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Destini energetici: Parte 6: Politica energetica ed emissioni – Sempre più calde di Satyajit Das

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Energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia sono forse i più significativi da molto tempo. Ha implicazioni per la società nel senso più ampio. Destini Energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. Le parti 1, 2, 3, 4, e 5 hanno esaminato i modelli di domanda e offerta nel tempo, le fonti rinnovabili, lo stoccaggio di energia, l’economia delle rinnovabili e la transizione energetica. Questa parte esamina l’interazione tra la politica energetica e le emissioni.

Dagli anni ’90, la riduzione delle emissioni di gas serra è al centro della politica energetica. Al vertice sul clima di Parigi del 2015, le nazioni partecipanti hanno concordato di raggiungere la neutralità del carbonio entro la metà del 21° secolo per limitare il riscaldamento globale al di sotto dei 2°C, preferibilmente di 1,5°C rispetto ai livelli preindustriali. Ciò richiede una rapida transizione dai combustibili fossili alle rinnovabili.

L’obiettivo di 1,5°C è un compromesso guidato dalla politica poiché anche a quel livello il danno all’ambiente e alla biodiversità è significativo .

Obiettivi sulle emissioni

Nonostante i picchi seriali, la realtà è che è probabile che la terra si riscaldi di 1,5°C entro il prossimo decennio, con una temperatura complessiva che supererà il massimo di 2°C entro la fine del secolo. Gli impegni e le politiche attuali sono ben al di sotto del mantenimento delle temperature al di sotto dei livelli specificati. La drastica e necessaria riduzione delle emissioni globali di gas serra è molto probabilmente irrealizzabile.

Ci sono molteplici ragioni per il fallimento delle attuali politiche.

Confini nord-sud

Data la portata globale delle questioni, i limiti di emissione devono essere adottati da tutti i paesi, sebbene il rispetto da parte dei principali emettitori consentirebbe di progredire. Anche se gli accordi vengono raggiunti, non esiste un meccanismo efficace per l’applicazione. La contabilità è debole, la verifica è carente e le scappatoie legali abbondano. Le azioni effettive non corrispondono alle dichiarazioni. Molti paesi si affidano a complessi crediti e compensazioni di dubbia efficienza (trasferendo di fatto il problema ad altri paesi) per far fronte ai propri impegni.

Ci sono differenze tra economie avanzate ed emergenti (spesso semplificate come il divario Nord-Sud). Nella prima, c’è una maggiore pressione politica sui governi affinché agiscano sul cambiamento climatico. In quest’ultimo, gli accordi sono visti come un arresto dello sviluppo. Senza un aumento del consumo energetico e delle emissioni, in alcuni casi fino a una frazione di quella di cui godono i cittadini delle nazioni più ricche, la capacità delle nazioni più povere di migliorare i redditi e gli standard di vita è limitata.

I diversi livelli di consumo energetico – l’africano medio consuma attualmente meno energia pro capite all’anno di un frigorifero nelle economie avanzate – è un punto controverso. Un ulteriore punto di differenza è l’eredità dell’uso dell’energia da parte delle nazioni avanzate dopo la rivoluzione industriale che aveva portato all’accumulo di anidride carbonica nell’atmosfera.


Negli ultimi decenni, i paesi avanzati hanno aggravato il problema spostando le industrie ad alte emissioni nei paesi in via di sviluppo per trarre vantaggio da costi inferiori, standard ambientali e di sicurezza sul lavoro più permissivi e per ridurre le loro emissioni. I veicoli elettrici dovrebbero davvero essere ribattezzati EEV — Emissions Elsewhere Vehicles.

Ciò significa effettivamente che le nazioni emergenti dovranno ridurre le emissioni in modo molto più aggressivo rispetto alle loro controparti nei paesi sviluppati. Ad esempio, la Corea del Sud, una potenza industriale di medio rango, dovrà ridurre le emissioni di oltre il 5% all’anno entro il 2030, mentre l’Unione Europea deve tagliare di circa il 2% e gli Stati Uniti e il Regno Unito del 2,8%.

In un discorso del 13 ottobre 2022 , Joseph Borrell, alto rappresentante dell’Unione europea per gli affari esteri e la politica di sicurezza, ha evidenziato le lacune percettive. Dopo aver sottolineato che Federica Mogherini, il suo predecessore, sembrava “più giovane ” e “migliore“, ha delineato l’impegno dell’Europa nei confronti dei paesi in via di sviluppo con franchezza rinfrescante:

“L’Europa è un giardino. Abbiamo costruito un giardino. Tutto funziona…. Il resto del mondo… non è esattamente un giardino. La maggior parte del resto del mondo è una giungla e la giungla potrebbe invadere il giardino. I giardinieri dovrebbero occuparsene, ma non proteggeranno il giardino costruendo muri. …Perché la giungla ha una forte capacità di crescita, e il muro non sarà mai abbastanza alto per proteggere il giardino. I giardinieri devono andare nella giungla…. Altrimenti il ​​resto del mondo ci invaderà, in modi e mezzi diversi”.

Dopo aver affrontato crescenti critiche, Borrell ha raddoppiato sostenendo che la sua metafora era stata interpretata male e che non erano previste connotazioni razziste, culturali, coloniali o geografiche. Ma il corollario pratico di questa visione del mondo è evidente nel trasferimento dell’industria più pesante da parte dell’Unione Europea e nell’approvvigionamento di energia dalla “giungla” .

Il fulcro di questa politica egoistica, vitale per raggiungere gli obiettivi di emissione europei, è l’approvvigionamento di idrogeno verde, energia solare (da trasmettere attraverso un ambizioso cavo sottomarino) e materiali critici di transizione dal Nord Africa. I vantaggi per paesi come Marocco, Tunisia, Algeria ed Egitto non sono immediatamente evidenti. Pur fornendo energia verde al “giardino”, la “giungla” continua a dipendere fortemente dai combustibili fossili. Alcuni dei progetti ad alta intensità idrica si trovano in zone aride. Distruggeranno i delicati ecosistemi del deserto e sposteranno le tribù nomadi.

L’Europa, sostenuta da Regno Unito e Stati Uniti, ora sostiene persino la rivendicazione del Marocco sul Sahara occidentale, dove si trovano molti di questi progetti, nonostante la sua sovranità sul territorio non sia riconosciuta a livello internazionale. Porterà a una militarizzazione dell’area contesa. I “valori progressisti” occidentali sembrano non precludere la distruzione delle “giungle” e lo sfruttamento dei suoi cittadini.

Nel 2023, Raj Kumar Singh, ministro indiano per l’energia e le energie rinnovabili , ha affermato che i sussidi occidentali per l’energia rinnovabile, come l’Inflation Reduction Act degli Stati Uniti e le aste dell’idrogeno verde in Europa, stanno minando le iniziative di energia pulita nelle economie emergenti come l’India.

Le divisioni significano che i paesi emergenti, comprensibilmente, pagheranno a parole ma è improbabile che si impegnino a ridurre le emissioni, almeno senza una significativa compensazione finanziaria. È probabile che aumentino il consumo di energia e le emissioni ed è meno probabile che aderiscano ad azioni che limitano lo sviluppo economico.

Un affare costoso

Il costo della riduzione delle emissioni trasformando le fonti energetiche è elevato, ma lo sono anche le spese per il cambiamento climatico e il riscaldamento globale. Sfortunatamente, c’è poco accordo sulle specifiche con differenze sostanziali nelle stime.

Deloitte, una società di consulenza, prevede che il cambiamento climatico potrebbe costare all’economia globale  178 trilioni di dollari  nei prossimi 50 anni. Swiss Re, un riassicuratore, prevede che il cambiamento climatico potrebbe ridurre la produzione economica globale dell’11-14 percento o fino a 23 trilioni di dollari all’anno entro il 2050, con alcuni paesi che subiranno perdite fino a un terzo della loro ricchezza. Morgan Stanley, una banca d’affari, ha stimato che entro il 2050 dovranno essere spesi 50 trilioni di dollari in cinque aree tecnologiche per raggiungere l’obiettivo dell’accordo di Parigi di limitare il riscaldamento globale, inclusi 14 trilioni di dollari per la generazione di energia rinnovabile e lo stoccaggio di energia, 11 trilioni di dollari per i veicoli elettrici, 2,5 trilioni di dollari per la cattura e lo stoccaggio del carbonio, 5,4 trilioni di dollari per la produzione e lo stoccaggio di idrogeno e 2,7 trilioni di biocarburanti. La Banca Mondiale stima il costo all’1% del PIL globale ogni anno (circa $ 1 trilione) mentre l’ONU lo stima a $ 1,8 trilioni. L’Agenzia internazionale per l’energia sostiene che il costo aumenterà con l’inazione nel tempo raggiungendo oltre 20 trilioni di dollari entro il 2030. La Banca mondiale ha stimato che l’inazione per il clima potrebbe ridurre il PIL globale di almeno il 5% all’anno, mentre il prezzo dell’azione necessaria è fissato all’1% del PIL globale all’anno.

Mentre la falsa precisione è rassicurante, i presupposti sottostanti variano. Le stime dovrebbero essere trattate con cautela , soprattutto in considerazione dello scarso record di previsioni dell’umanità. Molti dei preventivi sono opera di soggetti interessati che hanno motivazioni finanziarie, che vanno da contratti di consulenza, donazioni, finanziamenti oltre che investimenti in beneficiari di azioni specifiche.

Indipendentemente dalla pretesa di accuratezza, i costi sono sostanziali e devono essere pagati in ultima analisi da individui a livello globale. Il problema è che c’è poco accordo su chi dovrebbe pagarlo e anche su come dovrebbe essere finanziato.

Le scarse finanze pubbliche, soprattutto a seguito della pandemia che ha visto una risposta fiscale globale di oltre 20 trilioni di dollari, significano che molti paesi potrebbero non essere in grado di sostenere il costo della transizione energetica oltre alle normali esigenze di spesa e infrastrutture. Il problema è grave in molti paesi a basso reddito e meno sviluppati con alti livelli di indebitamento.

Un punto critico persistente sono stati i trasferimenti dalle nazioni sviluppate ai paesi emergenti. Senza trasferimenti o finanziamenti agevolati dalle economie avanzate, l’agenda di Bridgetown per la riforma dell’architettura finanziaria globale evidenzia che è improbabile che i paesi in via di sviluppo siano in grado di finanziare la transizione energetica per ridurre le emissioni a causa dei loro maggiori rischi macroeconomici.

In base all’attuale piano di finanziamento pubblico per il clima, le nazioni sviluppate hanno accettato di pagare 100 miliardi di dollari ogni anno ai paesi in via di sviluppo per infrastrutture critiche per l’adattamento, la resilienza e la nuova economia basata sulle energie rinnovabili. I contributi hanno continuato a non raggiungere questo livello che, in ogni caso, è inferiore ai reali costi di adattamento per i paesi in via di sviluppo. Le stime dell’importo che i paesi più poveri dovranno spendere in un anno per ridurre le emissioni e proteggere le loro economie variano notevolmente, oscillando tra i 140 e i 300 miliardi di dollari all’anno entro il 2030, e tra i 280 e i 500 miliardi di dollari all’anno entro il 2050. Una previsione lo pone a 2,8 trilioni di dollari . Diverse ipotesi, inclusioni ed esclusioni sono alla base della variazione.

I politici sperano sempre più che la finanza privata possa mobilitare il capitale richiesto. Dato che le questioni riguardano in gran parte i beni pubblici, non è chiaro quale incentivo al ritorno o sussidi governativi sarebbero necessari.

Gli effetti sul tenore di vita costituiscono un ostacolo significativo all’adozione di politiche adeguate. È probabile che il cambiamento climatico e le azioni per migliorarne gli effetti ridurranno il tenore di vita. Le perdite saranno finanziarie (redditi reali e ricchezza inferiori) e aspettative di stile di vita (negazione dell’accesso a fonti energetiche affidabili e quasi illimitate). Il quantum e le porzioni della società e dei paesi più colpiti sono incerti. In definitiva, a nessun politico piace cercare la rielezione sulla base di azioni che lasceranno gli elettori in condizioni peggiori.

Collegata alla questione del tenore di vita è la natura del cambiamento climatico, che è intrinsecamente ad azione lenta e di natura a lungo termine. L’evoluzione sembra aver condizionato gli esseri umani a reagire in modo difensivo a gravi minacce esistenziali. Nonostante le affermazioni di razionalità, preferiamo innatamente escludere tali ansie come una forma di autoconservazione. Il conforto si trova nella negazione o nell’accettazione di schemi semplicistici che spesso non risolvono situazioni sgradite. La logica sottostante è quella articolata da Helen Keller: “Ad alcune persone non piace pensare. Se si pensa, si devono giungere a conclusioni; e le conclusioni non sono sempre piacevoli “.

La risposta è aggravata dal calo della fiducia nelle autorità e nelle istituzioni. Intrappola le persone nel dilemma del prigioniero. Mancando di fiducia nei processi sociali, ogni persona crede che i propri interessi possano essere salvaguardati solo prendendosi cura dei destini individuali e non collettivi.

Tentativi significativi di azioni efficaci nella riduzione delle emissioni sono difficili e improbabili. Il genere umano ora segue il copione di Niccolò Machiavelli: “il modo in cui viviamo è così lontano da come dovremmo vivere, che chi abbandona ciò che è fatto per ciò che dovrebbe essere fatto, imparerà piuttosto a provocare la propria rovina piuttosto che la sua conservazione”.

Emissioni negative

La riduzione delle emissioni di gas serra a livelli ovunque vicini agli obiettivi si basa sulla rimozione del carbonio. Le emissioni negative sono parte integrante degli scenari del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici e degli accordi sul clima basati su di essi, in particolare per paesi come la Cina e l’India .

La transizione energetica richiederà la cattura e il sequestro del carbonio (CCS), la rimozione delle emissioni e lo stoccaggio o l’utilizzo dell’anidride carbonica, per diversi motivi:

  • A breve termine, può ridurre le emissioni di gas serra prodotte dall’uomo, mentre le fonti di energia rinnovabile aumentano la loro quota nel mix energetico.
  • Può gestire le emissioni in corso da settori difficili da decarbonizzare, come l’acciaio, il cemento, i trasporti pesanti e l’aviazione, almeno fino a quando, se mai, non saranno disponibili tecnologie scalabili e senza emissioni di carbonio a prezzi accessibili.
  • Potrebbe eliminare i gas serra diversi dall’anidride carbonica come il metano e il protossido di azoto da fonti come il bestiame, i rifiuti animali e l’uso di fertilizzanti, che sono difficili da gestire.
  • A lungo termine, potrebbe ridurre la quantità di carbonio già presente nell’atmosfera per ridurre gradualmente le temperature.

Cattura del carbonio

La CCS comporta la cattura e la separazione dell’anidride carbonica dall’aria o da fonti industriali ed energetiche, dopodiché viene condizionata, compressa e trasportata per il riutilizzo o l’isolamento a lungo termine dall’atmosfera, attraverso lo stoccaggio sotterraneo in formazioni geologiche o intrappolamento di termini in prodotti materiali.

La terminologia associata varia: cattura diretta dell’aria (DAC), bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS), sequestro del carbonio e rimozione dell’anidride carbonica (chiamate anche emissioni negative). CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage) è un termine onnicomprensivo che copre l’uso dell’anidride carbonica catturata per altre applicazioni, come il recupero avanzato del petrolio (EOR), la produzione di combustibili liquidi o beni di consumo, come la plastica.

Esistono due approcci generali: biologico e tecno-meccanico. I suoli e le piante della Terra immagazzinano già più di 3 trilioni di tonnellate di carbonio. La CCS biologica comporta la conservazione delle foreste esistenti, il rimboschimento, le pratiche agricole di costruzione del suolo e l’incoraggiamento alla crescita di alghe negli oceani per espandere lo stoccaggio naturale del carbonio. Ciò farebbe leva sulla normale fotosintesi per rimuovere l’anidride carbonica dall’atmosfera. Al contrario, i metodi tecno-meccanici utilizzano macchinari e sostanze chimiche per catturare l’anidride carbonica per il riutilizzo o lo stoccaggio. Esistono problemi relativi all’uso di CCS, alcuni unici per la specifica tecnologia utilizzata.

La CCS biologica, in particolare la conservazione delle foreste esistenti, il rimboschimento di aree disboscate o l’imboschimento di aree precedentemente prive di alberi, è di gran lunga meno costosa ed efficace nella rimozione del carbonio, oltre ad avere vantaggi collaterali come l’aumento della biodiversità. Ma la CCS biologica richiede vaste aree di terra stimate ovunque tra 3,2 milioni di chilometri quadrati (all’incirca le dimensioni dell’India) e 9,7 milioni di chilometri quadrati (all’incirca le dimensioni del Canada), equivalenti al 23-68 percento della terra arabile del mondo. Sarebbe in concorrenza con le rivendicazioni di uso del suolo alternativo per l’agricoltura e l’abitazione umana. Senza miglioramenti significativi nei raccolti e riduzioni della popolazione, ciò potrebbe rendere impraticabile la CCS biologica.

Il tempo necessario agli alberi per raggiungere la maturità e il massimo potenziale di assorbimento del carbonio significa che non è immediatamente efficace. Anche la CCS biologica è impermanente. Il carbonio immagazzinato nel suolo e nelle piante può successivamente essere rilasciato nuovamente nell’atmosfera, ad esempio attraverso il disboscamento, gli incendi, la morte degli alberi a causa di malattie o cambiamenti nelle pratiche agricole.

La CCS tecno-meccanica richiede di catturare l’anidride carbonica direttamente da un processo industriale o dall’aria e di isolarla mediante assorbimento, adsorbimento, circuito chimico, separazione del gas a membrana o idratazione del gas. L’anidride carbonica separata viene quindi riutilizzata, solitamente nelle bevande, o immagazzinata come gas in serbatoi sotterranei come miniere o giacimenti di petrolio e gas esauriti. Lo stoccaggio alternativo richiede la solidificazione dell’anidride carbonica in pellet o rocce da utilizzare come materiale da costruzione o per il seppellimento sotterraneo profondo. La tecnologia di rimozione meccanica del carbonio è attualmente immatura, inefficiente, costosa e rischiosa. Alcuni metodi devono ancora essere portati su scala commerciale.

