La verità scomoda delle energie rinnovabili

I fabbisogni energetici dell'economia mondiale sembrano essere facili da modellare. Il consumo di energia viene misurato in vari modi, tra cui chilowattora, barili di petrolio equivalente, unità termiche britanniche, chilocalorie e joule. Due tipi di energia sono equivalenti se producono lo stesso numero di unità di energia, giusto?

Ad esempio, il modellatore di xkcd Randall Munroe spiega i vantaggi delle energie rinnovabili nel video qui sotto. Ci dice che sulla base del suo modello, il solare, se ridimensionato a livelli ridicoli, può fornire abbastanza energia rinnovabile per noi stessi e una mezza dozzina di vicini. Il vento, se ridimensionato a livelli assurdi, può fornire abbastanza energia rinnovabile per noi stessi e una dozzina di vicini.

Vi è tuttavia un grosso problema in questa analisi. I tipi di energia prodotta dal vento e dal solare non sono i tipi di energia di cui l'economia ha bisogno . L'energia eolica e solare producono elettricità intermittente disponibile solo in orari e luoghi specifici.  Ciò di cui l'economia mondiale ha bisogno è una varietà di diversi tipi di energia che soddisfino i requisiti energetici dei numerosi dispositivi attualmente in uso nel mondo.  Questa energia deve essere trasportata nel posto giusto e salvata per il momento giusto del giorno e il momento giusto dell'anno. Potrebbe anche essere necessario immagazzinare questa energia di anno in anno, a causa di possibili siccità.

Penso che la situazione sia analoga ai ricercatori che decidono che sarebbe utile o più efficace se gli umani potessero cambiare la loro dieta in erba al 100% nei prossimi 20 anni. L'erba è una forma di prodotto energetico, ma non è il prodotto energetico che normalmente consumano gli esseri umani. Non sembra essere tossico per l'uomo in piccole quantità. Sembra crescere abbastanza bene. Il passaggio all'uso dell'erba come alimento sembrerebbe vantaggioso dal punto di vista della CO2. Il fatto che gli esseri umani non si siano evoluti per mangiare erba è simile al fatto che i settori manifatturiero e dei trasporti dell'economia di oggi non si sono sviluppati attorno all'uso di elettricità intermittente da eolico e solare.

Sostituire l'erba con il cibo potrebbe "funzionare", ma richiederebbe interi nuovi sistemi 

Se consideriamo altre specie, scopriamo che gli animali con quattro stomaci possono, in effetti, vivere abbastanza bene con una dieta a base di erba. Questi animali hanno spesso denti che crescono continuamente perché la  silice nell'erba tende a logorarsi . Se solo potessimo aggirare questi piccoli dettagli, potremmo essere in grado di apportare la modifica. Probabilmente avremmo bisogno di crescere stomaci extra e aggiungere denti in continua crescita. Potrebbero anche essere necessari altri aggiustamenti, come un cervello più piccolo. Ciò sarebbe particolarmente vero se una dieta basata sull'erba non fosse adeguata per supportare la crescita e l'attività del cervello di oggi.

Il problema con quasi tutte le analisi energetiche oggi è che usano confini ristretti. Esaminano solo una piccola parte del problema - generalmente il costo (o il "costo energetico") dei dispositivi stessi - e ipotizzano che questo sia l'unico costo coinvolto in una modifica. In effetti, i ricercatori devono riconoscere che potrebbero essere necessari sistemi completamente nuovi, analoghi agli stomaci extra e ai denti in costante crescita. Il problema è talvolta descritto come la necessità di avere "ampi confini" nelle analisi.

Se l'analisi xkcd compensasse i costi energetici indiretti del sistema, compresa l'energia relativa a tutti i nuovi sistemi richiesti, i risultati dell'analisi probabilmente cambieranno considerevolmente. La capacità combinata di energia eolica e solare di alimentare sia la propria abitazione sia quella di una dozzina di vicini probabilmente scomparirebbe. Troppa parte dell'output del sistema rinnovabile sarebbe utilizzata per rendere l'equivalente di stomaci extra e denti in continua crescita affinché il sistema funzioni. L'economia mondiale potrebbe non funzionare come in passato, anche se l'equivalente del cervello deve essere più piccolo.

