La Transizione Energetica - Spiegata bene (spero)

Il tema della transizione energetica è un tema caldo nel mondo di oggi. In tanti provano a spiegarlo, a trovarne soluzioni. Ma il più delle volte, ci sono solo informazioni monche. Visioni parziali. Oscurate da fanatismi inspiegabili e missioni corporate. Spesso non vengono spiegati passaggi importanti. Spesso non si hanno gli strumenti per capire molti degli aspetti del problema.
Con questo pezzo, in modo non dissimile da quanto ho provato a fare con i pezzi sulle Auto Ibride ed Auto Elettriche voglio provare a dare una spiegazione globale, totale, per inquadrare tutta la tematica a modo.

Chi siamo - Dove andiamo - Perché lo facciamo

Come prima cosa, dobbiamo stabilire le basi. Le vere basi. Noi esseri umani siamo la specie dominante del pianeta Terra. All'inizio eravamo un po' sparsi, ognuno per fatti suoi, ma poi, aumentando di numero ed unendoci, abbiamo fondato numerose società e civiltà che hanno attraversato i secoli.

Ci sono molti modi per valutare la progressione della civiltà. Quello importante per la discussione di oggi è l'energia. Quanta energia utilizza una civiltà. Prendendo idea dall'astronomo russo Nikolaj Kardasev, fu introdotto il concetto di civiltà di Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3. Qui si parla in ottica del futuro e spesso nel reame della fantascienza, ma si basano su calcoli reali su quanto una civiltà faccia dei passi avanti estremamente trasformativi in base a quanta energia utilizzi per vivere.

Una civiltà di Tipo 1 utilizza tutta l'energia disponibile sul suo pianeta d'origine, di solito in arrivo dalla sua stella. Parliamo di 4x10^16 Watt di potenza impiegata. Noi ancora non siamo a questo livello. Assumendo il valore in Watt precedente e confrontandolo con i nostri consumi, siamo una civiltà di tipo 0,724. 

Quelle di tipo 2 usano tutta l'energia della stella del proprio sistema solare, quindi parliamo di un ordine di grandezza pari a 10 alla 26. Di tipo 3, parliamo di una scala galattica, quindi 10 alla 36.

Questo ragionamento può essere portato in basso. E con un grafico diventa molto più chiaro.

Mano a mano che la nostra civiltà è progredita ed ha scoperto nuove tecnologie, il nostro consumo energetico è aumentato a dismisura. Come si vede nel grafico, l'accelerata enorme c'è stata dal 1950 in poi. Prima si bruciava legna e prima di arrivare a macchine a vapore c'è voluto molto tempo. Poi una dietro l'altra le tecnologia si sono susseguite. Motore elettrico, auto, aeroplani, televisione, elettronica a base di chip, energia nucleare, e tutte le diavolerie che ci siamo inventati. 

Questo ovviamente a vantaggio delle nazioni ricche e prosperose, che da sole consumano la maggior parte delle risorse del pianeta. In ogni caso, ad ogni miglioramento tecnologico e dello stile di vita, c'è stato un aumento dell'energia usata. Ed oramai siamo abituati. Auto per spostarci, treni ed aerei per andare lontano velocemente, camion per portare merci ovunque, riscaldamento, aria condizionata, computer, internet, videogiochi, cinema, carne in abbondanza. 

Il problema

Capito che stiamo utilizzando sempre più energia, dobbiamo capire qual è il problema. Perché, malgrado tutte le cavolate che possiamo fare nella nostra vita, uno degli obiettivi base per la propria sopravvivenza è capire i problemi e trovarne una soluzione. Quindi dobbiamo partire dal problema altrimenti tutte le azioni intraprese successivamente non si riescono a contestualizzare.

Il problema è la nostra sopravvivenza sul pianeta Terra nelle migliori condizioni possibili, è a rischio. Già normalmente ci mettiamo i bastoni tra le ruote da soli grazie a guerre ed affini, a queste abbiamo aggiunto un pericolo di natura ambientale, a livello sistemico.

