Noterelle sull’energia elettrica (parte 4)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Claudio Della Volpe

I post precedenti di questa serie sono pubblicati qui, qui e qui.

E siamo finalmente arrivati a parlare di rinnovabili; dato che le “rinnovabili” servono a produrre ESSENZIALMENTE energia elettrica (anche se il solare termico, l’aqua calda solare per intenderci puo’ essere importante) per entrare in argomento occorrerebbe ricordare anche quanto pesa l’energia elettrica nel panorama energetico complessivo.

Sunrise_over_Nordgermersleben

Sunrise_over_Nordgermersleben

Nel nostro paese consumiamo ogni anno un totale di energia primaria (ossia dell’energia presente in Natura e all’origine di tutte le altre che usiamo e trasformiamo) pari alla energia ottenuta per combustione da circa 200 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio, quindi MTEP (M=mega=milioni, equivalenti= come se fosse); si tratta solo di una unità di misura non di un riferimento di specie vero e proprio, seppure non lontanissimo dalla verità; se trasformiamo tale unità in una meno tecnologica, ossia in Joules, otteniamo un numero a molti zeri; consideriamo quindi che una tonnellata di petrolio produce per combustione circa 42GJ (G=giga=miliardi); 200×106 TEP x 42 x 109 J= 8.4×1018J=8.4EJ (1 exa Joule=1018 J, E= miliardi di miliardi); questo numero a 18 zeri è ancora circa 1/60 del totale mondiale dell’ energia primaria che assomma quindi a circa 500 EJ=12GTEP=12000MTEP (noi italiani consumiamo circa il doppio della media perchè siamo circa 1/120 della popolazione).

La quantità di energia elettrica prodotta in italia la conosciamo bene dai post precedenti, si tratta di circa 300 TWh annui (T=tera=migliaia di miliardi), ossia 3×1014*3600J=1.08*1018J =1.08 EJ.

Ecco quindi che arriviamo ad una prima conclusione, la energia elettrica italiana corrisponde solo a circa 1/8, il 13% dell’energia primaria; tuttavia qui c’è un trucco termodinamico da svelare.

Per produrre l’energia elettrica che è una energia di elevata “qualità” termodinamica occorre pagare il prezzo del 2 principio; per esempio nel caso della produzione termoelettrica rispettare il teorema di Carnot; in termini pratici questo vuol dire che l’energia termoelettrica ha una efficienza media di produzione da fossile di circa il 40%; per cui quei due terzi circa (a valori 2013) di energia elettrica di origine fossile ci costano 2.5 volte di più in termini di primaria; quindi il peso dell’energia elettrica sul totale della nostra richiesta energetica sale a poco oltre un quarto del totale dell’energia primaria (gli altri ¾ servono al resto).

Questo ci fa capire due cose: l’energia elettrica è importante ma comunque ATTUALMENTE pesa per non oltre un quarto delle nostre richieste energetiche complessive; se ci sposteremo verso un mondo più elettrico e meno termico questa percentuale crescerà; ed è complesso valutare di quanto crescerà in assoluto perchè ci sono fattori contraddittori da considerare; ma questo è anche il limite di una scelta nucleare (uno dei tanti): anche col nucleare si farebbe quasi solo energia elettrica.

I motori elettrici per esempio sono più efficienti, e di gran lunga, di qualunque motore termico, ma la cosa è molto più evidente se a produrre la loro energia elettrica si arriva con metodi non termici, se no il teorema di Carnot si mangia gran parte del guadagno. (Supponiamo che un motore elettrico (con batteria) abbia una efficienza del 85% ma che la sua elettricità sia prodotta termicamente, l’efficienza complessiva scende al 35%, che è migliore ma non è molto lontano da quella di un motore diesel). In parole povere SE non decideremo come trasporteremo noi e le nostre cose e come ci riscalderemo con le rinnovabili sarà difficile capire quante rinnovabili ci serviranno effettivamente. Secondo me pensare di riflettere il nostro modello attuale di trasporto individuale, privato nel campo elettrico sarebbe solo l’ennesima follia.

Comunque sia, questa osservazione fa risaltare all’interno della quota di elettricità il ruolo dei motori elettrici; è da dire che il consumo di elettricità è IN MASSIMA PARTE, consumo di motori elettrici; secondo i calcoli del Sole-24 ore (2011) in Italia sono installati 19 milioni di motori elettrici con un consumo generato che è pari al 50% del consumo elettrico nazionale ed a oltre il 75% del consumo nel settore industriale. 5.725 GWh.

