L’energia. 2. Energia ed economia

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 Benito Leoci

la prima parte di questo post è leggibile qui.

Il 19° e il 20° secolo sono stati caratterizzati da un fenomeno del tutto particolare, senza precedenti in tutta la storia dell’uomo, che continua tuttora: la sostituzione crescente del lavoro animale con quello prodotto dalle macchine. Questo processo, iniziato per la verità già nel secolo 18° (1), non si è evoluto con lo stesso ritmo in tutti i Paesi: in alcuni, quelli cosiddetti ad economia avanzata, il lavoro animale è stato quasi completamente sostituito, in altri, nei Paesi più poveri, il processo è stato (ed è) più lento, sicchè convivono ancora le due forme, con prevalenza di quello animale. Comunque sia, ciò vuol dire utilizzo crescente di energia (o consumo di exergia, come vedremo più avanti) e quindi consumo di fonti di energia “non rinnovabile”. E’ da considerare dunque il ruolo giocato dall’energia nell’economia dei vari Paesi. Ruolo che, stranamente, non è mai stato valutato con esattezza.

Farmer_plowing_in_Fahrenwalde,_Mecklenburg-Vorpommern,_Germany

Fino al 1970, in pratica, non vi era mai stato alcun problema, in quanto l’energia nelle varie forme era ottenuta facilmente e a basso costo, sicchè gli economisti, per valutare il costo di gestione di una macchina (un trattore, un autocarro, ecc.), usavano conteggiare quasi esclusivamente i costi di capitale, gli ammortamenti, le manutenzioni, trascurando quelli energetici. A partire dall’estate del 1973, quando quasi improvvisamente il prezzo del petrolio subì una brusca impennata, la maggior parte dei Paesi industrializzati, grossi divoratori di energia nelle varie forme (specialmente termica ed elettrica), fu colta di sorpresa. La crisi del ’73 illuminò la scena con luce diversa e molti aspetti, trascurati o sottovalutati, assunsero un’importanza insospettata. Si cominciò a notare per prima cosa che per la “merce energia” è molto difficile prevedere il prezzo futuro. Si notò anche che nei cicli produttivi l’energia non può essere sostituita, al contrario di altre materie prime (l’alluminio può sostituire il rame, la plastica il legno, ecc.). E’ pur vero che si possono sostituire le fonti di energia ma il cambio è molto viscoso e lento oltre che costoso. All’indomani della crisi del ’73 molti economisti credettero che l’aumento del prezzo del petrolio, voluto dall’OPEC, avrebbe incentivato l’uso di altre fonti come il carbone, gli scisti bituminosi, ecc. Alcuni arrivarono ad ipotizzare un “prezzo soglia” per il barile di petrolio al di sopra del quale la sostituzione sarebbe avvenuta.

Gli avvenimenti degli anni successivi smentirono clamorosamente tutte le previsioni. La sostituzione è un processo poco elastico e richiede tempi lunghi: non si può sostituire il combustibile e il relativo bruciatore di una centrale termoelettrica da un giorno all’altro perché bisogna attendere l’avvio o l’incremento della produzione del nuovo combustibile disponibile nei vari giacimenti, occorre organizzare i trasporti (si pensi alle pipeline, alle navi idonee, ecc.), approntare i depositi di stoccaggio e così via. Non solo. In alcuni casi la spinta al risparmio energetico, che è l’unica risposta nei tempi brevi all’aumento dei prezzi di una fonte, può provocare addirittura un incremento dell’uso della stessa fonte. Un esempio di questo fenomeno si è avuto nel settore della produzione delle autovetture. Per ridurre il consumo di carburante si è fatto maggiore ricorso all’uso di materie plastiche, più adatte per ridurre i pesi. Siccome dette materie derivano tutte da alcuni componenti del petrolio, alla fine quest’ultimo ha subito una crescita dei consumi non compensata dalla riduzione del carburante.

sorrynopetrol crisi1973

I calcoli necessari per la misura dei vantaggi o svantaggi energetici derivanti dalle sostituzioni (per esempio del lamierino di ferro con manufatti di plastica), non sono semplici e spesso impossibili da svolgere perché è necessario conoscere con esattezza le quantità di energia impiegate nei vari processi produttivi per ottenere le diverse merci. Ricordiamo ancora che dopo l’uso di un prodotto, alla fine del suo ciclo di utilizzazione, diverse materie prime componenti possono essere recuperate e riciclate … se si dispone di sufficiente energia. L’energia invece è l’unica merce che non può essere riciclata. Riteniamo sia utile approfondire questi aspetti, ma occorre anche fare un piccolo passo indietro.