Detta nel modo più semplice possibile: uno degli elementi che determina il clima è l'energia contenuta nell'atmosfera. Più energia c'è, più questa si scatena violentemente. Provando a pensare a degli esempi, possiamo pensare a ricevere una pallonata in faccia. Se tiro la palla piano, questa non farà nulla. ha poca energia cinetica. Se la faccio calciare a massima forza da un calciatore cannoniere di serie A, farà abbastanza male se ricevuta in piena faccia. L'energia cinetica contenuta nella palla è maggiore. Un modo che si ha per tenere traccia dell'energia è la sua temperatura. 

Maggiore è la temperatura di un fluido, maggiore è l'energia al suo interno contenuta. Quindi il riscaldamento globale, così definito perché porta all'aumento della temperatura dell'atmosfera, non vuol dire "farà più caldo", ma vuol dire che l'energia atmosferica aumenta e tutti i fenomeni atmosferici si manifesteranno con maggiore intensità perché c'è appunto più energia.

Gli effetti sono molteplici. C'è l'effetto che la temperatura media è più alta, ma gli effetti maggiori sono altri. Il livello del mare è in continuo aumento e l'acqua diventa sempre più acida, andando ad alterarne le proprietà e la sostenibilità per la vita marina. C'è una riduzione dei ghiacciai. Ci sono ondate di calore e incendi di intensità sempre maggiore. I cicloni tropicali sono sempre più energici e quindi distruttivi. Aumentano le morti dovute al clima, pensiamo alle morti dovute alle ondate di calore. L'agricoltura ed allevamento perdono raccolti e la siccità aumenta. 

Ma come si è verificato tutto questo? 

I raggi del sole colpiscono la Terra e la riscaldano. Normalmente parte dell'energia viene rimbalzata fuori nello spazio. Alcuni gas nell'atmosfera agiscono come il coperchio di una pentola che trattiene il vapore all'interno. Non fanno rimbalzare nello spazio l'energia e la trattengono nell'aria.

Tra questi gas c'è la CO2. Che viene prodotta dalle attività energetiche dell'uomo. Più CO2 c'è in aria, più energia viene trattenuta e più l'atmosfera si carica di energia e quindi gli eventi climatici diventano sempre più intensi.

Essendo la CO2 prodotta dall'attività umana, soprattutto dalle trasformazioni energetiche, individuato il problema, il clima che fa danni a tutti noi, individuata la causa, la CO2, la soluzione è smettere di produrre CO2 e se possibile ridurre quella già presente nell'aria.

C'è tutto un report delle nazioni unite al riguardo se volete leggerlo per avere dati nel dettaglio, ma l'obiettivo è chiaro: Ridurre la produzione di CO2.

Non c'è solo però il problema dell'effetto serra. Tutte queste fonti che lavorano per combustione, introducono nell'atmosfera numerose altre particelle inquinanti. Queste, hanno un effetto misurabile ed oggettivo sulla salute individuale. Ci sono diverse stime, ma sembrano convergere su queste cifre. Ogni anno più di 5 milioni di persone muoiono prematuramente per gli effetti dovuti all'inquinamento, di cui circa 4 milioni per effetti dovuti al bruciare combustibili fossili per il trasporto e generazione di energia termica ed elettrica. 

Quindi, la lotta per ridurre la produzione di CO2 ha un doppio effetto. Lo si fa sia per far si che l'ecosistema Terra nel quale ci troviamo rimanga il meno ostile possibile nei nostri confronti, e quindi di continuare a vivere in un ambiente il più stabile possibile e nel confort della nostra società, sia per ridurre le morti che paghiamo ogni anno per vivere con il livello tecnologico attuale. Si tratta di obiettivi a nostro favore, per la nostra vita e per la nostra sopravvivenza. Sono egocentrici ed è giusto che siano visti così. 

La Soluzione

Per capire come fare a ridurre la CO2, bisogna prima capire come la produciamo. Solo a quel punto si può agire per andare a ridurne le emissioni.

Perché quando si parla di transizione energetica, si pensa quasi sempre solo all'elettricità. In realtà il quadro è molto più ampio. L'elettricità è solo una parte del consumo energetico del mondo. Il resto è rappresentato dall'uso di energia per muovere oggetti e persone in giro per il mondo ed in particolar modo dai processi industriali, che utilizzano grandi quantità di energia per produrre tutti i manufatti che compriamo. Che è ancora basato enormemente sul bruciare carbone, petrolio e gas. Quando si brucia qualcosa si passa per un processo di combustione, che con gli elementi sopra citati arriva a produrre CO2.