Il totale della potenza installata da motori elettrici è di 101 GW. Il settore con la maggiore concentrazione è l’industria (80 GW), seguito da terziario (20 GW) e agricoltura (459 MW).

Ne segue che diventa molto importante considerare la reale efficienza dei motori elettrici, ma questo argomento lo riprenderemo più avanti e ci chiederemo se la politica di sostituire le lampade ad incandescenza con altre ad alta efficienza sia altrettanto utile allo scopo di ridurre i consumi che non un aggiornamento generalizzato dei motori elettrici; anche perchè certi motori elettrici sono più adatti di altri ad accoppiarsi con le tecnologie rinnovabili.

Ma cosa si intende per “rinnovabili”? E qua mi rendo conto che non è facile dire le cose bene; ci provo.

C’è da dire che c’è stata una notevole parte della nostra storia “elettrica” in cui l’Italia è stata un paese virtuoso; dopo la seconda guerra mondiale la nostra elettricità era essenzialmente di origine idroelettrica e se guardate bene il grafico 3 del primo post cioè questo di seguito

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vedrete che fino al 1968 l’idro la ha fatta da padrone e l’Italia si sarebbe potuta vantare (ma all’epoca non era di moda) di essere un paese virtuosamente rinnovabile per quanto riguardo la produzione di elettricità, perchè oltre metà della potenza installata era rinnovabile.

Cosa intendiamo per “rinnovabile”? Intendiamo anzitutto una tecnologia energetica la cui sorgente primaria sia talmente grande da rimanere sostanzialmente immodificata dal nostro sfruttamento o comunque da essere in una situazione tale per cui la disponibilità annua del sistema Terra (o del territorio cui facciamo riferimento) è sempre significativamente superiore alla nostra esigenza e pari a quella del sistema Terra nel suo complesso, noi compresi. Il tempo di analisi è per lo meno un tempo pari all’esistenza stessa della nostra civiltà (un po’ pomposo lo ammetto), diciamo almeno 10.000 anni.

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Se il flusso di prelievo è superiore a quello di ricrescita andiamo in overshoot, in disequilibrio, in sovraconsumo ed iniziamo ad intaccare il patrimonio della risorsa. Se invece il flusso di prelievo è inferiore a quello di ricrescita rimaniamo nella zona della sostenibilità, della stazionarietà. In questo modo lo sfruttamento della risorsa diventa “sostenibile” e quindi la risorsa potrà essere usata con soddisfazione da noi e dai nostri discendenti; un corollario di questo concetto è che se le cose stanno così la biosfera ne sarà certamente intaccata ma sarà anche capace di rinnovare la risorsa con le sue sole forze in modo sufficiente.

In altre parole il carico ecologico relativo alla risorsa che imporremo al sistema sarà inferiore a quello massimo sostenibile; due esempi chiariranno la differenza.

Il petrolio (ed in genere le risorse di idrocarburi fossili) si è generato negli ultimi 400 milioni di anni a partire dalla degradazione del materiale biologico delle grandi foreste primordiali e della biosfera, si stima che la quantità di petrolio disponibile all’inizio della rivoluzione industriale fosse dell’ordine di 3600 miliardi di barili; da allora ne abbiamo consumato quasi 1200 ossia un terzo.

3600 Gb/400My=9000 barili all’anno in media è la produzione media della risorsa petrolio della biosfera terrestre, il petrolio continua a prodursi nel ciclo geologico; ma sfortunatamente ne consumiamo molto di più; al momento oltre 30Gb/anno, ossia 3 milioni di volte di più! Ne segue che questa risorsa non è rinnovabile, perchè la consumiamo troppo velocemente. Poi ci sono altri problemi ambientali, di inquinamento di cambiamento climatico, ma a parte questi altri problemi la risorsa fossile NON è rinnovabile prima di tutto perchè la consumiamo troppo velocemente.

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The mean annual radiant energy and heat balance of the Earth. From Houghton et al., (1996: 58), which used data from Kiehl and Trenberth (1996).