I metodi tecno-meccanici sono attualmente più spesso utilizzati negli impianti industriali ad alte emissioni come i generatori di energia che utilizzano combustibili fossili, la produzione di cemento, la produzione di acciaio, la lavorazione del gas naturale, gli impianti di combustibili sintetici e gli impianti di produzione di idrogeno a base di combustibili fossili. Cattura in media tra il 50% e il 68% del carbonio rilasciato, anche se alcuni progetti hanno raggiunto livelli di efficienza più elevati .

L’estrazione diretta dell’aria è meno efficiente a causa della minore concentrazione di anidride carbonica nell’aria rispetto alle fonti industriali. Complica anche l’ingegneria e rende il processo più costoso.

Il trasporto e lo stoccaggio presentano sfide perché il rilascio su larga scala di anidride carbonica presenta rischi di asfissia. Il trasporto attraverso condutture spesso lunghe verso i siti di stoccaggio deve essere sicuro con un basso rischio di rottura o perdita.

Il geo-sequestro — l’iniezione di anidride carbonica nella formazione geologica sotterranea — richiede strutture opportunamente posizionate che siano sicure per lo stoccaggio a lungo termine. La prevenzione della fuga di anidride carbonica avviene solitamente tramite meccanismi di intrappolamento fisici (altamente impermeabili) e geochimici. Ciò esclude le regioni tettonicamente instabili. Il processo di test dei potenziali siti di stoccaggio è complesso. Anche ottenere il sostegno pubblico è una sfida. Non è chiaro se sia possibile garantire uno spazio di archiviazione sufficiente.

Il CCS tecno-meccanico è ad alta intensità energetica , noto come “overhead energetico” o “penalità energetica”. Se utilizzato nella produzione di energia, il CCS può consumare dal 10 al 40 percento dell’energia prodotta, circa il 60 percento della perdita derivante dal processo di cattura, il 30 percento dalla compressione dell’anidride carbonica e il 10 percento da pompe e ventilatori. La sanzione esatta dipende dalla tecnologia di generazione di energia utilizzata. CCS aumenta potenzialmente il fabbisogno di combustibile di un impianto di circa il 15% per un impianto a gas. I costi dell’energia di una centrale elettrica con CCS possono essere superiori del 30-60%. Anche il processo DAC, che richiede ai ventilatori di soffiare aria attraverso un filtro per catturare il carbonio, richiede molta energia. A meno che tutta l’energia extra richiesta non sia generata da fonti rinnovabili pulite, cosa improbabile nel breve termine, l’effetto netto sulle emissioni è incerto.

Il CCS tecno-meccanico richiede altre risorse. La mineralizzazione del carbonio , intrappolando e immagazzinando permanentemente l’anidride carbonica in rocce reattive come il basalto, richiede grandi quantità di acqua, circa 25 tonnellate di acqua per ogni tonnellata di anidride carbonica. L’uso di meno acqua e concentrazioni più elevate aumenta il rischio che l’anidride carbonica venga rilasciata in determinate condizioni di temperatura e pressione. L’invecchiamento accelerato, una tecnologia CCS in cui l’alcalinità dell’oceano viene aumentata attraverso il deposito di particelle di roccia nell’oceano, richiede una media di 2-4 tonnellate di minerali di silicato (olivina) per tonnellata rimossa. I minerali devono essere macinati in polvere fine che consuma molta energia.

Un importante fattore limitante è la scala richiesta. L’Agenzia internazionale per l’energia  prevede che entro il 2050  la capacità della CCS di catturarla e immagazzinarla nel sottosuolo dovrà raggiungere i 7.000 milioni di tonnellate all’anno.

Il gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici  ha ammesso che i tassi di cattura necessari coerenti con l’obiettivo di riscaldamento di 2°C richiedevano un tasso di aumento “notevole” . Nel 2022, c’erano circa 35 impianti CCS commerciali legati a processi industriali, trasformazione di combustibili e generazione di energia, con una capacità di cattura annuale totale di 45 milioni di tonnellate di anidride carbonica e circa 300 progetti in fase di sviluppo.

L’espansione CCS richiesta ignora anche alcune importanti considerazioni:

  • La cattura di anidride carbonica necessaria cresce rapidamente se le emissioni non vengono ridotte.
  • Il sovraccarico energetico degli impianti CCS, ovvero la potenza utilizzata per catturare il carbonio, comprimerlo e immetterlo nel sottosuolo, è significativo.

Vaclav Smil ha evidenziato la sfida: “… [per] sequestrare solo un quinto delle attuali emissioni di anidride carbonica dovremmo creare un’industria mondiale completamente nuova di assorbimento-raccolta-compressione-trasporto-stoccaggio il cui rendimento annuale dovrebbe essere di circa 70 per cento in più rispetto al volume annuale ora gestito dall’industria globale del petrolio greggio, la cui immensa infrastruttura di pozzi, oleodotti, stazioni di compressione e stoccaggio ha richiesto generazioni per essere costruita. Il geologo Andy Skruse ha identificato direttamente la difficoltà pratica: “Dovremmo finire una nuova struttura ogni giorno lavorativo per i prossimi 70 anni “.

I problemi sono amplificati dalle difficoltà riscontrate nei progetti CCS. Sulla base di diversi attributi del progetto come costo, prontezza tecnologica, credibilità delle entrate, incentivi politici, complessità normativa e opposizione pubblica, oltre l’80% dei progetti CCS ha fallito .

L’elevato costo della CCS sia in termini di impianto che di costi operativi rimane un ostacolo all’adozione. Un impianto CCS su larga scala, associato a un generatore di corrente o a un impianto industriale pesante, costa miliardi di dollari. Gli impianti DAC sono anche costosi con uno progettato per catturare 1 megaton di anidride carbonica all’anno che costa fino a $ 2 miliardi. Ad oggi, le prove CCS per gli impianti a carbone si sono generalmente rivelate economicamente non redditizie nella maggior parte dei paesi a causa del costo del capitale e della penalità energetica.

Attualmente si presume che il costo della rimozione dell’anidride carbonica sia di circa $ 600 per tonnellata, con un’ampia dispersione di $ 100-1.000. Senza riduzioni sostanziali all’estremità inferiore di tale intervallo, è probabile che la CCS tecno-meccanica rimanga antieconomica. Il presupposto è che volumi più elevati, esperienza di apprendimento e miglioramenti nella tecnologia, comprese le scoperte scientifiche, ridurranno i costi. Tuttavia, l’entità e la tempistica sono inconoscibili.

Il valore del carbonio catturato è attualmente incerto, al di là delle esternalità della riduzione delle emissioni. L’attività di CCS incentrata sul sequestro senza alcun uso compensativo rende l’economia poco attraente. Questo ha focalizzato l’attenzione sull’uso dell’anidride carbonica. L’attuale applicazione prevalente è nella produzione di petrolio e gas, dove il gas viene iniettato per mantenere la pressione del giacimento. L’economia è praticabile mentre i giacimenti sono operativi ed è influenzata dalle entrate derivanti da una maggiore ripresa del petrolio che è influenzata dalla volatilità dei prezzi del petrolio. Applicazioni come bevande o materiali da costruzione sono insufficienti, costose o tecnologicamente giovani.

Un modo per creare un incentivo economico è attraverso tasse sul carbonio fissate a un livello che renderebbe la CCS praticabile. La tassa dovrebbe essere fissata a un livello superiore al prezzo attuale di 40-80 dollari per tonnellata di anidride carbonica. Il prezzo del carbonio richiesto dovrebbe essere di almeno $ 120 combinato con le tariffe del carbonio transfrontaliere , come quella proposta dall’Unione Europea, per rendere la CCS fattibile. Ciò presuppone grandi riduzioni dei costi attraverso efficienze ed economie di scala e scopo. L’alternativa sono le sovvenzioni per il CCS, ora disponibili in un certo numero di paesi. La tassa sul carbonio o le sovvenzioni alla fine dovrebbero essere pagate dai consumatori di energia.

La principale attrattiva della CCS per i responsabili politici e il pubblico è che riduce superficialmente la necessità di cambiamenti nel consumo energetico e negli stili di vita. Ha anche il vantaggio di poter essere adattato a impianti industriali esistenti. Tuttavia, non è chiaro se sia fattibile o possa essere fatto in modo conveniente ed efficiente dal punto di vista energetico. Gli oppositori sostengono inoltre che la CCS potrebbe indirettamente legittimare l’uso continuato di combustibili fossili e minare gli impegni sulla riduzione delle emissioni.

L’ex capo scienziato britannico David King ha affermato in modo preoccupante che la CCS è essenziale per mantenere l’aumento della temperatura al di sotto di 1,5-2°C ed è “l’unica speranza per l’umanità “.

Caldo e più caldo!

Sulla base dello stato attuale della scienza, della tecnologia, dello sviluppo e dell’attuazione delle politiche, la probabilità di raggiungere gli obiettivi di emissione è dubbia. Ciò significa che l’aumento della temperatura globale, con ogni probabilità, supererà i livelli raccomandati, molto probabilmente in modo sostanziale e prima del previsto. I conseguenti cambiamenti nella geofisica planetaria e nella meteorologia saranno sostanziali.

Sembra che il mondo continui ad affrontare la scelta una volta articolata da Woody Allen: “Più di ogni altro momento nella storia, l’umanità si trova di fronte a un bivio. Un percorso porta alla disperazione e alla totale disperazione. L’altro, all’estinzione totale. Preghiamo di avere la saggezza per scegliere correttamente ”.

© 2023 Satyajit Das Tutti i diritti riservati. Una versione di questo pezzo è stata pubblicata sul New Indian Express.

Satyajit Das, è ex banchiere e autore di numerose opere sui derivati ​​e diversi titoli generali: Traders, Guns & Money: Knowns and Unknowns in the Dazzling World of Derivatives  (2006 e 2010), Extreme Money: The Masters of the Universe and the Cult of Risk (2011), A Banquet of Consequences RELOADED (2021) e Fortune’s Fool: Australia’s Choices (2022).

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Destini energetici: Parte 5: Transizione energetica – Destinazione misteriosa di Satyajit Das

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Destini energetici: Parte 5: Transizione energetica – Destinazione misteriosa

di Satyajit Das

Il commento di un lettore

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Ciò che Das descrive in modo così eloquente non è un problema, piuttosto un dilemma o una situazione difficile, cioè non c’è soluzione. Sta descrivendo l’attuale realtà futura dell’energia nel modo più accurato possibile. I contorni del dilemma sono stati ben compresi dalla fine degli anni ’50. Opere come “Man’s Role In Changing the Face of the Earth” di Lewis Mumford, “The Closing Circle” di Barry Commoner e “Global 2,000 Report”, commissionato da Jimmy Carter sono solo alcuni dei tanti colpi di avvertimento ignorati dall’élite del potere. La realtà di un futuro prossimo con un accesso radicalmente ridotto all’energia e alle risorse minerarie e con crescenti vincoli ecologici è difficile da accettare, figuriamoci affrontare in modo significativo.
Giovanni Steinbach

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Energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia sono forse i più significativi da molto tempo. Ha implicazioni per la società nel senso più ampio. Destini energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. Le parti 1, 2, 3, e 4  hanno esaminato i modelli di domanda e offerta nel tempo, le fonti rinnovabili, lo stoccaggio di energia e l’economia delle rinnovabili. Questa parte esamina la transizione energetica.

Una transizione energetica si riferisce a un importante cambiamento strutturale nei sistemi energetici. Ci sono state diverse transizioni storiche di questo tipo: dai biocarburanti, come il legno, all’energia idrica ed eolica e poi ai combustibili fossili. Nel suo uso attuale, è usato per descrivere il tentativo di sostituire i sistemi di produzione e consumo di energia basati sui combustibili fossili con fonti energetiche rinnovabili. Questa trasformazione è incorniciata dalla necessità di mitigare le emissioni per controllare i cambiamenti climatici.

L’ arco della storia dell’energia è rappresentato di seguito.

In Energy Transitions, il professor Vaclav Smil fornisce la prova che una nuova fonte di energia ha impiegato in genere tra i 40 ei 60 anni per guadagnare una quota di mercato significativa negli periodi precedenti. Le attuali proposte presuppongono che l’energia rinnovabile produrrà guadagni comparabili in un periodo molto più breve .

Ciò sottovaluta la complessità dell’attuale transizione energetica:

  • La scala è senza precedenti e richiede la riorganizzazione dei sistemi energetici per oltre 8 miliardi di persone e alti livelli di domanda industriale e domestica.
  • In generale, le transizioni energetiche comportano il passaggio a fonti di energia più efficienti. L’attuale processo inverte la tendenza con uno spostamento verso fonti meno efficienti con EROEI inferiore, minore densità energetica, minore densità di potenza superficiale e grandi requisiti di stoccaggio.
  • A differenza delle modifiche precedenti, è probabile che il costo dell’energia aumenti anziché diminuire.
  • Anche l’urgenza del cambiamento dovuta alla necessità di contenere le emissioni è senza pari.
  • I precedenti cambiamenti negli accordi energetici sono stati intrapresi prima delle moderne strutture normative, in particolare nei paesi avanzati, che dovranno adattarsi rapidamente a cambiamenti su larga scala all’interno di standard ambientali, di sicurezza e di concorrenza contrastanti.
  • Anche la probabile interruzione degli accordi sociali e geopolitici è potenzialmente maggiore rispetto alle trasformazioni precedenti.

Una transizione incompleta

L’attuale transizione energetica, così come concepita, è fortemente sbilanciata verso l’elettrificazione incentrata sull’utilizzo di fonti rinnovabili a basse emissioni per produrre elettricità in sostituzione dei combustibili fossili.

Gli attuali piani di transizione prevedono una grande espansione della produzione globale di elettricità di un fattore da due a tre volte, senza utilizzare combustibili fossili.

Ma l’elettricità, sulla base della maggior parte delle stime, costituisce meno del 20 percento dell’attuale mix energetico .

Le alte temperature, il fabbisogno di potenza e densità energetica dell’industria pesante (manifattura, acciaio, cemento, ammoniaca, plastica), del trasporto merci e dell’aviazione favoriscono i combustibili fossili che dovranno essere elettrificati o riprogettati per utilizzare combustibili alternativi che potrebbero rivelarsi difficili senza significativi progressi della scienza e delle tecnologie di produzione.

Ci sono barriere scoraggianti. Le tecniche di riduzione diretta per la produzione di acciaio possono consumare 15 volte più elettricità rispetto all’attuale approccio di cokefazione equivalente. Richiede minerale di ferro più puro per sciogliersi completamente in fornaci alimentate a idrogeno per eliminare i contaminanti. Anche la sostituzione dei combustibili fossili nella produzione di cemento e in altri processi industriali è una sfida.

La fattibilità tecnica dell’elettrificazione, l’uso di biocarburanti o altri metodi sono in fase di sviluppo e probabilmente saranno molto più costosi dei metodi attuali. Si stima che la decarbonizzazione della produzione di alluminio coerente solo con un percorso net-zero o 1,5°C richieda un investimento cumulativo di circa 1 trilione di dollari, principalmente nell’alimentazione e nelle fonderie .

L’elettrificazione, in ogni caso, non è sufficiente per eliminare le emissioni di carbonio da molte industrie pesanti a causa della chimica dei processi. Circa la metà dell’anidride carbonica nella produzione di cemento proviene dalla conversione del calcare in clinker. Nell’acciaio, la trasformazione dell’ossido di ferro in ferro puro richiede lo stripping degli atomi di ossigeno che si combinano con il carbonio per produrre anidride carbonica. La modifica della chimica è necessaria per ridurre queste emissioni.

I problemi di peso della batteria, capacità di potenza e durata rimangono vincoli nell’elettrificazione del trasporto pesante. Lo spazio necessario per i serbatoi di idrogeno sufficienti per alimentare l’aviazione a medio e lungo raggio limita i carichi utili che incidono in modo significativo sull’economia di queste forme di trasporto.

L’elettrificazione completa o addirittura sostanziale come percorso verso la decarbonizzazione può rivelarsi sfuggente.

Intensità materiale

I macchinari della transizione energetica – pannelli solari, turbine eoliche, accumulo di energia, impianti di riserva, linee e reti di trasmissione riconfigurate, veicoli elettrici – richiedono grandi quantità di metalli, minerali ed energia, ironia della sorte, dai combustibili fossili. Le rinnovabili sostituiscono l’intensità delle emissioni con l’intensità dei materiali.

Ad esempio, i veicoli elettrici richiedono fino a sei volte più minerali rispetto alle auto convenzionali alimentate da motori a combustione interna.

I veicoli elettrici pesano in media 340 chilogrammi (750 libbre) in più. Il peso aggiuntivo influisce sul fabbisogno energetico e sull’efficienza poiché la maggior parte dell’energia in qualsiasi forma di trasporto veicolare viene utilizzata per spingere il suo peso.

Le turbine eoliche richiedono acciaio (66-79 percento della massa totale della turbina); fibra di vetro, resina o plastica (11-16 percento); ferro o ghisa (5-17 percento); rame (1 percento); e alluminio (0-2 percento). Le terre rare sono gli ingredienti chiave dei potenti magneti richiesti. Le stime suggeriscono che sono necessarie circa 500 tonnellate di acciaio e 1.000 tonnellate di calcestruzzo per megawatt di energia eolica.

Ogni modulo batteria Tesla da 80 chilowattora a lungo raggio da 450 chilogrammi (1.000 libbre) è composto da 6.000 singole celle, ciascuna contenente 10 chilogrammi (25 libbre) di litio, 36 chilogrammi (60 libbre) di nichel; 18 chilogrammi (44 libbre) di manganese; 14 chilogrammi (30 libbre) di cobalto; 80 chilogrammi (200 libbre) di rame; e oltre 250 chilogrammi (550 libbre) di alluminio, acciaio, grafite, plastica e altri materiali. Se ridimensionati in base al tipo di stoccaggio che potrebbe essere richiesto a livello statale o nazionale, gli importi necessari sono sbalorditivi. Complessivamente, l’utilizzo di moduli batteria per sostenere il fabbisogno di elettricità estivo di punta di New York per 45 minuti richiederebbe 3.750 tonnellate di litio, 9.000 tonnellate di nichel, 6.600 tonnellate di manganese, 4.500 tonnellate di cobalto, 30.000 tonnellate di rame e 82.500 tonnellate di altro materiali.

