Da “Cassandra's Legacy”. Traduzione di MR
L'economia mondiale può essere vista come un gigantesco motore di calore. Consuma energia, principalmente sotto forma di combustibili fossili, e la usa per produrre beni e servizi. A prescindere da quanto sia messo a punto ed efficiente il motore, ha comunque bisogno di energia per funzionare. Così, se vogliamo fare il grande cambiamento che chiamiamo “transizione energetica” dai combustibili fossili alle rinnovabili, non possiamo basarci solo su efficienza e risparmio energetico. Dobbiamo alimentare la grande bestia con qualcosa che la faccia funzionare, l'energia prodotta dalle fonti rinnovabili come il fotovoltaico (FV) ed eolico sotto forma di energia elettrica.
Ecco qualche nota sul tipo di sforzo di cui abbiamo bisogno per passare ad una infrastruttura completamente rinnovabile prima che sia troppo tardi per evitare la doppia minaccia della distruzione climatica e dell'esaurimento delle risorse. Si tratta di un compito arduo: dobbiamo farlo, fondamentalmente, in circa 50 anni da adesso, probabilmente meno, altrimenti sarà troppo tardi per evitare un disastro climatico. Cerchiamo quindi un calcolo “sul retro di una busta” che possa fornire una stima di ordine di grandezza. Per una trattazione completa, vedete questo articolo di Sgouridis et al.
Cominciamo: per prima cosa, la potenza media a livello mondiale è stimata in circa 18TW in termini di energia primaria. Di questi, circa l'81% è la percentuale generata da combustibili fossili, cioè 14,5 TW. Ciò può essere preso come la porenza elettrica media che abbiamo bisogno di sostituire usando fonti rinnovabili, ipotizzando di lasciare tutto il resto più o meno com'è.
Tuttavia, dobbiamo anche tenere conto che questi 14,5TW sono il risultato della generazione di energia primaria, cioè il calore generato dalla combustione di quei combustibili. Molto di quel calore è calore residuo, mentre le rinnovabili (escludendo i biocombustibili) generano direttamente energia elettrica. Se teniamo conto di questo fattore, possiamo dividere il totale per un fattore di circa 3. Così potremmo dire che potremmo essere in grado di mantenere in funzione il motore con 5TW di energia elettrica media rinnovabile. Ciò potrebbe essere ottimistici perché un sacco di calore generato dai combustibili fossili viene usato per il riscaldamento domestico, ma si basa sull'idea che la civiltà abbia bisogno di elettricità più di qualsiasi altra cosa per sopravvivere. In termini di riscaldamento domestico, la civiltà sopravvive anche se abbassiamo il termostato, indossiamo più strati di lana ed accendiamo un piccolo fuoco di legna.
Le installazioni rinnovabili vengono di solito descritte in termini di “capacità”, misurate in Watt di picco” (Wp), cioè l'elettricità che l'impianto può generare in condizioni ottimali. Ciò dipende dalle tecnologie usate. Partendo dai dati NREL, un fattore di capacità media ragionevole che può essere preso per un mix di rinnovabili è di circa il 20%. Così, 5 TW di potenza media hanno bisogno di 25TWp di capacità installate. Dobbiamo tenere conto di molti altri fattori, come l'intermittenza, che potrebbe richiedere lo stoccaggio e/o qualche tipo di potenza di riserva, ma anche di miglior efficienza, di necessità di gestione e stoccaggio. Nel complesso, potremmo dire che questi requisiti si cancellano a vicenda. Così, 25TWp possono essere visti come il minimo indispensabile per sopravvivere, ma è comunque stima di ordine di grandezza ragionevole. Poi che abbiamo? La capacità rinnovabile attualmente installata è di circa 1,8TWp, circa il 7%. Chiaramente, dobbiamo crescere e crescere molto.
Vediamo cosa abbiamo fatto finora. (I valori nella figura sotto sembrano escludere i grandi impianti idroelettrici, che comunque hanno un potenziale di crescita limitato).
Come potete vedere, abbiamo aumentato la potenza installata ogni anno. Secondo Bloomberg, la capacità installata ha raggiunto circa 134 GWp nel 2015. Se questo valore viene confrontato coi dati di IRENA data, sopra, vediamo che la crescita delle installazioni sta rallentando. Eppure, 134 Gwp/anno non è male. L'industria dell'energia rinnovabile è viva e sta bene, in tutto il mondo.
