Energia sostenibile senza aria fritta

È immaginabile un futuro prossimo senza combustibili fossili? Può una nazione avanzata utilizzare solo energie rinnovabili? Molti scienziati predicano la necessità di ridurre l’uso dei combustibili fossili per ridurre le emissioni di CO₂ nell’atmosfera. E se questo non bastasse c’è chi pensa che il picco del petrolio sia ormai dietro l’angolo. E se anche non lo fosse condizioni economiche e geopolitiche potrebbero rendere questo combustibile molto costoso. Insomma, è il caso di porsi seriamente queste domande.

Prima o poi il petrolio finirà, ma sole e vento ci saranno ancora, per cui è opportuno investire in questa direzione. Spesso però ci si focalizza troppo sulla fattibilità economica dei vari metodi di produzione di energia mancando completamente il quadro generale. Si discute se l’eolico sia più o meno costoso del nucleare, ma ci si dimentica di chiedersi quanto vento c’è per far girare le pale e quanto uranio è rimasto sulla terra. Lasciamo quindi da parte per un attimo le considerazioni economiche: il costo di produzione di un kWh (kilowattora) varia a seconda del luogo, della legislazione, del mercato, della maturità di una tecnologia e così via. Dobbiamo invece porci una domanda più fondamentale: le limitazioni intrinseche (le leggi fisiche ad esempio, o la superficie disponibile in un paese) quali restrizioni impongono ai vari modi di produrre energia? In altre parole, anche ammettendo che produrre un kWh di energia eolica o solare sia gratis, quanta energia al massimo posso sperare di produrre?

Il progresso tecnologico e le diverse condizioni di mercato possono rendere competitiva una fonte energetica, ma non possono cambiare le leggi di natura: anche aumentando l’efficienza odierna dei pannelli solari non si può aumentare la quantità di energia solare che cade su un metro quadro. La turbina eolica più efficiente dipende comunque dalla velocità e dalla disponibilità del vento, e così via.

David MacKay è un fisico dell’Università di Cambridge. Irritato dalla vaghezza numerica e dalla mancanza di punti fermi che spesso contraddistingue le discussioni pubbliche sull’energia, MacKay si è seduto al tavolino e, armato delle leggi della fisica, ha stimato il potenziale teorico di tutte le principali fonti energetiche rinnovabili. Raramente discorsi scientifici quantitativi e ricchi di numeri arrivano sui media, che spesso invece danno più risalto a intellettuali e filosofi come Serge Latouche, il teorico della decrescita. Discutendo di energia e di consumi è invece obbligatorio partire dai numeri e dai dati accertati. Considerazioni politiche, economiche, sociali etc. sono benvenute e necessarie, ma non possono prescindere dai fatti e dalle leggi fisiche che, volenti o nolenti, regolano questo universo.

MacKay ha messo nero su bianco le sue stime e il suo libro Sustainable Energy – Without the Hot Air (Uit Cambridge 2008, ma scaricabile liberamente) sta cambiando il modo con cui si discute di questi temi, almeno in Gran Bretagna. MacKay è stato nominato recentemente Chief scientific advisor del dipartimento dell’energia e del cambiamento climatico del governo britannico con il compito di affinare le sue stime per costruire un percorso verso il cambiamento energetico della Gran Bretagna entro il 2050.

Vi consiglio vivamente, se il tema vi interessa, oltre che di leggere il libro (purtroppo per ora solo in inglese) anche di ascoltare questa sua conferenza tenuta all’Università di Harvard

Unità di misura e consumi

È molto difficile per il cittadino padroneggiare i numeri dell’energia senza avere dimestichezza con le varie unità di misura. Purtroppo misuriamo il petrolio in barili, la benzina in litri, le centrali elettriche in megawatt, ma tutte queste unità sono lontane dal quotidiano, dai nostri consumi e dai nostri sprechi. In più nelle discussioni pubbliche e sui media spesso si confondono energia e potenza, o si leggono unità di misura completamente prive di senso come il kW/h.

