Noterelle sull’energia elettrica (parte 5)

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 , qui e qui.

Adesso non ci sono più ostacoli ad affrontare la questione forse più scottante fra quelle da cui siamo partiti: ma è vero che le rinnovabili italiane attuali, e non solo italiane, sono uno spreco economico ed energetico?

Premetto che non entrerò nel merito delle leggi e delle regole attuali e in continuo cambiamento, ma cercherò piuttosto di fare un discorso generale. Non mi interessa il nostro paese fra 5-10 anni ma fra 50-100 anni almeno.

Come è la situazione italiana ed europea al momento? Nell’ultimo semestre i dati italiani sono i seguenti:

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Dati dal sito di Terna; come si vede c’è una diminuzione del consumo e della produzione complessivi ma c’è un incremento di alcuni settori; in particolare del FV; complessivamente nel primo semestre le rinnovabili hanno fornito il 40.2% della produzione e il 34.7 della richiesta totale, di cui il FV ha in particolare fornito l’8.9% della produzione netta e il 7.7 della richiesta, dati di tutto rispetto per i quasi 180kmq di installato.

Risultati analoghi si sono avuti in altri paesi europei; per esempio in Spagna la produzione eolica ha coperto nel primo trimestre 2014 il 47.7% della produzione totale con una percentuale dell’eolico che ha superato il nucleare e si è affermata come prima fonte elettrica del paese iberico (27.7%).

In Germania, ad esempio, lo scorso 9 giugno sono stati prodotti 23.1GWh nell’ora di picco tramite la rete di 1.4 milioni di unità FV, una quantità equivalente al 50.6% dell’energia totale necessaria all’intero paese.

Questi numeri dimostrano che è in atto un cambio epocale; ma in realtà sono anche in atto delle enormi resistenze da parte delle forze economiche, sociali e politiche che rappresentano il sistema energetico tradizionale, quello basato sui fossili di tutti i tipi.

Questo cambiamento è stato catalizzato dalle leggi, alcune delle quali molto favorevoli, che hanno consentito di pagare l’energia prodotta dalle rinnovabili molto al di sopra del valore di mercato e dando ad essa priorità di dispacciamento, ossia imponendo di usare questa elettricità invece di quella generata altrimenti. Questo ha generato in alcuni casi degli assurdi e degli abusi, che però non dipendono dalla tecnologia ma dallo strapotere del mercato e del profitto. Vediamo come stanno le cose dei prezzi e dei costi.

Da una analisi del Polimi (http://www.autorita.energia.it/allegati/docs/13/RappPolitecnicoRinn.pdf) si evince che i costi di produzione di Fv ed eolico pur essendo calati sono comunque elevati:

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Quelli dell’eolico sono inferiori e dipendono dalle dimensioni dell’impianto, tanto da essere concorrenziali con quelli del fossile su scala di grandi impianti (sopra i 2MW di potenza utile): variano infatti da 200 euro per MWh a circa 70, che è più o meno il PUN, ossia il prezzo di vendita dell’energia elettrica; anche se c’è da dire che il PUN è una quantità che negli ultimi tempi va incontro a forti oscillazioni e che il suo valor medio che qui ho riportato potrebbe essere di per se poco significativo.

Ancora più interessante è il fatto che costi simili si hanno a livello mondiale; occorre dire che se si cerca di evincere tali costi dai documenti ufficiali si hanno montagne di dati da esplorare; io ho cercato di fare un lavoro del genere sul documento di Bloomberg (http://www.unep.org/pdf/Green_energy_2013-Key_findings.pdf), un sito di informazione e gestione finanziaria dedicato alle rinnovabili e da SolarBuzz un sito specializzato in rinnovabili FV.