Ora, andiamo al nocciolo della materia: cosa dobbiamo fare per ottenere la transizione e per ottenerla sufficientemente in fretta?
Chiaramente, 130 GWp all'anno non è abbastanza. A questo tasso, avremmo bisogno di due secoli per arrivare a 25TWp. In realtà, non ci arriveremmo mai: ipotizzando un tempo medio di vita degli impianti di 30 anni, raggiungeremmo solo circa 4TWp e poi tutte le nuove installazioni verrebbero usate per sostituire i vecchi impianti, man mano che questi si deteriorano. Ma potremmo raggiungere i 25TWp in 30 anni se potessimo raggiungere e conservare un tasso di crescita di 800 GWp all'anno, circa 6 volte più grande di quanto facciamo oggi (notate che ciò non tiene conto della necessità si sostituire le vecchie centrali ma, se ipotizziamo una vita media di 30 anni, il calcolo rimane approssimativamente valido da qui al 2050).
Potremmo non aver bisogno di raggiungere il 100% di elettricità rinnovabile entro il 2050; l'80% o anche di meno potrebbe essere abbastanza. In tal caso, potremmo farcela con circa 500 Gwp/anno. Ancora un tasso molto maggiore di quello che abbiamo oggi. E se riusciamo ad arrivarci, diciamo, anche solo al 50% di elettricità rinnovabile entro il 2050, allora avremo creato un colosso rinnovabile che porterà al 100% in un tempo relativamente breve. D'altra parte, come ho detto prima, 25TWp potrebbe essere ottimistico e potremmo avere bisogno di più di questo. Nel complesso, direi che 1TWp/anno sia una stima buona come ordine di grandezza dell'energia necessaria per la sopravvivenza della civiltà per come la conosciamo. Circa un fattore di 8 più alto di quello che abbiamo fatto finora.
Questi calcoli sul retro della busta arrivano a risultati compatibili con quelli dei calcoli più dettagliati di Sgouridis et al. Quello studio fa ipotesi più stringenti e dettagliate, come la necessità di un graduale accumulo degli impianti di produzione, la necessità di sovrastimare la capacità di tener conto dell'intermittenza, il rendimento energetico degli impianti (*) ed altro. Alla fine giunge alla conclusione che dobbiamo installare almeno 5TWp all'anno per una transizione di successo (e che, a proposito, se facciamo così possiamo evitare di superare la soglia dei 2°C di riscaldamento). Questo è certamente più realistico dell'attuale calcolo, ma atteniamoci a questa busta scarabocchiata come approccio minimalista. Diciamo che, solo perché la civiltà sopravviva, dobbiamo installare 1TWp all'anno per i prossimi 30 anni, quanto costerebbe?
Vediamo quanto abbiamo speso finora, ancora da Bloomberg:
Come vedete, gli investimenti in energia rinnovabile sono aumentati rapidamente fino al 2011, poi sono rimasti stabili al valore del 2015 solo di poco più alto di quello del 2011. Tuttavia, se lo confrontiamo con la figura precedente, vediamo che abbiamo ottenuto più Watt per dollaro. In parte è a causa degli investimenti fatti in precedenza, in parte a causa dei miglioramenti delle tecnologie rinnovabili che hanno ridotto il costo per kWp. Ma notate che i miglioramenti tecnologici tendono a mostrare ritorni decrescenti. Il costo dell'energia rinnovabile in termini di watt/dollaro è sceso così rapidamente e così tanto che da adesso in poi potrebbe essere difficile ottenere lo stesso tipo di miglioramento radicale, eccetto in caso di sviluppo di qualche nuova tecnologia miracolosa. Tenete anche conto del fatto che il miglioramento tecnologico potrebbe essere compensato dai costi in aumento delle risorse minerali necessarie per gli impianti.
Abbiamo detto che dobbiamo aumentare il tasso di installazione di un fattore di circa 8 in termini energetici. Ipotizzando che il costo dell'energia rinnovabile non cambierà radicalmente in futuro, gli investimenti monetari dovrebbero essere più o meno dello stesso fattore. Ciò significa che dobbiamo passare dall'attuale valore di circa 280 miliardi di dollari all'anno a circa 2 trilioni di dollari/anno. Sono un bel po' di soldi, ma non una quantità impensabile. Se sommiamo ciò che stiamo investendo per i fossili (circa 1 trilione di dollari all'anno), per le rinnovabili (300 miliardi di dollari all'anno) e per il nucleare (forse 200 miliardi di dollari/anno) vediamo che non ci andiamo molto lontani, come possiamo vedere dall'immagine sotto. La quantità totale annuale investita nel mondo per la fornitura energetica equivale a circa il 2% del PIL, che oggi ammonta a circa 78 trilioni di dollari statunitensi.