Poiché i metalli e le altre sostanze necessarie richiedono una notevole quantità di energia per essere prodotti, l’effetto netto complessivo sulle emissioni (minore produzione dalle fonti di energia aggiustata per la maggiore quantità di materiali richiesti) non è chiaro.

Le emissioni del ciclo di vita dei veicoli elettrici, la quantità totale di gas serra emessi durante l’esistenza di un prodotto, compresa la sua produzione, utilizzo e smaltimento, sono rivelatrici. Utilizzando misure standardizzate (tonnellate metriche di CO2 equivalente (tCO2e)) di gas serra, è possibile ricavare le emissioni comparative dei veicoli elettrici, ibridi e ICE di medie dimensioni :

I veicoli elettrici hanno le emissioni del ciclo di vita più basse, ma le emissioni di produzione sono circa il 40% superiori a quelle dei veicoli ibridi e convenzionali, principalmente dall’estrazione e dalla raffinazione di materie prime come litio, cobalto e nichel. La maggior parte dei vantaggi in termini di emissioni sono in fase di utilizzo. Questi confronti si basano su 16 anni di utilizzo e una distanza di 240.000 chilometri (150.000 miglia). Laddove il veicolo ha una vita più breve o viene utilizzato in modo meno intensivo (il che è probabile poiché i veicoli elettrici sono più adatti a distanze di viaggio più brevi), le elevate emissioni di produzione indicano che le emissioni del ciclo di vita del veicolo elettrico si avvicinano a quelle dei tradizionali veicoli a combustione interna.

Le affermazioni di minore intensità di materiale dei veicoli elettrici presuppongono spesso anche la capacità di riciclare i componenti , il che, in realtà, non è dimostrato. Anche se possono essere progettati per utilizzare meno materie prime, molte sono le richieste di terre rare che necessitano di processi di produzione tossici. L’analisi presuppone che i veicoli elettrici siano alimentati esclusivamente da elettricità proveniente da fonti energetiche rinnovabili, il che non è la situazione attuale.

Ciò significa che il passaggio alle energie rinnovabili potrebbe non ridurre le emissioni del quantum dichiarato e, forse, per niente in alcuni casi.

Materiali critici per la transizione

Le principali materie prime necessarie per la transizione energetica sono riassunte di seguito:

Di seguito si riporta l’applicazione e la relativa domanda di tali materie prime.

In generale, gli analisti si concentrano su due gruppi di materie prime: primo rame, nichel e cobalto e secondo litio e terre rare. In pratica dovrebbero essere prese in considerazione tutte le materie prime richieste.

Disponibilità delle risorse

Si presuppone la disponibilità delle materie prime richieste a un costo accettabile. Senza l’approvvigionamento necessario, la transizione energetica sarà, nella migliore delle ipotesi, ostacolata e, nella peggiore, non sarà possibile. Gli elementi chiave della disponibilità includono:

  • Sufficienza della risorsa.
  • Fattibilità di estrazione e produzione.

Non è chiaro se attualmente esistano quantità sufficienti di materie prime essenziali. La quantità di molti metalli necessari è maggiore di quanto inizialmente creduto, gli attuali livelli di produzione sono insufficienti e, forse la cosa più critica, le riserve minerarie note per alcuni materiali potrebbero essere inferiori alle quantità necessarie. Ulteriori investimenti possono espandere la produzione e l’esplorazione può scoprire nuove riserve, ma ci sono difficoltà nel superare le carenze soprattutto nel breve periodo.

Di seguito è riportata una stima delle riserve note di molte materie prime essenziali:

Simon P. Michaux , Professore Associato di Ricerca dell’Unità di Geometallurgia Lavorazione dei Minerali e Ricerca sui Materiali, Geological Survey of Finland, ha confrontato la produzione richiesta con le riserve conosciute concludendo che i metalli totali richiesti per una generazione di tecnologia per eliminare gradualmente i combustibili fossili sono insufficienti per molte sostanze.

 

Metallo Produzione richiesta (tonnellate) Riserve conosciute(tonnellate) Copertura di riserva(Percentuale di requisiti)
Rame 4.575.523.674 880.000.000 20 percento
Nichel 940.578.114 95.000.000 10 percento
Litio 944,150,293 95.000.000 10 percento
Cobalto 218.396.990 7.600.000 3 per cento
Grafite 8.973.640.257 320.000.000 4 percento
Vanadio 681.865.986 24.000.000 4 percento

Lo studio ha rilevato che c’erano riserve sufficienti di alcuni materiali:

 

Metallo Produzione richiesta (tonnellate) Riserve conosciute(tonnellate) Copertura di riserva(Percentuale di requisiti)
Zinco 35.704.918 250.000.000 700 percento
Manganese 227.889.504 1.500.000.000 658 percento
Silicio (metallurgico) 49.571.460 Relativamente abbondante Adeguato
Argento 145.579 530.000 3.641 percento
Zirconio 2.614.126 70.000.000 2.678 percento

Le stime della domanda e delle riserve sono inesatte e oggetto di febbrili controversie. Tuttavia, l’entità delle potenziali carenze deve essere attentamente considerata nei piani di transizione energetica.

Estrazione e produzione

Anche se esistono riserve, sorgono problemi di estrazione e produzione. La scala è impegnativa. L’entità dell’espansione della produzione richiesta per alcune materie prime chiave non è da prendere alla leggera.

La qualità dei giacimenti minerari che devono essere sfruttati è rilevante. I gradi sono diminuiti a causa dell’esaurimento naturale delle miniere già esistenti che sono, comprensibilmente, le più facilmente accessibili e a basso costo. Nel caso del rame, il grado medio delle miniere è diminuito da circa il 2,5% di 100 anni fa a circa lo 0,5% di oggi. Ci sono poche miniere di rame oggi che hanno un contenuto di rame superiore all’1% della roccia. La qualità media del rame cileno , uno dei maggiori produttori, è scesa del 30% negli ultimi 15 anni allo 0,7%. Alcune altre materie prime richieste si trovano naturalmente a concentrazioni inferiori. Nichel, litio, cobalto e rame costituiscono dallo 0,002% allo 0,009% della crosta terrestre. Al contrario, i metalli più abbondanti come il ferro e l’alluminio costituiscono rispettivamente il 6% e l’8%.

I gradi inferiori e la relativa scarsità aumentano i costi di esplorazione, sviluppo, estrazione e lavorazione, nonché il fabbisogno energetico e le emissioni di carbonio. Nel caso del rame, qualità inferiori significano che per produrre la stessa quantità di rame occorre utilizzare circa 16 volte più energia rispetto a 100 anni fa.

La convinzione che i miglioramenti nella tecnologia di esplorazione e produzione possano colmare le carenze è fuorviante. Le tecniche di esplorazione variano tra le materie prime. La tecnologia per la ricerca di giacimenti minerari, come il rame, è complicata dal fatto che i depositi sono spesso dispersi su vaste aree. Tecniche come il test sismico, che è un mezzo efficiente per la ricerca di idrocarburi, sono meno efficaci. Deve essere utilizzata la perforazione esplorativa, un processo lento.

Anche le aree che possono essere sfruttate sono diverse. L’estrazione della maggior parte dei metalli è concentrata in poche aree a causa dell’economia. Al contrario, la produzione di petrolio e gas a volte può essere intrapresa su scala ridotta. Oggi, molta esplorazione di idrocarburi è nell’oceano.

Esistono piani ambiziosi per l’estrazione in acque profonde di cobalto, nichel, manganese e rame . Ma ci sono difficoltà significative nell’operare in acqua salata corrosiva, a temperature vicine allo zero e sotto migliaia di libbre di pressione per pollice quadrato. I superamenti dei costi di capitale e operativi sono frequenti. Il costo del progetto del gas Gorgon al largo della costa dell’Australia nord-occidentale è aumentato dal budget di $ 11 miliardi a $ 54 miliardi.

I rapporti tra riserva e produzione spesso sovrastimano la quantità di minerali che possono essere estratti. Il tempo dall’esplorazione alla produzione è lungo. Ci vogliono anni per passare dall’esplorazione alla produzione di petrolio e gas. Al contrario, una miniera di rame greenfield può richiedere decenni per essere messa in funzione, anche se in genere hanno una vita più lunga che si estende fino a centinaia di anni. Ciò significa che anche se, come probabile, i prezzi aumentano bruscamente, è improbabile che l’offerta aggiuntiva di materiali richiesti per la transizione divenga rapidamente disponibile poiché presentano un’elasticità dei prezzi relativamente limitata .

Vincoli ambientali

È probabile che la produzione delle materie prime necessarie eserciti una pressione significativa su altre risorse come l’acqua e la terra.

La produzione di molte materie prime richiede grandi quantità di acqua . L’estrazione del rame richiede molta acqua. Ciò è complicato dal fatto che il 50% della fornitura mondiale di rame proviene dal Cile, dal Perù e dalla fascia africana del rame, tutte regioni con problemi di scarsità d’acqua. Le tecniche comuni per la produzione di litio sono ad alta intensità idrica, con aree come l’alto altopiano andino dove esistono grandi riserve che sono tra i luoghi più aridi della terra. La produzione di idrogeno richiede l’accesso a grandi quantità di acqua.

Ci sono richieste di terra scarsa che potrebbero essere necessarie per le popolazioni e la produzione alimentare. I biocarburanti richiedono grandi quantità di acqua e terra. Le materie prime da biomassa per l’energia alternativa estraggono efficacemente il terriccio. A livello globale, è probabile che fino al 90 percento del suolo superficiale della Terra sarà a rischio entro il 2050. Con un minimo di 15 centimetri (6 pollici) necessari per coltivare in modo efficiente, la perdita di terriccio si sta avvicinando a livelli critici. Strutture solari nei deserti che richiedono la demolizione di aree che distruggono l’ecosistema naturale e rilasciano anche una grande quantità di carbonio immagazzinato sottoterra in terreni desertici.

Altri effetti collaterali includono inquinamento e danni ambientali dovuti all’estrazione delle materie prime necessarie.

In effetti, le esternalità negative significative sono generalmente trascurate e non incorporate nei calcoli dei costi. Il consumo di energia e le emissioni di questi effetti collaterali sono spesso ignorati.

Vincoli di investimento

Gli investimenti sono essenziali per garantire la sufficienza dell’offerta. Negli ultimi decenni, il livello di investimento in materiali critici di transizione è aumentato (sebbene l’opacità dei dati delle società minerarie, in particolare le major diversificate, renda difficile identificare con precisione le aree interessate).

Dato che saranno necessari oltre 3 miliardi di tonnellate di minerali e metalli per raggiungere un risultato inferiore a 2°C e che la produzione di minerali, come grafite, litio e cobalto, dovrà aumentare di quasi il 500% entro il 2050, è discutibile se gli investimenti esistenti siano adeguati.

Ci sono diverse ragioni per un investimento inadeguato:

  • Ciclicità delle merci.
  • Prezzi reali bassi.
  • I grandi requisiti patrimoniali dei progetti.
  • Consolidamento e maggiore avversione al rischio all’interno di grandi gruppi di risorse.

La pressione degli attivisti sulle società di risorse per la decarbonizzazione, particolarmente esposte a combustibili fossili o ad alte emissioni, è sempre più un fattore. Con la maggior parte dei gestori patrimoniali e degli investitori desiderosi di migliorare la propria performance ESG (Environment, Social, Governance), c’è stata una riluttanza da parte degli enti pubblici a investire nella produzione di materie prime. Un’ulteriore influenza è la natura apparentemente fuori moda delle risorse relative alle industrie tecnologiche ad alta crescita, che ironicamente non possono sopravvivere senza i materiali che devono essere estratti. Le materie prime non possono essere richiamate con un’app da uno smartphone.

Senza investimenti sostanziali e le relative emissioni, è probabile la carenza di alcuni materiali .

I problemi con l’aumento delle fonti primarie hanno incoraggiato a concentrarsi sull’approvvigionamento secondario, come rottami e materiale riciclato. I tassi di riciclaggio per la maggior parte dei materiali critici per la transizione sono attualmente bassi. Ciò riflette le barriere ingegneristiche , nonché il materiale adatto limitato e l’utilità del materiale riciclato per le applicazioni. I prezzi storicamente bassi sono un altro fattore che crea disincentivi e incide sulla fattibilità finanziaria di alcuni tipi di riciclaggio. L’attuale scopo di soddisfare la domanda dalla fornitura riciclata è limitato.

La corsa verde

Le questioni relative alla sufficienza degli investimenti sono, in realtà, più profonde. Le spese in conto capitale sono inadeguate ma anche non adeguatamente mirate.

La transizione energetica si è evoluta in una “corsa verde” finanziaria speculativa. L’entusiasmo per le nuove tecnologie energetiche è ignaro di semplici fatti e la pianificazione di base è assente. Anche una volta completati, gli impianti rinnovabili non possono essere collegati alla rete a volte per diversi anni. In casi estremi, i progetti non vengono perseguiti a causa di queste carenze. Il Lawrence Berkeley National Laboratory ha trovato quasi 2.000 gigawatt di energia solare, di stoccaggio ed eolica negli Stati Uniti in attesa nelle code di interconnessione della rete di trasmissione.

Aggiunta del sostegno del governo, l’euforia degli investitori è cresciuta. Gli investimenti in titoli e fondi legati alle energie rinnovabili hanno raggiunto nuove vette. Le valutazioni delle azioni dei veicoli elettrici, come Tesla, i produttori di batterie e le società legate all’idrogeno sono aumentate notevolmente. La maggior parte ha un prezzo elevato a multipli di utili, vendite e valori patrimoniali. Nel 2020, gli SPAC (Special Purpose Acquisition Vehicles) di energia verde hanno raccolto 40 miliardi di dollari con il mandato di acquisire asset di energia pulita non ancora identificati.

I fondi sono spesso affluiti ad aziende con tecnologie non testate, piani irrealistici o semplici fronzoli e ciarlataneria. C’è una malsana mancanza di concentrazione sull’essenziale scienza di base sottostante a favore degli espedienti. Gran parte di questo investimento può essere completamente ammortizzato con le rapide e grandi perdite di capitale che lasciano meno denaro disponibile per bisogni reali.

Ad esempio, l’attuale interesse per l’economia dell’idrogeno smentisce i precedenti fallimenti degli investimenti. Nel 1997, l’entusiasmo dei media per l’energia a idrogeno traboccò appena prima della fine di quel boom. Un articolo recente che ha stimolato la “nuova” economia dell’idrogeno ha razionalizzato il fallimento dell’ondata degli anni ’90 come risultato dell’assenza di un mercato chiaro per il carburante e di un sostegno statale e aziendale limitato. Il sottotitolo del pezzo era significativamente qualcosa che la maggior parte delle persone ha imparato a temere: ‘Questa volta è diverso’. Un’analisi storica ha rilevato che i tentativi seriali di guidare un’economia globale dell’idrogeno sono stati in gran parte guidati dall’entusiasmo e resta da vedere se l’ondata attuale è diversa.

La frenesia speculativa distoglie fondi dalle imprese energetiche tradizionali. L’ industria energetica ha investito poco , nelle rinnovabili e negli idrocarburi. Dal picco del 2014, gli investimenti nell’energia tradizionale (petrolio e gas) sono diminuiti del 57% determinando una riduzione di oltre il 30% degli investimenti globali in energia primaria, da 1,3 trilioni di dollari nel 2014 a 0,8 trilioni di dollari nel 2020. Parallelamente, gli investimenti totali in energia sono diminuiti di circa il 22% dal picco di $ 2,0 trilioni nel 2014 a $ 1,5 trilioni nel 2020, anche se ora si sta invertendo.

La focalizzazione degli investimenti sulle rinnovabili non è sufficiente a compensare i minori investimenti nell’energia tradizionale, soprattutto in considerazione della scala ridotta e della maggiore intensità di capitale per unità di energia prodotta. Alla base di questo modello c’è la convinzione dell’imminente fine dell’era degli idrocarburi. Ciò è stato rafforzato da una marea di analisi che prevedevano il picco della domanda mondiale di petrolio e il calo di circa un terzo del consumo entro il 2040. È interessante notare che ciò è incoerente con le proiezioni del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti secondo cui la domanda americana aumenterà leggermente, e non diminuirà entro 2050.

Le aziende energetiche tradizionali hanno registrato investimenti minimi nonostante i comprovati record di attività e asset base. Le valutazioni sono contenute, ignorando i profitti record dovuti all’impennata dei prezzi del petrolio e del gas conseguente alla guerra in Ucraina.

C’è bisogno di spese in conto capitale per l’energia attraverso fonti nuove ed esistenti, che saranno necessarie per molto tempo a venire, così come le relative infrastrutture e materie prime. L’eccessivo affidamento sull’introduzione delle energie rinnovabili, la mancanza di investimenti nei combustibili fossili e i vincoli sui materiali critici per la transizione creano la possibilità di significative carenze energetiche future.

Vincoli politici

La transizione energetica deve affrontare ostacoli politici.

Mentre la maggior parte dei cittadini è a favore di un allontanamento dai combustibili fossili, l’intrusione da parte di impianti di energia rinnovabile e attività minerarie per estrarre risorse essenziali potrebbe non essere universalmente supportata. Alcuni minerali saranno inevitabilmente estratti in cattive condizioni di lavoro nei mercati emergenti, tra cui una sicurezza sul posto di lavoro inadeguata, l’utilizzo di lavoro minorile, nessuna salvaguardia ambientale e i proventi utilizzati per finanziare i conflitti. Ciò può rivelarsi problematico sia in base alle leggi esistenti che eticamente. Come minimo, ciò rallenterà la fornitura dei necessari materiali di transizione.

Dal punto di vista geopolitico, la richiesta di determinati minerali creerà tensioni. I petrostati esistenti rischiano di perdere finanziariamente e in termini di influenza. Allo stesso tempo, i produttori di materiali essenziali acquisiranno importanza. Il grafico sottostante illustra le nazioni che producono e possiedono riserve di quattro metalli di transizione chiave. L’ampia rappresentanza di paesi in via di sviluppo non necessariamente favorevoli alle agende occidentali è notevole.