In questo caso i costi si possono stimare aggiungendo il valore dell’investimento totale stimato da questi documenti, dalla produzione attesa e stimata totale, tenendo conto della riduzione della produttività con la vita dell’impianto e dal costo della manutenzione. C’è anche da dire che tali conti si possono fare in due modi: o considerando l’investimento annuo e la produzione attesa come se fossero collegati, anno per anno, oppure considerando ogni volta il totale investito e il totale della produzione attesa; non conoscendo la durata effettiva degli impianti di produzione è difficile avere stime inattaccabili.

Il risultato è che i costi variano a seconda della durata stimata dell’impianto (da 25 a 40 anni) del costo della manutenzione che si aggira su valori che sono variamente stimati dall’1% all’anno al 10% del costo di investimento; in tutti questi casi il costo di produzione varia dal valore massimo simile a quello stimato da Polimi (ma più basso, 300 $/MWh nel 2013) a poco più di 100$/MWh sempre 2013; probabilmente la verità sta nel mezzo e c’è comunque in tutti i casi un forte trend di riduzione del costo di produzione del manufatto FV.

La conclusione è che effettivamente il FV AL MOMENTO costa più del resto dell’energia elettrica, mentre l’eolico può avere un costo di produzione comparabile specie nei grandi impianti; a questo occorre aggiungere un’altra considerazione che è valida sia per il FV che per l’eolico.

Quando si dice che abbiamo nel tal momento o nel tale periodo di tempo prodotto energia elettrica da rinnovabile occorre tenere presente le due cose seguenti:

  • dato che sia l’eolico che il FV sono contraddistinte da una certa incostanza, che può essere solo parzialmente ridotta da previsioni del tempo più precise, durante il loro uso occorre sempre tenere “attive” centrali di altro tipo che possano intervenire rapidamente alla bisogna; questo comporta un costo complessivo non banale e riduce la effettiva “rinnovabilità” del sistema; una alternativa definitiva sarebbe quella di costruire gli impianti rinnovabili con una quota di accumulo; tentativi generali (non dedicati al FV o all’eolico) in questo senso sono stati fatti fin dal 1944 e vanno sotto il nome di pompaggi o accumuli di pompaggio, Pumping Storage, PS; per esempio il tentativo tedesco di Goldistahl, in Turingia
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la cui logica viene esemplificata nella figura . Ma anche tentativi analoghi fatti in USA, soprattutto negli stati verso il Pacifico.

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In un grafico di un lavoro USA sul tema(http://www.hydro.org/wp-content/uploads/2011/07/PS-Wind-Integration-Final-Report-without-Exhibits-MWH-3.pdf) si mostrano gli impianti PS a livello mondiale e sopra una certa dimensione:

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Come vedete gli impianti italiani di pompaggio attualmente usati per pompare di notte l’elettricità dal nucleare francese sono qui rappresentati come impianti PS e basta! Ossia potrebbero essere usati per uno scopo diverso. A livello mondiale al 2005 gli impianti di pompaggio superavano i 100GW di potenza installata. I costi sono ovviamente alti, ma è chiaro qui che dal 1944 si sarebbe potuto fare molto di più e meglio. Al momento la ridotta quota di territorio disponibile e i costi elevati (sia economici che energetici) rendono questo tipo di scelta molto difficile. Una alternativa sono i metodi di accumulo elettrochimici (batterie e condensatori) o chimici (vettori energetici come l’idrogeno), tutti in fase primordiale, tutti da sviluppare per opera principalmente dei chimici. Vale la pena di notare che la tecnologia esistente è quella delle cosiddette batterie in flusso, per esempio quelle al vanadio, in cui due coppie di ossidoriduzione del medesimo elemento coprono sia la parte anodica che catodica e la dimensione può essere aumentata a volontà; il vanadio tuttavia è un elemento non così comune.