Ed eccoci qui. Il risultato finale di questo esercizio è, penso, quello di inquadrare la transizione come modello “a portata di mente” (per usare un termine coniato da Seymour Papert). Di base, risulta che, salvo miracoli tecnologici, una transizione dolce dai fossili alle rinnovabili probabilmente è impossibile, semplicemente perché il modo attuale di vedere i problemi dell'umanità rende impossibile persino concepire uno spostamento così massiccio di investimenti come sarebbe necessario (notando anche che gli investimenti in rinnovabili non sono aumentati significativamente dal 2011 – molto male).
Questo calcolo ci dice anche che non è impensabile andare avanti nella giusta direzione ed ottenere una transizione che ci permetterebbe di conservare perlomeno alcune caratteristiche della civiltà attuale. Cioè, se siamo disposti ad investire in energia rinnovabile il nostro destino non è necessariamente quello di tornare al medioevo o a tornare cacciatori/raccoglitori (o persino l'estinzione, visto che sembra essere un futuro affascinante in certi circoli). La transizione sarà rude, sarà difficile, ma non sarà necessariamente l'Apocalisse che in tanti prevedono.
In ogni caso, un qualche tipo di transizione è inevitabile; i combustibili fossili non hanno semplicemente un futuro. Ma la civiltà potrebbe ancora avere un futuro: tutti gli investimenti in energia rinnovabile che possiamo riuscire a fare oggi per la transizione faranno la differenza in futuro. Si tratta di una scelta che possiamo ancora fare.
(*) Nota: in questo calcolo semplificato non ho specificato da dove verrà l'energia necessaria a costruire la nuova infrastruttura e non ho usato il concetto di EROEI. Viene tenuto in conto in modo dettagliato nei calcoli di Sgouridis et al nei termini del concetto della “Strategia del seminatore”, che ipotizza che i combustibili fossili forniscano l'energia necessaria durante le fasi iniziali della transizione, poi questi vengono gradualmente sostituiti dall'energia rinnovabile.
Fonte dell'immagine. I calcoli “sul retro di una busta” sono una tradizione nella scienza è spesso si rivelano essere in grado di fornire un sacco di informazioni utili, evitando allo stesso tempo la trappola comune dei modelli complessi, quella di essere in grado di misurare tutto, ammesso che abbia sufficienti parametri regolabili.
L'economia mondiale può essere vista come un gigantesco motore di calore. Consuma energia, principalmente sotto forma di combustibili fossili, e la usa per produrre beni e servizi. A prescindere da quanto sia messo a punto ed efficiente il motore, ha comunque bisogno di energia per funzionare. Così, se vogliamo fare il grande cambiamento che chiamiamo “transizione energetica” dai combustibili fossili alle rinnovabili, non possiamo basarci solo su efficienza e risparmio energetico. Dobbiamo alimentare la grande bestia con qualcosa che la faccia funzionare, l'energia prodotta dalle fonti rinnovabili come il fotovoltaico (FV) ed eolico sotto forma di energia elettrica.
Ecco qualche nota sul tipo di sforzo di cui abbiamo bisogno per passare ad una infrastruttura completamente rinnovabile prima che sia troppo tardi per evitare la doppia minaccia della distruzione climatica e dell'esaurimento delle risorse. Si tratta di un compito arduo: dobbiamo farlo, fondamentalmente, in circa 50 anni da adesso, probabilmente meno, altrimenti sarà troppo tardi per evitare un disastro climatico. Cerchiamo quindi un calcolo “sul retro di una busta” che possa fornire una stima di ordine di grandezza. Per una trattazione completa, vedete questo articolo di Sgouridis et al.
Cominciamo: per prima cosa, la potenza media a livello mondiale è stimata in circa 18TW in termini di energia primaria. Di questi, circa l'81% è la percentuale generata da combustibili fossili, cioè 14,5 TW. Ciò può essere preso come la porenza elettrica media che abbiamo bisogno di sostituire usando fonti rinnovabili, ipotizzando di lasciare tutto il resto più o meno com'è.
