Thread by @TeoLomb

Rispondere alla leggitima domanda: “Perche’ non possiamo usare solamente rinnovabili in futuro?”

Un thread (lungo, chiedo perdono in anticipo) per dare la mia opinione a riguardo.
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Intanto per "rinnovabili" qui mi riferirò a idrico, solare, e eolico. Escludo geotermico, moto ondoso etc. perche’ le tecnologie adiacenti o le risorse necessarie sono ad una scala troppo piccola per giocare un ruolo rilevante, a livello globale, da qui al 2030/2050.
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E parlero’ con una prospettiva globale, in quanto a livello regionale le cose possono cambiare significativamente (enorme capacita’ idrica in Brasile o di vento in Danimarca), ma il problema della transizione e’ globale e’ come tale va analizzato.
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L’idrico e’ una delle fonti piu’ antiche per la produzione elettrica, e dovrebbe essere usata ove possibile. Detto cio’ questa fonte ha, ovviamente, un limite: una volta usati tutti i bacini idrici adatti non puoi fare molto di piu’.
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Oggi l’idrico fornisce, a livello mondiale, circa il 20% dell’elettricita’. In futuro si spera cresca, ma non potra’ soddisfare tutti i nostri bisogni (anche senza considerare l’aumento significativo di domanda elettrica mondiale che avremo nei prossimi decenni).
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Solare e eolico sono tecnologie il cui prezzo è sceso notevolmente nell'ultimo decennio, non ultimo grazie ai piani industriali Cinesi, e che saranno chiave per la decarbonizzazione (solare in testa).

Solare e eolico, però, soffrono di due problemi fondamentali.
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Il primo, noto a tutti, è che sono intermittenti. Il secondo, spesso ignorato, è che implicano l’uso di molti minerali per unità di energia. E che sia questi minerali che il loro raffinamento sono geograficamente molto concentrati.
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Spoiler: Il secondo aspetto e’ paradossalmente il piu’ problematico.
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Il primo problema può essere mitigato in vari modi, tutti, però, non banali. Primo tra tutti i sistemi di stoccaggio elettrochimico, ovvero le famose batterie. In particolare oggi si parla tipicamente di batterie a ioni litio,
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mentre in futuro si potrebbero usare anche batterie redox-flow e solid-state.
Parlando di batterie si devono avere almeno due parametri in mente: il costo e la capacita’ produttiva sia delle batterie che dei minerali necessari alla loro produzione.
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Per quanto riguarda il costo, si deve considerare che il prezzo delle batterie a ioni litio è diminuito già di un 80-90% circa rispetto ai livelli del 2010 grazie all'economia di scala, raggiungendo circa 130 $/kWh.
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Usare le batterie per sopperire alla variabilita’ di solare e eolico vuol dire aggiungere il loro costo nella bolletta (niente e’ gratis). Cosa vuol dire questo? Facciamo qualche scenario molto banale per avere qualche ordine di grandezza in testa.
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Assunzioni: costo dell‘energia elettrica di 20 centesimi $/kWh (gia’ relatvivamente alto), un costo delle batterie ioni-litio a 100 $/kWh, e una cycle-life di 4000 cicli (circa 10 anni con carica/scarica giornaliera).
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I tre scenari:
1) Usare le batterie giornalmente (piu’ produzione durante certe ore e minore in altre);

2) Usarle settimanalmente (giornate con piu’ sole/vento di altre);