Abbiamo accennato, in precedenza, alle difficoltà che hanno caratterizzato l’individuazione dei vari aspetti dell’energia. Solo da relativamente poco tempo si è compreso il principio di conservazione e che l’energia si presenta a noi sotto forme diverse (meccanica, elettrica, termica, chimica, ecc.), che non sono perfettamente equivalenti fra di loro in quanto suscettibili di trasformarsi l’una nell’altra con rendimenti diversi. Per l’economista questa caratteristica riveste un’importanza fondamentale perché la forma diventa per lui sinonimo di qualità e quindi suscettibile di influenzare i costi.

Con una approssimazione accettabile, trascurando il fenomeno dell’attrito, si può dire che le varie forme di energia, salvo una, sono identiche tra di loro ovvero si convertono una nell’altra (con l’uso di macchine che gli ingegneri, con l’aiuto dei chimici o viceversa, hanno approntato nel tempo), con un rendimento vicino al 100%. Unica eccezione è il calore, considerato dai termodinamici come energia di seconda specie ossia di qualità inferiore. Il secondo Principio ci avverte, infatti, che la quantità di lavoro che si ottiene dal calore, al meglio in condizioni ideali, dipende dalle temperature del processo ovvero dal rapporto ben noto di (T1 – T0)/T1. Questo significa che anche il calore possiede a sua volta una qualità (e quindi un costo) che dipende dalla temperatura. Per semplificare i conteggi si è introdotto il concetto di esergia o exergia che sta ad indicare quella parte di energia che può essere trasformata senza perdite in qualsiasi altra forma. (T1 – T0)/T1 sta appunto ad indicare l’exergia del calore ove To è la temperatura dell’ambiente circostante.

sadicarnot

L’exergia

Zoran_Rant_1964Nel 1956 lo Sloveno Zoran Rant (2) proponeva il termine exergia (in tedesco Exergie) per indicare “la capacità di lavoro tecnico” che può essere fornito da un sistema. Il concetto era però stato suggerito molti decenni prima da Gibbs (3), come effetto delle intuizioni di Sadi Carnot (già ricordato nella nota I), che aveva toccato tutti i punti nevralgici della questione, ovvero gli aspetti termodinamici, quelli relativi di chimica-fisica e di meccanica statistica. Fra le tante definizioni dell’exergia ricordiamo anche quella di Sciubba e Wall (4) secondo i quali la stessa si configura come “il massimo lavoro teorico utile ottenibile, se un sistema S è messo in equilibrio termodinamico con l’ambiente per mezzo di processi in cui S interagisce solo con questo ambiente”. Evidenziano ancora i due studiosi, che se “il sistema S si trova allo stato “0” (vale a dire, tutti i suoi parametri rilevanti prendono lo stesso valore di quelli dell’ambiente di riferimento), la sua exergia è uguale a zero; l’exergia è un potenziale termodinamico, una misura generale, di ‘differenza’, e richiede due diversi stati per la sua definizione”. Baehr (5), nel 1962, a sua volta dava la seguente definizione, ancora ampiamente utilizzata soprattutto nelle applicazioni di conversione di energia: l’exergia è la parte di energia che è interamente convertibile in tutte le altre forme di energia.