Consideriamo invece la luce solare; il Sole ci invia in media 342 W/m (al confine atmosferico) e lo fa da miliardi di anni e lo farà per miliardi di anni; in realtà la quota media è aumentata del 30% negli ultimi 4 miliardi di anni e continuerà a crescere a causa dell’invechiamento del Sole che ne cambia la composizione. Rapportata alla latitudine e alla superficie del nostro paese tale potenza corrisponde in un anno a circa 3.2×1021 J=3.2ZJ= (Zetta joule=1021, migliaia di miliardi di miliardi), ossia circa l’equivalente di 77 miliardi di ton di petrolio (77 GTEP), una quantità che supera di 380 volte il nostro fabbisogno di energia primaria attuale. Dato che non siamo capaci di raccogliere questo ben-di-dio con una efficienza superiore al 20%, ci servirebbero all’incirca 3000kmq di pannelli FV per ottenere la sola energia elettrica che usiamo ora (trascurando per il momento ogni problema di accumulo); questo calcolo è basato sulla energia effettivamente prodotta dagli impianti FV italiani esistenti adesso, quindi si tratta di un numero affidabile e realistico, corrispondente alla produzione unitaria dei soli 180kmq di pannelli che abbiamo montato finora; come si vede siamo ben lontani dal traguardo che dicevo.

Comunque ai fini della nostra definizione la energia FV è rinnovabile e sostenibile in quanto noi ne useremmo una quantità ben minore di quella che ci continuerà ad arrivare in futuro.

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Però attenzione; facciamo un discorso per assurdo; una forma di energia è “rinnovabile” per definizione? Cioè il FV è rinnovabile in quanto tale o anche esso soggiace alla definizione precedente?

La risposta è che non ci sono eccezioni; anche il FV soggiace agli stessi limiti; se noi ad esempio volessimo usare solo energia FV per ogni nostra esigenza, la quantità di pannelli necessaria (sempre a parte ogni problema di accumulo) salirebbe a 21000 kmq, in quanto come sappiamo l’energia elettrica costituisce solo 1/8 dei nostri consumi netti (anche se necessita del doppio di energia primaria per essere prodotta); dato che ne rimangono quindi scoperti altri 6/8 o ¾ occorre moltiplicare quei 3000kmq per 7.

Ovviamente sto qua ragionando a parità di ogni altro parametro e questa è una notevole approssimazione in quanto come dicevo prima non abbiamo ancora deciso se e come modificheremo il nostro modo di vivere passando alle rinnovabili o anche solo all’elettrico “totale”, al “mondo elettrico”, come lo chiama qualcuno.

Beh 21000 kmq sono una gran bella superficie da sottrarre o da adattare ad ogni altra applicazione; per esempio l’agricoltura intensiva è da escludere; dato che 21000 kmq sono un 1/14 della nostra superficie nazionale questo porrebbe dei limiti, sia pure ampi, al nostro sviluppo energetico, anche perchè serve superficie per ogni altra attività (abitare, coltivare la terra, muoversi etc.) anche includendo la ricopertura di tetti adatti; inoltre la energia solare è il motore complessivo della biosfera (clima, vita, etc.), non si potrebbe ridurla a piacimento senza effetti enormi, che so una variazione dell’albedo planetaria poniamo. Quindi, attenzione anche il FV potrebbe diventare “insostenibile” e non rinnovabile se la nostra crescita continuasse con lo stesso ritmo; in Italia dal 1914 quando consumavamo meno di 2600GWh/anno di elettricità, siamo passati a oltre 300.000GWh odierni, quindi la crescita è stata di 120 volte in 100 anni, quasi 7 raddoppi, ossia poco meno del 5% all’anno nella media degli ultimi 100 anni; se usassimo solo FV e  crescessimo anche solo del 3% all’anno entro qualche decennio ci servirebbe la metà del nostro territorio a FV. E’ chiaro che c’è un limite a tutto e che la crescita esponenziale a cui siamo abituati non può continuare anche usando questo metodo attualmente “rinnovabile”.

In altri termini già adesso per produrre l’elettricità dal solo FV dovremmo usare circa l’1% di tutta la energia che il Sole manda sul nostro territorio e se volessimo fare tutta l’energia necessaria ci vorrebbe già oggi il 7%, una superficie pari a quella di una regione come la Lombardia, la Toscana o la Sicilia; direi che questo pone dei limiti stringenti al nostro sviluppo già adesso e rimanda ad ottobre tutti coloro che continuano a fare considerazioni basate sull’immensità della Natura; immensa si, ma noi uomini agiamo già adesso a livello di una forza planetaria e quindi dobbiamo prenderci le nostre responsabilità.

C’è un altro significato che si da di solito al termine “rinnovabile” e cioè il fatto che l’ambiente non venga modificato in modo significativo attraverso l’inquinamento e il cambiamento di uno o più parametri significativi.

Qui la questione si fa complessa, perchè non esistono tecnologie che non comportino una qualche forma di modifica dell’ambiente; c’è modo di misurare attraverso la cosiddetta impronta ecologica quale è l’impatto di una tecnologia energetica.

