I limiti all’energia verde stanno diventando molto più chiari
Ci è stato detto che l’elettricità intermittente da eolico e solare, forse insieme alla generazione idroelettrica (idro), può essere la base di una green economy. Tuttavia, le cose non stanno andando sempre più come previsto. Il gas naturale o il carbone utilizzati per bilanciare la produzione intermittente di energie rinnovabili sono sempre più costosi o non disponibili. Sta diventando chiaro che i studiosi di modelli (modellisti) che hanno incoraggiato l’opinione secondo cui è possibile una transizione graduale all’eolico, al solare e all’idroelettrico hanno perso alcuni punti importanti.
Diamo un’occhiata ad alcuni dei problemi:
[1] Sta diventando chiaro che non si può contare su eolico e solare intermittenti per fornire un’adeguata fornitura di elettricità quando il sistema di distribuzione elettrica ne ha bisogno
I primi modellisti non si aspettavano che la variabilità del vento e del solare sarebbe stato un grosso problema. Sembravano credere che, con l’uso di un numero sufficiente di energie rinnovabili intermittenti, la loro variabilità si sarebbe annullata. In alternativa, lunghe linee di trasmissione consentirebbero un trasferimento di elettricità sufficiente tra le località per compensare ampiamente la variabilità.
In pratica, la variabilità è ancora un grosso problema. Ad esempio, nel terzo trimestre del 2021, i venti deboli hanno contribuito in modo significativo alla crisi energetica dell’Europa. I maggiori produttori eolici d’Europa (Gran Bretagna, Germania e Francia) hanno prodotto solo il 14% della capacità installata durante questo periodo, rispetto a una media dal 20% al 26% degli anni precedenti. Nessuno aveva pianificato questo tipo di carenza di tre mesi.
Nel 2021, la Cina ha sperimentato un clima secco e senza vento, tanto che sia la sua generazione da fonte eolica che quella idroelettrica erano basse. Il paese ha ritenuto necessario utilizzare i blackout continui per far fronte alla situazione. Ciò ha portato al guasto dei semafori e molte famiglie hanno avuto bisogno di mangiare cene a lume di candela.
In Europa, con una bassa fornitura di elettricità, il Kosovo ha dovuto utilizzare blackout continuativi . C’è una reale preoccupazione che la necessità di blackout continui si diffonderà anche in altre parti d’Europa , alla fine dell’inverno o in un inverno futuro. Gli inverni sono particolarmente preoccupanti perché, quindi, l’energia solare è bassa mentre il fabbisogno di riscaldamento è elevato.
[2] Un adeguato stoccaggio dell’elettricità non è fattibile in tempi ragionevoli. Ciò significa che se i paesi freddi non vogliono “congelare al buio” durante l’inverno, è probabile che in futuro sarà necessario il backup dei combustibili fossili per molti anni
Una soluzione alternativa per la variabilità dell’elettricità è lo stoccaggio. Un recente articolo di Reuters è intitolato I venti deboli hanno peggiorato la crisi energetica in Europa; i programmi di utilità hanno bisogno di una migliore conservazione . L’articolo cita Matthew Jones, analista capo di EU Power, che afferma che la capacità di backup a basse o zero emissioni è “ancora a più di un decennio dall’essere disponibile su larga scala”. Pertanto, disporre di enormi batterie o stoccaggio di idrogeno alla scala necessaria per mesi di stoccaggio non è qualcosa che può essere ragionevolmente creato ora o nei prossimi anni.
Oggi, la quantità di accumulo di elettricità disponibile può essere misurata in minuti o ore. Viene utilizzato principalmente per tamponare i cambiamenti a breve termine, come il vento che cessa temporaneamente di soffiare o la rapida transizione creata quando il sole tramonta e i cittadini stanno cucinando la cena. Ciò che serve è la capacità per più mesi di stoccaggio dell’elettricità. Tale stoccaggio richiederebbe una quantità sorprendentemente grande di materiali da produrre. Inutile dire che se si includesse tale stoccaggio, il costo dell’intero sistema elettrico sarebbe sostanzialmente superiore a quanto si è portati a credere. Tutti i principali tipi di analisi dei costi (inclusi il costo livellato dell’energia, il ritorno dell’energia sull’energia investita e il periodo di ritorno dell’energia) escludono la necessità di stoccaggio (sia a breve che a lungo termine) se non è disponibile il bilanciamento con l’altra produzione di elettricità.