3) Usarle stagionalmente (maggiore produzione durante l’estate e minore durante l’inverno).
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Il costo in bolletta sara’ calcolato come costo della batteria per kwh diviso il numero di utilizzi (quindi senza considerare il ritorno sull’investimento di chi compra le batterie inizialmente, che ovviamente aumenterebbe ulteriormente i costi).
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Scenario 1: Il costo della batteria sarebbe 100$/kwH diviso 10*365 (10 anni*numero giorni). Ovvero circa 3 centesimi $/kWh. Questi si sommerebbero ai 20 centesimi del costo di produzione, ovvero un aumento nell’ordine del 10%. Non banale, ma gestibile.
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Scenario 2: In prima approssimazione si potrebbe assumere un costo simile allo scenario 1, ma le batterie dovrebbe essere tenuta in vita 70 anni (usate 7 volte meno spesso). Ovviamente, questo farebbe aumentare gli interessi aumentando il vero costo in bolletta.
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Inoltre le batterie si degradano anche senza usarle, quindi e’ difficile immaginare che possano essere mantenute operative per 70 anni con carica/scarica settimanale.
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Scenario 3: Qui le cose si fanno veramente difficili. Anche considerato un periodo di vita delle batterie di 100 anni e qualcuno disposto a fare un investimento di cosi’ lunga durata (entrambi molto improbabili), questo vorrebbe dire solamente 100 cariche/scariche.
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Ovvero 1$ da aggiungere agli 0.2$ per kW o, in altre parole, un aumento del 500%. Insostenibile per le economie moderne, per non parlare delle economie piu’ deboli.
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Da aggiungere un “dettaglio” importante: lo stoccaggio di energia (come tutto) non ha un efficienza del 100%, ovvero si perde una parte ell’energia nel tempo (self-discharge). Fenomeno che da solo potrebbe mettere fuori gioco le batterie per lo stoccaggio stagionale.
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Si potrebbe aggiungere che in realta’ i numeri sopra sono calcolati per eccesso, perche’ non useremmo le batterie per il 100% dell’energia prodotta dalle rinnovabili, ma solo di una frazione. E sarebbe un’osserazione corretta.
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Detto cio’, considerato le assunzioni benevole (mancanza di interessi e self-discharge, alto costo dell’elettricita’ e basso delle batterie,) direi che l’aumento di costi (in particolare per lo stoccaggio stagionale) rimane fuori portata.
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Questo non vuol dire che le batterie non abbiano un ruolo da giocare. Lo avranno, sia per la mobilita’ (macchine elettriche) che per lo stoccaggio – mondi che si potrebbero parlare/supportare con concetti del tipo vehicle-to-grid.
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Ma vuol dire che le batterie non possono essere vendute come LA soluzione per l’intermittenza delle rinnovabili. Sono, alla meglio, una soluzione parziale.
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Per inciso, altre tecnologie piu’ adatte per lo stoccaggio stagionale come pumped hydro or gas – ovver stoccare acqua e gas compresso in depositi al fine di stoccare energia - esistono, e a mio avviso sono promettenti.

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Ma, per quanto ne so, non ci sono grandi progetti su questo versante, o almeno non alla scala che eventualmente servirebbe per un uso massiccio delle rinnovabili. Il problema potrebbe essere trovare siti idonei (in termini di sicureza o di capacita’), ma non posso confermarlo.
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Un altro player promettente e’ l‘idrogeno, ma la produzione di idrogeno verde, lo stoccaggio, il trasporto su tubi (densita’ energetica per volume circa un terzo del metano), e il suo uso hanno molte sfide davanti.

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L’idrogeno giochera’ il suo ruolo, e sara’ probabilmente chiave per decarbonizzare processi industriale che hanno bisogno di temperature estremamente elevate e difficilmente elettrificabili (tipo acciaio) e sostituire l’idrogeno grigio (prodotto da fossili)

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per i processi industiale che ne fanno uso (primo fra tutti la produzione di ammoniaca, alla base di tutti i fertilizzanti). Viste le difficolta’ tecniche, io punterei a usare tutto l’idrogeno verde che possiamo produrre per decarbonizzare questi settori industrali.

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E temo che questo non lasci larghi margini per l’uso massiccio di idrogeno per stoccaggio e produzione di elettricita’ (ma sarei contento di sbagliarmi). A meno che non lo si produca sia con fotovoltaico che con nucleare (e si, un altro vantaggio del nucleare).

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Inciso: il discorso di cui sopra si può generalizzare al concetto power-to-X, cioè usare energia elettrica (per essempio solare) per produrre un combustibile X (X=idrogeno, metano, etc.)

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E adesso arriviamo al secondo problema (tardi, ma ci arriviamo): i minerali necessari per la transizione.

Solare (e in particolare fotovoltaico), eolico, e batterie richiedono molti piu’ materiale (per unita’ di energia) delle fonti fossili (o del nucleare).

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La lista e’ lunga, si va dall’argento per i pannelli solari e alle terre rare per i motori elettrici (pale eoliche e veicoli elettrici), al litio, cobalto, nickel, manganese e grafite per batterie e tantissimo rame/alluminio per i cavi elettrici.

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Molti di questi materiali sono prodotti in poche regioni del mondo, spesso non particolarmente stabili economicamente e politicamente, e con alti livelli di corruzzione e stress idrico (l’estrazione di minerali necessita di molta acqua pulita).

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La sola Repubblica Democratica del Congo estra il 70% del cobalto.
La Cina estra circa il 60% delle terre rare e della grafite.
I primi tre produttori di Litio (Australia, Cile, e Cina) e Nickel (Indonesia, Filippine, e Russia) ne producono rispettivamente circa l’87% e il 56%
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La situazione diventa ancora piu’ complicata quando si guarda al raffinamento. In questo settore, la Cina domina per tutti i metalli citati, con shares che vanno dal 60% al 90% della produzione globale.

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La produzione di batterie o pannelli solari non e’ diversa. Esemplare e’ il caso dei pannelli fotovoltaici, per i quali tutti gli step di produzione sono dominati (dal 75% al 95%) dalla Cina.

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Con queste percentuali, e ad oggi sapendo quanto difficile sia sostituire “solo” il 40% dei tuoi approviggionamenti energetici (vedi Russia e Italia/Germania), non e’ difficile predire tensioni geopolitiche notevoli all’orizzonte.