Se volessimo considerare rinnovabile una tecnologia energetica nel senso più ampio delle modifiche ambientali “sostenibili” e non solo dal punto di vista della produzione di energia, allora le cose si complicano; un esempio può essere proprio l’idro in quanto l’intercettazione del flusso superficiale di acqua altera certamente e spesso in modo profondo la biosfera almeno nel contesto ambientale vicino, implicando per esempio (a parte il bilancio energetico della costruzione e manutenzione) differenze nell’evaporazione, nel flusso dei detriti, nelle specie che possono vivere nel fiume e quindi le grandi dighe di accumulo hanno certamente effetti pur rimanendo rinnovabili nel senso energetico (almeno fino a quando una variazione climatica profonda non alteri il ciclo idrologico in modo sufficiente). Abbiamo quindi una gamma di “rinnovabilità” che dovrebbe essere analizzata molto in dettaglio ma certo non in questo breve post. Questo effetto ha un costo che può essere valutato anche in termini energetici e in un bilancio globale sostenibile dovrebbe essere sottratto all’energia ottenuta, un po’ come si fa quando si considera il cosiddetto “decommissioning” del nucleare; c’è un decommissioning di qualunque tecnologia energetica, incluse le rinovabili.*

Ovviamente ancora una volta le energie fossili non sono rinnovabili nemmeno in questo secondo senso perchè provocano e hanno provocato profonde alterazioni climatiche ed ambientali che sono diventate visibili quando la scala del trasferimento dei reagenti della combustione verso l’atmosfera si è fatta più imponente. Il loro decommissioning sarebbe quindi molto costoso: E’ molto costoso. In altro post ho calcolato che se attribuiamo la fusione dell’Antartide Occidentale, attualmente in corso e stimata avvenire nei prossimi 2-9 secoli con l’effetto di innalzare il livello oceanico di circa tre metri, alla combustione dei fossili, possiamo concludere che per rimediare a questo solo evento negativo dovremmo impiegare per mille anni tutta l’energia attualmente prodotta annualmente allo scopo di ricongelare in ghiaccio l’acqua implicata nel processo (ovviamente il congelatore necessario non è ancora stato costruito).

Beh a questo punto sono costretto a posporre ancora una volta di una puntata la fine di questa commedia dell’energia elettrica; spero di non annoiarvi.

*Nota su EROEI: La quantità definita EROEI, acronimo di Energy Returned On Energy Invested viene spesso usata per fare confronti della qualità delle tecnologie energetiche; occorre tuttavia mettersi d’accordo su questa grandezza in termini di definizione; alcuni problemi li trovate in questi lavori **; secondo il mio modesto parere il decommissioning della tecnologia dovrebbe sempre essere incluso nei suoi costi energetici (oltre al costo di costruzione, di manutenzione e di smaltimento del dispositivo), intendendo per decommissioning l’eliminazione degli effetti diciamo così indiretti dell’uso di quella tecnologia (alterazione della composizione atmosferica, alterazione del numero di specie viventi in un certo habitat, alterazione della concentrazione di specie radioattive, rischi “cigno nero”, ossia accadimenti molto poco probabili ma potenzialmente estremamente dannosi, alterazione della distribuzione dei venti o del mescolamento atmosferico, etc) ; questo tipo di calcolo è tuttavia molto discusso ed in alcuni casi non viene accettato al momento dalla comunità dei ricercatori che si occupa del problema.

A parte l’esempio fatto prima delle conseguenze climatiche del fossile si potrebbero considerare le conseguenze della geotermia sulla concentrazione di specie radioattive in superficie o l’alterazione del paesaggio dovuta all’eolico terrestre o l’alterazione del flusso dei venti dell’eolico troposferico; che costo energetico implicano tali modifiche?

**

Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants

  1. Weißbach a, b, *, G. Ruprecht a, A. Huke a, c, K. Czerski a, b, S. Gottlieb a, A. Hussein a, d

Energy 52 (2013) 210e221

 

Comments on “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants”dMaking clear of quite some confusion

Marco Raugei Energy 59 (2013) 781e782

 

Reply on “Comments on ‘Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants’ e Making clear of quite some confusion”

  1. Weißbach a, b, *, G. Ruprecht a, A. Huke a, K. Czerski a, b, S. Gottlieb a, A. Hussein a, c

Energy 68 (2014) 1004e1006

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  1. Pingback: Bufale energetiche, truffe italiche e fregature cosmiche. | il blog della SCI

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