Nota : le etichette dei dati nella figura utilizzano i codici paese dell’Organizzazione internazionale per la standardizzazione (IOS). Pr = produzione; r = riserve.

Una questione centrale è il predominio della Cina nella fornitura e lavorazione di minerali critici di transizione. La Cina ha quasi il monopolio su alcuni minerali; ad esempio, il 90 percento degli elementi di terre rare lavorati. È tra i più grandi processori di litio. La Cina fornisce oltre il 60% di tutta la grafite naturale e la maggior parte dell’equivalente sintetizzato necessario per gli anodi delle batterie al litio. Il problema principale è l’elaborazione. Molti materiali richiesti si trovano in basse concentrazioni che richiedono la lavorazione di grandi quantità di minerale e metodi metallurgici spesso inquinanti. I processi sono complessi, ad alta intensità energetica, pericolosi e costosi.

Questa situazione non è casuale. La pianificazione a lungo termine della Cina ha dato la priorità a queste industrie per decenni. Gli acquirenti occidentali hanno acconsentito mentre i trasformatori cinesi, supportati da sussidi statali e standard ambientali minimi, hanno abbassato i costi.

I piani per ridurre la dipendenza dalla Cina sono, nel migliore dei casi, probabilmente lenti o, nel peggiore dei casi, quasi impossibili nei tempi previsti. Le attuali strategie per la gestione della catena di approvvigionamento di queste materie prime includono il friend-shoring per creare fornitori alternativi, costruire scorte e capacità di lavorazione di riserva. È improbabile che sia facile e sarà costoso. Sovvenzioni altamente condizionate (come quelle contenute nell’Inflation Reduction Act degli Stati Uniti), finanziamenti, opposizione locale per motivi ambientali e riduzione dei prezzi da parte dei fornitori cinesi esistenti hanno finora rallentato diversi progetti. Crescente riconoscimento della posizione si riflette nel notevole cambiamento di linguaggio dal ‘disaccoppiamento’ al ‘de-risking’ in relazione al rapporto con la Cina. Qualunque sia il risultato, la disponibilità e il costo di queste materie prime essenziali limiteranno il passaggio a nuove fonti di energia.

Il controllo di alcune forniture è già un’arma economica. A seguito delle prime scaramucce, a metà del 2023, la Cina ha limitato le esportazioni di composti di gallio e germanio (utilizzati nei semiconduttori e nell’elettronica ad alta velocità), entrambi tra i minerali classificati dal governo degli Stati Uniti come critici per la sicurezza economica e nazionale. Molto probabilmente era una rappresaglia per i divieti statunitensi sugli acquisti cinesi di tecnologie avanzate.

Gli effetti di tali importanti riallineamenti di potere globale sono imprevedibili, specialmente in un periodo come quello attuale in cui sono evidenti varie tensioni.

Per arrivarci, non partirei da qui!

La transizione energetica è fondamentale per ridurre le emissioni di gas a effetto serra ma anche per integrare la fornitura in calo di combustibili fossili. Ma ci sono dubbi sulla fattibilità di una tale trasformazione dei sistemi energetici mondiali.

L’attuale focalizzazione ristretta sull’elettrificazione è limitante poiché l’elettricità è solo una piccola parte degli attuali sistemi energetici. I requisiti delle applicazioni industriali, dei trasporti pesanti e dell’aviazione richiederebbero che un’ampia varietà di questi processi fosse prima elettrificata o convertita in tecnologie con celle a idrogeno. Anche l’ approvvigionamento di materie prime essenziali per la transizione energetica non è assicurato . Le emissioni e le esternalità derivanti da una maggiore intensità materiale potrebbero non modificare sostanzialmente i livelli complessivi di produzione di gas serra. Gli attuali livelli di investimento sono inadeguati.

Alla fine, la transizione ha ‘hopium’ incorporato. Si trova sulla credenza micawberiana che qualcosa – scientifico o tecnologico – salterà fuori. Sono possibili scoperte che migliorino l’efficienza produttiva, riducono gli inquinanti o consentono la sostituzione di materiali critici per la transizione con alternative migliori, ma non ci si può fare affidamento.

Nella migliore delle ipotesi, qualsiasi transizione energetica potrebbe rivelarsi più lenta e più costosa di quanto si pensi attualmente. Nel peggiore dei casi, la transizione energetica potrebbe rivelarsi impossibile, almeno nella misura attualmente prevista con una sostanziale dipendenza residua dalle riserve di combustibili fossili in diminuzione.

Nel valutare i progressi, la formulazione dell’ex primo ministro russo Viktor Chernomyrdim sembra appropriata: “abbiamo completato tutti i punti: da A a B “.

_________________________

Autore: Satyajit Das, ex banchiere e autore di numerose opere sui derivati ​​e diversi titoli generali: Traders, Guns & Money: Knowns and Unknowns in the Dazzling World of Derivatives  (2006 e 2010), Extreme Money: The Masters of the Universe and the Cult of Risk (2011), A Banquet of Consequences RELOADED (2021) e Fortune’s Fool: Australia’s Choices (2022).

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Destini energetici – Parte 4: Economia rinnovabile – Al costo _ di Satyajit Das

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Destini energetici – Parte 4: Economia rinnovabile – Al costo

di Satyajit Das

Speranza rinnovabile

L’energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia sono forse i più significativi da molto tempo. Ha implicazioni per la società nel senso più ampio. Destini energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. Le parti 1, 2 e 3 hanno esaminato i modelli di domanda e offerta nel tempo, le fonti rinnovabili e lo stoccaggio di energia. Questa parte esamina l’economia delle energie rinnovabili.

Cosa fare per non rimanere aggrappati nella sola “speranza rinnovabile”? In questa fase della transizione energetica, che sarà molto lunga e violenta, insieme ai piccoli passi e atti che ognuno di noi può fare, penso che la conoscenza e la riflessione su tutti gli aspetti sia la cosa primaria. Gli articoli di Satyajit Das sono pubblicati a questo scopo.

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L’economia dell’energia rinnovabile, in particolare l’energia solare ed eolica, si concentra sulla “parità di rete”, un costo livellato dell’elettricità (LCOE) uguale o inferiore al prezzo dell’energia dalla rete elettrica. I guru della nuova era energetica e i loro creduloni accoliti mediatici fanno affidamento su questo per sostenere la sostituzione dei combustibili fossili con l’energia rinnovabile.

Il costo delle energie rinnovabili è decisamente diminuito.

Ma qualsiasi confronto è complicato da una serie di fattori:

  • Poiché l’energia rinnovabile richiede un apporto minimo di combustibile, vi è un naturale vantaggio in termini di costi.
  • I confronti tipici si basano sui costi dell’elettricità, che costituisce meno del 20% di tutta l’energia utilizzata.
  • Gli effetti dell’intermittenza, la necessità di accumulo di energia, la densità di energia, l’impatto sull’infrastruttura energetica, la densità di potenza superficiale, la longevità dell’impianto e i costi di vita completa spesso non vengono considerati.
  • Sottolinea un’esternalità (riduzione delle emissioni) ignorando altre esternalità, come l’intensità materiale e le attività non recuperabili. Anche i benefici in termini di emissioni rimangono ambigui a causa di problemi nella stima accurata della produzione di gas serra e del fabbisogno energetico lungo l’intera catena di approvvigionamento.
  • LCOE come misura è sensibile alle ipotesi e soggetta a limitazioni importanti.
  • Occorre considerare l’impatto delle sovvenzioni, che può essere significativo.

In pratica, identificare i veri costi pieni piuttosto che marginali delle rinnovabili è complesso.

Problemi locali

LCOE misura il costo attuale netto medio della generazione di elettricità per un generatore durante la vita di un impianto sulla base di numerosi presupposti. È una metrica finanziaria che confronta diverse forme di elettricità utilizzando un insieme coerente di parametri. Le forme generalizzate includono il costo livellato del calore, il costo livellato del riscaldamento o il costo livellato dell’energia termica.

LCOE è calcolato come il ricavo medio per unità di elettricità generata necessario per recuperare i costi di costruzione e gestione di un impianto durante la sua vita finanziaria presunta e il suo ciclo di lavoro. Sono i costi attualizzati nel corso della vita di un impianto divisi per una somma attualizzata dell’energia effettiva erogata. Gli input richiesti includono l’investimento, il costo del capitale, i costi di finanziamento, i costi del carburante, i costi operativi e di manutenzione fissi e variabili, i tassi di utilizzo, le vite operative e le spese di smantellamento. Tasse o sussidi possono essere incorporati. Non è raro vedere esclusi uno o l’altro input.

Come nella maggior parte dei progetti su larga scala, non è facile specificare con precisione gli elementi richiesti. Le questioni chiave includono:

  • Costi di capitale: il rischio di superamento dei costi è sempre presente con alcuni progetti che superano i budget di grandi importi. Ciò influisce sul costo che deve essere recuperato.
  • Costo del capitale e costi di finanziamento : il calcolo è influenzato dall’importo da finanziare, dalla struttura del capitale (debito rispetto al capitale proprio) e dal costo del capitale presunto. In pratica, vi sono ampie variazioni nella struttura del capitale tra i diversi proprietari. La disponibilità di finanziamenti pubblici e sussidi può distorcere i costi e le stime LCOE. Il minor costo del capitale favorisce metodi ad alta intensità di capitale e a basso costo operativo come l’energia nucleare. Vale anche il contrario. La sensibilità al costo del capitale è dell’ordine del 6-10%. Sebbene LCOE possa differire, in genere non cambia la classifica delle tecnologie.
  • Costi operativi: la variabile principale sono i costi del carburante. Sebbene minime per molte rinnovabili, le fluttuazioni dei prezzi dell’energia possono influenzare in modo significativo le stime LCOE per le fonti tradizionali. Per le energie rinnovabili con una storia breve, è difficile ricavare costi operativi e di manutenzione accurati.
  • Tassi di utilizzo – in pratica, questi si sono dimostrati molto variabili e difficili da stimare soprattutto su lunghi periodi a causa dell’effetto del tempo sui progetti solari ed eolici. La US Energy Information Administration, ad esempio, presuppone tassi di utilizzo effettivi per il solare e l’eolico rispettivamente del 29% e del 43%. I dati effettivi suggeriscono fattori di capacità realizzati intorno al 22% e al 33%. Un utilizzo inferiore per un lungo periodo può aumentare notevolmente gli LCOE. I fattori di capacità dei parchi eolici sono migliorati lentamente, ma questo guadagno ha richiesto la riduzione del numero di turbine in una data area aumentando l’uso del suolo.
  • Vite operative: le vite operative per le tecnologie esistenti e consolidate sono ben comprese. Questo non è il caso delle nuove fonti di energia rinnovabile. Inoltre, le condizioni operative hanno un impatto maggiore per alcune tecnologie rispetto ad altre. La vita operativa degli impianti a combustibili fossili e nucleari, in genere 60-80 anni, è tipicamente più lunga di quella dell’eolico e del solare. Una durata di vita più breve richiede la costante ricostruzione delle turbine eoliche e la generazione solare e lo smaltimento dei rifiuti.
  • Spese di smantellamento: il costo per la chiusura di un impianto, il ripristino dei siti e lo smaltimento dei rifiuti operativi e di altro tipo viene spesso trascurato. Possono essere potenzialmente estremamente grandi per l’energia nucleare, arrivando a decine di miliardi e coprendo decenni. Con pochi o nessun impianto che è stato completamente disattivato invece di essere stato chiuso, tali spese sono difficili da quantificare lasciando una grande responsabilità a tempo indeterminato.

Il quadro normativo è importante. I cambiamenti nelle leggi e negli standard possono potenzialmente avere un impatto importante su LCOE. Le normative ambientali, le norme sulla protezione dei consumatori, la responsabilità civile e l’interferenza nei prezzi di mercato dell’elettricità hanno il potenziale per influenzare gli LCOE.

Le carenze di LCOE hanno portato alla proposta di misure alternative.

Il costo evitato livellato dell’energia (LACE) cerca di incorporare il valore economico che la fonte fornisce alla rete, come la dispacciabilità all’interno del mix energetico esistente. La US Energy Information Administration raccomanda di confrontare i costi livellati delle fonti non dispacciabili come l’eolico o il solare con LACE: i costi evitati da altre fonti divisi per la produzione annua della fonte non dispacciabile. Ciò fornisce un utile confronto con i combustibili fossili o il nucleare riconoscendo il costo delle fonti dispacciabili di riserva per le fonti di energia fluttuanti intermittenti. Un rapporto tra LACE e LCOE, indicato come rapporto valore-costo, maggiore di 1 rende un progetto economicamente fattibile.

L’Agenzia internazionale dell’energia ha suggerito un costo livellato dell’elettricità aggiustato per il valore (VALCOE) che include il costo dell’energia elettrica e il valore per il sistema elettrico, ad esempio la capacità di soddisfare i picchi di domanda. Nessuna misura è perfetta e adatta ad ogni contesto o location.

LCOE – Stime

Le attuali stime LCOE sono le seguenti:

Un elemento che colpisce è l’ampia gamma. Inoltre, non mostra una parità di rete coerente.

C’è una notevole sensibilità ai costi del carburante e del capitale .

Tuttavia, queste stime dei costi sono incomplete se si escludono elementi importanti.

Impatto dei sussidi

I sussidi per le energie rinnovabili sono comuni e variano a seconda delle tecnologie, dei paesi e delle regioni. Ad esempio, alcuni paesi cercano di incoraggiare gli investimenti rinnovabili dando loro la preferenza in termini di progetti o dispacciamento della rete. Altri incentivi includono agevolazioni fiscali o condizioni di finanziamento favorevoli come minori costi di prestito o co-investimenti governativi.

Il livello di sostegno del governo per le diverse tecnologie energetiche è cambiato nel tempo . Prima della pandemia, c’è stato un costante passaggio dai combustibili fossili e dal nucleare alle energie rinnovabili, allo stoccaggio e al miglioramento dell’efficienza energetica.

La pandemia ha portato a un passaggio ai sussidi per i combustibili fossili. I sussidi al consumo di combustibili fossili sono saliti a 532 miliardi di dollari nel 2021 (un aumento del 20% rispetto ai livelli del 2019). Nel 2022, hanno raddoppiato di nuovo raggiungendo il record di tutti i tempi di $ 1 trilione. Alcuni di questi sono stati causati dal rimbalzo dei prezzi dei combustibili fossili. Molti di questi sussidi sono concentrati nelle economie in via di sviluppo, di cui più della metà nei paesi esportatori di combustibili fossili. C’erano altri $ 500 miliardi di spesa pubblica extra per ridurre le bollette energetiche, principalmente nelle economie avanzate (l’Europa da sola ha speso $ 350 miliardi) che sono confluiti in parte nei combustibili fossili. Questi pagamenti di trasferimento hanno ridotto gli incentivi per un consumo energetico efficiente o per il passaggio a combustibili più puliti.

Non c’è nulla di intrinsecamente discutibile riguardo ai sussidi. L’energia, come altre industrie, è stata spesso sostenuta per ulteriori obiettivi politici più ampi, come promuovere nuove tecnologie o industrie nascenti, garantire la sicurezza dell’approvvigionamento, stimolare particolari settori o segmenti della popolazione e, più recentemente, benefici ambientali. Il supporto può essere auspicabile per superare le imperfezioni del mercato.

Tuttavia, i sussidi energetici sono inefficienti e creano effetti collaterali. La maggior parte dei benefici va alle famiglie più ricche, che sono i maggiori consumatori. Incoraggiano consumi più elevati e riducono gli sforzi per ridurre l’intensità energetica. I sussidi energetici distorcono anche l’allocazione del capitale e talvolta incoraggiano industrie non sostenibili.

Crea diversi problemi:

  • La vera economia delle energie rinnovabili diventa difficile da determinare.
  • Devono essere fatte ipotesi sulla continuazione o sul livello di supporto. Con le finanze pubbliche sotto pressione crescente, la loro capacità di fornire sovvenzioni potrebbe ridursi nel tempo con ripercussioni sugli LCOE rinnovabili.

Esternalità

LCOE non tiene conto delle esternalità, ovvero un costo finanziario o non finanziario o un vantaggio di un’attività subita da una terza parte non correlata.

L’entusiasmo per le rinnovabili deriva da un’importante esternalità positiva, vale a dire le sue basse emissioni di carbonio. Tuttavia, questo è contestabile. La riduzione del carbonio può essere sopravvalutata.

L’energia rinnovabile sostituisce l’intensità materiale per le emissioni. I macchinari necessari — pannelli solari, turbine, dighe, batterie, trasformatori, nuove linee di trasmissione — richiederanno metalli e minerali su scale senza precedenti nella storia umana. Paradossalmente richiederà enormi quantità di energia alimentata principalmente da combustibili fossili. Ci sono problemi intorno allo smaltimento dei rifiuti, come i pannelli solari rottamati, che da soli potrebbero crescere fino a 200 milioni di tonnellate a livello globale entro il 2050 .

Le riduzioni stimate delle emissioni di carbonio non incorporano completamente le emissioni dell’intera filiera e del ciclo di vita delle fonti rinnovabili. Ad esempio, le emissioni derivanti dallo stoccaggio di energia all’ingrosso richiesto dove le rinnovabili sono una parte significativa della rete contribuiscono a emissioni “non trascurabili” . Questi possono ridurre o eliminare l’esternalità positiva delle rinnovabili a seconda della posizione, della modalità di funzionamento dello stoccaggio e delle ipotesi relative all’intensità di carbonio. Solo quando questi sono inclusi è possibile comprendere il vantaggio o il costo delle diverse tecnologie.