Se non è possibile trovare una soluzione all’approvvigionamento elettrico inadeguato, la domanda deve essere ridotta in un modo o nell’altro. Un approccio è quello di chiudere aziende o scuole. Un altro approccio è il blackout progressivo. Un terzo approccio consiste nel consentire prezzi dell’elettricità astronomicamente alti, spremendo alcuni acquirenti di elettricità. Un quarto approccio di bilanciamento è quello di introdurre la recessione, magari alzando i tassi di interesse; le recessioni hanno ridotto la domanda di tutti i beni e servizi non essenziali. Le recessioni tendono a portare a significative perdite di posti di lavoro, oltre a ridurre la domanda di elettricità. Nessuna di queste cose è un’opzione interessante.
[3] Dopo molti anni di sussidi e sostegni, l’elettricità verde di oggi è solo una piccola frazione di ciò che è necessario per mantenere in funzione la nostra attuale economia
I primi modellisti non hanno considerato quanto sarebbe stato difficile aumentare l’elettricità verde. Rispetto ai consumi energetici mondiali totali di oggi (energia elettrica e non, petrolio, combinata), eolico e solare sono davvero insignificanti. Nel 2020, l’eolico rappresentava il 3% del consumo totale di energia del mondo e il solare l’1% dell’energia totale, utilizzando il modo generoso di BP di contare l’elettricità, rispetto ad altri tipi di energia. Pertanto, la combinazione di eolico e solare ha prodotto il 4% dell’energia mondiale nel 2020.
L’Agenzia internazionale per l’energia (IEA) utilizza un approccio meno generoso per l’accredito dell’elettricità; dà credito solo per l’energia termica fornita dall’energia rinnovabile. L’IEA non mostra eolico e solare separatamente nei suoi rapporti recenti. Invece, mostra una categoria “Altro” che include più di eolico e solare. Questa categoria più ampia rappresentava il 2% dell’approvvigionamento energetico mondiale nel 2018.
L’idroelettrico è un altro tipo di elettricità verde che a volte viene considerata insieme all’eolico e al solare. È un po’ più grande del vento o del solare; ammontava al 7% della fornitura energetica mondiale nel 2020. Presi insieme, idro + eolico + solare ammontavano all’11% della fornitura energetica mondiale nel 2020, utilizzando la metodologia di BP. Questo non è ancora gran parte del consumo totale di energia del mondo.
Naturalmente, le diverse parti del mondo variano per quanto riguarda la quota di energia creata utilizzando eolico, idroelettrico e solare. La figura 1 mostra la percentuale dell’energia totale generata da queste tre rinnovabili combinate.
Come previsto, la media mondiale è di circa l’11%. L’Unione Europea è più alta con il 14%; La Russia+ (ovvero la Russia e le sue affiliate, che equivale ai membri della Comunità degli Stati Indipendenti) è la più bassa con il 6,5%.
[4] Anche come percentuale dell’elettricità, piuttosto che dell’energia totale, le rinnovabili rappresentavano ancora una quota relativamente piccola nel 2020
Eolico e solare non sostituiscono la generazione “dispacciabile”; indicano una fornitura di energia elettrica temporanea, ma tendono a rendere più difficile il funzionamento dell’intero sistema elettrico a causa della variabilità introdotta. Le energie rinnovabili sono disponibili solo per una parte del tempo, quindi altri tipi di fornitori di energia elettrica sono ancora necessari quando la fornitura temporaneamente non è disponibile. In un certo senso, tutto ciò che stanno sostituendo è parte del carburante necessario per produrre elettricità. I costi fissi dei fornitori di energia elettrica di riserva non sono adeguatamente compensati, né lo sono i costi della maggiore complessità introdotta nel sistema.