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La trasformazione dei sistemi in flusso in sistemi anche a basso costo è in atto, per esempio usando reagenti organici come i chinoni, ma conservando lo schema di base.

batteria_organicaC’è una questione da approfondire un momento che ha a che fare con i motori elettrici; nei sistemi di accumulo come Goldisthal il progetto prevedeva dei motori sincroni tradizionali; tali motori sono stati sostituiti in corso d’opera con motori asincroni; la differenza fondamentale è la possibilità di lavorare sia in pompaggio che in generazione a velocità diverse con ottimizzazione dell’efficienza.

Si tratta della più importante innovazione del progetto; essa costituisce la prima applicazione mai realizzata di generatori/motori di questa dimensione in un impianto idroelettrico in Europa. In sostanza le turbine hanno un punto di ottimo della loro operatività in termini dei loro parametri. Ma quando sono accoppiate con un motore generatore a velocità variabile, le velocità di operazione possono essere cambiate in un certo intervallo dei parametri ottimali della turbina sincrona, operando in tal modo nelle migliori condizioni.

Per poter avere un maggiore risparmio energetico, oltre all’utilizzo di motori ad alta efficienza, possiamo usare i convertitori di frequenza (chiamati anche inverter) che hanno lo scopo di andare a variare la velocità di un motore elettrico quando non è necessario che funzioni alla velocità nominale. Attraverso l’utilizzo di un inverter possiamo ridurre i normali consumi anche del 60 %. Le applicazioni principali di un convertitore di frequenza si hanno a livello industriale nell’utilizzo di pompe, ventilatori e compressori dove è spesso indispensabile una regolazione della velocità di questi dispositivi.

Un motore asincrono trifase collegato direttamente alla rete, per sua natura girerà costantemente alla velocità nominale. Nel caso in cui fosse utilizzato per azionare una pompa o un ventilatore e le esigenze dell’impianto richiedessero di operare a portata variabile, sarebbe necessario prevedere un sistema di regolazione meccanico per controllare la portata del fluido; la regolazione della portata dei fluidi è ottenibile normalmente attraverso l’ausilio di dispositivi di tipo meccanico/idraulico a perdita di carico tipo valvole di strozzamento, serrande, sistemi di bypass, ecc.

Utilizzando un inverter per comandare il motore, è possibile regolare la portata del fluido agendo direttamente sulla velocità del motore attraverso la variazione della frequenza.

Se si considera un ciclo produttivo che richiede alla pompa o al ventilatore di dimezzare la portata, automaticamente l’inverter dimezzerà la velocità del motore e, ricordando che la potenza richiesta dal carico varia con il cubo della velocità, l’assorbimento energetico scenderebbe da 100 % a solo un ottavo di quello nominale.” (http://tesi.cab.unipd.it/43423/1/Mirco_Soncin.pdf)

Non so al momento quanti impianti italiani di pompaggio siano dotati di inverter capaci di ottimizzazione come quelli di Goldistahl, ma certamente l’accumulo è il futuro delle rinnovabili e i motori asincroni con inverter sono uno dei futuri dell’accumulo.

  • qualcuno fa notare che al momento l’energia FV in particolare rappresenterebbe energia fossile differita, in quanto per produrre pannelli a basso costo si usano energie sporche come il carbone; la cosa mi fa arrabbiare in quanto dato che la percentuale di rinnovabili è bassissima sul piano mondiale è OVVIO che la quota immagazzinata di energia rinnovabile nei nostri beni e servizi sia bassa; in certi paesi è più alta, come da noi dove appunto il 40% dell’energia elettrica (che sappiamo essere in Italia circa ¼ dell’energia totale al momento) è rinnovabile; il 40% di ¼ è il 10% e questo è un caso favorevole, la percentuale mondiale è circa un terzo; per cui è CHIARO che solo un 3-4 % del FV in media è prodotto da rinnovabile ma non può che essere così per decenni finchè la gigantesca transizione energetica non vada avanti producendo esempi virtuosi di self-breeding, cioè di posti dove tutto è da rinnovabile, come per esempio potrebbe diventare la fabbrica di batterie prevista dalla Tesla e dalla Panasonic (http://www.teslamotors.com/sites/default/files/blog_attachments/gigafactory.pdf)