Le fonti energetiche rinnovabili presentano anche alcune esternalità negative:

  • Intermittenza e dispacciabilità: l’energia rinnovabile è intermittente e generalmente non dispacciabile, ovvero non può entrare in linea, andare offline o aumentare o diminuire rapidamente per soddisfare i rapidi cambiamenti della domanda. Soddisfare la domanda senza riduzioni (chiusure, riduzione del carico o abbassamenti di tensione) richiede capacità di accumulo di energia su larga scala o di generazione di backup. LCOE in genere non incorpora questi costi, che sono difficili da stimare con precisione. Le misure — il costo livellato dello storage (LCOS) e LACE — tentano di catturare questi problemi ma possono essere altamente soggettive.
  • Caratteristiche delle fonti energetiche rinnovabili: l’energia rinnovabile è fortemente focalizzata sulla generazione di elettricità. Ha una densità di energia e una densità di potenza superficiale significativamente inferiori. Gli LCOE generalmente non incorporano i costi aggiuntivi dello stoccaggio in batterie o della trasformazione dell’elettricità generata in combustibile, come l’idrogeno, da utilizzare in determinate applicazioni.
  • Requisiti infrastrutturali: le energie rinnovabili richiedono un’importante riconfigurazione delle infrastrutture. La rete elettrica dovrebbe essere modificata e dovrebbero essere effettuati importanti investimenti nelle capacità di trasmissione a lunga distanza. Questi costi generalmente non sono considerati nei calcoli LCOE.
  • Costi delle attività incagliate: proporzioni più elevate di energia rinnovabile si “incagliarebbero”, cioè renderebbero ridondanti le attività di generazione esistenti, come gli impianti di generazione a combustibili fossili e le miniere di supporto e i giacimenti di gas. Ciò ha conseguenze finanziarie che vanno oltre la cancellazione di valori patrimoniali non ammortizzati. Mette a rischio la capacità delle imprese con attività non recuperabili di far fronte ai propri obblighi. Gli importi in gioco sono notevoli. I 25 trilioni di dollari di risorse globali di combustibili fossili stimati al 2036, in uno scenario normale, potrebbero scendere di valore a 14 trilioni di dollari a seguito delle politiche di emissioni nette zero e del passaggio alle energie rinnovabili. Le partecipazioni degli investitori istituzionali in obbligazioni e azioni in società di combustibili fossili ammontano a 3 trilioni di dollari . L’esposizione diretta delle 60 maggiori banche del mondo alle risorse di combustibili fossili è stimato a $ 1,35 trilioni. Le banche hanno finanziato società di combustibili fossili per un importo di 4,6 trilioni di dollari dalla firma dell’accordo di Parigi nel 2016. Queste perdite ricadrebbero sugli investitori con un impatto significativo sulla stabilità finanziaria e sui risparmi. Il costo delle attività non recuperabili è generalmente escluso dalle stime LCOE. Il riutilizzo delle risorse elettriche termiche esistenti modificando i combustibili in biomassa , lo stoccaggio di energia o la gestione delle prestazioni della rete può migliorare le perdite di risorse non recuperabili.

Altre esternalità negative includono i cambiamenti ecologici e gli effetti sulla biodiversità. I grandi impianti solari e le centrali eoliche alterano radicalmente l’ambiente e minacciano gli ecosistemi. Negli Stati Uniti vengono concessi permessi speciali per l’uccisione di fauna selvatica minacciata dalle turbine.

Evoluzione dei costi

LCOE è, nella migliore delle ipotesi, un’approssimazione conveniente del costo di diverse tecnologie di generazione. Presenta dei difetti soprattutto perché si concentra sull’hardware in isolamento senza incorporare completamente molti costi di sistema del mondo reale ed esternalità essenziali per i moderni sistemi di approvvigionamento energetico. Indipendentemente dai problemi di misurazione, i costi delle energie rinnovabili sono diminuiti nel tempo. Le riduzioni effettive di LCOE dal 2009 sono significative.

Le cadute sono guidate dal progresso scientifico, dai miglioramenti nella tecnologia e dall’effetto della curva di scala ed esperienza. Gli LCOE per un dato generatore tendono ad essere inversamente proporzionali alla sua capacità. Impianti solari ed eolici sempre più grandi hanno ridotto i costi.

Sono previsti sostanziali ulteriori cali dei costi per le principali fonti di energia rinnovabile .

Le previsioni per ulteriori rapidi cali delle energie rinnovabili e dei costi di stoccaggio, basate sugli ultimi tre decenni che hanno visto un calo di quasi 10 volte, potrebbero essere eccessivamente ottimistiche. La legge dei rendimenti decrescenti che si applica alla maggior parte dei sistemi fisici e delle tecnologie ridurrà i guadagni incrementali come è avvenuto in altri settori, come i semiconduttori.

Un fattore importante saranno i limiti di efficienza determinati dalle leggi della fisica. I parchi solari sono limitati dall’energia proveniente dal sole. Le turbine non possono estrarre più energia di quella fornita dalla cinetica del vento e i tipi di batterie esistenti sono limitati dalla chimica.

L’efficienza della conversione energetica non è illimitata. Proprio come il teorema dell’efficienza di Carnot limita la conversione del combustibile in energia a circa l’80% in condizioni ideali, gli impianti solari ed eolici devono affrontare dei limiti. Il limite di Shockley-Queisser afferma che circa il 34 percento dei fotoni in arrivo può essere convertito in energia elettrica. Il teorema di Betz limita la cattura dell’energia eolica da parte della turbina a circa il 60 percento. In pratica, questi livelli sono difficili da raggiungere a causa di vincoli tecnici e di costo. Ad esempio, i migliori motori a combustione interna dopo secoli di sviluppo hanno un’efficienza compresa tra il 50 e il 60 percento, mentre la maggior parte di uso comune è ben al di sotto di tale livello.

Il solare e l’eolico sono già relativamente efficienti con l’attuale attenzione ai miglioramenti ingegneristici incrementali: turbine più grandi e pannelli solari più grandi. Uno dei motivi del ritmo più lento dei futuri miglioramenti nelle energie rinnovabili è che molte delle materie prime alla base del solare (silicio, rame e vetro) ed eolico (cemento, acciaio, rame e fibra di vetro) sono già prodotte in serie in modo efficiente con possibilità limitate di ulteriori riduzioni dei costi.

Laddove l’elettricità deve essere immagazzinata o convertita in combustibile a idrogeno, sono probabili ulteriori perdite . La produzione di gas idrogeno tramite un elettrolizzatore può perdere il 30 percento o più della energia incorporata. Un ulteriore 10-15 percento andrebbe perso per comprimere o liquefare il gas per il trasporto. Un altro 30 percento può essere perso nel processo di generazione di corrente elettrica nella cella a combustibile. È possibile che il 70 percento dell’elettricità utilizzata per alimentare il sistema venga perso.

In assenza di importanti scoperte scientifiche o di produzione, è improbabile che nel prossimo futuro si verifichino ulteriori grandi miglioramenti dei costi.

Speranza rinnovabile

Nonostante l’iperbole dei sostenitori, le rinnovabili sono attualmente una componente significativa ma modesta delle fonti energetiche globali. Tra il 2011 e il 2021, l’energia rinnovabile è aumentata dal 20% al 28% della fornitura globale di elettricità. La sua quota del consumo totale di energia globale è molto più piccola (circa il 10 percento). L’uso dell’energia fossile è diminuito dal 68% al 62% e quello nucleare dal 12% al 10%. Tra le rinnovabili, l’energia idroelettrica è diminuita dal 16% al 15%, l’energia solare ed eolica sono aumentate dal 2% al 10%. La biomassa e l’energia geotermica sono cresciute dal 2% al 3%.

Le previsioni per l’adozione di energie rinnovabili sono ambiziose.

La causa dell’energia rinnovabile si basa sulle limitate riserve rimanenti di combustibili fossili e sulle minori emissioni. Tuttavia, l’intermittenza, la bassa densità energetica e di potenza superficiale e le sfide legate alla localizzazione indicano che se una quota significativa di energia provenisse da fonti rinnovabili, sarebbe necessario un accumulo di energia di massa e un’importante riconfigurazione del sistema energetico. Il fatto che possa generare solo elettricità che costituisce una piccola parte del consumo di energia e la necessità di conversione in combustibili utilizzabili per l’alta potenza o per il trasporto ne limita ulteriormente le applicazioni.

Nonostante le affermazioni contrarie, i costi che sono migliorati notevolmente nel tempo potrebbero non essere alla parità di rete poiché gli LCOE sono sensibili alle ipotesi, ai termini di finanziamento, alla tecnologia, all’ubicazione e ai sussidi. In particolare, la mancanza di un’adeguata contabilizzazione delle esternalità significa che i confronti sono spesso falsi e veicoli di lobbying di parte.

Significa che la capacità delle energie rinnovabili di soppiantare i combustibili fossili per alimentare la moderna economia globale a un costo accettabile è tutt’altro che dimostrata. Nelle parole del tatuatore americano Sailor Jerry: “Il buon lavoro non è economico, il lavoro economico non è buono “.

© 2023 Satyajit Das Tutti i diritti riservati

https://www.acro-polis.it/2023/07/06/destini-energetici-parte-4-economia-rinnovabile-al-costo/

https://www.nakedcapitalism.com/2023/07/energy-destinies-part-4-renewable-economics-at-cost.html

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Destini energetici – Parte 3: Accumulo di energia – Complicazioni scomode, di Satyajit Das

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Destini energetici – Parte 3: Accumulo di energia – Complicazioni scomode

di Satyajit Das

 

Satyajit Das continua il suo approfondito controllo dei piani di energia verde rispetto alla loro capacità di soddisfare le esigenze energetiche attuali, per non parlare di quelle previste. Qui si concentra sulle batterie e altri meccanismi di accumulo di energia.

L’energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia sono forse i più significativi da molto tempo. Ha implicazioni per la società nel senso più ampio. Destini energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. La prima e la seconda parte hanno esaminato i modelli di domanda e offerta nel tempo e le fonti energetiche rinnovabili. Questa parte esamina la necessità di accumulo di energia.

 

 

Dati i problemi di intermittenza, le fonti energetiche rinnovabili richiedono infrastrutture per lo stoccaggio. Per l’elettricità, in cui una parte significativa della domanda totale della rete è fornita da fonti rinnovabili, lo stoccaggio esterno diventa importante con maggiore necessità in quanto è necessario integrare un numero maggiore di fonti di questo tipo.

Lo stoccaggio di energia si riferisce alla cattura di energia prodotta in un impianto per un uso differito poi. Implica la conversione dell’energia tipicamente da stati istantanei non memorizzabili a forme memorizzabili per l’accesso futuro. L’energia immagazzinata consente all’offerta di soddisfare la domanda secondo necessità.

I requisiti di archiviazione possono essere di breve durata (che coprono poche ore o durante la notte) e di lunga durata (che coprono un periodo che va dalla giornata ai mesi). Le tecnologie differiscono per capacità e durata dell’energia disponibile. L’accumulo di energia si differenzia anche in base al fatto che sia generico o specifico. Le batterie sono utili per immagazzinare elettricità e dispositivi orientati all’utilizzo di determinati tipi di alimentazione. I serbatoi di ghiaccio, utilizzati per immagazzinare il ghiaccio utilizzando elettricità a basso costo durante la notte, possono soddisfare solo i picchi di domanda diurna per il raffreddamento.

Come spesso non si apprezza, i combustibili fossili, come il carbone e gli idrocarburi, sono in realtà depositi naturali di energia dalla luce solare. Esistono numerose potenziali tecnologie alternative ma, in pratica, le forme principali sono le batterie, l’energia idroelettrica pompata e l’idrogeno. Altre potenziali tecnologie di accumulo alternative, in vari stadi di sviluppo, includono quelle elettriche o elettromagnetiche (condensatori e accumulo magnetico superconduttore), meccaniche (accumulo di energia ad aria compressa o volano), biologiche (glicogeno o amido), termiche (accumulo di energia criogenica, energia ad aria liquida stoccaggio o stoccaggio di sali fusi) o materiale a cambiamento di fase (dissipatori di calore che utilizzano una sostanza che assorbe e rilascia energia sufficiente durante la transizione di fase per fornire calore o raffreddamento utili).

Sulla transizione energetica abbiamo pubblicato diversi articoli. Leggete questo:

Batterie

Le batterie, generalmente ricaricabili, accumulano elettricità utilizzando reazioni elettrochimiche basate su diverse sostanze chimiche tra cui piombo-acido, nichel-cadmio e ioni di litio.

Le questioni chiave includono:

  • Efficienza: misura l’energia recuperata rispetto alla quantità di energia immagazzinata. Le migliori batterie agli ioni di litio hanno un’efficienza che si avvicina al 90 percento in condizioni ottimali. Le prestazioni si degradano nel tempo. Ad esempio, se la batteria viene caricata completamente per un (breve) periodo di tempo a una temperatura ambiente di 40°C, la sua capacità (la capacità di immagazzinare energia) diminuirà fino a un terzo in un anno.
  • Dimensioni e peso: le batterie necessarie per un significativo accumulo di energia sono grandi. I veicoli elettrici sono molto più pesanti delle auto tradizionali a causa dei loro pacchi batteria grandi e pesanti: un Ford F-150 Lightning elettrico a batteria è di 900-1.350 chilogrammi (2.000-3.000 libbre) più pesante di un modello equivalente a benzina o diesel.
  • Durata: la durata della batteria è un problema. In genere per l’archiviazione a livello di rete, sono progettati per fornire alcune ore di alimentazione. Dopo un’interruzione totale del sistema nel 2018, lo stato australiano del South Australia ha installato la prima “grande batteria” al mondo (Hornsdale Power Reserve), con una potenza nominale di oltre 150 Megawatt. Può alimentare circa 50.000 case per 3-4 ore. In tutta onestà, la riserva di carica fornisce ulteriore stabilità alla rete e sicurezza del sistema. Per mantenere l’Australia Meridionale (popolazione 2,5 milioni) rifornita per mezza giornata sarebbero necessari circa un centinaio di questi “più grandi parchi di batterie Tesla del mondo”. Inoltre, le prestazioni non sono garantite con il proprietario multato di A $ 900.000 nel 2022   dopo essere stato citato in giudizio dall’Australian Energy Regulator per non aver fornito la capacità promessa.
  • Durata della batteria: la durata tipica della batteria agli ioni di litio è di 10-15 anni, mentre alcune altre tecnologie di batteria hanno una durata maggiore. In media, dopo 8-10 anni in ambienti industriali, la capacità della batteria scende a livelli “economicamente svantaggiosi”. Il degrado crea problemi di smaltimento delle batterie agli ioni di litio.

Idropompato

Il concetto di idroelettrico pompato è che l’energia in eccesso (di solito l’energia elettrica all’interno di una rete durante i periodi di bassa domanda) viene utilizzata per pompare l’acqua da un serbatoio inferiore a uno superiore. L’acqua può essere rilasciata in un serbatoio inferiore, uno specchio d’acqua o un corso d’acqua attraverso una turbina, generando elettricità. La tecnica utilizza è la differenza di altezza tra due corpi idrici e la forza gravitazionale. Tipicamente, i gruppi turbina-generatore reversibili vengono utilizzati sia come pompa che come turbina.

Esistono due tipi di accumulo idroelettrico pompato:

  • Gli impianti di pompaggio puro creano due serbatoi personalizzati dedicati allo stoccaggio e alla generazione.
  • Il pump-back utilizza gli impianti idroelettrici esistenti e i loro serbatoi, combinando lo stoccaggio con pompaggio e la generazione convenzionale utilizzando il flusso naturale.

In tutto il mondo, l’energia idroelettrica con pompaggio è la forma di accumulo di energia attiva della rete con la più grande capacità utilizzata a livello globale. La disponibilità è limitata dal terreno che richiede dislivelli e idealmente serbatoi naturali che possono essere valorizzati. Ha una bassa densità di potenza superficiale che richiede grandi quantità di terreno.

Ci sono questioni più sottili. A meno che non siano puri con due serbatoi separati su misura a diverse altezze utilizzati esclusivamente per l’accumulo di energia, questi schemi sono tipicamente dighe polivalenti che generano elettricità e forniscono acqua alle famiglie, all’agricoltura e all’industria. Se sono necessari grandi rilasci per coprire le carenze della rete, l’acqua non immagazzinata per il ritorno al serbatoio di stoccaggio superiore, tali rilasci nei corsi d’acqua, potrebbe non essere disponibile per soddisfare queste altre esigenze. Inoltre, una volta esaurita l’acqua immagazzinata, non è possibile generare ulteriore elettricità fino a quando l’energia in eccesso non diventa disponibile per riempire il relativo serbatoio.

Idrogeno

L’energia in eccesso, in particolare l’elettricità, può essere convertita in un combustibile gassoso come l’idrogeno o, meno comunemente, il metano. Poiché non si trova naturalmente in quantità sufficienti, l’elettricità viene utilizzata per generare idrogeno attraverso processi chimici come l’elettrolisi dell’acqua.

Esistono diversi tipi di combustibile a idrogeno:

  • Idrogeno bruno: utilizza carbone termico ed è economico ma altamente inquinante.
  • Idrogeno grigio: utilizza il gas naturale tramite la riformazione del metano a vapore senza cattura delle emissioni ed è la forma di produzione attuale più comune.
  • Idrogeno blu: simile al grigio ma le emissioni di carbonio vengono catturate e immagazzinate o riutilizzate. La mancanza di disponibilità di cattura significa che attualmente non è ampiamente utilizzato.
  • Idrogeno verde: utilizza energia rinnovabile per elettrolizzare l’acqua separando l’atomo di idrogeno dall’ossigeno che è attualmente costoso.

Non provato su larga scala, l’idrogeno turchese utilizza un processo chiamato pirolisi del metano per produrre idrogeno e carbonio solido.

L’efficienza dipende dalle perdite di energia coinvolte nel ciclo di stoccaggio dell’idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua, dalla liquefazione o dalla compressione dell’idrogeno e dalla conversione in elettricità.

L’interesse per l’idrogeno deriva dalla possibilità di convertire l’energia rinnovabile in un combustibile a zero emissioni di carbonio, ovvero l’idrogeno verde.

Il combustibile a idrogeno può teoricamente essere utilizzato per alimentare impianti di generazione o riscaldamento. Può essere utilizzato nelle celle a combustibile o nei motori a combustione interna. L’idrogeno può essere utilizzato nelle celle a combustibile che sono efficienti, hanno bassa rumorosità e bassi requisiti di manutenzione a causa del minor numero di parti mobili. Esiste anche la possibilità di convertire i motori a combustione nei veicoli commerciali in modo che funzionino con una miscela idrogeno-diesel. I motori a combustione che utilizzano l’idrogeno comporteranno un cambiamento meno radicale per l’industria automobilistica e un costo iniziale del veicolo potenzialmente inferiore rispetto alle alternative completamente elettriche o a celle a combustibile.