Forse è bene approfondire questo concetto e alcuni aspetti dell’exergia. L’energia, come abbiamo ricordato nella Nota I, non si distrugge durante un processo. Essa cambia semplicemente di forma da un processo all’altro (Prima legge della termodinamica o primo Principio). Al contrario l’exergia rappresenta l’irreversibilità di un processo dovuto all’aumento dell’entropia del sistema (Seconda legge della termodinamica o secondo Principio). L’exergia ha la caratteristica di conservarsi solo quando tutti i processi del sistema e dell’ambiente sono reversibili. Al contrario si distrugge quando si svolge un processo irreversibile e quando comporta variazioni di temperature. Questa distruzione è proporzionale all’aumento di entropia del sistema insieme con l’ambiente circostante. L’exergia distrutta viene chiamata anergia. Ne deriva che l’energia totale di un sistema è composto da due parti additive, una “convertibile” (exergy) e una “non convertibile” (anergy). Questo comporta la necessità di formulare meglio il primo Principio: “in ogni trasformazione la somma dell’exergia e dell’anergia rimane costante”. Tenendo conto dell’exergia, dal secondo Principio derivano i seguenti corollari:

1) In tutti i processi irreversibili si ha trasformazione di exergia in anergia;

2) Solo nei processi reversibili l’exergia si conserva;

3) E’ impossibile trasformare anergia in exergia.

exergia

Dincer e Cengel (6), dal canto loro, considerando quanto suddetto, hanno elencato le seguenti ovvie conseguenze o chiarimenti:

  • Un sistema che è in totale equilibrio con il suo ambiente non possiede alcuna exergia; non essendoci differenze fra le temperature, le pressioni, le concentrazioni, ecc., non è possible attivare alcun processo.
  • Più un sistema si differenzia dall’ambiente circostante, più exergia possiede. L’acqua bollente presenta un maggiore contenuto di exergia d’inverno che durante una calda giornata estiva. Un blocco di ghiaccio presenta maggiori difficoltà a fornire exergia d’inverno che d’estate.
  • Quando si reduce la qualità dell’energia, allo stesso tempo si reduce la quantità di exergia. Essendo utile alla società l’exergia ha un valore economico e perciò vale la pena prendersi cura della stessa.
  • Quasi tutta l’energia, che interessa un fascia sottile della superficie della terra, dove si sviluppa la vita, deriva dal sole. La luce solare, ricca in exergia, raggiunge quotidianamente la terra. Una parte viene riflessa nello spazio, mentre un’altra parte viene convertita e alla fine lascia la terra sottoforma di radiazioni termiche a exergia zero rispetto alla stessa terra. L’exergia assorbita dalla terra viene gradualmente distrutta dal sistema acqua/vento e dallo sviluppo e dai cambiamenti di tutte le forme di vita. Le piante verdi assorbono l’exergia delle radiazioni solari e la convertono, per effetto della fotosintesi, in energia chimica. Questa passa attraverso le varie catene alimentari degli ecosistemi. Ad ogni livello tropico l’exergia viene consumata, permettendo la vita anche dei microrganismi che si trovano nell’ultimo livello della catena alimentare. Non si formano rifiuti.
  • Un deposito concentrato di minerale ‘interferisce’ con l’ambiente e questo effetto aumenta con la concentrazione del minerale, che si configura in tal modo come un vettore di exergia. Quando un minerale viene estratto il suo contenuto di exergia non cambia. Si avrà un aumento di exergia quando lo stesso viene concentrato. Un deposito povero di minerali ovvero a bassa concentrazione contiene poca exergia e può essere sfruttato solo apportando exergia esterna. Attualmente questa deriva dal carbone o dal petrolio. Quando un minerale ad alta concentrazione viene disperse nell’ambiente, il suo contenuto di exergia decresce.
  • Una difficoltà apparente per definire l’exergia è quella di determinare i parametri dell’ambiente, per loro natura continuamente variabili. Questa difficoltà può essere risolta definendo, attraverso convenzioni, uno “standard ambientale” caratterizzato da una data composizione chimica e determinati valori della pressione e temperatura. Un possibile standard ambientale per uso globale potrebbe essere composto da una atmosfera standard, un mare standard e un letto roccioso standard. Questi sistemi però non sono in equilibrio tra di loro sicchè le difficoltà permangono, in quanto occorrerebbe utilizzare, in addizione, l’uso di standard locali riferiti ad ogni stagione.
  • Un tecnico che progetta un sistema deve considerare la necessità di assicurare la più alta efficienza tecnica al costo più basso possibile, a certe condizioni poste dalle tecnologie disponibili oltre che economiche e legali, considerando anche le conseguenze etiche, ecologiche e sociali. L’exergia consente di raggiungere più facilmente detti obiettivi. L’exergetica offre una visione unica, d’insieme, per determinare le eventuali perdite e i possibili miglioramenti, mentre l’analisi del Ciclo di Vita dell’Exergia (LCEA) è un utile strumento per considerare le condizioni poste dall’ambiente.