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Per inciso, e’ vero che i minerali sono necessari per le infrastrutture, e non per far funzionare una centrale. Ma avremo bisogno di questi minerali, e moltissimi, per decenni, visti i piani di decarbonizzazione.

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Minimizzare una dipendenza tale da un singolo paese (in questo caso la Cina) sarebbe, perlomeno, estremamente miope.

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A maggior ragione considerato le proiezioni di crescita della domanda di questi minerali. Per dare un’idea, la domanda di litio e’ attesa crescere di decine (10-40) di volte da qui al 2040. Grafite, cobalto e nickel tra 5 e 20 volte. Terre rare: 5-6 volte. Rame: circa 3.

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Sono numeri che fanno paura e, se non vi spaventano, dovrebbero.

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Soprattutto considerando che lo sviluppo di nuove miniere prende anni (se non decenni), e visto dove questi minerali vengono estratti e processati.

L’uso massiccio di queste risorse portera’ ad una corsa globale per accaparrarsele, con tutto cio’ che ne consegue.

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E vorrei sottolineare che questi sono numeri tali da poter non solo rallentare notevolemente la transizione, rendendo ancora piu’ difficile, se non impossibile, completarla nei tempi che ci stiamo dando. Potenzialmente possono anche stravolgere la politica internazionale.

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Chi controlla una parte significativa del settore energetico ha un notevole leverage sul resto del mondo. Questa e’ una cosa che, soprattutto di questi tempi, dovremmo tutti avere ben chiaro in mente.

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Se a questo aggiungete che nuove miniere possono letteralmente causare disastri ecologici e distruzione di ecosistemi, e che sicuramente la fretta con cui dovremo costruirle non aiuterà, a mio modestissimo avviso è critico..

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che si collabori strettamente a livello internazionale e con le maggiori companie minerarie per incrementare gli investimenti (oggi troppo bassi per rispondere alla domanda attesa) e per un controllo rigoroso delle condizioni sociali e ecologiche delle nuove e vecchie miniere.
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Perche’ servono anche gli stati? Perché deve essere molto chiaro, come comunità internazionale, quali sono i nostri obbiettivi e le nostre tempistiche, perché da questi dipenderà l’aumento della domanda.
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E senza predicibilità su questi punti gli investimenti arrancheranno, rischiando di arriare troppo tardi per paura di cambi di regolamentazione nel tempo o crescita della domanda minore delle attese (parliamo di investimenti decennali, come dicevo prima).

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Per tutti i motivi sopra (e altri, ma gia’ questo thread e’ troppo lungo), per me e’ difficile immaginare un mondo in cui l’eletrricità sia prodotta solamente da solare, eolico, e idrico.
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Abbiamo altre fonti sicure che non emettono e con bassa domanda di minerali per unita’ di eneria prodotta?

Si, il nucleare.

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Il nucleare è estremamente sicuro ed emette molto poco (entrambi ai livelli di solare e eolico, se non più bassi). Oltre a ciò, il suo approviggionamento di minerali e’ ordini di grandezza meno rischioso e complesso di pannelli, eolico, e batterie.

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Ma, anche se non vi fidate, anche se avete paura di scorie e dei rischi di una proliferazione nucleare (per quanto mi riguarda entrambi assolutamente gestibili tramite gli enti internazionali preposti), lo sviluppo delle sole rinnovabili è tutto fuorche’ esente da rischi.

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Secondo me, uno sviluppo di solamente rinnovabili sarebbe infatti molto piu’ rischioso rispetto ad avere, insieme ad uno sviluppo massiccio delle rinnovabili, uno sviluppo altrettanto massiccio del nucleare.

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Ad ognuno l’onore (e l’onere) di farsi un’idea su questo tema, sperando questo thread sia stato utile a qualcuno. Tema che, a mio avviso, contrbuira’ a plasmare il mondo del futuro come pochi o nessun altro.

FINE

P.S. Le mie fonti principali sono la #IEA (iea.org), qualche anno di studio e lavoro nel settore batterie, e la lettura di vari esperti sul tema (tra tutti, consiglio @DanielYergin, ed in particolare il suo ultimo libro “The New Map”, e Vaclav Smil).

Consiglio anche “How to avoid a climate disaster” di @BillGates, che da’ un’idea pragmatica ed efficace di queste ed altre problematiche legate alla transizione energetica. Da qui ho preso l’idea dei tre scenari per il costo della bolletta.

In ultimo, mi preme consigliare un recente Ted Talk di @OliviaLazard, che trovate qui:

ted.com/talks/olivia_l…

Non sono perfettamente d’accordo su alcune conclusioni, e sfortunatamente non cita il nucleare. Ma offre una visione efficace e puntuale dei rischi dietro alle rinnovabili. Veramente un ottimo talk.

@SignorErnesto @DeShindig