L’uso dell’idrogeno come carburante per i trasporti è di particolare interesse laddove l’energia elettrica potrebbe non essere ottimale, come i trasporti pesanti, l’aviazione e le industrie pesanti dove c’è bisogno di maggiore potenza, autonomia più lunga e tempi di rifornimento più rapidi. L’idrogeno pulito è spesso presentato come il “proiettile magico” nella decarbonizzazione dell’aviazione, dei fertilizzanti, dei trasporti a lungo raggio, delle spedizioni marittime, della raffinazione e dell’industria siderurgica.

La produzione di idrogeno attualmente utilizza combustibili fossili. Aumentare la produzione di idrogeno verde richiederà grandi investimenti per ridurre i costi di produzione per renderlo competitivo con altri combustibili e costruire infrastrutture per il trasporto, lo stoccaggio e la distribuzione. Anche se fosse disponibile sufficiente idrogeno verde a costi competitivi, ci sono diversi problemi che dovrebbero essere superati:

  • L’idrogeno ha un alto contenuto energetico per unità di massa. Ma a temperatura ambiente e pressione atmosferica, ha un contenuto energetico per unità di volume molto basso rispetto ai combustibili liquidi o al gas naturale. Di solito deve essere compresso o liquefatto abbassando la sua temperatura a meno di 33 Kelvin (meno 240 gradi Celsius). Ciò richiede serbatoi ad alta pressione o criogenici che pesano molto più dell’idrogeno che possono contenere, complicandone l’uso in automobili, camion e aeroplani.
  • Il combustibile a idrogeno ha una bassa energia di accensione, un’elevata energia di combustione e si perde facilmente dai serbatoi rendendolo pericoloso. Ciò richiederebbe un attento controllo della catena di approvvigionamento e dello stoccaggio.

Sono necessari miglioramenti tecnologici significativi prima che il combustibile a idrogeno diventi un mezzo di stoccaggio sicuro, praticabile ed economico. L’idrogeno verde continua a scarseggiare. Le opzioni di trasporto come i gasdotti sono limitate. Anche la fornitura di elettrolizzatori è limitata con la produzione di massa che inizia solo ad aumentare. La tanto promossa economia dell’idrogeno non è ancora con noi. 

Economia dell’immagazzinamento dell’energia

L’economia dello stoccaggio dell’energia è difficile da quantificare in quanto dipende dal contesto e dal tipo richiesto. Metodi diversi non sono tecnicamente adatti a tutte le esigenze. Gli aspetti economici sono sensibili al mercato e alla posizione. Il costo autonomo è meno rilevante del costo complessivo nel contesto di un sistema energetico.

Lo stoccaggio di energia è difficile da valutare utilizzando metriche di valutazione tradizionali come il flusso di cassa scontato. Alcuni hanno suggerito di utilizzare l’analisi delle opzioni reali, che può incorporare varie incertezze ed esternalità (incontro intermittenza, evitare la riduzione, evitare la congestione della rete, l’arbitraggio dei prezzi e la fornitura di energia senza emissioni di carbonio). Tuttavia, tali modelli sono altamente soggettivi e sensibili a piccoli cambiamenti nei parametri.

Indipendentemente dall’economia, è improbabile che le opzioni di stoccaggio dell’energia attualmente disponibili consentano il passaggio alle energie rinnovabili nella scala proposta. Le batterie sono flessibili, in grado di rispondere rapidamente ai cambiamenti della domanda di energia, rendendole adatte per la messa a punto delle forniture. Se devono fornire accumulo di energia per più di diverse ore, il loro costo di capitale è molto elevato. Sebbene la crescita della domanda di batterie per i veicoli elettrici abbia ridotto significativamente il costo, rimangono costose soprattutto se si considera la durata, la capacità e la durata limitate. Attualmente, le batterie rimangono una fonte discutibile di energia dispacciabile in quanto non sono in grado di coprire le lacune variabili di energia rinnovabile che durano più di poche ore. L’unica opzione praticabile è l’idropompa che può immagazzinare energia per diverse ore o mesi, a seconda della capacità di accumulo e della struttura.

Nei modelli con alti livelli di energia rinnovabile, il costo dello stoccaggio può dominare i costi dell’intera rete. In California , l’80% della quota rinnovabile richiederebbe 9,6 terawatt di stoccaggio, ma il 100% richiederebbe 36,3 terawatt. A partire dal 2023 , lo stato disponeva di 5.000 megawatt di stoccaggio. Mentre questo è aumentato di 20 volte dal 2019 e si prevede che aumenterà di altre 10 volte fino a 52.000 megawatt, è al di sotto dei requisiti tenendo presente che anche un terawattora è pari a 1.000.000 di megawattora. Soddisfare l’80% della domanda degli Stati Uniti da fonti rinnovabili potrebbe richiedere una rete intelligente che copra l’intero paese o un accumulo di batterie in grado di alimentare l’intero sistema per 12 ore a un costo stimato in 2,5 trilioni di dollari . Altri stimano i costi a livelli molto più alti.

Costruire l’immagazzinamento dell’energia della batteria richiesto influirebbe negativamente sul costo dell’energia. Supponendo che i costi delle batterie al litio diminuiscano di due terzi, la costruzione del livello di generazione e stoccaggio rinnovabili necessari per raggiungere l’obiettivo della California di derivare la maggior parte della sua energia da fonti rinnovabili farebbe aumentare i costi, sulla base di una stima, da $ 49 per megawattora a tanto come $ 1.612 al 100 percento rinnovabili.

Affidarsi solo alle energie rinnovabili e allo stoccaggio di energia può costare almeno circa il 30-50% in più rispetto a un sistema comparabile che combina le rinnovabili con impianti nucleari o impianti a combustibili fossili con cattura e stoccaggio del carbonio.

L’efficienza dell’immagazzinamento dell’energia non è attualmente ottimale. Simile a Energy Return on Energy Invested (EROEI), l’energia immagazzinata sull’energia investita (ESOEI) misura la quantità di energia che può essere immagazzinata da una tecnologia, divisa per la quantità di energia necessaria per costruire quella tecnologia. Maggiore è l’ESOEI, più efficiente è la tecnologia di archiviazione.

La tabella seguente riassume l’ESOEI di alcuni comuni meccanismi di accumulo di energia :

Le batterie hanno un ESOEI molto inferiore rispetto all’accumulo idroelettrico pompato. Mentre l’opinione scientifica varia, senza un ampio stoccaggio di pompaggio, la combinazione di energie rinnovabili abbinata alla tecnologia delle batterie esistente potrebbe non essere praticabile .

Le caratteristiche dei vari sistemi di accumulo di energia sono riassunte di seguito:

Le esigenze di stoccaggio dell’energia abbassano l’EROEI delle rinnovabili forse al di sotto della soglia economicamente sostenibile .

Teoria e Pratica

La necessità di stoccaggio di energia su larga scala complica enormemente un sistema energetico basato sulle fonti rinnovabili. Richiede massicci investimenti ma deve anche superare le inefficienze intrinseche. Per la tecnologia delle batterie, che mette a nudo le scoperte scientifiche che introducono cambiamenti rivoluzionari nella sua fisica e chimica, è difficile vedere almeno presto i necessari miglioramenti in termini di costi e efficienza di accumulo. Lo stoccaggio idrico pompato mentre è semplice è soggetto ad altri vincoli.

Oltre alla necessità di potenziare la rete e le capacità di trasmissione, i vincoli di stoccaggio pongono dei limiti alla capacità delle energie rinnovabili di sostituire i combustibili tradizionali nei moderni sistemi energetici.

In un celebre scambio tra tecnologi, Trygve Reenskaug afferma: “In teoria, la pratica è semplice “. La risposta di Alexandre Boily è eloquente: “Ma è semplice praticare la teoria?” Questa differenza deve ancora essere superata nel passaggio a un sistema energetico prevalentemente alimentato da fonti rinnovabili.

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Satyajit Das, è ex banchiere e autore di numerose opere sui derivati ​​e diversi titoli generali: Traders, Guns & Money: Knowns and Unknowns in the Dazzling World of Derivatives  (2006 e 2010), Extreme Money: The Masters of the Universe and the Cult of Risk (2011), A Banquet of Consequences RELOADED (2021) e Fortune’s Fool: Australia’s Choices (2022)

https://www.acro-polis.it/2023/06/30/destini-energetici-parte-3-accumulo-di-energia-complicazioni-scomode/

https://www.nakedcapitalism.com/2023/06/energy-destinies-part-3-energy-storage-inconvenient-complications.html

 

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Destini energetici – Parte 2: Energia rinnovabile – Carenze caratteriali di Satyajit Das

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nella prima parte l’autore ha esaminato il ruolo svolto dall’energia nell’ascesa delle società moderne e nei modelli di domanda e offerta nel tempo. Questa parte esamina le fonti di energia rinnovabile, in particolare il potenziale degli impianti solari ed eolici per sostituire i combustibili fossili.

Niente di nuovo sotto il sole

La ricerca di fonti energetiche alternative non è nuova. Storicamente, ha ruotato intorno a:

  • Disponibilità : le nazioni prive di grandi riserve di combustibili fossili hanno cercato di compensare questa debolezza, inclusa la dipendenza dai fornitori o dalle rotte di trasporto.
  • Costo : gli utenti di energia si sono concentrati su fonti di combustibile a basso costo.
  • Sviluppi scientifici : i miglioramenti nella fisica e nella chimica dell’energia hanno incoraggiato l’uso di alternative.

Negli ultimi tre decenni, la ricerca di alternative è stata motivata dal desiderio di ridurre le emissioni di combustibili fossili. Questo è particolarmente vero nelle nazioni avanzate una volta che sono emersi combustibili più puliti come il gas naturale e i derivati ​​del petrolio, che alleviano gli aspetti evidenti dell’inquinamento atmosferico. Ma dovrà anche superare le carenze dovute alla diminuzione delle forniture di combustibili fossili.

Tipi di fonti energetiche alternative

Le alternative possono essere raggruppate in:

  • Nucleare : c’è stato un crescente interesse per l’energia nucleare dopo la seconda guerra mondiale come fonte di elettricità di base a causa delle sue dimensioni e della promessa di elettricità ” troppo economica per essere misurata “. Era attraente soprattutto per i paesi privi di grandi riserve di combustibili fossili a basso costo come Giappone, Francia e Germania.
  • L’acqua idroelettrica è una fonte di energia storicamente importante (mulini ad acqua). Le dighe, promosse da agenzie di sviluppo come la Banca mondiale, hanno combinato generazione di energia, irrigazione, controllo delle inondazioni e collegamenti di trasporto (di fatto come un ponte). Il primo ministro indiano Jawaharlal Nehru ha proclamato le dighe come i “templi dell’India moderna” che integrano lo sviluppo agricolo e l’economia del villaggio con la rapida industrializzazione e la crescita dell’economia urbana.
  • Rinnovabili moderne – principalmente al solare e all’eolico.

L’energia nucleare è caduta in disgrazia dopo i gravi incidenti (Three-Mile Island; Chernobyl; Fukashima), la diffusa opposizione pubblica e la preoccupazione per la proliferazione delle armi nucleari. I danni ecologici e lo spostamento delle popolazioni hanno ridotto il fascino delle dighe nel corso degli anni, anche se la tecnologia idroelettrica esistente, a causa della sua lunga vita, è probabile che continui a rimanere una fonte di energia. Diventerà anche sempre più importante per l’accumulo di energia.

L’obiettivo attuale è l’energia rinnovabile , derivata da fonti naturali, reintegrata a un tasso superiore a quello consumato e che crea emissioni inferiori rispetto ai combustibili fossili. È un mix di vecchie e nuove tecnologie.

Le forme tradizionali di energia rinnovabile basate su una tecnologia matura includono:

  • Hydro: gli usi dell’energia dell’acqua che si sposta da quote più alte a quote più basse per generare elettricità attraverso turbine.
  • Geotermico: l’uso di energia termica dall’interno della Terra utilizzando pozzi o altri mezzi per generare elettricità o fornire riscaldamento. È disponibile solo in luoghi con serbatoi idrotermali accessibili (vicini alla superficie), naturalmente sufficientemente caldi e permeabili.
  • Biomassa: la bioenergia è prodotta da materiali organici, principalmente legno, e colture agricole, sotto forma di biocarburanti liquidi. I moderni sistemi a biomassa includono colture o alberi dedicati, residui dell’agricoltura e della silvicoltura e vari flussi di rifiuti organici.

Queste fonti tradizionali sono sempre più integrate da tecnologie più recenti, tra cui:

  • Solare: la radiazione solare viene convertita in energia elettrica tramite pannelli fotovoltaici o tramite specchi che concentrano la radiazione solare. Anche se non tutti i paesi sono ugualmente dotati, l’energia solare intercettata dalla Terra è circa 10.000 volte superiore al tasso di consumo attuale, rendendola una risorsa molto consistente.
  • Vento: il movimento dell’aria è stato utilizzato per millenni per alimentare l’industria (mulini a vento) o il trasporto (navi a vela). L’iterazione moderna sfrutta l’energia cinetica utilizzando grandi turbine eoliche situate sulla terraferma (onshore) o nei mari vicino alla costa (offshore). I progressi tecnologici (turbine più alte e diametri del rotore maggiori) consentono di aumentare il potenziale di generazione di elettricità. Sebbene la disponibilità di energia eolica sia variabile (la velocità media del vento varia a seconda della località), il potenziale tecnico teorico dell’energia eolica supera l’attuale produzione globale di elettricità.
  • L’energia oceanica: l’energia cinetica e termica del mare o dell’acqua dolce — onde, flussi di marea o correnti — può generare elettricità simile all’energia idroelettrica. Mentre la tecnica è nascente, il potenziale teorico per l’energia oceanica può superare l’attuale fabbisogno energetico umano.

Una serie di altre tecnologie emergenti di energia rinnovabile sono teoricamente fattibili:

  • Raffreddamento radiativo diurno passivo: utilizza la freddezza dello spazio esterno per il raffreddamento diurno degli spazi interni, la mitigazione dell’isola di calore urbana esterna e il miglioramento dell’efficienza delle celle solari.
  • Radiazione termica infrarossa terrestre: cerca di convertire il flusso di radiazione termica infrarossa verso lo spazio esterno freddo in elettricità. In teoria, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata durante la notte quando l’energia solare non viene generata.
  • Combustibili di alghe: utilizza alghe ricche di olio o grassi per produrre biocarburanti.
  • Vapore acqueo: utilizza le cariche di elettricità statica delle gocce d’acqua sul metallo per generare energia.

L’idrogeno a volte viene erroneamente citato come fonte di energia rinnovabile. È un potenziale deposito di energia che può essere utilizzato come il petrolio o il gas. Richiede energia generata da combustibili fossili o fonti rinnovabili per alimentare un elettrolizzatore per convertire l’acqua in idrogeno gassoso. Il gas a zero emissioni di carbonio inodore, incolore e leggero che può quindi essere immagazzinato, trasportato e utilizzato quando necessario.

La capacità delle fonti energetiche rinnovabili di sostituire sostanzialmente i combustibili fossili è influenzata da alcune caratteristiche. Sebbene ci sia qualche disaccordo tra gli esperti, le energie rinnovabili ottengono un punteggio basso sul ritorno energetico sull’energia investita (EROEI). Ci sono altri problemi come l’intermittenza, la co-ubicazione, la densità di energia e la densità di potenza superficiale. Anche l’enfasi esagerata sulle minori emissioni di anidride carbonica delle rinnovabili non è così incontestabile come spesso viene presentato. Questi fattori insieme alle esternalità influenzano l’utilità e il costo economico delle rinnovabili.

Intermittenza

Idealmente, la disponibilità di energia è immediatamente disponibile così come la fornitura è stabile e ininterrotta.

La domanda, in particolare per l’elettricità, è spesso suddivisa in livelli quali:

  • Carico di base: domanda minima relativamente costante e coerente.
  • Carico di picco: domanda massima, durante un periodo come un giorno o in circostanze insolite, come una giornata insolitamente calda in cui tutti accendono i condizionatori d’aria.

I modelli di disponibilità richiesta variano. La domanda nel suo complesso è in aumento e i picchi sono più difficilmente prevedibili e accentuati, talvolta protraendosi per periodi più lunghi a causa, anche, degli effetti delle condizioni meteorologiche estreme. I carichi di punta possono, in alcuni casi, essere il doppio del carico di base.

La produzione oraria di elettricità negli Stati Uniti mostra la variabilità.

Il sistema energetico richiede una significativa capacità tampone per soddisfare le esigenze di punta. Di seguito sono riassunti un tipico stack di potenza corrente e fonti di generazione di elettricità :

In sostanza, la necessità è di disponibilità immediata (spesso definita potenza dispacciabile); ad esempio, la possibilità di accendere luci, climatizzazione, macchinari e accedere a opzioni di trasporto immediate (tramite veicoli tradizionali alimentati da motori a combustione interna). L’assenza di interruzioni impreviste e stabilità è fondamentale per le applicazioni industriali che spesso richiedono lunghe procedure di avvio e spegnimento.

Un problema ben documentato con le rinnovabili è l’intermittenza. Questo assume due forme:

  • Intermittenza prevedibile: si riferisce ai cicli naturali giorno-notte o stagionali che influenzano la generazione di energia solare, eolica, idroelettrica e delle maree.
  • Intermittenza imprevedibile: si riferisce a eventi imprevisti come condizioni meteorologiche fuori stagione, ad esempio copertura nuvolosa, vento debole o forte o assenza di precipitazioni.

L’intermittenza imprevedibile è particolarmente impegnativa. Gli esempi includono il fenomeno della calma globale o della siccità del vento . La forza del vento che soffia attraverso il nord Europa è diminuita in media del 15% , probabilmente a causa dei cambiamenti delle condizioni meteorologiche.