L'idea della transizione energetica è quindi quella di andare ad aggredire tutti i settori dove vengono impiegate queste tecnologie e sostituirle con altre che non producono CO2.

Seguendo questa logica, ci siamo chiesti "cosa è che possiamo fare senza produrre CO2?" La risposta è unica: l'elettricità. Utilizzando tecnologie come le pale eoliche, i pannelli fotovoltaici, le centrali idroelettriche, quelle geotermiche e le centrali nucleari, giusto per citare le soluzioni attualmente disponibili sul mercato che funzionano e sono usate ed in implementazione in tutto il globo. 

Quindi il piano inizia a delinearsi. Se l'elettricità è l'unica cosa che possiamo produrre senza generare CO2, allora le cose da fare sono due. La prima: far si che tutta l'elettricità diventi prodotta da fonti ad impatto minimo di CO2. La seconda: far fare tutto all'elettricità. Il che vuol dire andare a sostituire ogni cosa che attualmente non usa la corrente elettrica per farlo.

Esempio molto classico. Normalmente come riscaldiamo le case di inverno? Se abbiamo un camino, andiamo a bruciare della legna, producendo CO2. Se siamo in appartamento con dei termosifoni, questi sono normalmente alimentati da acqua calda ottenuta bruciando gas. Posso invece riscaldare l'ambiente usando una pompa di calore, strumento che utilizza l'elettricità.

I fornelli da cucina? Invece di bruciare gas, si possono sostituire con un piano ad induzione. L'automobile? Con un'auto elettrica a batteria. 

E così via. il processo è molto complicato, richiede tempo e soprattutto va pensato con piani in grado di dispiegarsi nel corso di diversi anni e con investimenti notevoli in sviluppo e ricerca, per trovare soluzioni sempre migliori al problema. Anche perché la soluzione se ci pensate richiede uno sforzo doppio. Non dobbiamo solo convertire tutta la produzione di elettricità in produzione green, senza emissione di CO2, ma dobbiamo anche far andare tutto ad elettricità, quindi la produzione dovrà aumentare. 

Servono tutti gli strumenti, insieme, per creare un sistema flessibile e resiliente. E ci siamo dati come data obiettivo per raggiungere emissione 0, il 2050. 

Di seguito volevo fare delle riflessioni su alcuni aspetti della transizione ecologica.

Le azioni individuali

Si parla spesso di come le nostre azioni possono influenzare il mondo, anche se piccole. Lo si fa per dare un'iniezione di fiducia, per dare potere ad ogni piccolo gesto. Ricordarsi di spegnere le luci, fare lavatrice a temperatura più bassa, abbassare la temperatura di casa in inverno e così via. Ed ultimamente c'è il classico: mettete pannelli fotovoltaici e pompa di calore se avete una casa isolata, che ha il vantaggio di avere spesso la superficie necessaria per questi lavori.

Considerando che il 34,3% della popolazione italiana vive nelle grandi città, il 41,2% nelle città e sobborghi e solo il 24,5% in aree di campagna, possiamo capire che per avere un impatto significativo, dovremmo concentrare gli sforzi sul 75,5% della popolazione italiana, per migliorare la loro condizione.

Ovvio, le proprie bollette diminuiscono, la coscienza è migliore perché si sta facendo meno male al pianeta ed alle generazioni future anche se in minima parte, ma non sono queste le azioni che contano.

L'azione che conta davvero è votare. Perché il cambiamento deve essere sistemico per avere un effetto. Devono essere attuate politiche che colpiscano tutti e gli stati devono farsi carico di molte delle spese della transizione. Se fino ad oggi queste tecnologie non sono state usate è perché non erano convenienti. Quindi il modo migliore per aumentarne l'adozione è renderle convenienti, con sussidi ed altro. In fondo le fonti fossili hanno ricevuto lo stesso trattamento.

Il problema è trovare una classe politica o dirigenziale che ha davvero a cuore questo tema e che abbia davvero una visione lunga e la volontà di portarla a compimento.