In pratica, tenendo conto di questi “ritocchi” o aspetti si può rivedere da un’angolazione diversa l’Energetica che si presenta sempre più come il capitolo più importante della Termodinamica.

Le attività che rendono possibile la vita su questo pianeta, quali l’alimentazione, il riscaldare o refrigerare, la produzione di beni, il trasporto di merci, materie prime, persone, ecc., richiedono energia o meglio lavoro utile ovvero exergia, che viene fornita dall’industria energetica. Questa preleva dalle fonti energetiche naturali (petrolio, carbone, bacini idrici, minerali di uranio, ecc.) tale exergia e la distribuisce agli ”utilizzatori”, per lo più come energia elettrica, che la trasformano in anergia. Le fonti di energia sono dunque in realtà fonti di exergia, se si considera l’ambiente. Se si considera l’utilizzo, il concetto tecnico di energia dal punto di vista tecnico ovvero della produzione e uso corrisponde al concetto di exergia e non a quello di energia disciplinato dal primo Principio, che, come ben si sa, non può essere né prodotta, né consumata.

Un ultimo aspetto. La storia dell’exergia, che inizia come ricordato con Sadì Carnot, passa per Gibbs, Gouy (7) e altri, si è sviluppata come scienza applicata solo recentemente, a partire dalla guerra del Kippur (1973), che diede l’avvio alla prima imprevista crisi petrolifera, con la conseguenza di svegliare l’attenzione delle agenzie governative e delle industrie dei paesi industriali, divoratori di petrolio, sulla necessità di concentrare gli studi e le ricerche sul “risparmio energetico”. Questo campo di ricerca ha quindi avuto solo negli ultimi decenni, un notevole sviluppo. Non vi è dubbio che l’analisi exergetica riguarderà sempre di più la nostra vita quotidiana, in quanto soggetti consapevoli delle crescenti conseguenze che il soddisfacimento dei nostri bisogni ha sulle risorse e sull’ambiente. Estendendo l’utilizzo dell’analisi exergetica, limitata attualmente al calcolo dell’efficienza degli impianti, allo studio dell’efficienza complessiva dei sistemi socio-economici di intere regioni se non dell’intero pianeta, sarà possibile valutare meglio l’incidenza dei flussi di materie, prodotti ed energia derivanti dalle attività antropiche, ai fini della sostenibilità (8).

La Termoeconomia

Le analisi e i conti che si fanno con l’analisi exergetica, il più importante strumento della Termoeconomia, consente, come abbiamo visto, di misurare le varie forme di energia in relazione alla loro capacità di produrre la stessa quantità di lavoro. L’applicazione pratica di questi concetti è fonte, oltre che di molte speranze, anche di molte sorprese. Facciamo alcuni esempi.

Supponiamo che una persona voglia riscaldare fino a 60°C, col proprio lavoro, 50 litri di acqua che si trovano a 10°C (per esempio agitandola con delle pale mosse manualmente). Il calore da produrre sarà pari a 2.500 kcal. Poiché le persone sono capaci di sviluppare circa 0,2 CV (149W) lavorando per un’ora, con semplici calcoli, sapendo che 1 kcal = 1,558 x 10-3 CVh, si ottiene che la persona considerata dovrà lavorare per 19,47 ore per riscaldare l’acqua di cui si tratta. E’ necessario dunque molto lavoro per ottenere piccole quantità di calore. Ciò è una conseguenza del primo Principio della termodinamica e del livello di exergia.