L’intermittenza è un ostacolo in quanto la società e le economie moderne non sono strutturate attorno a un’offerta continua e affidabile. Le interruzioni di corrente influenzerebbero il trasporto a causa del guasto dei sistemi di trasporto di massa alimentati elettricamente e persino dei semafori. Le famiglie richiedono una fornitura costante e ininterrotta; ad esempio, il guasto della refrigerazione dovuto a interruzioni di corrente porterebbe al deterioramento del cibo e la vita in un grattacielo diventerebbe difficile dove il rischio di rimanere intrappolati in un ascensore non è banale.

Il problema potrebbe essere sottostimato . Le fluttuazioni della velocità del vento hanno un effetto importante sulle prestazioni . Se la velocità del vento scende della metà rispetto ai 30 chilometri (20 miglia) ideali all’ora, la potenza disponibile diminuisce di un fattore otto. Se la velocità del vento raddoppia, la potenza erogata aumenta di otto volte e la turbina deve essere girata per evitare guasti. La capacità di generazione nominale installata nell’Unione Europea e nel Regno Unito nel 2021 era di 236 gigawatt, ma la produzione giornaliera più alta era di soli 103 gigawatt. L’inaffidabilità è maggiore per l’energia eolica generata in mare aperto.

Come minimo, l’intermittenza richiede un accumulo di energia su larga scala o meccanismi supplementari, tra cui la generazione di energia da combustibili fossili o nucleare, per soddisfare la necessità di energia dispacciabile.

Requisiti di infrastruttura

Una fonte di energia vicino al punto di utilizzo è utile. Le centrali a carbone, a gas e nucleari possono essere posizionate convenientemente vicino ai consumatori. I combustibili fossili (carbone) e i liquidi (petrolio, gas) possono essere trasportati alla rinfusa o tramite oleodotti. Il trasporto di gas su lunghe distanze dove i gasdotti sono impraticabili richiede costose strutture dedicate per la liquefazione e la rigassificazione, nonché navi specializzate (note come “treni”). Il combustibile nucleare è facilmente trasportabile anche se i rischi per la sicurezza e le radiazioni devono essere gestiti.

Al contrario, molte fonti di energia rinnovabile sono specifiche della geografia, spesso lunghe distanze dalla popolazione e dai centri industriali. Le migliori fonti solari si trovano nelle regioni più calde con una copertura minima di alberi e nuvole, come le regioni desertiche o aride. Le posizioni migliori per l’energia eolica, come l’offshore, sono spesso remote.

Ciò richiede investimenti nello stoccaggio, linee di trasmissione più lunghe e una significativa riconfigurazione della rete che si aggiunge ai costi e alle esigenze infrastrutturali.

Un primo problema è la scala richiesta. In parte, ciò riflette il fatto che l’elettricità fornita attraverso la rete è storicamente solo uno dei diversi modi per accedere all’energia. Altre opzioni, come benzina e gas, hanno scavalcato la rete. Il passaggio all’utilizzo di più elettricità, implicito nelle energie rinnovabili, richiede un’espansione su larga scala.

La rete elettrica è attualmente realizzata attorno a generatori situati in prossimità del punto di utilizzo. Le fonti di combustibile vengono trasportate agli impianti e l’energia viene distribuita agli utenti in genere all’interno di un’area compatta. L’uso delle rinnovabili altera questi accordi:

  • L’energia può essere generata a una certa distanza da dove è necessaria, richiedendo nuovi sistemi di trasmissione.
  • Lo stoccaggio dell’energia è necessario per gestire le intermittenze di fornitura.
  • In alcuni contesti gli utenti diventano anche fornitori di energia (surplus di abitazioni, aziende agricole e industriali) richiedendo modifiche alla rete da unidirezionale a bidirezionale o da uno-a-molti a molti-a-molti. In un sistema con accumulo su larga scala, è richiesta la capacità di accedere all’elettricità immagazzinata e di immagazzinare l’energia di rete in eccesso utilizzando la stessa connessione di trasmissione.
  • In caso di utilizzo di più fonti di energia, la gestione della rete deve essere adattata. In tutta onestà, questo problema è presente anche se in forme diverse all’interno del sistema elettrico esistente.
  • Potrebbero esserci problemi con la coerenza dell’elevata qualità dell’energia necessaria per garantire stabilità ed efficienza, affidabilità e costi della rete. I problemi includono disturbi di frequenza, armoniche di tensione/corrente, basso fattore di potenza, variazione di tensione, inerzia della rete, distorsione di coppia (per l’energia eolica) e passaggi delle linee di trasmissione.

Potrebbero essere necessarie reti transnazionali o addirittura transcontinentali che utilizzano un voltaggio ultra elevato per accogliere un elevato livello di energie rinnovabili. I sistemi esistenti che impiegano corrente alternata (AC) diventano meno efficienti con la distanza. A tensioni più elevate richieste per spingere ulteriormente la corrente, l’AC impiega (e quindi spreca) una quantità sempre crescente di energia nel compito di spremere le sue alternanze attraverso la linea. Su distanze transcontinentali, la corrente continua (CC) è superiore, il che significa un’importante revisione potenziale della struttura della rete, forse utilizzando connettori a corrente continua ad altissima tensione (UHVDC), che sono più stabili.

Il tempo, la spesa e il coordinamento necessari per creare l’infrastruttura per il passaggio a più fonti rinnovabili sono sottovalutati.  Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti , il paese avrà bisogno di 47.300 gigawatt-miglia di nuove linee elettriche entro il 2035 per ospitare ulteriore capacità di energia rinnovabile, pari a un’espansione del 57% della rete esistente, oltre a sostanziali aggiornamenti delle infrastrutture. Il mondo potrebbe aver bisogno di raddoppiare la lunghezza delle linee di trasmissione in funzione a 152 milioni di chilometri (90 milioni di miglia) per raggiungere zero emissioni nette entro il 2050.

La spesa necessaria è notevole. Nel 2020, il costo della costruzione di milioni di miglia di nuove linee di trasmissione e infrastrutture associate per far fronte all’aumento dei siti eolici e solari è stato stimato a $ 14 trilioni nel periodo di 30 anni tra il 2020 e il 2050. A partire dal 2023, questo era aumentato a 21 trilioni di dollari. Gli investimenti di capitale nelle reti sono diminuiti a livello globale tra il 2017 e il 2020, recuperando solo ai livelli del 2016 ($ 330 miliardi) nel 2022. Gli investimenti annuali globali nelle reti elettriche, nello stoccaggio di energia e nelle relative strutture dovranno raggiungere quasi $ 550 miliardi all’anno entro il 2030. Gran parte di questo costo saranno trasmessi ai consumatori di energia.

I punti di ricarica per veicoli elettrici di cui i consumatori verdi si preoccupano sono solo una piccola parte dei problemi infrastrutturali che ci attendono.

Densità di energia

La densità di energia misura la quantità di energia immagazzinata in un dato sistema, sostanza o regione dello spazio. Di solito è espresso in energia per massa o volume. Un’elevata densità di energia equivale a una maggiore quantità di energia immagazzinata per unità di massa o volume. È particolarmente importante per applicazioni come il trasporto.

Esistono diverse stime delle densità energetiche comparative di diverse fonti energetiche. Le densità di energia possono essere espresse in unità di joule per metro cubo .

Ciò implica che 3,8 litri (1 gallone) di benzina contengono circa quaranta megajoule di energia chimica che divisa per volume produce una densità energetica di dieci miliardi di joule per metro cubo. La benzina è dieci quadrilioni di volte più densa di energia della radiazione solare e un miliardo di volte più densa di energia dell’energia eolica e idrica.

La densità energetica per una varietà di combustibili comuni in peso (megajoule per chilogrammo) è indicata di seguito.

I calcoli della densità energetica devono essere trattati con cautela. È comunemente citato che l’uranio235 (utilizzato nell’energia nucleare) può produrre 83.140.000 megajoule per chilogrammo. Ciò lo renderebbe quasi 3 milioni e 2 milioni di volte più ricco di energia rispettivamente del carbone e del petrolio. Questo è fuorviante . Il combustibile di uranio utilizzato per la produzione di energia è a bassi livelli di purezza (circa il 4%). Deve essere bruciato in un processo batch a un ritmo lento per evitare il rilascio di energia esplosiva (come nelle armi atomiche). Un’energia significativa, rispetto ad altre fonti energetiche, viene spesa per separarla e arricchirla dal minerale dove si presenta a bassi livelli di concentrazione. Ciò riduce sostanzialmente la sua densità energetica, sebbene sia ancora molte volte più potente dei combustibili fossili.

In sintesi, i combustibili fossili e l’energia nucleare mostrano una densità energetica notevolmente più elevata, il che significa che è necessario meno carburante per produrre l’energia richiesta, che è importante per determinate applicazioni.

La densità di energia misurata in peso e volume di diverse comuni fonti di energia per il trasporto mostra variazioni significative.

La densità energetica relativa evidenzia la sfida di sostituire il petrolio o il gas naturale compresso come carburante soprattutto per i trasporti senza grandi progressi tecnologici.

I veicoli elettrici (EV) illustrano il problema. I veicoli devono trasportare il loro carburante. Poiché la benzina o il diesel hanno una densità energetica molto elevata rispetto alle migliori batterie attuali, i veicoli elettrici sono più pesanti di quelli alimentati a combustibili fossili. La semplicità meccanica e l’efficienza dei motori elettrici non possono compensare completamente questa penalità di peso.

Sebbene questo non sia un problema sostanziale per le autovetture e i veicoli leggeri, per i trasporti pesanti, come i trasporti a lungo raggio, la spedizione o l’aviazione, questa penalità di peso è difficile da superare. Ad esempio, 1 chilogrammo (2 libbre) di carburante per aerei contiene 70 volte più energia della migliore batteria agli ioni di litio esistente. Nel caso degli aeroplani, il peso delle batterie necessarie o lo spazio necessario per trasportare l’idrogeno necessario per i voli più lunghi ridurrebbero il carico utile dei passeggeri e delle merci, alterando l’economia.

I vantaggi della densità energetica dei combustibili fossili sono un fattore della loro potenza EROEI (ritorno energetico sull’energia investita) rispetto ai combustibili concorrenti. La minore densità energetica delle rinnovabili limita, in assenza di importanti scoperte scientifiche, la sua capacità di sostituire i combustibili esistenti, soprattutto per alcune applicazioni. Storicamente, la società si è spostata successivamente verso fonti con densità energetica crescente. Il carbone ha fornito il 50-100% di energia in più rispetto al legno che ha sostituito. Petrolio e gas fornivano 3-6 volte più energia in peso rispetto al carbone. Il passaggio alle rinnovabili invertirebbe questa tendenza.

Densità di potenza superficiale

La densità di potenza superficiale (a volte abbreviata in densità di potenza), identificata dal professor Vaclav Smil, misura il tasso di produzione di energia per unità di superficie terrestre. È generalmente calcolato come la quantità di potenza ottenuta per unità di superficie terrestre utilizzata dal sistema energetico, comprese tutte le infrastrutture di supporto, la produzione, l’estrazione di combustibile (se applicabile) e lo smantellamento. L’elevata densità di potenza superficiale significa che è possibile prelevare quantità maggiori di energia da fonti di alimentazione che occupano un’area relativamente piccola. Basse densità di potenza superficiale indicano che una produzione di energia equivalente richiede aree di terra più grandi.

La densità di potenza superficiale mediana delle diverse fonti di energia è indicata di seguito.

I combustibili fossili e l’energia nucleare hanno un’elevata densità di potenza. Le fonti di energia rinnovabile hanno una densità di potenza inferiore di diversi ordini di grandezza.

L’energia solare ed eolica richiede più spazio da dedicare alla produzione di energia. Le moderne centrali elettriche a carbone o a gas utilizzano circa 121 ettari (300 acri) per generare 600 megawatt. Ciò esclude le aree di terra necessarie per l’estrazione mineraria o l’estrazione e il trasporto. Un parco eolico equivalente richiederebbe oltre 20.000 ettari (50.000 acri). Un pannello solare per fornire quantità simili di energia potrebbe richiedere fino a 2.400 ettari (6.000 acri). L’impianto a carbone o a gas avrebbe anche una maggiore affidabilità fornendo energia quasi all’80-100 percento rispetto a circa il 20-50 percento dell’opzione rinnovabile a causa dell’intermittenza. Per fornire la stessa potenza della centrale nucleare di Hinkley Point C nel Regno Unito – 3.200 milioni di watt – sarebbero necessari 5,5 milioni di metri quadrati di superficie spazzata dalle turbine.

I biocarburanti illustrano il problema della bassa densità di potenza superficiale. La quantità di mais necessaria per creare etanolo sufficiente per riempire un serbatoio SUV da 95 litri (25 galloni) alimenterebbe un individuo per un anno. Il grano necessario per alimentare tutte le auto statunitensi equivale a una quantità che potrebbe sfamare circa 400 milioni di persone.

Una minore densità di potenza superficiale crea potenziali conflitti sull’uso del suolo . A meno che non si trovino in aree a bassa densità di popolazione o utilizzino terreni inadatti ad altre applicazioni, l’espansione delle energie rinnovabili si scontra con le esigenze dell’agricoltura e delle popolazioni umane. Questa tensione è evidente in Germania, dove le richieste concorrenti di terreni si sono rivelate un limite nell’attuazione dell’Energiewende, la transizione in corso da parte della Germania verso un approvvigionamento energetico a basse emissioni di carbonio, rispettoso dell’ambiente, affidabile e conveniente basato sulle energie rinnovabili.

Difetti caratteristici

Il sistema energetico esistente, sviluppato nel corso di due secoli, comporta l’accesso e il trasporto della fonte di combustibile, la produzione di energia, nonché la trasmissione e la distribuzione. Gli utenti di energia sono orientati ai tipi di energia prevalenti, in particolare per i trasporti e le applicazioni industriali. Le strutture dei prezzi e del trading sono stabilite e sono state perfezionate nel tempo. Esistono accordi di finanziamento a lungo termine, spesso poco flessibili.

Il passaggio alle energie rinnovabili richiede una massiccia modifica dell’intero sistema energetico così come esiste attualmente. Ciò comporterebbe cambiamenti non solo nell’approvvigionamento energetico, ma anche nel modo in cui viene utilizzato, compreso l’adeguamento di attività come l’industria pesante e la mobilità. Le caratteristiche intrinseche delle fonti energetiche rinnovabili — intermittenza, esigenze infrastrutturali, densità, densità superficiale — hanno effetti sfavorevoli sulla disponibilità e sul costo dell’energia. Questi fattori li rendono potenzialmente inadatti a sostituire in modo sostanziale i combustibili fossili o il nucleare, come ormai frequentemente ipotizzato, almeno nei tempi previsti.

Come sapeva Josh Billing “per quanto la verità sia scarsa, l’offerta è sempre stata in eccesso rispetto alla domanda “. L’attuale dibattito sulle rinnovabili è viziato dalla tendenza a confondere ciò che è con ciò che vorremmo che fosse. La fede in ciò che pensiamo sia un fatto quando purtroppo non è corretto, non risolverà nulla.

Fonte: nakedCapitalism, 22 giugno 2023

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Destini energetici – Parte 1: Bisogni energetici e fonti – Barili di bilanciamento, di Satyajit Das

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Immagine di copertina: produzione di carbone in Africa

L’energia abbondante ed economica è uno dei fondamenti della civiltà e delle economie moderne. Gli attuali cambiamenti nei mercati dell’energia, forse i più significativi da molto tempo, hanno implicazioni per la società in senso lato. Destini energetici è una serie in più parti che esamina il ruolo dell’energia, le dinamiche della domanda e dell’offerta, il passaggio alle energie rinnovabili, la transizione, la sua relazione con le emissioni e i possibili percorsi. La prima parte esamina il ruolo svolto dall’energia nell’ascesa delle società moderne e i modelli di domanda e offerta nel tempo.

 

l ruolo dell’energia nella civiltà e nelle economie moderne

Gli ultimi due secoli della storia umana sono stati “l’era dei combustibili fossili”. L’energia abbondante ea basso costo ha rivoluzionato l’industria, i trasporti e gli stili di vita guidando la crescita e la creazione di ricchezza. Ha ampliato la portata dell’attività umana a un livello senza precedenti. La correlazione tra consumo di petrolio, popolazione, crescita e standard di vita è catturata nel lavoro dell’attuario Gail Tverberg e altri:

Il consumo di energia pro capite è in aumento. Dal 1950, la popolazione mondiale è aumentata di 3,1 volte mentre il consumo di energia è aumentato di 6,4 volte. L’aumento del consumo di energia pro capite è guidato da:

  • Aumento dell’uso da parte dei residenti dei mercati emergenti che sono stati tradizionalmente utenti a basso consumo di energia con l’aumento dei redditi.
  • Nuovi usi dell’energia legati a standard di vita più elevati, in particolare a partire dalla seconda guerra mondiale.

È ampiamente ipotizzato un approvvigionamento ininterrotto di energia alle condizioni attuali. Tuttavia, la disponibilità di energia a prezzi ragionevoli non è assicurata. Nell’ultimo mezzo secolo ci sono stati almeno tre shock energetici: gli shock petroliferi del 1974 e del 1978 e il conflitto ucraino del 2022. Tutti hanno avuto una durata relativamente breve con un rapido ritorno allo status quo, sebbene le ripercussioni a lungo termine del 2022 siano difficili da prevedere. Il cambiamento di fondo più fondamentale in corso potrebbe non assomigliare a questi shock passati in termini di portata e durata.

Leggere su ACro-Pòlis Satyajit Das:

Fonti della domanda energetica

Un’attenta analisi della domanda e dell’offerta e la fisica, la chimica e l’economia sottostanti sono necessarie per comprendere i cambiamenti in corso.

I principali utilizzatori di energia sono le famiglie e l’industria. Il settore industriale (estrazione mineraria/raffinazione, manifatturiero, agricoltura e costruzioni) costituisce il principale consumatore di energia, oltre il 50% dell’uso finale. Sempre più spesso, gran parte del consumo energetico del settore industriale avviene in paesi non OCSE.

