Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


venerdì 17 aprile 2015

I limiti alla combustione: un calcolo di ordine di grandezza

DaResource Crisis”. Traduzione di MR

Di Ugo Bardi




Quantità totale di carbonio fossile sulla Terra, da Vanderbroucke e Largeau (1)


Negli ultimi anni, lo sviluppo del “gas di scisto” e del “petrolio di scisto” negli Stati Uniti ha generato un'ondata di ottimismo che si è ampiamente diffusa nella mediasfera. Era comune sentir parlare di “un secolo di abbondanza”, persino di “secoli”, forniti da queste nuove fonti. Tuttavia, col recente collasso del mercato del petrolio, queste affermazioni sembrano aver fatto la stessa fine di quelle degli avvistamenti del mostro di Loch Ness. Ma rimane un punto da fare: qual è esattamente il limite di ciò che possiamo bruciare? Potremmo davvero continuare a bruciare per secoli? O, forse, persino per millenni o ancora di più?

Vediamo se possiamo fare un calcolo, almeno in termini di ordine di grandezze. La prima domanda è quanti combustibili fossili abbiamo su questo pianeta. Viene riferito che il totale sia circa 1,5x10+16 t (tonnellate), Principalmente sotto forma di cherogene, un prodotto della decomposizione della materia organica che è un precursore della formazione di combustibili fossili (gas, petrolio e carbone) (2).

Sembra tanto carbonio, specialmente se confrontiamo questo numero con la quantità che stiamo consumando oggigiorno. I dati riportati dal CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Center) dicono 9,2x10+9 t di carbonio trasformato in CO2 come risultato della combustione di combustibili fossili (gas + petrolio + carbone) nel 2013. Come stima di ordine di grandezza,a questo tasso, potremmo continuare a bruciare per più di un milione di anni prima di finire realmente il carbonio fossile.

Ma ovviamente, questo non è possibile. Semplicemente, non c'è abbastanza ossigeno nell'atmosfera per bruciare tutto il carbonio fossile esistente. La quantità totale di ossigeno libero è stimata essere circa 1,2x10+15 t or 3,7x10+19 mol O2 (una “mole” è un'unità usata in chimica per confrontare la quantità di reagenti nelle reazioni chimiche). Un mole di ossigeno molecolare reagirà esattamente con un mole di carbonio per formare biossido di carbonio e, visto che 1,5x10+16 t di carbonio corrispondono a 1,25x10+21 mol, ne consegue che non possiamo bruciare più di circa l1% del carbonio fossile esistente. Siamo scesi a 10.000 anni anziché milioni di anni.

Naturalmente, tuttavia, bruciare quel 1% di carbonio significherebbe esaurire l'ossigeno dell'atmosfera e questo sarebbe leggermente negativo per noi, a prescindere da quanto ci servano i combustibili fossili. In pratica, non possiamo esaurire più di una piccola percentuale dell'ossigeno atmosferico, altrimenti l'effetto sulla salute umana e sull'intera ecosfera sarebbe probabilmente disastroso. Diciamo che potremmo essere disposti a scommettere che una perdita del 5% è ancora entro limit ragionevoli, anche se nessuno può esserne sicuro. Significa che abbiamo solo 500 anni circa per continuare a bruciare prima di cominciare a percepire sintomi di soffocamento. Ma la storia non finisce qui.

Finora, abbiamo ragionato in termini di quantità totale di combustibili fossili, come se fossero tutti bruciabili, ma è così? Il kerogene, la componente principale di questo carbonio, può essere combinato con l'ossigeno producendo una certa quantità di calore (3) ma difficilmente può essere considerato un combustibile, perché sarebbe molto costoso da estrarre e il rendimento di energia netta sarebbe modesto o persino negativo. Nel 1997 Rogner (4) ha portato a termine una ricerca estesa delle risorse di carbonio potenzialmente utilizzabili come combustibili. A pagina 149 di questo link possiamo trovare una stima aggregata di 9,8x10+11 t di carbonio come “riserve” e fino a 5,5x10+12 t di “risorse”, le seconde definite come non economicamente estraibili con i prezzi attuali. “Ulteriori risorse” vengono riportate ad una quantità possibile di 1,5x10+13 t di carbonio, ma è una stima piuttosto azzardata. Se ci limitiamo alle riserve provate vediamo che all'attuale tasso di circa 1x10+10 t/anno ci resterebbe ancora circa un secolo.

