite alla quantità di rinnovabili che possono essere istallate, il terzo fornisce un confine inferiore nella disponibilità di energia pro capite (e della sua prima derivata durante la transizione). Gli ultimi due però sono prescrittivi e perseguibili – offrono un approccio quantificabile per stimare il minimo di investimento energetico in energia rinnovabile e il debito massimo che può essere esteso per quel livello di investimento.
Concentrandosi sul lato fisico, possiamo essenzialmente creare un'equazione che colleghi il rapporto di investimento in energia rinnovabile (epsilon) alla disponibilità netta di energia per la società che può essere vista sotto (derivazione nel saggio e nel supplemento):
Questa equazione ricorsiva può essere risolta numericamente o analiticamente per stabilire la potenza netta disponibile secondo differenti ipotesi del valore di epsilon. Sotto fornisco, come punto di partenza della discussione, un confronto dell'evoluzione della disponibilità futura di energia secondo lo scenario che segue. Tipico delle transizioni energetiche (e per compensare i vincoli di discontinuità del principio III), ipotizziamo nel saggio che ci vogliano 30 anni per cambiare epsilon dal suo valore attuale di circa 0,25% (in realtà ipotizziamo lo 0,375% in questo modello) per “individuare” il valore e confrontare semplicemente la disponibilità di energia con la domanda di energia, assumendo che (a) la popolazione segua le previsioni a medio termine dell'ONU e si stabilizzi a 9 miliardi di persone per il 2050, (b) che la domanda pro capite di energia converga verso i 200oW e (c) che l'efficienza con cui convertiamo l'energia primaria in energia finale migliori del 25% (i dettagli sulle ipotesi che riguardano la popolazione sono descritti nel saggio di Sgouridis e Csala).
Friggere il pianeta
Energia disponibile senza nessuna limitazione di carbonio: ε = 0.375 %, minima ε = 1.5 %.
Sinistra: crollo per fonte. Destra: la linea rossa indica l'energia netta disponibile. La linea blu indica un minimo in cui dobbiamo trovarci
Il 50% di possibilità di cuocere lentamente il pianeta
Energia disponibile con la limitazione massima di carbonio del IPCC: ε = 0.375 %, minima ε = 3.0 %.
Sinistra: crollo per fonte. Destra. La linea rossa indica l'energia netta disponibile. La linea blu indica un minimo in cui dobbiamo trovarci
(*) Sgouris Sgouridis è professore associato all'Istituto Masdar di Scienza e Tecnologia (Emirati Arabi Uniti). I suoi interessi di ricerca sono concentrati nella comprensione delle transizioni all'energia sostenibile usando la modellazione di sistemi tecnico-sociali. Ha lavorato sul concetto di valuta energetica, su quello dell'adozione di veicoli elettrici, sull'aviazione sostenibile e sulle transizioni energetiche sostenibili locali e globali. Ha dato inizio allo sviluppo del Consorzio per la Ricerca della Bioenergia Sostenibile all'Istituto Masdar ed è stato un membro del comitato di revisione del Premio Energia Futura Zayed negli ultimi quattro anni. Ha un dottorato in Sistemi Ingegneristici (MIT-2007), un Master in Tecnologia e Politica e un Master in Trasporti (MIT-2005) ed una Laurea in Scienze (ad honorem) in Ingegneria Civile ed Ambientale (199-Università di Aristotle).