"L'energia utilizzata da una dozzina di vicini" è una metrica corretta?

Prima di continuare con la mia analisi di ciò che non va nel modellare l'energia rinnovabile intermittente, vorrei dire alcune parole sul modo in cui Munroe quantifica il risultato della sua analisi energetica. Parla di "energia consumata da una famiglia e da una dozzina di vicini". Spesso sentiamo notizie su quante famiglie possono essere servite da un nuovo fornitore di energia elettrica o quante famiglie sono state portate fuori linea da una tempesta. La metrica utilizzata da Munroe è simile. Ma ci dice cosa dobbiamo sapere in questo caso?

La nostra economia richiede il consumo di energia di molti tipi di utenti, compresi i governi per costruire strade e scuole, gli agricoltori per piantare colture e i produttori per fabbricare dispositivi di ogni tipo. Lasciare fuori dal calcolo il consumo di energia non residenziale non ha molto senso. (In realtà, non siamo del tutto sicuri di ciò che Munroe ha incluso nel suo calcolo. La sua formulazione suggerisce che includesse solo il consumo di energia residenziale.) Negli Stati Uniti, la mia analisi indica che gli utenti residenziali consumano solo circa un terzo dell'energia totale.1 Il resto è consumato da aziende e governi.

Se vogliamo adattare le indicazioni di Munroe per includere l'energia consumata da imprese e governi, dobbiamo dividere il numero indicato di famiglie che dispongono di energia per circa tre. Pertanto, invece di essere "Energia consumata dalla dozzina dei nostri vicini", le unità sarebbero "Energia consumata da quattro dei nostri vicini, compreso l'uso associato di energia da parte dei governi e delle imprese". Il vantaggio apparentemente enorme fornito dal vento e dal solare diventa molto più piccolo quando dividiamo per tre, anche prima che vengano apportate altre modifiche.

Quali potrebbero essere i costi indiretti del vento e del solare? 

Esistono numerosi costi indiretti:

(1) I costi di trasmissione sono molto più elevati rispetto a quelli di altri tipi di elettricità, ma nella maggior parte degli studi non sono riaddebitati al vento e al solare.

Uno studio del 2014  dell'Agenzia internazionale dell'energia  indica che i costi di trasmissione per il vento sono circa tre volte i costi di trasmissione per il carbone o il nucleare. L'importo dei costi in eccesso tende ad aumentare man mano che le energie rinnovabili intermittenti diventano una quota maggiore del totale. Alcuni dei motivi di maggiori costi di trasmissione sia per il vento che per il solare sono i seguenti:

(a) È necessario costruire in modo sproporzionato più linee per il vento e il solare poiché le linee di trasmissione devono essere ridimensionate alla potenza massima, piuttosto che alla potenza media. La produzione di vento è generalmente disponibile dal 25% al ​​35% delle volte; il solare è in genere disponibile dal 10% al 25% delle volte.

(b) Tendono ad esserci distanze più lunghe tra dove l'energia rinnovabile viene catturata e dove viene consumata, rispetto alla generazione tradizionale.

(c) L'elettricità rinnovabile non viene creata in una centrale elettrica a combustibili fossili, con gli stessi controlli sui numerosi aspetti dell'elettricità di rete. Il sistema di trasmissione deve quindi apportare correzioni che non sarebbero necessarie per altri tipi di elettricità.

(2) Con l'aumento della trasmissione di elettricità a lunga distanza, è necessario un aumento della manutenzione delle linee di trasmissione. Se ciò non viene eseguito in modo adeguato, è probabile che si verifichino incendi, specialmente nelle aree asciutte e ventose.

Esistono prove recenti che una manutenzione inadeguata delle linee di trasmissione è un grave pericolo di incendio.

In California, l'inadeguata manutenzione della linea elettrica ha portato al fallimento dell'utility PG&E della California del Nord. Nelle ultime settimane, PG&E ha avviato due interruzioni preventive del potere, una delle quali colpisce fino a due milioni di individui.

Il  Texas Wildfire Mitigation Project riporta : "Le linee elettriche hanno causato oltre 4.000 incendi in Texas negli ultimi tre anni e mezzo".