Se gli analisti danno pieno credito all’energia eolica e solare per la sostituzione dell’elettricità, come fa BP, allora, a livello mondiale, l’elettricità eolica ha sostituito il 6% dell’elettricità totale consumata nel 2020. L’elettricità solare ha sostituito il 3% dell’elettricità totale fornita e l’idroelettrico ha sostituito il 16% dell’elettricità mondiale. Su base combinata, eolico e solare hanno fornito il 9% dell’elettricità mondiale. Con l’idroelettrico incluso, queste energie rinnovabili rappresentavano il 25% della fornitura mondiale di elettricità nel 2020.
La quota di fornitura di elettricità fornita da eolico, solare e idroelettrico varia in tutto il mondo, come mostrato nella Figura 2. L’Unione Europea è la più alta con il 32%; Il Giappone è il più basso con il 17%.
Il raggruppamento di paesi “Tutti gli altri” mostrato nella figura 2 include molti dei paesi più poveri. Questi paesi utilizzano spesso un po’ di idroelettrico, anche se la disponibilità di idroelettrica tende a fluttuare molto, a seconda delle condizioni meteorologiche. Se un’area è soggetta a stagioni umide e secche, è probabile che la fornitura di elettricità sia molto limitata durante la stagione secca. Nelle aree con scioglimento delle nevi, sono spesso disponibili forniture molto grandi in primavera e forniture molto più piccole durante il resto dell’anno.
Pertanto, mentre l’idroelettrico è spesso considerato una fonte di energia affidabile, questo può o non può essere il caso. Come l’eolico e il solare, l’idroelettrico ha spesso bisogno di un supporto di combustibili fossili se l’industria vuole essere in grado di dipendere dall’avere elettricità tutto l’anno.
[5] La maggior parte dei modellisti non ha compreso che i rapporti tra riserva e produzione sopravvalutano notevolmente la quantità di combustibili fossili e altri minerali che l’economia sarà in grado di estrarre
La maggior parte dei modellisti non ha capito come funziona l’economia mondiale. Hanno presupposto che finché avremo la capacità tecnica di estrarre combustibili fossili o altri minerali, saremo in grado di farlo. Un modo popolare di considerare la disponibilità delle risorse è quello dei rapporti tra riserva e produzione. Questi rapporti rappresentano una stima di quanti anni di produzione potrebbero continuare, se l’estrazione fosse continuata alla stessa velocità dell’anno più recente, considerando le risorse note e la tecnologia attuale.
Una convinzione comune è che questi rapporti sottovalutino la quantità di ciascuna risorsa disponibile, in parte perché la tecnologia continua a migliorare e in parte perché l’esplorazione di questi minerali potrebbe non essere completa.
In effetti, questo modello di disponibilità futura delle risorse sovrastima notevolmente la quantità di risorse future che possono essere effettivamente estratte. Il problema è che l’economia mondiale tende a essere a corto di molti tipi di risorse contemporaneamente. Ad esempio, i dati sui prezzi delle materie prime della Banca mondiale mostrano che i prezzi erano alti nel gennaio 2022 per molti materiali, inclusi combustibili fossili, fertilizzanti, alluminio, rame, minerale di ferro, nichel, stagno e zinco. Anche se i prezzi sono aumentati molto, questa non è un’indicazione che i produttori saranno in grado di utilizzare questi prezzi elevati per estrarre di più di questi materiali necessari.
Per produrre più combustibili fossili o più minerali di qualsiasi tipo, la preparazione deve essere iniziata con anni di anticipo. Nuovi pozzi petroliferi devono essere costruiti in luoghi idonei; devono essere costruite nuove miniere di rame o litio o minerali di terre rare; i lavoratori devono essere formati per tutte queste aree. I prezzi elevati per molte materie prime possono essere un segno di una domanda temporaneamente elevata, oppure può essere un segno che qualcosa è seriamente sbagliato nel sistema. Non è possibile che il sistema possa aumentare la produzione necessaria in un numero enorme di aree contemporaneamente. Le linee di rifornimento si romperanno. È probabile che la recessione si avvii.