L’energia è necessaria per:

  • Illuminazione
  • Controllo del clima (raffrescamento/riscaldamento)
  • Alimentazione apparecchi e macchinari
  • Trasporto

Questi usi sono comuni alle famiglie e alle industrie. Ci sono differenze; l’applicazione industriale si concentra sul funzionamento di motori e macchinari industriali, nonché sui trasporti pesanti. Anche l’intensità energetica industriale, ad esempio per la produzione di acciaio, alluminio o cemento, è di gran lunga superiore a quella richiesta per il normale uso domestico.

L’industria utilizza anche i combustibili fossili come materie prime (materie prime) per prodotti come plastica e prodotti chimici, in particolare prodotti di tipo ammoniaca e bitume. È essenziale come materia prima di base per articoli come i lubrificanti. Carbone, petrolio greggio o petrolio, liquidi di gas naturale e gas naturale sono le fonti primarie di prodotti petrolchimici di base. Circa il 9-10 percento della produzione globale di combustibili fossili viene utilizzato come materia prima.

La plastica richiede idrogeno e carbonio, con il metodo di produzione più comune che è l’estrazione di etilene, propilene, stirene ecc. dal petrolio. I prodotti petrolchimici come la nafta e altri oli raffinati dal petrolio greggio sono usati come materie prime per i cracker petrolchimici che producono i mattoni di base per la plastica. I combustibili fossili rappresentano attualmente il 99 percento della base di materie prime plastiche. C’è un crescente interesse nell’uso della biomassa come materia prima. Sebbene i dati siano scarsi, è probabile che circa il 4% delle risorse mondiali di combustibili fossili siano utilizzate nella produzione di plastica .

L’olio è utilizzato nella produzione di ammoniaca come fonte di azoto nei fertilizzanti agricoli. La produzione globale di ammoniaca rappresenta attualmente circa il 2% del consumo totale di energia finale ; circa il 40% come materia prima e il 60% come energia di processo, principalmente per la generazione di calore.

Anche la domanda di energia sta cambiando. L’archiviazione e la trasmissione dei dati, così come il mining di criptovalute, ora consumano l’ 1-2% dell’energia globale .

Leggere su ACro-Pòlis Satyajit Das:

 

Domanda storica di energia

La domanda globale è aumentata nel tempo:

Continua ad aumentare, anche se il tasso è rallentato nel tempo all’1-2% all’anno. Ci sono state brevi interruzioni nei primi anni ’80 e nel 2009 a seguito delle crisi finanziarie e della pandemia di Covid19 del 2020. La maggior parte del consumo di energia è nei paesi sviluppati. Alcuni paesi emergenti come la Cina mostrano alti livelli di consumo spinti dalle economie avanzate che esternalizzano attività inquinanti ed energivore in queste località.

Il consumo di energia pro capite fornisce una misura più accurata della domanda di energia.

I maggiori consumatori di energia su base pro capite includono Stati Uniti, Canada, Islanda, Norvegia, Australia e Russia, nonché Medio Oriente come Oman, Arabia Saudita e Qatar (in parte a causa del clima e della desalinizzazione per soddisfare il fabbisogno idrico).

La persona media nei paesi ad alto consumo energetico pro capite usa fino a 100 volte di più della persona media in alcuni dei paesi più poveri. La vera differenza è sottostimata a causa della mancanza di dati di alta qualità per molti dei paesi più poveri del mondo. I paesi a basso reddito utilizzano fonti energetiche meno commercializzate affidandosi invece a biomasse tradizionali difficili da quantificare: residui colturali, legno e altra materia organica.

La domanda è stata migliorata, in parte, grazie all’aumento dell’efficienza energetica. Questo è disomogeneo con la maggior parte dei guadagni nelle nazioni avanzate con aumenti di vari gradi nelle nazioni in via di sviluppo.

Previsione della domanda di energia

Le previsioni sulla futura domanda di energia variano. S&P prevede che la domanda combinata di energia residenziale e commerciale aumenterà di circa il 15% fino al 2050. ExxonMobil prevede una crescita simile.

C’è un ampio accordo sul modello di aumento del fabbisogno energetico. Gran parte di questa crescita avverrà nei paesi in via di sviluppo. La maggior parte della crescita proviene dall’industria, sostenuta dall’aumento della popolazione e del tenore di vita. Si prevede un aumento della produzione ad alta intensità energetica di prodotti quali prodotti chimici, alimenti e ferro e acciaio. Questo è guidato dall’attività in Cina e India. Si prevede che il consumo medio mondiale di elettricità domestica aumenterà entro il 2050.

Si prevede che la crescita complessiva della domanda di energia (in quadrilioni di BTU (British Thermal Unit)) sarà la seguente:

Si prevede che la domanda globale di trasporti crescerà del 30% entro il 2050. Ciò riflette una maggiore proprietà di veicoli personali, specialmente nei mercati emergenti con aumenti del potere d’acquisto, compensati in parte da una maggiore efficienza del carburante e più veicoli elettrici (“EV”). La forte domanda di energia per i trasporti commerciali (autotrasporti pesanti, aerei, marittimi e ferroviari) è trainata dalla crescita dell’attività economica e dei consumi, in particolare dai crescenti consumatori della classe media nelle economie emergenti.

La domanda industriale di energia continuerà il suo forte aumento negli ultimi decenni concentrandosi su acciaio (utilizzato per costruzioni su larga scala, container, treni e navi), alluminio (reti elettriche, costruzioni e veicoli), cemento (costruzioni) e plastica (forniture mediche, prodotti per la pulizia, veicoli elettrici e articoli per la casa).

La domanda dell’industria pesante sarà, in parte, compensata dal miglioramento dell’intensità energetica (la quantità di energia utilizzata per dollaro di attività economica complessiva). Le nazioni sviluppate trarranno vantaggio dal passaggio a economie basate sui servizi e dalla predominanza di industrie di maggior valore ed efficienti dal punto di vista energetico. I miglioramenti dell’intensità energetica richiedono progressi nella tecnologia, nei processi e nella logistica e la loro adozione nei principali centri di produzione come la Cina.

Ci sarà un forte aumento della domanda per la produzione di prodotti chimici a causa della necessità di fertilizzanti, cosmetici, tessuti e plastica. Gran parte di questo richiederà materie prime a base di combustibili fossili.

Quanto sopra si concentra sugli usi tradizionali. Nel corso del tempo, è probabile che i requisiti delle tecnologie di dati e calcolo aumentino in modo significativo. Ironia della sorte, è probabile che la domanda aggiuntiva provenga dai tentativi di combattere il cambiamento climatico, come la lavorazione di materiali aggiuntivi o nuovi per la transizione energetica, nonché progetti di cattura e sequestro del carbonio. La domanda di energia da queste fonti rimane non quantificata.

Fonti di energia

La domanda globale è soddisfatta da una varietà di fonti .

Occorre notare diversi punti:

  • La domanda di energia è stata storicamente soddisfatta principalmente dai combustibili fossili.
  • Il mix di combustibili fossili è cambiato nel tempo con il petrolio e, più recentemente, il gas che integra il carbone.
  • Negli ultimi decenni, le nuove fonti rinnovabili (principalmente solare ed eolica) hanno integrato l’energia idroelettrica e da biomasse.
  • È probabile che i combustibili fossili (che ora costituiscono circa l’80% delle fonti energetiche) rimarranno una parte significativa dell’approvvigionamento energetico, principalmente a causa dei loro vantaggi rispetto alle alternative.
  • Le energie rinnovabili aumenteranno come percentuale del mix energetico ma, sulla base della tecnologia attuale, è improbabile che diventino una fonte dominante nel prossimo futuro.

Riserve di combustibili fossili

Data l’importanza dei combustibili fossili come fonte di energia, una questione importante e spesso ignorata è la disponibilità a lungo termine di combustibili fossili intrinsecamente limitati .

Le riserve globali di petrolio totali stimate sono di circa 1.700 miliardi di barili. Le riserve globali totali stimate di gas naturale sono di circa 190 trilioni di metri cubi. Le riserve globali totali stimate di carbone sono di circa 1.070 miliardi di tonnellate. Sulla base della produzione e dell’utilizzo attuali , il petrolio si esaurirà in 54 anni, il gas naturale in 49 anni e il carbone in 139 anni, supponendo che i combustibili fossili costituiranno il 59% della domanda totale di energia primaria nel 2040.

Vanno evidenziate diverse questioni:

  • Vi è un’ampia variazione nelle stime delle riserve e nella vita prevista delle riserve di combustibili fossili. Ad esempio, alcune compagnie petrolifere hanno svalutato in modo significativo le riserve disponibili negli ultimi anni.
  • Le nuove scoperte e l’estensione della vita delle risorse conosciute possono aumentare le riserve.
  • Il numero di importanti scoperte di giacimenti di petrolio e gas è diminuito, in parte a causa della riduzione degli investimenti in combustibili fossili.

  • Le riserve potrebbero non essere economicamente recuperabili se non a prezzi elevati a causa di difficoltà tecniche di estrazione. Molte nuove risorse sono giacimenti di petrolio e gas non convenzionali, precedentemente considerati risorse inaccessibili o antieconomiche, come gli oceani profondi o l’Artico. Questi in genere richiedono prezzi più alti per essere economici: attualmente circa $ 80 al barile per il petrolio ottenuto utilizzando tecniche di recupero avanzate, $ 90 al barile per sabbie bituminose e petrolio extra pesante, $ 50+ per gas di scisto, oli cherogeni e petrolio artico e $ 100+ per carbone-liquidi e gas-liquidi.
  • Le riserve possono anche essere di difficile accesso a causa delle località remote e dell’instabilità politica.
  • Un’elevata percentuale di riserve, in particolare petrolio e gas, è controllata dallo Stato. Le compagnie petrolifere nazionali controllano circa il 65% delle riserve di petrolio e gas a livello globale. Il crescente nazionalismo delle risorse significa che le preoccupazioni (garantire la sufficienza energetica domestica e l’aumento delle royalty e delle entrate fiscali) e la geopolitica possono influire sull’accessibilità e sui costi.

EROEI

Un elemento critico della fisica energetica è il concetto di EROEI (Energy Return On Energy Invested). Questo è il rapporto tra la quantità di energia utilizzabile (l’exergia) fornita da una particolare risorsa energetica e la quantità di exergia utilizzata per ottenere quella risorsa energetica calcolata come:

Energia erogata/Energia richiesta per fornire quell’energia

Esistono due tipi di EROEI:

  • Buffered – che include l’archiviazione.
  • Unbuffered – che esclude l’archiviazione.

La differenziazione consente di cogliere i problemi delle fonti energetiche rinnovabili intermittenti. La necessità di stoccaggio ridurrà generalmente l’EROEI bufferizzato.

Sebbene ampiamente accettata, la misurazione presenta problemi. Sebbene la produzione totale di energia sia facilmente misurabile, la determinazione accurata dell’energia immessa è più difficile. La questione principale è catturare l’intero consumo di energia delle filiere; ad esempio, l’energia immessa in materiali come l’acciaio o altri materiali deve generare energia. Una contabilità completa richiederebbe anche l’incorporazione dei costi di opportunità e il confronto delle spese energetiche totali in presenza e in assenza di questa attività economica.

In pratica, vengono utilizzati 3 diversi calcoli EROEI:

  • Point of Use EROI – che amplia il calcolo per includere il costo della raffinazione e del trasporto del carburante.
  • EROEI esteso – che include il punto di utilizzo e anche il costo della creazione dell’infrastruttura necessaria per il trasporto dell’energia o del carburante una volta raffinato.
  • EROEI sociale – una somma di tutti gli EROEI di tutti i combustibili utilizzati in una società o nazione che può essere praticamente impossibile a causa del numero di variabili che devono essere catturate.

Quando l’EROEI di una fonte di energia è minore o uguale a uno, quella fonte di energia diventa un dissipatore netto di energia. Sebbene vi sia un considerevole dibattito sul numero esatto, è necessario un rapporto EROEI di almeno 3: 1 (alcuni lo indicano fino a 5 o 7: 1) affinché una fonte di energia sia considerata un combustibile o una fonte di energia praticabile.

Di seguito sono riportate le stime dell’EROEI delle diverse fonti energetiche :

L’EROEI per una data fonte non è costante. Negli anni ’30, l’EROEI del petrolio era probabilmente vicino a 100, riflettendo la facilità di estrazione; cioè, era necessario solo l’1% del petrolio estratto per fornire l’energia necessaria per pompare e consegnare il petrolio. Negli anni ’50 l’EROEI era sceso a circa 30. Attualmente è di circa 20, un calo di un fattore cinque. L’EROEI delle fonti meno accessibili ora sfruttate è inferiore. La perforazione offshore ha un EROEI di circa 5, mentre la risorsa di Lula in acque profonde del Brasile è ancora inferiore e potrebbe non essere pratica da sviluppare. Lo scisto bituminoso ha un EROEI compreso tra 1,1 e 2,2, ma alcuni lo considerano molto più alto se solo l’energia acquistata viene conteggiata come input escludendo l’energia propria (energia interna) dal processo di conversione utilizzato per alimentare tale operazione.

È probabile che l’esaurimento di alcune fonti energetiche e il passaggio alle rinnovabili riduca l’EROEI dell’intero sistema energetico dall’attuale 6:1 a un valore compreso tra 5:1 e meno di 3:1 entro il 2050, a seconda del mix energetico ipotizzato. La riduzione significa che per soddisfare lo stesso livello di consumo energetico netto finale, il sistema deve elaborare più energia e materiali per renderli disponibili per la società. Attualmente l’energia costa circa il 5% del PIL globale. Man mano che l’EROEI diminuisce, una parte maggiore del reddito dovrà essere destinata ai costi energetici. A 3, questo aumenterebbe dal 15 al 25 percento del PIL.

L’analisi dell’EROEI evidenzia una questione centrale nell’uso dell’energia. Lo sviluppo umano è dipeso dalla disponibilità di riserve di carbone, petrolio e gas che possono essere utilizzate in modo efficiente a causa di modeste esigenze di investimento energetico o finanziario. Man mano che le migliori risorse vengono esaurite e il cambiamento climatico impone il passaggio a fonti energetiche meno inquinanti, l’EROEI diminuisce rapidamente (noto come energy cliff ). Il rischio è che l’EROEI scenda al di sotto dei requisiti minimi per il funzionamento delle società e delle economie moderne.

Prezzi energetici

Il prezzo dell’energia, soprattutto a lungo termine, deve essere valutato in un contesto di aumento della domanda, vincoli sull’offerta, in particolare di combustibili fossili tradizionalmente dominanti, e calo dell’EROEI. Ciò non include importanti esternalità come le emissioni derivanti dall’uso di combustibili fossili che non sono valutate o addebitate.

Ad esempio, il prezzo reale del petrolio non riflette pienamente i fattori individuati.

Ciò significa che il costo dell’energia dovrà aumentare in modo significativo a lungo termine. I driver principali includono:

  • Domanda anelastica e in crescita, soprattutto da economie in via di sviluppo come Cina e India.
  • Il ruolo essenziale dell’energia nel generare la crescita globale e soddisfare le aspettative di miglioramento degli standard di vita.
  • Fornitura limitata di combustibili fossili che rimarranno una parte essenziale del mix energetico a causa delle difficoltà di sostituzione per alcune applicazioni.
  • EROEI in calo.
  • Crescente instabilità politica nelle regioni produttrici di energia.
  • Gestione delle risorse energetiche coerente con gli obiettivi nazionali e autonomia strategica.

I prezzi dell’energia a breve e medio termine rimarranno volatili a causa dell’inelasticità sia dell’offerta che della domanda di petrolio e del rischio di eventi (una recessione in Cina o un rapido calo del turismo a causa di attacchi terroristici contro aerei di linea commerciali o pandemie). Tuttavia, le dinamiche dei prezzi a lungo termine sono difficili da trascurare.

Lo squilibrio tra domanda e offerta potrebbe manifestarsi più rapidamente del previsto poiché i mercati lungimiranti anticipano il deficit spingendo bruscamente verso l’alto i prezzi. Ad esempio, l’Arabia Saudita ha avvertito che, senza reinvestire nell’industria petrolifera per trovare più giacimenti, il mondo potrebbe essere a corto di 30 milioni di barili al giorno entro un decennio circa. In effetti, l’adeguamento dei prezzi potrebbe avvenire molto prima che le riserve di combustibili fossili siano quasi esaurite.

Mantenere le luci accese

La domanda di energia attuale e prevista supererà progressivamente i combustibili fossili intrinsecamente finiti. Mentre le energie rinnovabili possono colmare parte del deficit, la fisica energetica impone che le fonti energetiche meno efficienti sostituiranno i combustibili fossili superiori, ignorando le emissioni. Come minimo, significherà potenza più costosa e più limitata. Nel peggiore dei casi, potrebbero esserci carenze, soprattutto di combustibili necessari per attività specifiche. Ciò avrà profonde conseguenze per le società e le economie che credono in un diritto di nascita di energia illimitata ed economica.

Tali carenze non sono nuove. A metà del diciannovesimo secolo, la domanda di combustibile per l’illuminazione superava l’offerta di olio di balena, determinando un aumento dei prezzi. Ha anche reso l’illuminazione costosa per gli americani comuni, il che significa che solo i ricchi potevano permettersi di illuminare regolarmente le loro case. Ironia della sorte, è stata la scoperta del petrolio nella Pennsylvania occidentale ad alleviare il deficit.

Le ipotesi energetiche che hanno sostenuto i modelli economici e le aspettative, con il senno di poi, non erano sagge. Come rifletteva il poeta Robert Frost in The Road Not Taken “ la strada conduce alla strada ”. Le scelte fatte nel corso dei secoli possono essere difficili da cambiare o, in alcuni casi, irreversibili. È improbabile che la nostra civiltà possa tornare indietro, almeno non senza una grande dislocazione.

Satyajit Das, è un ex banchiere e autore di numerose opere sui derivati ​​e diversi titoli generali: Traders, Guns & Money: Knowns and Unknowns in the Dazzling World of Derivatives  (2006 e 2010), Extreme Money: The Masters of the Universe and the Cult of Risk (2011), A Banquet of Consequences RELOADED (2021) e Fortune’s Fool: Australia’s Choices (2022)

Fonte: nakedCapitalism, 14 giugno 2023.

https://www.acro-polis.it/2023/06/23/destini-energetici-parte-1-bisogni-energetici-e-fonti-barili-di-bilanciamento/