Nei mari, come è ben noto, è contenuta una enorme quantità di energia, sotto forma di calore, che è però difficile da utilizzare, in quanto l’exergia contenuta è molto bassa. Considerando il Mar del Nord (fra i più freddi dei mari), che si estende per circa 570.000 kmq con una profondità media di 55 m, alla temperatura media di 7°C, la quantità di energia, sotto forma di calore, posseduta è di circa 2 x 1013 GJ, da confrontare con il calore sviluppabile dalla combustione completa dei giacimenti di petrolio esistenti all’interno dei suoi fondali (6 miliardi di barili), pari a non più di 4,5 x 1010 GJ. Per utilizzare questo calore occorre trovare un refrigerante avente una temperatura inferiore ai 7°C. Quello più economico è rappresentato dagli strati inferiori dello stesso mare che si trovano in media ad una temperatura di circa 6°C. E’ facile calcolare che una macchina funzionante con quelle temperature avrebbe un rendimento massimo, in condizioni ideali, di appena l’1%. Questo è un esempio di applicazione del secondo Principio della termodinamica. L’energia, sotto varie forme, è ovunque, ma non sempre è conveniente trasformarla e utilizzarla, in quanto dipende dal livello di exergia.

L’analisi exergetica può dare interessanti risultati utilizzando varie grandezze di uso corrente fra i termodinamici. Semplificando al massimo, ricordiamo l’entalpia o calore totale:

dH = dU + pdv.

In pratica poiché le variazioni di volume dv sono trascurabili, si può considerare l’entalpia coincidente con il calore interno. Come è poi ben noto, il calcolo di quanto lavoro utile Wu ovvero totalmente utilizzabile si può ricavare da una certa quantità di calore, può essere semplificato con l’uso dell’entropia S. In particolare per una reazione di combustione si può ricorrere alla seguente equazione :

Wu = ΔH – T0ΔS + Σi μi

ove T0 è la t ambiente, μi è il potenziale chimico della specie i. Poiché Σi μi è nullo all’equilibrio (che in una combustione è lo stato finale) e se si considera che la temperatura ambiente si aggira in media sui 20°C, si avrebbe:

Wu =ΔH – 293ΔS (=ΔG)

che è una delle forme della ben nota equazione di Gibbs, che designa l’energia utilizzabile (o meglio l’exergia) nelle condizioni considerate (9) (in questo caso l’energia libera di Gibbs e l’exergia sono sostanzialmente equivalenti). Del calore totale ΔH, ΔG è l’exergia ovvero quella parte utile per produrre lavoro. L’exergia ci consente dunque di considerare l’energia sotto una nuova luce. Essa ci dice per esempio che il calore prodotto non è una caratteristica sufficiente per valutare un combustibile. E’ necessario soprattutto considerare l’exergia e cioè il fattore temperatura e il valore dell’entropia. Se ora consideriamo come combustibili l’idrogeno e il carbonio allo stato puro e si calcolano sia il calore di combustione che l’entalpia libera si noterà che il risultato migliore, ovvero la maggiore quantità di energia utilizzabile, si ottiene dalla combustione del carbonio (portato a CO2) e non da quella con l’idrogeno e ciò contrariamente a quanto si potrebbe pensare nel caso si fosse considerato solo il potere calorifico. A parte le considerazioni ambientali, si dovrebbe abbandonare l’idea di utilizzare l’idrogeno per pensare solo al carbone (o gli altri idrocarburi).