Il Venezuela ha una linea di trasmissione a lunga distanza dalla sua grande centrale idroelettrica a Caracas. Una delle interruzioni subite in quel paese  sembra essere correlata agli incendi  vicini a questa linea di trasmissione.

Ci sono cose che possono essere fatte per prevenire questi incendi, come seppellire le linee sottoterra. Anche l'  uso di un filo isolato , invece del normale filo di trasmissione, sembra aiutare. Ma ogni soluzione ha un costo. Questi costi devono essere riconosciuti nel modellare il costo indiretto dell'aggiunta di un'enorme quantità di energie rinnovabili.

(3) Sarà necessario un enorme investimento nelle stazioni di ricarica, se qualcuno che non sia molto ricco deve usare veicoli elettrici.

Chiaramente, i ricchi possono permettersi veicoli elettrici. Generalmente hanno garage con connessioni all'alimentazione elettrica. Con questa disposizione, possono facilmente caricare un veicolo che è alimentato da elettricità quando è conveniente.

Il problema è che i meno abbienti spesso non hanno opportunità simili per caricare veicoli elettrici. Inoltre, non possono permettersi di passare ore ad aspettare che i loro veicoli si ricarichino. Avranno bisogno di stazioni di ricarica rapida economiche, situate in molti, molti posti, se i veicoli elettrici devono essere una scelta adatta. Il costo della ricarica rapida dovrà probabilmente includere una tassa per la manutenzione della strada, poiché questo è uno dei costi che oggi è incluso nei prezzi del carburante.

(4) L'intermittenza aggiunge un livello molto consistente di costi. 

Una convinzione comune è che l'intermittenza può essere gestita da cambiamenti piuttosto piccoli, come i prezzi dell'ora del giorno, le reti intelligenti e l'interruzione dell'alimentazione per alcuni clienti industriali selezionati se non c'è abbastanza elettricità per andare in giro. Questa convinzione è più o meno vera se il sistema è sostanzialmente un combustibile fossile e un sistema nucleare, con una piccola percentuale di energie rinnovabili. La situazione cambia man mano che vengono aggiunte più energie rinnovabili intermittenti.

Una volta che più di una piccola percentuale di solare viene aggiunta alla rete elettrica, sono necessarie batterie per appianare la rapida transizione che si verifica alla fine della giornata quando i lavoratori stanno tornando a casa e vorrebbero mangiare le loro cene, anche se il sole ha impostato. Ci sono anche problemi con l'elettricità provocata dal taglio del vento durante i temporali; le batterie possono aiutare ad appianare queste transizioni.

Ci sono anche problemi a più lungo termine. Le forti tempeste possono interrompere l'elettricità per diversi giorni, in qualsiasi momento dell'anno. Per questo motivo, se un sistema deve essere eseguito solo su fonti rinnovabili, sarebbe auspicabile avere un backup della batteria per almeno tre giorni. Nel breve video qui sotto, Bill Gates esprime sgomento per l'idea di provare a fornire un backup della batteria di tre giorni per la quantità di elettricità utilizzata dalla città di Tokyo.

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A questo punto non abbiamo batterie quasi sufficienti per fornire un backup della batteria di tre giorni per la fornitura di energia elettrica nel mondo. Se l'economia mondiale dovesse funzionare con energie rinnovabili, il consumo di elettricità dovrebbe aumentare rispetto ai livelli odierni, rendendo ancora più difficile conservare una fornitura di tre giorni.

Un problema molto più difficile rispetto allo stoccaggio di energia elettrica per tre giorni è la necessità di uno stoccaggio stagionale, se l'energia rinnovabile deve essere utilizzata in misura significativa. La Figura 1 mostra il modello stagionale del consumo di energia negli Stati Uniti.

Figura 1. Consumo di energia negli Stati Uniti per mese dell'anno, in base ai dati della US Energy Information Administration. "Tutti gli altri" è energia totale, meno elettricità e energia di trasporto. Include il gas naturale utilizzato per il riscaldamento domestico. Comprende anche i prodotti petroliferi utilizzati per l'agricoltura, nonché i combustibili fossili di tutti i tipi utilizzati a fini industriali.