Il Kilowatt (kW) è una misura di potenza, cioè di energia prodotta (o consumata) in un certo intervallo di tempo. Se moltiplichiamo (non dividiamo) una potenza per un intervallo di tempo, ad esempio un’ora, otteniamo l’energia totale prodotta (o consumata, lasciamo perdere la questione che in realtà l’energia si trasforma): in questo caso un kilowattora (kWh = kW moltiplicato per 1 h). Vi confesso che quando leggo articoli, anche su questo sito, che parlano di energia, non appena trovo un errore così grossolano mi viene la voglia di smettere di leggere, e mi chiedo comunque che affidabilità possa avere un articolo scritto da chi mostra di non conoscere l’ABC dell’argomento. Come sosteneva Antonio Pascale nel suo articolo per Saturno di qualche settimana fa, dareste credito ad un articolo letterario che esordisce dicendo che Dante ha scritto il Decameron? No di certo. Ecco, per gli argomenti scientifici è la stessa cosa.

Conscio di questi problemi di comunicazione, MacKay per parlare di produzione o consumi energetici sceglie di usare un’unica unità di potenza “a misura d’uomo”: il kilowattora per giorno per persona (kWh/d per persona). Il cittadino europeo medio consuma 125 kWh/d. Possiamo visualizzare questo consumo “personale” in termini di lampadine: è come se ognuno di noi tenesse accese 125 lampadine da 40W per 24 ore al giorno. L’americano medio consuma il doppio: 250 kWh/d mentre il consumo energetico medio di un essere umano sulla terra è di 56 kWh/d.

Un kWh/d è anche grossolanamente la potenza che potremmo avere da uno “schiavo umano personale”, quindi se usiamo 125 kWh/d è come se avessimo 125 servitori alle nostre dipendenze.

Rinnovabili

Le fonti rinnovabili hanno solitamente una bassa densità per area. Hanno cioè bisogno di grandi superfici per poter ricavare grandi quantità di energia. MacKay analizza il fotovoltaico, i biocarburanti, le maree, il solare termodinamico, l’eolico, il geotermico e così via, e per ognuno stima la potenza prodotta in watt per metro quadro di superficie utilizzata. MacKay analizza anche, sempre dallo stesso punto di vista, la produzione da energia nucleare. E questo perché è difficile, per non dire impossibile, parlare di “sostenibilità” e di “autosufficienza” energetica se non si mettono sul tavolo contemporaneamente tutti numeri in gioco.

Consideriamo ad esempio l’energia eolica. I parchi eolici in zone ventose ad esempio producono 2 watt per metro quadro. MacKay calcola che se, realisticamente, si coprisse anche il 10% della superficie britannica, l’eolico non fornirebbe più di 20 kWh/d: un sesto del consumo energetico medio attuale. Le coltivazioni per biocarburanti forniscono 0,5 watt per metro quadro. Se tutta la superficie britannica ora dedita ad agricoltura (il 75% del totale) venisse sfruttata per produrre biomassa combustibile, otterremmo 24 kWh/d. Ben lontani dai 125 kWh/d. E non dimentichiamoci che dobbiamo pure produrre mele e zucchine! Con il fotovoltaico non siamo messi meglio, e MacKay mostra come riempire i tetti delle abitazioni di pannelli può certo fornire una percentuale importante del proprio consumo personale di energia elettrica, ma per incidere sul consumo energetico totale è necessario un utilizzo su larga scala di campi solari.

Implacabili i numeri mostrano come al livello attuale dei consumi britannici (e probabilmente di altri paesi densamente popolati come l’Italia) anche sommando eolico, solare, biocarburanti, idroelettrico e altre fonti rinnovabili non è possibile purtroppo sostituire i combustibili fossili. E che in ogni tipo di opzione le rinnovabili debbano occupare una frazione significativa della superficie di un paese come la gran Bretagna. E questo senza neppure considerare i costi economici e le svariate opposizioni alle diverse forme di produzione energetica. MacKay stima che in Gran Bretagna tenendo conto dell’opposizione sociale attualmente le rinnovabili non possano fornire più di 18 kWh/d per persona. Siamo quindi molto lontani da 125. Le alternative puramente numeriche sono quella di ridurre notevolmente i consumi oppure di utilizzare fonti energetiche con una alta densità di energia per metro quadro, come le centrali nucleari. Una opzione per i paesi ricchi potrebbe essere quella comperare energia prodotta all’estero, magari in un deserto dove si possono produrre fino a 20 watt per metro quadro.