Queste considerazioni hanno portato vari autori a ricalcolare l’EROEI del FV e dell’eolico sulla base della necessità dei sistemi di accumulo; abbiamo già citato in un precedente post di questa serie il lavoro di Weissbach (Weißbach D, Ruprecht G, Huke A, Czerski K, Gottlieb S, Hussein A. Energy in- tensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants. Energy 2013;52:210e21.) che limita a non più di 3 l’EROEI del FV con accumulo, un valore veramente basso dato che questo EROEI era l’EROEI dei sistemi energetici del XVIII secolo (e aggiungo è anche l’EROEI del petrolio e del gas da shale, che va oggi così tanto in voga.)

Tuttavia in tutti questi lavori e calcoli si fa a meno di considerare quale sia il VERO EROEI del fossile, che viene sparato a valori galattici (50-80 o giù di lì) dalla semplice trascuratezza del suo decommissioning, ossia del costo energetico necessario a ripristinare lo stato dei luoghi (atmosfera, ambiente, salute) PRIMA del loro uso.

Per fare capire di cosa stiamo parlando avevo provato a calcolare la energia necessaria a rimediare ad uno solo dei grossi problemi FUTURI del fossile, l’effetto del GW che sta portando alla fusione dell’Antartide occidentale, prevista completarsi nei prossimi 2-9 secoli con l’effetto di alzare il livello del mare di 3 metri(). La conclusione era che che ci voleva tanta energia per mille anni quanta ne produciamo oggi. Ma c’è un altro conto non fatto da me, indegno assistentucolo, ma dalla Società americana di fisica (Direct-Air-Capture-of-CO2-with-Chemicals, 2011) a pag. 22 e 40 sono calcolati i costi termodinamici per l’estrazione della CO2 atmosferica allo scopo di riportarne i valori a prima dell’era industriale.

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Il calcolo termodinamico porta al risultato che il lavoro minimo necessario(pag 22) è di 0.66GJ per ton di CO2 estratta; il lavoro effettivo (pag 40) è circa 15-20 volte superiore a questo, quindi circa 10GJ per ton di CO2 estratta; considerando che in atmosfera c’è un eccesso stimato di circa 1000 Gton di CO2, e che ogni ton di petrolio può fornire 42GJ di energia termica (o 16GJ di elettricità), il lavoro necessario è dell’ordine di 10 TJ, ossia all’incirca da 250 a 350 Gton di petrolio (a seconda della miscela calore/elettricità), che equivalgono al consumo attuale mondiale di energia primaria per 25-30 anni o di solo petrolio per un secolo.

Allora quanto è il costo VERO dell’energia fossile? Quale è il vero EROEI dell’energia fossile? Ripristinando la parità di condizioni di ambiente, clima e salute? Ditemelo voi, ma certo è molto più basso di quelli calcolati senza decommissioning.

In effetti è vero che le energie rinnovabili sono costose e complesse da gestire, ma quelle fossili (o nucleari) sono TERRIBILMENTE più costose e complesse.

Scopriamo con difficoltà che i costi VERI dell’energia sono più alti, parecchio più alti, di quelli che paghiamo adesso; nei fatti stiamo vivendo a sbafo consumando ambiente, risorse non rinnovabili.

Ed è ora di finirla.

La realtà è che non abbiamo alcuna scusa; se vogliamo sopravvivere come specie, qualunque sia il costo economico od energetico siamo obbligati a questa transizione energetica che necessiterà di 50-100 anni e ad essa dobbiamo dedicare le nostre energie; non sarà solo una transizione energetica, sarà una transizione SOCIALE, implicherà cambiare i nostri paradigmi economici e sociali, costruire una società adeguata ad essere umana e stabile per i prossimi 10.000 anni; come nei trascorsi 10.000 anni ci siamo abituati a considerare normale la crescita quantitativa, il mito del progresso, il mito di Prometeo, così dovremo abituarci a considerare normale la stabilità quantitativa della produzione, ma nulla ci impedisce o ci impedirà di accrescere la nostra felicità o il nostro benessere, eccetto che noi stessi e le leggi della fisica.