In contrasto con questo modello, la produzione di energia solare tende a raggiungere il picco a giugno; scende a un livello basso da dicembre a febbraio. L'energia idroelettrica tende a raggiungere il picco in primavera, ma la sua quantità è spesso abbastanza variabile da un anno all'altro. L'energia eolica è piuttosto variabile, sia di anno in anno che di mese in mese.

La nostra economia non può gestire molti inizi e fermate della fornitura di elettricità. Ad esempio, le temperature devono rimanere elevate per la fusione dei metalli. Gli ascensori non devono fermarsi tra i piani quando si ferma l'elettricità. La refrigerazione deve continuare quando la carne fresca viene mantenuta fredda.

Esistono due approcci che possono essere utilizzati per aggirare i problemi energetici stagionali:

1. Sovrastimare notevolmente il sistema energetico basato sulle energie rinnovabili, per fornire abbastanza elettricità quando l'energia totale è più necessaria, che tende ad essere in inverno.
2. Aggiungi un'enorme quantità di spazio di archiviazione, come lo stoccaggio della batteria, per conservare l'elettricità per mesi o addirittura anni, per mitigare l'intermittenza.

Ognuno di questi approcci ha un costo estremamente elevato. Questi costi sono come l'aggiunta di stomaci extra al sistema umano. Fino ad ora non sono stati inclusi in nessun modello. Il costo di uno di questi approcci deve essere incluso in qualsiasi modello che analizzi i costi e i benefici delle energie rinnovabili, se esiste l'intenzione di utilizzare le energie rinnovabili come più di una piccola parte del consumo totale di energia.

La Figura 2 illustra l'alto costo energetico che può verificarsi aggiungendo un sostanziale backup della batteria a un sistema elettrico. In questo esempio, l '"energia netta" fornita dal sistema viene sostanzialmente eliminata dal backup della batteria. In questa analisi, il  ritorno di energia sull'energia investita  (EROEI) confronta la produzione di energia con la produzione di energia. È una delle molte metriche utilizzate per stimare se un dispositivo fornisce un'energia adeguata per giustificare gli input di energia front-end.

Figura 2. Grafico di Graham Palmer sull'energia dinamica restituita in energia investita da "Energia in Australia".

L'esempio in Figura 2 si basa sul modello di utilizzo dell'elettricità a Melbourne, in Australia, che ha un clima relativamente mite. L'esempio utilizza una combinazione di pannelli solari, batterie e generazione di backup diesel. I pannelli solari e le batterie di riserva forniscono elettricità per il 95% dell'utilizzo annuale di elettricità che è più facile da coprire con questi dispositivi; la generazione diesel viene utilizzata per il restante 5%.

L'esempio della Figura 2 potrebbe essere regolato per essere “solo rinnovabile” aggiungendo significativamente più batterie, un gran numero di pannelli solari o una combinazione di questi. Queste batterie e pannelli solari aggiuntivi verrebbero usati in modo molto leggero, portando l'EROEI del sistema a un livello ancora più basso.

Fino ad oggi, uno dei motivi principali per cui il sistema elettrico è stato in grado di evitare i costi di costruzione eccessiva o di aggiunta di grandi backup della batteria è la piccola quota che rappresentano della produzione di elettricità. Nel 2018, il vento è stato pari al 5% dell'elettricità mondiale; il solare era pari al 2%. In percentuale dell'approvvigionamento energetico mondiale   , rappresentavano rispettivamente il 2% e l'1%.

Un secondo motivo per cui il sistema elettrico è stato in grado di evitare di affrontare il problema dell'intermittenza è perché i fornitori di elettricità di riserva (carbone, gas naturale e nucleare) sono stati costretti a fornire servizi di riserva senza un'adeguata compensazione per il valore dei servizi che stanno fornendo. Il modo in cui ciò accade è dando al vento e al solare il sussidio di "iniziare per primi". Questa pratica crea un problema perché i fornitori di backup hanno costi fissi sostanziali e spesso non vengono adeguatamente compensati per questi costi fissi.

Se c'è un piano per smettere di usare combustibili fossili, tutti questi fornitori di energia elettrica di riserva, incluso il nucleare, scompariranno. (Il nucleare dipende anche dai combustibili fossili.) Le energie rinnovabili dovranno essere autosufficienti. Questo è quando il problema dell'intermittenza diventerà travolgente. I combustibili fossili possono essere immagazzinati in modo relativamente economico; i costi di stoccaggio dell'elettricità sono enormi. Includono sia il costo del sistema di stoccaggio che la perdita di energia che si verifica quando viene utilizzato lo stoccaggio.