Note

  • L’inizio della diffusione delle macchine viene correntemente fatto coincidere con la messa a punto di una macchina a vapore da parte di James Watt (1736-1819), che, come è noto, era un fabbricante di strumenti di precisione di Glascow. In realtà Watt aveva ricevuto, dalla locale università, l’incarico di riparare una macchina a vapore rudimentale a basso rendimento lì esistente, inventata il 1705 da un certo Newcomen, un ingegnoso fabbro che a sua volta aveva migliorato una macchina a vapore ancora più rudimentale, inventata il 1698, da T. Savery, ingegnere inglese. Watt, il 1765, riuscì a migliorare la funzionalità e il rendimento termico aggiungendo, in particolare, un meccanismo biella-manovella e un condensatore separato, contribuendo notevolmente alla diffusione del sistema, prima ristretto a usi sporadici. Il primo uso di queste macchine, che avevano dimensioni gigantesche (quanto una odierna palazzina di un paio di piani), era quello di aspirare l’acqua dalle miniere di carbone. La macchina di Watt, dopo una serie di miglioramenti, fu utilizzata per realizzare la prima locomotiva a vapore in Inghilterra ai primi dell’800, idonea per trasportare il carbone dalle miniere.
  • Rant (1956), “Exergie, Ein neues Wort für «technische Arbeitsfähigkeit»”, Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurswesens, 22: 36–37.
  • W. Gibbs (1873). “A method of geometrical representation of thermodynamic properties of substances by means of surfaces”, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 2: 382–404.
  • Per approfondire la conoscenza della storia dell’evoluzione dell’exergia si rimanda a E. Sciubba and G. Wall (2007), “A brief Commented History of Exergy. From the Beginnings to 2004”, International Journal of Thermodynamics, 10 (1): 1-26. Alcuni aspetti di questo articolo, corredato da oltre 2600 annotazioni bibliografiche, furono poi commentati criticamente da G. Tsatsaronis nello stesso International Journal of Thermodynamics, 10 (4): 187-190.
  • D. Baeher (1962), Thermodynamik. Eine Einführung in die Grundlage und ihre technischen Anwendungen, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (Exergie ist der Unbeschränkt, d. h. in jede andere Energieform umwandelbare Teil der Energie). Da alcuni questa definizione viene ritenuta fuorviante, perché porta a ritenere che l’energia totale di un sistema è composta dalla somma di due parti, una “convertibile” (exergy) e l’altra non convertibile (anergia). Ma vi sono diversi esempi di sistemi con una anergia negativa (solidi al di sotto di To, gas in alcuni intervalli di T <To e p <po, ecc) che pongono in crisi la definizione.
  • Dincer and Y. A. Cengel (2001), “Energy, Entropy and Exergy Concepts and Their Roles in Thermal Engineering”, Entropy, 3: 116-149.
  • G. Gouy (1889), “Sur les transformations et l’equilibre en thermodynamique”, Comptes Rendus Paris, 108: 507-509.
  • Per approfondimenti si rinvia, fra i tanti, a M. Gonga and G. Wall (2001), “On exergy and sustainable development — Part 2: Indicators and methods”, Exergy, An International Journal, 1(4): 217–233.
  • Per approfondimenti si rinvia alle seguenti opere ove le grandezze citate sono esposte con maggiori particolari: I. N. Levine (2008), Physical Chemistry, McGraw-Hill; K. Denbigh (1977), I principi dell’equilibrio chimico, Casa Editrice Ambrosiana, Milano; S. Kjelstrup Ratkje and J. De Swaan Arons (1995), “Denbigh revisited: reducing lost work in chemical processes”, Chemical Engineering Science, 50 (10): 1551-60; H. DeVoe, Thermodynamics and Chemistry, University of Maryland (USA), pp. 134-143. Quest’ultimo volume è scaricabile gratis da internet. (http://www2.chem.umd.edu/thermobook/v6-screen.pdf).

Per approfondire vedi anche:

Chemical Engineering Science, Vol. 50, No. 10, pp. 1551 1560, 1995

DENBIGH REVISITED: REDUCING LOST WORK IN CHEMICAL PROCESSES

SIGNE KJELSTRUP RATKJE and JAKOB DE SWAAN ARONS

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http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/dat1/Chemical%20exergy.pdfhttp://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/dat1/Chemical%20exergy.pdfAKOB DE SWAAN ARONS

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:

     noterelle51

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
  • noterelle53

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.

noterelle56

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».

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