Il problema alla base del recente aumento dei prezzi sembra essere il “rendimento in diminuzione”. Tali rendimenti decrescenti interessano contemporaneamente quasi tutte le parti dell’economia. Per ogni tipo di minerale, i minatori hanno prodotto prima i materiali più facili da estrarre. Successivamente sono passati a pozzi petroliferi e minerali più profondi da minerali di qualità inferiore. L’inquinamento è cresciuto gradualmente, quindi anche il bisogno di maggiori investimenti. Allo stesso tempo, la popolazione mondiale è cresciuta, quindi l’economia ha richiesto più cibo, acqua dolce e beni di vario genere; anche questi richiedono l’investimento di risorse di vario genere.
Il problema che alla fine colpisce l’economia è che non può mantenere la crescita economica. Troppe aree dell’economia richiedono investimenti, contemporaneamente, perché la diminuzione dei rendimenti continua ad aumentare le esigenze di investimento. Questo investimento non è semplicemente un investimento finanziario; è un investimento di risorse fisiche (petrolio, carbone, acciaio, rame, ecc.) e un investimento di tempo delle persone.
Il modo in cui l’economia sarebbe a corto di materiali di investimento è stato simulato nel libro del 1972, The Limits to Growth , di Donella Meadows e altri. Il libro ha fornito i risultati di una serie di simulazioni su come l’economia mondiale si sarebbe comportata in futuro. Praticamente tutte le simulazioni indicavano che alla fine l’economia avrebbe raggiunto i limiti della crescita. Un grosso problema era che una quota troppo grande della produzione dell’economia era necessaria per il reinvestimento, lasciando troppo poca per altri usi. Nel modello di base, tali limiti alla crescita si sono verificati ora, a metà della prima metà del 21° secolo. L’economia smetterebbe di crescere e gradualmente comincerebbe a crollare.
[6] L’economia mondiale sembra già raggiungere limiti sull’estrazione di carbone e gas naturale da utilizzare per il bilanciamento dell’elettricità fornita da rinnovabili intermittenti
Il trasporto di carbone e gas naturale è costoso, quindi se vengono esportati, tendono principalmente ad essere esportati in paesi vicini. Per questo motivo, la mia analisi raggruppa le esportazioni e le importazioni nelle grandi regioni in cui è più probabile che si verifichino scambi.
Se analizziamo le importazioni di gas naturale per parte del mondo, due regioni si distinguono per avere il maggior numero di importazioni di gas naturale fuori regione: Europa e Asia-Pacifico. La figura 4 mostra che le importazioni di gas naturale fuori regione dall’Europa hanno raggiunto picchi nel 2007 e nel 2010, dopodiché sono diminuite. Negli ultimi anni, le importazioni europee hanno appena superato i picchi precedenti. Le importazioni fuori regione dell’Asia-Pacifico hanno mostrato un modello di crescita molto più coerente nel lungo termine.
Il motivo per cui le importazioni dell’Asia-Pacifico sono cresciute è per supportare la sua crescente produzione manifatturiera. La produzione manifatturiera è stata sempre più spostata nella regione Asia-Pacifico, in parte perché questa regione può eseguire questa produzione a basso costo e in parte perché i paesi ricchi hanno voluto ridurre la propria impronta di carbonio. Spostare l’industria pesante all’estero riduce la generazione di CO2 dichiarata in un paese, anche se gli articoli fabbricati vengono importati come prodotti finiti.
La figura 5 mostra che la fornitura di gas naturale dell’Europa è in calo. Questo è uno dei motivi principali per i suoi requisiti di importazione dall’esterno della regione.