In effetti, il problema della sottofinanziamento associato alla concessione di energie rinnovabili intermittenti sta già diventando un problema travolgente in alcuni punti. L'Ohio ha recentemente scelto di fornire sussidi  ai fornitori di carbone e nucleare come modo per aggirare questo problema. L'Ohio sta anche riducendo i finanziamenti per le energie rinnovabili.

 (5) Il costo del riciclaggio di turbine eoliche, pannelli solari e batterie deve riflettersi nelle stime dei costi. 

Un presupposto comune nelle analisi energetiche sembra essere che in qualche modo, alla fine della vita di progettazione di turbine eoliche, pannelli solari e batterie, tutti questi dispositivi scompariranno in qualche modo senza alcun costo. Se il riciclaggio viene eseguito, si presume che il costo del riciclaggio sarà inferiore al valore dei materiali resi disponibili dal riciclaggio.

Stiamo scoprendo ora che il riciclaggio non è gratuito. Molto spesso, il costo energetico del riciclaggio dei materiali è maggiore dell'energia utilizzata per estrarli freschi. Questo problema deve essere considerato nell'analisi del costo reale delle energie rinnovabili.

 (6) Le energie rinnovabili non sostituiscono direttamente molti dei dispositivi / processi che abbiamo oggi.  Ciò potrebbe comportare un notevole calo delle modalità di funzionamento dell'economia e una transizione molto più lunga. 

C'è un lungo elenco di cose che le energie rinnovabili non sostituiscono. Oggi non possiamo realizzare turbine eoliche, pannelli solari o dighe idroelettriche di oggi senza combustibili fossili. Questo, da solo, chiarisce che il sistema di combustibili fossili dovrà essere mantenuto per almeno i prossimi vent'anni.

Ci sono molte altre cose che non possiamo fare solo con le energie rinnovabili. Acciaio, fertilizzanti, cemento e plastica sono alcuni esempi che Bill Gates menziona nel suo video sopra. L'asfalto e molti dei farmaci odierni sono altri esempi di beni che non possono essere fabbricati con le sole energie rinnovabili. Dovremmo cambiare il modo in cui viviamo senza questi beni. Non abbiamo potuto pavimentare le strade (tranne con la pietra) o costruire molti degli edifici di oggi con le sole energie rinnovabili.

Sembra probabile che i produttori cerchino di sostituire la legna con i combustibili fossili, ma la quantità di legna disponibile sarebbe troppo bassa per questo scopo. Il mondo incontrerebbe problemi di deforestazione entro pochi anni.

(7) È probabile che il passaggio alle energie rinnovabili richiederà 50 o più anni. Durante questo periodo, l'eolico e il solare agiranno più come componenti aggiuntivi del sistema di combustibili fossili che come sostituti. Ciò aumenta anche i costi.

Affinché le industrie dei combustibili fossili continuino, una grande parte dei loro costi dovrà continuare. Le persone che lavorano nelle industrie dei combustibili fossili devono essere pagate tutto l'anno, non solo quando le utility elettriche hanno bisogno di energia elettrica di riserva. I combustibili fossili avranno bisogno di condutture, raffinerie e personale qualificato. Le aziende che utilizzano combustibili fossili dovranno pagare i loro debiti relativi alle strutture esistenti. Se il gas naturale viene utilizzato come riserva per le energie rinnovabili, avrà bisogno di serbatoi per contenere il gas naturale per l'inverno, oltre alle condotte. Anche se il consumo di gas naturale è ridotto del 90%, è probabile che i suoi costi diminuiscano di una percentuale molto più ridotta, diciamo del 30%, poiché una quota elevata dei costi è fissa.