Non abbiamo ancora finito. Ora dobbiamo considerare quanto carbonio possiamo combinare con l'ossigeno prima che l'aumento dell'effetto serra causato dal risultante biossido di carbonio generi cambiamenti irreversibili nel clima terrestre. Il “punto di non ritorno” della catastrofe climatica viene spesso stimato come quello corrispondente ad un amento di temperatura di 2°C e, per non superarla, non dovremmo rilasciare più di circa 10+12 t di CO2 in atmosfera. Ciò corrisponde a 3,7x10+11 t di carbonio (5). E' circa un terzo della stima globale di Rogner delle riserve. Quindi, a questo punto, non abbiamo più un secolo, ma solo 2 o 3 decenni circa (e osservate che la stima di quello che possiamo bruciare evitando la catastrofe potrebbe essere ottimistica. Vedete anche qui per una stima più dettagliata che tiene conto dei diversi tipi di combustibile).

Vedete quanto possa essere fuorviante elencare le risorse di carbonio come se fossero soldati allineati per la battaglia. Non tutto ciò che esiste all'interno della crosta terrestre può essere estratto e bruciato e non possiamo permetterci di estrarre e bruciare tutto ciò che potrebbe essere estratto senza distruggere l'atmosfera. Tenendo conto dei vari fattori coinvolti, siamo scesi da più di un milione di anni a pochi decenni di disponibilità.

Ma, naturalmente, calcolando il numero di anni rimanenti a tassi di produzione costante è a sua volta fuorviante. In pratica, i tassi di produzione del combustibile non sono mai stati costanti nella storia, la produzione tende piuttosto a seguire una curva “a campana” che raggiunge un picco e poi declina. Oggi potremmo essere vicini al picco (vedete ad esempio qui). Il declino imminente ci salverà dal cambiamento climatico catastrofico? Al momento, non possiamo dirlo, sono troppe le incertezze coinvolte in queste stime. Ciò che possiamo dire è che non siamo di fronte a secoli di abbondanza, ma a un declino che potrebbe anche essere molto rapido, considerando la possibilità di un “collasso di Seneca”.

In breve, l'era dei combustibili fossili sta finendo. E' il momento di prenderne nota e passare ad altro.

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(1) M. Vandenbroucke, C. Largeau, Cherogene: origine, evoluzione e struttura, Organic Geochemistry, Volume 38, Numero 5, maggio 2007, Pagine 719-833, ISSN 0146-6380, http://dx.doi.org/10.1016/j.orggeochem.2007.01.001.

(2) Falkowski, P., R.J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell, D. Canfield, J. Elser, N. Gruber, et al. 2000. “Il ciclo globale del carbonio: un test sulla nostra conoscenza della Terra come sistema”.  Science 290 (5490) (13 ottobre): 291–296. doi:10.1126/science.290.5490.291. http://www.sciencemag.org/content/290/5490/291.abstract.

(3) Muehlbauer, Michael J. e Alan K. Burnham. 1984. “Calore della combustione del petrolio di scisto di Green River”. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development 23 (2) (aprile): 234–236. doi:10.1021/i200025a007. http://dx.doi.org/10.1021/i200025a007.

(4) Rogner, H-H. 1997. “Valutazione delle risorse di idrocarburi mondiali”.
Annual Review of Energy and the Environment 22 (1) (28 novembre): 217–262. doi:10.1146/annurev.energy.22.1.217. http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.energy.22.1.217?journalCode=energy.2.

(5) IPCC. Cambiamento climatico 2013: la base fisica scientifica.  (Cambridge University Press, 2014).