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A riprova di quanto antico sia il mito di Prometeo o del progresso e il suo limite, ma anche la loro coscienza, riporto qui la traduzione di un celeberrimo pezzo di Platone.

Platone. Protagora, il mito del progresso.

Ci fu un tempo in cui esistevano gli dei, ma non le stirpi mortali. Quando giunse anche per queste il momento fatale della nascita, gli dei le plasmarono nel cuore della terra, mescolando terra, fuoco e tutto ciò che si amalgama con terra e fuoco. Quando le stirpi mortali stavano per venire alla luce, gli dei ordinarono a Prometeo e a Epimeteo di dare con misura e distribuire in modo opportuno a ciascuno le facoltà naturali. Epimeteo chiese a Prometeo di poter fare da solo la distribuzione: “Dopo che avrò distribuito – disse – tu controllerai”. ………….

 

Ma Epimeteo non si rivelò bravo fino in fondo: senza accorgersene aveva consumato tutte le facoltà per gli esseri privi di ragione. Il genere umano era rimasto dunque senza mezzi, e lui non sapeva cosa fare. In quel momento giunse Prometeo per controllare la distribuzione, e vide gli altri esseri viventi forniti di tutto il necessario, mentre l’uomo era nudo, scalzo, privo di giaciglio e di armi. Intanto era giunto il giorno fatale, in cui anche l’uomo doveva venire alla luce. Allora Prometeo, non sapendo quale mezzo di salvezza procurare all’uomo, rubò a Efesto e ad Atena la perizia tecnica, insieme al fuoco – infatti era impossibile per chiunque ottenerla o usarla senza fuoco – e li donò all’uomo. All’uomo fu concessa in tal modo la perizia tecnica necessaria per la vita, ma non la virtù politica. Questa si trovava presso Zeus, e a Prometeo non era più possibile accedere all’Acropoli, la dimora di Zeus, protetta da temibili guardie. Entrò allora di nascosto nella casa comune di Atena ed Efesto, dove i due lavoravano insieme. Rubò quindi la scienza del fuoco di Efesto e la perizia tecnica di Atena e le donò all’uomo. Da questo dono derivò all’uomo abbondanza di risorse per la vita, …….

 

La perizia pratica era di aiuto sufficiente per procurarsi il cibo, ma era inadeguata alla lotta contro le belve (infatti gli uomini non possedevano ancora l’arte politica, che comprende anche quella bellica). Cercarono allora di unirsi e di salvarsi costruendo città; ogni volta che stavano insieme, però, commettevano ingiustizie gli uni contro gli altri, non conoscendo ancora la politica; perciò, disperdendosi di nuovo, morivano. Zeus dunque, temendo che la nostra specie si estinguesse del tutto, inviò Ermes per portare agli uomini rispetto e giustizia, affinché fossero fondamenti dell’ordine delle città e vincoli d’amicizia. Ermes chiese a Zeus in quale modo dovesse distribuire rispetto e giustizia agli uomini: «Devo distribuirli come sono state distribuite le arti? Per queste, infatti, ci si è regolati così: se uno solo conosce la medicina, basta per molti che non la conoscono, e questo vale anche per gli altri artigiani. Mi devo regolare allo stesso modo per rispetto e giustizia, o posso distribuirli a tutti gli uomini?« «A tutti – rispose Zeus – e tutti ne siano partecipi; infatti non esisterebbero città, se pochi fossero partecipi di rispetto e giustizia, come succede per le arti. Istituisci inoltre a nome mio una legge in base alla quale si uccida, come peste della città, chi non sia partecipe di rispetto e giustizia».

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