L'efficienza

Sull'efficienza volevo aprire una breve parentesi per mettere in risalto un comportamento che coinvolge praticamente tutti. Negli anni noi abbiamo sempre migliorato l'efficienza di molti dei nostri prodotti tecnologici. Ma raramente abbiamo usato questo aumento di efficienza per ridurre i consumi. Lo abbiamo impiegato per aumentare le performance e quindi anche i consumi totali.

Prendendo un po' spunto da argomenti solitamente più vicini a quelli del blog, prendiamo le schede grafiche, strumenti usati nei computer tanto per giocare a videogiochi, quanto per eseguire calcoli matematici di varia natura. Se guardiamo effettivamente a quanti Teraflop, l'unità della potenza di calcolo, è ottenibile per ogni watt prodotto, oggi nel 2022 siamo enormemente avanti rispetto ad una decina di anni fa. Però la nostra richiesta di potenza grafica, e le esigenze di marketing, superano i miglioramenti dell'efficienza ed infatti le GPU top di gamma sono sempre più energivore. 

Nel 2014 la leggendaria GTX TITAN BLACK per 5 Teraflop di potenza richiedeva 230W. Oggi, una singola RTX 3090Ti ha assorbimenti nell'ordine di 450W. Per 40TF. Quindi si, l'efficienza è quadruplicata, ma fatto sta che io se uso questa scheda, consumo di più che quella di punta del 2014.

Questo ragionamento si applica a tutto. L'efficientamento delle automobili ha permesso di farle più grandi con consumi simili a quelle più piccole del passato. Quindi abbiamo preso auto più grandi. Case più grandi. Cellulari con mille funzioni ma con la batteria che dura una giornata invece di una settimana con dimensioni della stessa 10 volte maggiori.

Dove l'efficienza viene considerata in modo maggiore è quando viene tradotta in un costo operativo. se il mio macchinario consuma meno, vuol dire che risparmio soldi nel conto elettrico. Ma anche lì, l'obiettivo è spesso quello di aumentare la produttività, non tanto risparmiare sulla bolletta.

Quindi bisogna stare molto attenti con i proclami sull'efficientamento del nostro modo di vivere, perché sino ad oggi, l'efficienza è stato uno dei fattori che ha permesso un aumento totale dei consumi. Quel che deve cambiare è la testa, non la tecnologia.

THE GRID

Altro argomento molto complesso e troppo spesso semplificato è quello di come funziona la rete elettrica. Troppo spesso si sentono castronerie di proporzione ciclopica. Qualcosa come "ah si abbiamo 60GW di rinnovabili installabili bloccate dalla burocrazia, basta metterle ed abbiamo risolto il problema energetico". Oppure "no ma in quel posto sperduto che sono 700 persone fanno tutto con batterie e solare". No. Purtroppo non è così. Perché il funzionamento della griglia elettrica è più complicato di quanto può apparire.

Noi siamo soliti premere l'interruttore in casa e la luce si accende.

La linea elettrica lavora con una logica dove si produce l'energia che viene consumata in ogni dato istante. Né più, ne meno. Esiste inoltre un consumo energetico, e quindi produzione sotto al quale non si scende mai. Questo è chiamato carico base, o baseload se volete il nome inglese. 

Quindi sostanzialmente una rete deve garantire il carico base sempre, 24/7 tutto l'anno e poi deve gestire i picchi di produzione fino al massimo con diverse fonti energetiche, in grado di modularsi in alcuni casi o in grado di essere ridirezionate se possibile. Altrimenti vengono staccate dalla rete, andando quindi a sprecare energia potenziale. Basti pensare ad una nottata ventosa, con un consumo minimo. Se quell'energia non ha da dove andare, si staccano le pale eoliche dalla rete, perché è più veloce staccare e riattaccare le pale, pochi minuti, rispetto alle ore necessarie per spegnere e riaccendere una centrale a gas o a carbone, le prime specie se vecchio modello. 