La figura 6, di seguito, mostra che il consumo totale di energia pro capite dell’Asia-Pacifico è in crescita. I nuovi posti di lavoro nel settore manifatturiero trasferiti in questa regione hanno innalzato il tenore di vita di molti lavoratori. L’Europa, invece, ha ridotto la produzione locale. La sua gente tende a diventare più povera, in termini di consumo di energia pro capite. I lavori nei servizi resi necessari dalla riduzione del consumo di energia pro capite tendono a pagare meno bene dei lavori nel settore manifatturiero che hanno sostituito.
L’Europa ha recentemente avuto conflitti (l’articolo è stato pubblicato il 9 febbraio, cioè prima dell’invasione russa in Ucraina, ndT) con la Russia sul gas naturale. Il mondo sembra raggiungere una situazione in cui non ci sono abbastanza esportazioni di gas naturale per farlo girare. La regione Asia-Pacifico (o almeno le parti più produttive della regione Asia-Pacifico) sembra essere in grado di superare l’Europa, quando la fornitura locale di gas naturale è inadeguata.
La figura 7, di seguito, fornisce un’idea approssimativa della quantità di esportazioni disponibili dalla Russia+ rispetto alle esigenze di importazione dell’Europa. (In questo grafico, confronto le importazioni totali di gas naturale dell’Europa (comprese le importazioni di gasdotti dal Nord Africa e GNL dal Nord Africa) con le esportazioni di gas naturale della Russia+ (a tutte le nazioni, non solo all’Europa, sia tramite gasdotto che come GNL) .) Su questa base approssimativa, troviamo che le importazioni di gas naturale dall’Europa sono maggiori delle esportazioni totali di gas naturale della Russia+.
L’Europa sta già affrontando molteplici problemi di gas naturale. La sua fornitura dal Nord Africa non è affidabile come in passato. I paesi della Russia+ non forniscono tutto il gas naturale che vorrebbe l’Europa e, in particolare, i prezzi spot sembrano essere troppo alti. Ci sono anche disaccordi sulla pipeline. Bloomberg riferisce che la Russia aumenterà le sue esportazioni in Cina nei prossimi anni. A meno che la Russia non trovi un modo per aumentare le sue forniture di gas, è probabile che maggiori esportazioni verso la Cina lascino meno gas naturale alla Russia da esportare in Europa negli anni a venire.
Se guardiamo in giro per il mondo per vedere quali altre fonti di esportazione di gas naturale sono disponibili per l’Europa, scopriamo che le scelte sono limitate.
Gli Stati Uniti si presentano come una possibile scelta per aumentare le importazioni di gas naturale in Europa. Una dei problemi, con le crescenti esportazioni di gas naturale dagli Stati Uniti, è il fatto che storicamente gli Stati Uniti sono stati un importatore di gas naturale; non è chiaro quanto le esportazioni possano salire al di sopra del livello del 2022. Inoltre, parte del gas naturale statunitense viene coprodotto con il petrolio di scisto. È improbabile che il petrolio di scisto cresca molto negli anni futuri; infatti, molto probabilmente sarà in declino a causa dei pozzi esauriti. Ciò potrebbe limitare la crescita degli Stati Uniti nelle forniture di gas naturale disponibili per l’esportazione.
Anche la categoria Resto del mondo nella figura 8 sembra non avere molte possibilità di crescita delle importazioni in Europa, perché le esportazioni totali sono andate alla deriva verso il basso. (Il resto del mondo include l’Africa, il Medio Oriente e le Americhe esclusi gli Stati Uniti.) Ci sono molte segnalazioni di paesi, inclusi Iraq e Turchia, che non sono in grado di acquistare il gas naturale che vorrebbero. Non sembra esserci abbastanza gas naturale sul mercato ora. Ci sono poche segnalazioni di forniture in aumento per sostituire le forniture esaurite.
Per quanto riguarda il carbone, la situazione in Europa è solo leggermente diversa. La figura 9 mostra che l’offerta di carbone in Europa si sta esaurendo e le importazioni non sono state in grado di compensare tale esaurimento.
Se una persona cerca in giro per il mondo luoghi in cui ottenere più importazioni per l’Europa, non ci sono molte scelte.