Tuttavia, dobbiamo anche tenere conto che questi 14,5TW sono il risultato della generazione di energia primaria, cioè il calore generato dalla combustione di quei combustibili. Molto di quel calore è calore residuo, mentre le rinnovabili (escludendo i biocombustibili) generano direttamente energia elettrica. Se teniamo conto di questo fattore, possiamo dividere il totale per un fattore di circa 3. Così potremmo dire che potremmo essere in grado di mantenere in funzione il motore con 5TW di energia elettrica media rinnovabile. Ciò potrebbe essere ottimistici perché un sacco di calore generato dai combustibili fossili viene usato per il riscaldamento domestico, ma si basa sull'idea che la civiltà abbia bisogno di elettricità più di qualsiasi altra cosa per sopravvivere. In termini di riscaldamento domestico, la civiltà sopravvive anche se abbassiamo il termostato, indossiamo più strati di lana ed accendiamo un piccolo fuoco di legna.
Le installazioni rinnovabili vengono di solito descritte in termini di “capacità”, misurate in Watt di picco” (Wp), cioè l'elettricità che l'impianto può generare in condizioni ottimali. Ciò dipende dalle tecnologie usate. Partendo dai dati NREL, un fattore di capacità media ragionevole che può essere preso per un mix di rinnovabili è di circa il 20%. Così, 5 TW di potenza media hanno bisogno di 25TWp di capacità installate. Dobbiamo tenere conto di molti altri fattori, come l'intermittenza, che potrebbe richiedere lo stoccaggio e/o qualche tipo di potenza di riserva, ma anche di miglior efficienza, di necessità di gestione e stoccaggio. Nel complesso, potremmo dire che questi requisiti si cancellano a vicenda. Così, 25TWp possono essere visti come il minimo indispensabile per sopravvivere, ma è comunque stima di ordine di grandezza ragionevole. Poi che abbiamo? La capacità rinnovabile attualmente installata è di circa 1,8TWp, circa il 7%. Chiaramente, dobbiamo crescere e crescere molto.
Vediamo cosa abbiamo fatto finora. (I valori nella figura sotto sembrano escludere i grandi impianti idroelettrici, che comunque hanno un potenziale di crescita limitato).
Come potete vedere, abbiamo aumentato la potenza installata ogni anno. Secondo Bloomberg, la capacità installata ha raggiunto circa 134 GWp nel 2015. Se questo valore viene confrontato coi dati di IRENA data, sopra, vediamo che la crescita delle installazioni sta rallentando. Eppure, 134 Gwp/anno non è male. L'industria dell'energia rinnovabile è viva e sta bene, in tutto il mondo.
Ora, andiamo al nocciolo della materia: cosa dobbiamo fare per ottenere la transizione e per ottenerla sufficientemente in fretta?
Chiaramente, 130 GWp all'anno non è abbastanza. A questo tasso, avremmo bisogno di due secoli per arrivare a 25TWp. In realtà, non ci arriveremmo mai: ipotizzando un tempo medio di vita degli impianti di 30 anni, raggiungeremmo solo circa 4TWp e poi tutte le nuove installazioni verrebbero usate per sostituire i vecchi impianti, man mano che questi si deteriorano. Ma potremmo raggiungere i 25TWp in 30 anni se potessimo raggiungere e conservare un tasso di crescita di 800 GWp all'anno, circa 6 volte più grande di quanto facciamo oggi (notate che ciò non tiene conto della necessità si sostituire le vecchie centrali ma, se ipotizziamo una vita media di 30 anni, il calcolo rimane approssimativamente valido da qui al 2050).
Potremmo non aver bisogno di raggiungere il 100% di elettricità rinnovabile entro il 2050; l'80% o anche di meno potrebbe essere abbastanza. In tal caso, potremmo farcela con circa 500 Gwp/anno. Ancora un tasso molto maggiore di quello che abbiamo oggi. E se riusciamo ad arrivarci, diciamo, anche solo al 50% di elettricità rinnovabile entro il 2050, allora avremo creato un colosso rinnovabile che porterà al 100% in un tempo relativamente breve. D'altra parte, come ho detto prima, 25TWp potrebbe essere ottimistico e potremmo avere bisogno di più di questo. Nel complesso, direi che 1TWp/anno sia una stima buona come ordine di grandezza dell'energia necessaria per la sopravvivenza della civiltà per come la conosciamo. Circa un fattore di 8 più alto di quello che abbiamo fatto finora.