Qui basta applicare dei ragionamenti davvero semplici a mio avviso, che spesso ci si scorda di fare. Il carico base deve essere disponibile sempre. Quindi è mio interesse realizzarlo con tecnologie in grado di funzionare sempre, al netto delle manutenzioni programmate e guasti improvvisi. Qui per produrre con la minima CO2 possibile, abbiamo la possibilità di andare con energia geotermica, idroelettrico o nucleare. Solare ed Eolico sono fonti altamente aleatorie. Di notte il sole non c'è ed il vento sappiamo che non sempre soffia con la stessa intensità. Inoltre non sono modulabili dall'uomo, ma dalla natura, risultando quindi imprevedibili. Di quelle presentate prima, l'idroelettrico può aprire e chiudere paratie, spostando più o meno acqua e quindi è molto modulabile, rispetto ad una centrale atomica che è meglio che lavori sempre al massimo per rendere al meglio.

Ci sono molte discussioni su tecnologie di accumulo, batterie costruite con molte tecnologie diverse, per ovviare al problema di produzione di solare ed eolico. Quando produco oltre il fabbisogno vado in accumulo e poi pesco dalle batterie. Il problema è sempre la scalabilità del sistema una volta che si parla di mandare avanti una nazione e non un villaggio o la propria casa. In tutto questo discorso, considerate la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili come un tipo alternativo di batteria.

Proviamo a fare un esperimento giusto per capire il concetto, con i numeri.

Mettiamo che io abbia un macchinario che debba lavorare 24 ore al giorno 7 giorni su 7, senza mai fermarsi. E la sua potenza è pari ad 1 Kw. Quindi nell'arco della giornata, consuma 24 kWh. (1 Kw per 24 ore). Bene. Se voglio alimentarlo con una centrale idroelettrica o nucleare, costruisco una centrale da 1 Kw e la collego al macchinario. Ho fatto. Lasciamo stare le perdite, immaginiamo il trasferimento sia al 100% di efficienza solo per non appesantire i calcoli.

Decidiamo invece di farlo con il solare. Metto un panello da 1Kw ed ho fatto? Beh no. Di notte non ho luce. Quindi devo aumentare la potenza del pannello ed allo stesso tempo comprare una batteria. Come dimensiono l'impianto? Deve funzionare anche nel giorno più corto dell'anno. Il 21 dicembre con solo 8:40 ore di luce. Per semplificare facciamo 9 ore. Quindi 24-9 = 15 ore di buio. Quindi io in 9 ore devo produrre sia energia immediata che quella che mi servirà per la notte. 

Bene allora la batteria la prendiamo da 15 kWh così mi regge le 15 ore. Per riempire 15 kWh in 9 ore di luce, ho bisogno di 1,66 Kw. Quindi per far funzionare questo sistema devo montare 2,66 Kw di pannelli ed una batteria da 15 kWh.

Questo ovviamente assumendo che l'intensità della luce non vari nel corso della giornata o che non sia nuvoloso. Infatti il dato medio della produzione reale giornaliera della nostra penisola per un impianto di 3Kw di pannelli è di 11Kwh. Meno della metà del nostro esperimento ideale.  Ecco che se devo pensare ad un impianto solare in grado di darmi energia da solo, deve essere enormemente sovradimensionato ed accompagnato da numerose batterie.

In termini di costi, 3Kw di fotovoltaico costano 5000€ circa, ed una batteria di accumulo da 15kWh sono 12500€. Una centrale nucleare costa tra i 3000€ ed i 6000€ per Kw che è in grado di produrre. Meno per centrali a gas. Capite quindi che se devo decidere il modo più economico per mandare avanti la baracca sempre senza incertezze, vado su tecnologie meno costose e più collaudate. Con il gas c'è il costo vivo della materia prima che poi si fa sentire nel tempo, col solare non c'è, mentre nel nucleare siamo in una via di mezzo, è più insensibile al costo dell'uranio per i costi di mantenimento.

Con il vento il discorso si sposta sulle previsioni metereologiche del vento ed io devo essere in grado di adattarmi. Capite quindi che questi sistemi sono più complessi e generalmente più costosi da gestire e pensare per funzionare all'interno della griglia nazionale. Per questo nessuno li adottava prima di incentivi a pioggia, erano sia meno convenienti che più complicati da usare rispetto a centrali a gas. Ora i prezzi si stanno abbassando, ma l'aumento di domanda e di materiali potrebbe rallentare la diminuzione di prezzo e forse anche invertire il trend.