La figura 10 mostra che la maggior parte della produzione di carbone è nella regione Asia-Pacifico. Con la Cina, l’India e il Giappone situati nella regione Asia-Pacifico e gli elevati costi di transito, è improbabile che questo carbone lasci la regione. Gli Stati Uniti sono stati un grande produttore di carbone, ma la sua produzione è diminuita negli ultimi anni. Esporta ancora una quantità relativamente piccola di carbone. La possibilità più probabile per un aumento delle importazioni di carbone sarebbe dalla Russia e dalle sue affiliate. Anche in questo caso, è probabile che l’Europa debba fare un’offerta superiore alla Cina per acquistare questo carbone. Sarebbe utile anche un migliore rapporto con la Russia.
La figura 10 mostra che la produzione mondiale di carbone è rimasta sostanzialmente piatta dal 2011. Un paese esporterà solo carbone di cui non ha bisogno. Pertanto, una carenza nella capacità di esportazione è un segnale premonitore di un’offerta complessiva inadeguata. Con le economie di molti paesi dell’Asia-Pacifico ancora in rapida crescita, è probabile che la domanda di importazioni di carbone cresca per questa regione. Mentre i modellisti possono pensare che ci siano quasi 150 anni di fornitura di carbone disponibile, l’esperienza nel mondo reale suggerisce che i limiti del carbone sono già stati raggiunti.
[7] Conclusione. I modellisti e i leader di tutto il mondo hanno avuto un malinteso di base su come funziona l’economia e quali limiti ci troviamo di fronte. Questo malinteso ha permesso agli scienziati di mettere insieme modelli che sono lontani dalla situazione che stiamo effettivamente affrontando
L’economia opera come un tutto integrato, proprio come il corpo di un essere umano opera come un tutto integrato, piuttosto che come un insieme di cellule di diverso tipo. Questo è qualcosa che la maggior parte dei modellisti non capisce e le loro tecniche non sono attrezzate per affrontare.
L’economia si trova ad affrontare molti limiti contemporaneamente: troppe persone, troppo inquinamento, troppo pochi pesci nell’oceano, più difficile estrarre combustibili fossili e molti altri. Il modo in cui questi limiti si manifestano sembra essere il modo in cui i modelli nel libro del 1972, The Limits to Growth , suggeriscono: essi si svolgono su una base combinata. Il vero problema è che la diminuzione dei rendimenti porta contemporaneamente a enormi esigenze di investimento in molte aree. Una o due di queste esigenze di investimento potrebbero forse essere gestite, ma non tutte, e non tutte in una volta.
L’approccio dei modellatori, praticamente ovunque, è quello di scomporre un problema in piccole parti e presumere che ogni parte del problema possa essere risolta indipendentemente. Pertanto, coloro che sono preoccupati per il “picco del petrolio” sono stati preoccupati per l’esaurimento del petrolio. Trovare sostituti sembrava essere importante. Gli preoccupati per il cambiamento climatico erano convinti che restassero enormi quantità di combustibili fossili da estrarre, anche più di quanto indicato dai rapporti riserva/produzione. La loro preoccupazione era trovare sostituti per l’enorme quantità di combustibili fossili che credevano rimanessero da estrarre, che potrebbero causare il cambiamento climatico.
I politici potevano vedere che c’era una sorta di grosso problema all’orizzonte, ma non capivano quale fosse. L’idea di sostituire le energie rinnovabili con i combustibili fossili sembrava essere una soluzione che avrebbe reso felici sia i Peak Oilers che le persone preoccupate per il cambiamento climatico. I modelli basati sulla sostituzione delle rinnovabili ai combustibili fossili sembravano accontentare quasi tutti. L’approccio delle rinnovabili ha suggerito che abbiamo un lasso di tempo molto lungo da affrontare, rimandando il problema, il più a lungo possibile nel futuro.
Oggi, stiamo iniziando a vedere che le energie rinnovabili non sono in grado di mantenere le promesse che i modellisti speravano di avere. Non è del tutto chiaro come andrà a finire la situazione, ma sembra che avremo tutti posti in prima fila per scoprirlo.
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