Questi calcoli sul retro della busta arrivano a risultati compatibili con quelli dei calcoli più dettagliati di Sgouridis et al. Quello studio fa ipotesi più stringenti e dettagliate, come la necessità di un graduale accumulo degli impianti di produzione, la necessità di sovrastimare la capacità di tener conto dell'intermittenza, il rendimento energetico degli impianti (*) ed altro. Alla fine giunge alla conclusione che dobbiamo installare almeno 5TWp all'anno per una transizione di successo (e che, a proposito, se facciamo così possiamo evitare di superare la soglia dei 2°C di riscaldamento). Questo è certamente più realistico dell'attuale calcolo, ma atteniamoci a questa busta scarabocchiata come approccio minimalista. Diciamo che, solo perché la civiltà sopravviva, dobbiamo installare 1TWp all'anno per i prossimi 30 anni, quanto costerebbe?
Vediamo quanto abbiamo speso finora, ancora da Bloomberg:
Immagine da Investimenti in energia pulita di Bloomberg, 2004-2015, in miliardi di dollari
Come vedete, gli investimenti in energia rinnovabile sono aumentati rapidamente fino al 2011, poi sono rimasti stabili al valore del 2015 solo di poco più alto di quello del 2011. Tuttavia, se lo confrontiamo con la figura precedente, vediamo che abbiamo ottenuto più Watt per dollaro. In parte è a causa degli investimenti fatti in precedenza, in parte a causa dei miglioramenti delle tecnologie rinnovabili che hanno ridotto il costo per kWp. Ma notate che i miglioramenti tecnologici tendono a mostrare ritorni decrescenti. Il costo dell'energia rinnovabile in termini di watt/dollaro è sceso così rapidamente e così tanto che da adesso in poi potrebbe essere difficile ottenere lo stesso tipo di miglioramento radicale, eccetto in caso di sviluppo di qualche nuova tecnologia miracolosa. Tenete anche conto del fatto che il miglioramento tecnologico potrebbe essere compensato dai costi in aumento delle risorse minerali necessarie per gli impianti.
Abbiamo detto che dobbiamo aumentare il tasso di installazione di un fattore di circa 8 in termini energetici. Ipotizzando che il costo dell'energia rinnovabile non cambierà radicalmente in futuro, gli investimenti monetari dovrebbero essere più o meno dello stesso fattore. Ciò significa che dobbiamo passare dall'attuale valore di circa 280 miliardi di dollari all'anno a circa 2 trilioni di dollari/anno. Sono un bel po' di soldi, ma non una quantità impensabile. Se sommiamo ciò che stiamo investendo per i fossili (circa 1 trilione di dollari all'anno), per le rinnovabili (300 miliardi di dollari all'anno) e per il nucleare (forse 200 miliardi di dollari/anno) vediamo che non ci andiamo molto lontani, come possiamo vedere dall'immagine sotto. La quantità totale annuale investita nel mondo per la fornitura energetica equivale a circa il 2% del PIL, che oggi ammonta a circa 78 trilioni di dollari statunitensi.
Questo calcolo ci dice anche che non è impensabile andare avanti nella giusta direzione ed ottenere una transizione che ci permetterebbe di conservare perlomeno alcune caratteristiche della civiltà attuale. Cioè, se siamo disposti ad investire in energia rinnovabile il nostro destino non è necessariamente quello di tornare al medioevo o a tornare cacciatori/raccoglitori (o persino l'estinzione, visto che sembra essere un futuro affascinante in certi circoli). La transizione sarà rude, sarà difficile, ma non sarà necessariamente l'Apocalisse che in tanti prevedono.
In ogni caso, un qualche tipo di transizione è inevitabile; i combustibili fossili non hanno semplicemente un futuro. Ma la civiltà potrebbe ancora avere un futuro: tutti gli investimenti in energia rinnovabile che possiamo riuscire a fare oggi per la transizione faranno la differenza in futuro. Si tratta di una scelta che possiamo ancora fare.
(*) Nota: in questo calcolo semplificato non ho specificato da dove verrà l'energia necessaria a costruire la nuova infrastruttura e non ho usato il concetto di EROEI. Viene tenuto in conto in modo dettagliato nei calcoli di Sgouridis et al nei termini del concetto della “Strategia del seminatore”, che ipotizza che i combustibili fossili forniscano l'energia necessaria durante le fasi iniziali della transizione, poi questi vengono gradualmente sostituiti dall'energia rinnovabile.