“Ogni piccolo risparmio aiuta”

MacKay non è tenero verso la retorica del “ogni piccolo risparmio aiuta”.

“Non illudetevi. Per raggiungere il nostro obiettivo di eliminare i combustibili fossili le riduzioni nella domanda e l’aumento dell’offerta devono essere grandi. Non fatevi distrarre dal mito che “ogni piccolo accorgimento aiuta”. Se ognuno fa una piccola parte otterremo solo una piccola cosa. Dobbiamo fare molto. Ciò che è richiesto sono grandi cambiamenti nella domanda e nell’offerta.

“Ma sicuramente se 60 milioni di persone fanno un piccolo gesto, sommati tutti insieme non otterremmo qualche cosa di grosso?”

No. Questo “se tutti facessero” è solo un trucco moltiplicativo per far sembrare grande qualche cosa di piccolo.”

Certo, moltiplicando un piccolo risparmio per 60 milioni otteniamo un numero che sembra molto grande. Dopo tutto l’abbiamo ottenuto moltiplicando per 60 milioni! Purtroppo questi numeri, fuori dalla portata “umana”, li dobbiamo confrontare con numeri enormemente più grandi.

Consumi e soluzioni

MacKay non si limita a sfatare alcuni miti e a riportare sulla terra le discussioni a ruota libera sul futuro energetico, ma offre anche dei suggerimenti e delle possibili soluzioni. Uno ovvio è quello di ridurre i consumi poiché è più facile risparmiare un kWh che generarne uno. Prendendo però di mira i settori che più contribuiscono e non perdendosi in mille rivoli inconcludenti. Riscaldamento e trasporti consumano la maggior parte dell’energia. Preoccuparsi di tutti gli apparecchi in standby della casa può portare ad una rispettabile riduzione dell’8% del consumo elettrico casalingo (fonte IEA) ma non certo un contributo significativo rispetto al totale. È come pretendere di svuotare il Titanic con un cucchiaino.

In Gran Bretagna ben 40 kWh/d di quei 125 kWh/d sono attribuibili al trasporto su auto e altri 40 kWh/d al riscaldamento. È qui che ha senso cercare di aggredire i consumi energetici, non certo con l’autoproduzione del burro o del sapone, per dire ;-) , che possono essere attività gratificanti a livello personale (io ogni tanto faccio il burro) ma nulla più.

L’elettrificazione di tutti i trasporti  ridurrebbe le emissioni di CO₂ aumentando l’efficienza. Le auto elettriche moderne consumano 15 kWh per 100 km, mentre le auto a benzina dai 70 ai 90 kWh. Un treno ad alta velocità invece è efficientissimo: consuma solo 3 kWh per passeggero per 100 km se a pieno carico, “solo” il triplo di una bicicletta con il suo singolo kilowattora.

Per il riscaldamento degli edifici, a supplemento del solare termico, MacKay suggerisce un uso massiccio delle pompe di calore, anche queste funzionanti a elettricità, oltre alle misure per ridurre la dispersione termica.

MacKay non propende per nessuna tecnologia in particolare, ma sostiene che, con i numeri sul tavolo, ogni paese deve disegnare un piano energetico che copra totalmente i bisogni. A chi lo accusa di essere pro-nucleare lui risponde che è solo pro-aritmetica, e che i numeri parlano da soli.

Le sue stime possono essere rese più precise, ma il vero valore di questo approccio è nel mostrare un metodo per le discussioni pubbliche sulle scelte energetiche. “Numeri, non aggettivi” dice MacKay. “Qualsiasi discussione sensata sull’energia richiede dei numeri”. Lo scopo dichiarato di MacKay è quello di mettere in grado il pubblico di avere delle discussioni sensate sull’energia e di prendere decisioni informate. In Italia avremmo un gran bisogno di un approccio così.  C’è qualche fisico che voglia adattare il libro di MacKay alla situazione italiana?

Ps: Una versione ridotta di questo articolo è apparsa sul numero 2 dell’11 Marzo 2011 dell’inserto Saturno. Ho voluto riportarla qua perché ancora in molti non sanno che nel sito potete trovare online alcuni articoli pubblicati sull’inserto.