Capite quindi che le rinnovabili più gettonate da sole richiedono enorme flessibilità da parte della rete che deve poter compensare le loro eventuali mancanze. La tecnologia che abbiamo, "relativamente facile" da spegnere ed accendere in base alle necessità sono le centrali a gas. In un mondo quindi prevalentemente gestito da fonti solari ed eoliche, per assurdo, dovremmo rimanere ancorati al gas per dare supporto fino a quando non sarà stato trovata una tecnologia di accumulo efficace e scalabile.

Per questo bisogna pensare in grande ed in modo strutturale. Inizio a costruire una centrale nucleare oggi. Tra 7 anni quando sarà finita potrò permettermi di staccare una centrale a gas di potenza equivalente, rimuovendo tutto il loro inquinamento. Durante questi 7 anni di costruzione, intanto piazzo pannelli solari, pale eoliche, ammoderno le centrali idroelettriche, inizio a dare sempre più incentivi per elettrificare riscaldamento ed i processi industriali, produco e vendo auto elettriche, sviluppo sistemi di accumulo idrici ed ad idrogeno.
Così gradualmente incominciamo a togliere sistemi che producono molta CO2 ed inquinanti vari. Non dobbiamo pensare di risolvere tutto oggi. Ci siamo dati fino al 2050 come obiettivo per il net 0, in 30 anni possiamo farne di cose e possiamo farle gradualmente, portando avanti diversi piani tutti insieme ognuno con il suo obiettivo.

Ed in realtà per capire come fare cose green, basta guardare a mappe come questa qui sopra, che mostrano le nazioni colorate in base all'uso di fonti a bassa emissione di CO2. Con i colori blu scuro troviamo o nazioni che hanno puntato tutto sul nucleare, o che hanno la fortuna di trovarsi in territori ricchi di acqua e pertanto possono sfruttare tantissime risorse idroelettriche. E poi c'è l'Islanda che va a geotermico. Perché ci siamo trovati nella condizione dove i Francesi per 60 anni hanno inquinato pro-capite il pianeta terra meno di tutti noi altri, a parte i fortunelli della Norvegia, essendo una delle nazioni più industrializzate e ricche del pianeta?

Qualcuno potrebbe chiedersi quale sia il piano da seguire, lo scenario. Perché non proponi una soluzione? Per fortuna ci sono numerosi gruppi di scienziati che hanno sviluppato diversi scenari per raggiungere gli obiettivi del 2050. Qui vi porto l'esempio della IEA e dell'IPCC che potete leggere con calma.

Il mondo ha diverse velocità

Un altro tema di tutta questa transizione è che deve essere attuata da tutto il mondo, ma ogni parte del mondo è una situazione a sé. I paesi ricchi hanno inquinato tantissimo per raggiungere il livello di benessere e c'è un enorme sbilanciamento tra chi usa tanta energia e chi non ha accesso neanche ai beni che noi reputiamo primari, come l'elettricità. C'è bisogno quindi di eseguire una transizione equa e capire che non tutti possono adottare la stessa curva. Già solo Europa e America sono entità abbastanza diverse. Noi europei sembriamo abbastanza fissati con la transizione energetica e considerate che tra i paesi ricchi, in media, siamo già molto virtuosi rispetto agli americani, in grado di consumare il doppio di noi pro capite di fronte a standard di vita tutto sommato molto simili. Quindi gli stati uniti dovranno sforzarsi di più per raggiungere i nostri risultati. 

Ognuno deve lavorare al meglio delle proprie possibilità perché di fronte a noi c'è un problema serio da risolvere ma non è una catastrofe apocalittica di proporzioni colossali. È un qualcosa di si grave ma che può essere contenuto ragionevolmente con curve di progressione anche non strettissime, che hanno il rischio di far approvare progetti inutili o di creare troppo stress nei mercati attuali. In fondo nessuno vuole cambiare il proprio standard di vista di colpo e non c'è intenzione di ridurre gli standard di vita, anzi, la transizione mira ad aumentarli.

E direi che con questo si può concludere questa panoramica generale. Spero di aver spiegato a modo il problema e che questo sia utile a qualcuno per avere più chiara la problematica. Per dubbi domande e curiosità, o se notate errori o parti poco chiare, ci sono i commenti.

Stay Classy, Internet.