Uno dei motivi per cui sarà necessaria una transizione molto lunga è perché in molti casi non esiste nemmeno un percorso di transizione dai combustibili fossili. Se è necessario apportare una modifica, le invenzioni per facilitare tali modifiche sono un prerequisito. Quindi queste invenzioni devono essere testate in situazioni reali. Successivamente, sono necessarie nuove fabbriche per realizzare i nuovi dispositivi. È probabile che sarà necessario un modo per pagare i proprietari esistenti per la perdita di valore dei loro dispositivi esistenti alimentati a combustibile fossile; in caso contrario, è probabile che vi siano enormi inadempienze del debito. È solo dopo che tutti questi passaggi hanno avuto luogo che la transizione può effettivamente avvenire.

Questi costi indiretti portano a un enorme punto interrogativo sul fatto che abbia persino senso incoraggiare l'uso diffuso di eolico e solare. Le energie rinnovabili possono ridurre le emissioni di CO2 se sostituiscono realmente i combustibili fossili nella produzione di elettricità. Se si tratta per lo più di componenti aggiuntivi a costo elevato per il sistema, esiste una vera domanda: ha senso imporre una transizione al vento e al solare?

Il vento e il solare offrono davvero un futuro a più lungo termine rispetto ai combustibili fossili?

Alla fine del video xkcd mostrato sopra, Munroe osserva che il vento e il solare sono disponibili indefinitamente, ma le forniture di combustibili fossili sono piuttosto limitate.

Concordo con Munroe sul fatto che le forniture di combustibili fossili sono piuttosto limitate. Ciò si verifica perché i prezzi dell'energia non aumentano abbastanza da consentirne l'estrazione. I prezzi dei prodotti finiti realizzati con combustibili fossili devono essere abbastanza bassi da consentire ai clienti di permetterseli. In caso contrario, gli acquisti di beni discrezionali (ad esempio automobili e smartphone) cadranno. Poiché le automobili e gli smartphone sono fabbricati con materie prime, compresi i combustibili fossili, la "domanda" più bassa per questi prodotti finiti porterà alla caduta dei prezzi delle materie prime, compreso il petrolio. In effetti, sembra che abbiamo sperimentato il calo dei prezzi del petrolio per la maggior parte del tempo dal 2008.

Figura 3. Prezzo medio settimanale del petrolio Brent adeguato all'inflazione, basato sui prezzi spot del petrolio EIA e sull'inflazione urbana-CPI negli Stati Uniti.

È difficile capire perché le energie rinnovabili durino più a lungo dei combustibili fossili. Se il loro costo non sovvenzionato è superiore a quello dei combustibili fossili, questo sarebbe uno sciopero contro di loro. Inoltre, dipendono molto dai combustibili fossili per la fabbricazione di pezzi di ricambio e per la riparazione di linee di trasmissione.

È interessante notare che i modellisti dei cambiamenti climatici sembrano essere convinti che in futuro possano essere estratte quantità molto elevate di combustibili fossili. La questione di quanti combustibili fossili possano davvero essere estratti è un'altra questione di modellizzazione che deve essere esaminata attentamente. La quantità di estrazione futura sembra dipendere in larga misura dalla capacità dell'attuale sistema economico, compresa l'estensione della globalizzazione. Senza la globalizzazione, l'estrazione di combustibili fossili sembra diminuire rapidamente.

Abbiamo troppa fede nei modelli? 

L'idea di utilizzare le energie rinnovabili suona sicuramente   interessante, ma il nome è ingannevole. La maggior parte delle energie rinnovabili, ad eccezione del legno e dello sterco, non sono molto rinnovabili. In realtà, dipendono dai combustibili fossili.

L'intero problema della validità del vento e del solare deve essere attentamente analizzato. Il solito segno distintivo di un prodotto energetico che è di sostanziale beneficio per l'economia è che la sua produzione tende ad essere molto redditizia. Con questi alti profitti, i governi possono tassare pesantemente i proprietari. Pertanto, i profitti possono essere utilizzati per aiutare il resto dell'economia. Questa è una delle manifestazioni fisiche dell '"energia netta" che il prodotto energetico fornisce.

Se l'eolico e il solare fornissero davvero una notevole energia netta, non avrebbero bisogno di sussidi, nemmeno il sussidio di iniziare. Avrebbero buttato via i profitti a beneficio del resto dell'economia. Forse le energie rinnovabili non sono così benefiche come molte persone pensano di essere. Forse i ricercatori hanno riposto troppa fiducia nei modelli distorti.

Autore di Gail Tverberg tramite il blog Our Finite World